鎂基復(fù)合材料真空吸滲擠壓工藝故障模式分析*

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境趨于惡劣，因此對(duì)材料性能的要求越來越高。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是利用高性能碳纖維作為增強(qiáng)體，與相應(yīng)的鎂合金基體在高溫高壓環(huán)境中復(fù)合而成。由于碳纖維的加入，鎂基復(fù)合材料展示出高比強(qiáng)度、高比模量，耐磨性強(qiáng)，耐高溫性能好，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗老化等優(yōu)良的綜合性能，在航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

鎂基復(fù)合材料的最終性能與其相應(yīng)的制造工藝直接相關(guān)，制備過程在很大程度上決定了最終的性能與應(yīng)用。真空吸滲擠壓工藝[2-4]集液態(tài)模鍛和真空壓力浸滲于一體，在惰性氣體的作用下將鎂液平穩(wěn)澆注到擠壓筒，然后利用凸模的壓力使鎂液浸入碳纖維預(yù)制體內(nèi)，完成擠壓浸滲和保壓凝固。該工藝實(shí)現(xiàn)了鎂基復(fù)合材料制備過程中的均勻浸滲，具有提高致密性，減少甚至消除缺陷等諸多優(yōu)勢。實(shí)施過程依靠坩堝、擠壓裝置、液壓機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)等多要素整合后一體化完成，涉及鎂液熔煉、澆注、擠壓浸滲及保壓凝固等多個(gè)過程，部件較多，工作環(huán)境較為惡劣，產(chǎn)生很大的熱輻射、易燃物和粉塵等，必然給試驗(yàn)過程帶來很大的影響，造成故障的發(fā)生。因此，有必要從工藝試驗(yàn)系統(tǒng)的故障模式分析出發(fā)，進(jìn)行工藝試驗(yàn)系統(tǒng)的故障原因分析及危害度評(píng)估，為改善與優(yōu)化工藝試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 真空吸滲擠壓工藝介紹

真空吸滲擠壓工藝是制備鎂基復(fù)合材料的一體化成形系統(tǒng)，包括機(jī)、電、液等多種復(fù)雜元件。該工藝試驗(yàn)過程是先將碳纖維按設(shè)計(jì)要求做成預(yù)定形狀的預(yù)制體；再將此預(yù)制體置于模具的型腔部位，放入造型部件，安裝管路系統(tǒng)后對(duì)坩鍋及模具進(jìn)行加熱；預(yù)熱到設(shè)定溫度后抽真空，然后以高純氬氣作為動(dòng)力將液態(tài)合金澆入模具型腔，凸模下行并進(jìn)行施壓，使液態(tài)合金在壓力作用下滲入碳纖維的間隙并保持一定壓力至凝固成形，經(jīng)脫模后獲得整體的復(fù)合材料制件，系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 真空吸滲擠壓工藝Fig.1 Extrusion directly following vacuum pressure infiltration technique

真空吸滲擠壓工藝從結(jié)構(gòu)和功能上主要分為6部分，各系統(tǒng)作用如下：

坩鍋系統(tǒng)，作為鎂合金在保護(hù)氣體下的熔化裝置；加熱系統(tǒng)，完成坩鍋內(nèi)合金的熔煉、模具的預(yù)熱及澆注管道的保溫；氣路系統(tǒng)，完成鎂合金保護(hù)熔煉和型腔抽真空；成型系統(tǒng)，提供復(fù)合材料制件成形的空間；壓力系統(tǒng)，通過四柱液壓機(jī)提供復(fù)合材料成形時(shí)的擠壓力；監(jiān)控系統(tǒng)，檢測采集各部位溫度及壓力，全面監(jiān)控各系統(tǒng)的工作狀態(tài)。試驗(yàn)過程中，這6個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作，保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行，當(dāng)其中任何一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，將影響工藝試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

2 真空吸滲擠壓工藝故障模式分析

真空吸滲擠壓工藝的故障模式及危害度分析是面向整體工藝系統(tǒng)中某一具體子系統(tǒng)的分析方法。即從單個(gè)組成部件的故障開始，分析部件一旦發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的危害程度，并采取措施減少故障對(duì)整體工藝系統(tǒng)造成的影響，其特點(diǎn)是對(duì)故障進(jìn)行逐個(gè)分析，并利用表格完成定量分析[5-6]。

鎂基復(fù)合材料制備成型的一體化系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到復(fù)合材料的制備水平，通過對(duì)真空吸滲擠壓工藝的故障模式的統(tǒng)計(jì)分析，可明確各組成部分的故障類型，確定其對(duì)系統(tǒng)的危害度，為最終的可靠性改進(jìn)提供依據(jù)?；谡婵瘴鼭B擠壓工藝2年期間累計(jì)140次制備試驗(yàn)及其中的54組故障數(shù)據(jù)，對(duì)與系統(tǒng)有關(guān)的故障進(jìn)行分析總結(jié)，完成該工藝的故障數(shù)據(jù)分類，然后進(jìn)行故障模式分析。

2.1 故障部位分析

根據(jù)真空吸滲擠壓工藝的運(yùn)行數(shù)據(jù)，各組成系統(tǒng)的故障頻次及比例如表1所示。

表1 故障部位頻率表

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，坩鍋系統(tǒng)故障和加熱系統(tǒng)故障所占比例分別為16.67%和50.00%，認(rèn)為是影響工藝可靠性的主要因素。加熱系統(tǒng)的故障最多，包括坩鍋爐和模具預(yù)熱爐，其所占的故障比較最高，達(dá)到50%；其他故障多發(fā)系統(tǒng)依次為坩鍋系統(tǒng)(16.67%)、氣路系統(tǒng)(12.96%)，這兩部分占近30%，其余系統(tǒng)故障相對(duì)較少。

2.2 故障模式分析

在各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，建立故障模式頻率表，如表2所示。

發(fā)生故障的主要模式為電阻絲熔斷或脆斷，高達(dá)33.33%，這主要包括坩鍋加熱及模具預(yù)熱電阻絲的損壞。從損壞的原因看，由于在預(yù)熱的過程中存在長時(shí)間的過載現(xiàn)象，外加高溫狀態(tài)的工作環(huán)境較為惡劣，同時(shí)部分廠家生產(chǎn)質(zhì)量低劣，導(dǎo)致電阻絲燒損，使得必須更換才可繼續(xù)完成試驗(yàn)過程，嚴(yán)重影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

2.3 故障原因分析

對(duì)發(fā)生故障的系統(tǒng)零部件進(jìn)行原因分析，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)故障原因的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，各類部件的損壞比較嚴(yán)重，包含加熱部件、測試部件等。損壞的原因包括：元器件的質(zhì)量不佳、試驗(yàn)設(shè)備的日常維護(hù)不當(dāng)；系統(tǒng)的熱平衡不好所引起器件高溫?fù)p壞甚至燒毀；試驗(yàn)人員操作失誤、工藝參數(shù)不當(dāng)、行程參數(shù)錯(cuò)誤等引起的系統(tǒng)故障。

表2 故障模式頻率表

表3 故障原因分析表

2.4 故障危害度分析

危害度分析是對(duì)真空吸滲擠壓工藝的故障模式及原因進(jìn)行分析，對(duì)單個(gè)的故障影響進(jìn)行定量化研究。分析過程是按照單個(gè)部件故障模式發(fā)生概率的綜合影響來研究故障模式，進(jìn)而全面評(píng)價(jià)故障模式對(duì)整體工藝系統(tǒng)的影響，它可以反映各部件發(fā)生故障時(shí)，對(duì)整體系統(tǒng)功能的影響程度[7]。

對(duì)單個(gè)組成系統(tǒng)的危害度做如下定義：i組成系統(tǒng)以j故障模式致使該組成系統(tǒng)發(fā)生故障的危害度為CRij=αijβijλ。因此i組成系統(tǒng)對(duì)整個(gè)工藝試驗(yàn)系統(tǒng)的危害度為：

式中，αij=nj/ni為i系統(tǒng)在j故障模式下引起故障的概率，其中nj為i系統(tǒng)第j中故障模式出現(xiàn)的次數(shù)，ni為i系統(tǒng)全部故障模式發(fā)生的次數(shù)[7]；βij為i系統(tǒng)在j故障模式下導(dǎo)致該系統(tǒng)故障的概率，βij=1表示該系統(tǒng)必定故障，βij=0.5表示該系統(tǒng)可能故障，βij=0.1表示該系統(tǒng)故障很少；λ為系統(tǒng)i的基本故障率。計(jì)算所得故障危害度分析如表4所示。

表4 故障危害度分析表

由表中數(shù)據(jù)可以看出，故障危害度最高的是加熱系統(tǒng)，成為影響真空吸滲擠壓工藝可靠性的關(guān)鍵，然后是坩鍋系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)[8-9]。所以加熱系統(tǒng)、坩鍋系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)是薄弱環(huán)節(jié)。因此，應(yīng)選擇高質(zhì)量的部件，采取防潮、防振等措施改進(jìn)設(shè)備存放環(huán)境以保證工作狀態(tài)的穩(wěn)定，提高工藝系統(tǒng)的可靠性。

2.5 工藝改進(jìn)

在故障模式分析的基礎(chǔ)上，對(duì)影響工藝運(yùn)行的薄弱系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)措施如表5所示。

對(duì)改進(jìn)后的30次工藝試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生故障4次，故障發(fā)生率從原來的38.6%降至13.3%，故障現(xiàn)象分別為：加熱元件損壞2次，坩堝漏氣1次，氣路堵塞1次。這是由于工藝試驗(yàn)溫度較高，工況較為惡劣，故障的完全消除還有待于進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化工藝試驗(yàn)系統(tǒng)。

表5 故障部位改進(jìn)表

3 結(jié)論

根據(jù)鎂基復(fù)合材料真空吸滲擠壓工藝的試驗(yàn)記錄，進(jìn)行了系統(tǒng)的故障模式分析，得到影響系統(tǒng)運(yùn)行的主要原因是加熱部件、測試部件等元器件的損壞。通過危害度分析，得出加熱系統(tǒng)是最薄弱部分，其次是坩堝系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)。在對(duì)故障原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地對(duì)薄弱系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)行結(jié)果顯示真空吸滲擠壓工藝的穩(wěn)定性明顯提高，試驗(yàn)過程故障率從原來的38.6%降至13.3%。

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