軟油箱法蘭盤開裂分析

余小斌 ， 范金娟 ， 劉小辰 ， 劉檳滔 ， 王裕祥

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

現(xiàn)機(jī)身開裂是由于鋁合金與橡膠軟油箱防老化涂層的接觸而引起的剝落腐蝕，剝落腐蝕使板的厚度變薄進(jìn)而導(dǎo)致開裂。另有研究[7-10]發(fā)現(xiàn)，橡膠軟

軟油箱法蘭盤在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于貯存燃油的軟油箱體頂部的供油管路輸出口等的連接[1-2]。法蘭盤主要由內(nèi)嵌金屬件和橡膠組成。內(nèi)嵌金屬件經(jīng)過脫脂、吹砂、清洗、干燥等表面處理后，經(jīng)半硫化包膠，再經(jīng)二次硫化與軟油箱主體連接。內(nèi)嵌金屬件通過螺栓與輸油管相連（圖1），主要起支撐和連接作用，橡膠材料主要起緩沖和隔油作用[3]。若法蘭盤發(fā)生開裂或損壞將導(dǎo)致系統(tǒng)燃油泄漏，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)火災(zāi)[4-6]。

圖1 法蘭盤裝配圖Fig.1 Flange assembly drawing

Wu 等[7]對(duì)飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)開裂進(jìn)行了分析，發(fā)油箱外層的防老化涂層材料中的金屬氧化物和氯離子是導(dǎo)致鋁合金發(fā)生腐蝕的主要成分，且高溫、高濕環(huán)境會(huì)加速與防老化涂層緊密接觸的鋁合金的腐蝕。然而，關(guān)于軟油箱法蘭盤橡膠材料自身對(duì)鋁合金的腐蝕及腐蝕機(jī)理研究鮮有報(bào)道。

飛機(jī)在地面試車過程中發(fā)現(xiàn)軟油箱法蘭盤開裂導(dǎo)致漏油。本研究通過對(duì)失效法蘭盤外觀檢查、斷口分析、成分分析與金相分析，結(jié)合紅外光譜分析，確定法蘭盤開裂性質(zhì)及原因。為預(yù)防類似事故的發(fā)生、法蘭盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及金屬與橡膠材料聯(lián)合使用時(shí)的選材、制備、改進(jìn)等提供參考。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

圖2 為失效法蘭盤外觀。法蘭盤內(nèi)嵌金屬件的外圈正反面相同位置均存在周向裂紋，正面裂紋長(zhǎng)度約為71.8 mm，反面裂紋長(zhǎng)度約為7.3 mm，表明該裂紋為穿透性裂紋。

圖2 失效法蘭盤外觀形貌Fig.2 Appearance of failure flange

1.2 斷口觀察與成分分析

沿著裂紋兩端剪斷，橡膠脫落。利用體視顯微鏡對(duì)橡膠斷口和金屬件表面進(jìn)行宏觀形貌觀察。內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面分離，橡膠斷口表面粘有較多的淺黃色物質(zhì)（圖3a）。與橡膠粘接的內(nèi)嵌金屬件表面大面積無橡膠殘留，只局部粘有橡膠，且金屬件表面也可見淺黃色物質(zhì)（圖3b）。表明失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面發(fā)生開裂。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)橡膠斷口和金屬件表面進(jìn)行微觀形貌觀察。橡膠斷口表面明顯可見一層覆蓋物和失效源（圖4a）。在高倍下觀察覆蓋層為顆粒物（圖4b）。在覆蓋層的邊緣可見裂紋源，裂紋從粘接界面起源，呈點(diǎn)源特征，源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)主要呈撕裂特征，未見疲勞弧線特征，由此確定橡膠為過載開裂（圖4a、圖4c）。內(nèi)嵌金屬件表面出現(xiàn)龜裂特征（圖4d），表明金屬件表面可能發(fā)生了氧化與腐蝕。

對(duì)橡膠斷口表面粘有的淺黃色物質(zhì)以及失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬件表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。由表1 結(jié)果可知，O 元素含量約為53%，Al 元素含量約為20%，Cl 元素含量較高，為4%左右。從其成分判斷橡膠斷口表面顆粒物與金屬件表面所含元素種類基本相同，進(jìn)一步確定內(nèi)嵌金屬件發(fā)生了氧化與腐蝕，腐蝕發(fā)生在內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面處。腐蝕產(chǎn)物一部分存留在橡膠斷口表面，另一部分在內(nèi)嵌金屬件表面。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of fracture

圖4 裂紋斷口微觀形貌Fig.4 Micro appearances of fracture surface

表1 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Results of energy spectrum analysis (mass fraction /%)

1.3 截面檢查

圖5 內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面Fig.5 Metal and rubber bond interface

將失效法蘭盤橡膠表面無裂紋區(qū)域沿徑向切開，觀察內(nèi)嵌金屬件與橡膠界面的粘接情況。內(nèi)嵌金屬件外圈與橡膠粘接界面存在開裂現(xiàn)象（圖5）。可見裂紋從金屬件外圈與橡膠粘接界面起源。然后，裂紋先沿著粘接界面分別向兩邊擴(kuò)展，而后裂紋擴(kuò)展逐步進(jìn)入橡膠內(nèi)部，尚未擴(kuò)展至表面。觀察開裂的粘接界面發(fā)現(xiàn)，金屬件粘接邊緣有腐蝕特征，粘接橡膠表面也有腐蝕殘留物，說明金屬件腐蝕可能發(fā)生在穿透性裂紋形成之前。由此確定腐蝕性介質(zhì)不是來源于外界環(huán)境。

選取失效法蘭盤無裂紋區(qū)域沿徑向切開，將內(nèi)嵌金屬件拋磨制成金相試樣，利用金相顯微鏡對(duì)金屬件進(jìn)行金相組織觀察。失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面金相顯微形貌見圖6，可見金屬件邊緣存在開裂及微裂紋，且邊緣明顯可見呈“斑點(diǎn)狀”的腐蝕特征，腐蝕區(qū)域位于金屬件與橡膠粘接界面。說明金屬件粘接邊緣的腐蝕發(fā)生在界面開裂之前。而新制備的法蘭盤內(nèi)嵌金屬件材料表面沒有發(fā)生腐蝕。說明腐蝕不是在制備過程中導(dǎo)致的。

1.4 紅外光譜分析

圖6 失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬與橡膠界面金相顯微鏡形貌Fig.6 Metallographic microscope morphology of metal and rubber interface of failure flange

采用紅外光譜儀（光譜掃描波段為4250～500 cm-1，光譜分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)設(shè)置為32）對(duì)失效法蘭盤、新法蘭盤橡膠膠料進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果見圖7。從圖7 中可知，失效法蘭盤、新法蘭盤橡膠膠料的特征吸收峰基本相同，說明二者使用的膠料基本相同。圖中2235 cm-1為—C≡N 的特征吸收峰，1595 cm-1為芳香族—CH=CH—的特征吸收峰，968 cm-1為反式—CH=CH—的特征吸收峰，均為丁腈橡膠的特征吸收峰。1095 cm-1為C—O—C 的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收強(qiáng)峰，744 cm-1為C—Cl 的伸縮振動(dòng)吸收峰，在1100～1426 cm-1區(qū)間出現(xiàn)了許多小的特征吸收峰，表明存在—CH2和—CH—中C—H 鍵的彎曲振動(dòng)吸收峰，均為氯醇橡膠的特征吸收峰[11-13]。分析判斷膠料成分為丁腈橡膠-氯醇橡膠共混物。

圖7 失效法蘭盤、新法蘭盤膠料紅外光譜圖Fig.7 FT-IR spectra of failure flange and new flange

2 分析與討論

失效法蘭盤橡膠材料為丁腈橡膠-氯醇橡膠共混物。其中，氯醇橡膠對(duì)一些金屬材料都有不同程度的腐蝕，尤其對(duì)鋁合金、鎂合金、45 鋼腐蝕更為嚴(yán)重。圖8 為氯醇橡膠分子結(jié)構(gòu)式。氯醇橡膠的側(cè)鏈氯甲基在加工和使用過程中會(huì)釋放出HCl，HCl 又能破壞醚鍵，形成H2O 和低聚物，并附著于金屬材料表面。由于內(nèi)嵌金屬材料為鋁合金。HCl 和H2O 與鋁合金中的Al、Zn 元素形成AlCl3、ZnCl2，而ZnCl2促進(jìn)了氯醇橡膠中HCl 的釋放，進(jìn)而促進(jìn)了式（1）、式（2）的化學(xué)反應(yīng)以及同時(shí)發(fā)生的腐蝕，使金屬材料與橡膠粘接界面邊緣發(fā)生的腐蝕逐步加深和擴(kuò)展。

圖8 氯醇橡膠Fig.8 Chlorohydrin rubber

綜上分析，新制備的法蘭盤內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面尚未發(fā)生反應(yīng)，無腐蝕特征。法蘭盤使用一段時(shí)間后，在內(nèi)嵌金屬件邊緣形成微小的腐蝕點(diǎn)。隨著使用時(shí)間的增加，這些微小的腐蝕點(diǎn)逐漸擴(kuò)展相互連接，使得法蘭盤內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接界面的邊緣完全被腐蝕后，導(dǎo)致金屬件與橡膠粘接界面開裂（圖5）。綜合分析認(rèn)為，失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬件材料與橡膠粘接邊緣發(fā)生的腐蝕為氯醇橡膠所致。

失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬件粘接邊緣被氯醇橡膠腐蝕后，導(dǎo)致內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接面積減少。在應(yīng)力作用下金屬件腐蝕區(qū)域易形成微裂紋和開裂，同樣導(dǎo)致粘接區(qū)域的弱化，加劇橡膠發(fā)生過載開裂，使得法蘭盤漏油。

3 結(jié)論

1）失效法蘭盤橡膠開裂為過載導(dǎo)致。

2）失效法蘭盤內(nèi)嵌金屬件與橡膠粘接邊緣被氯醇橡膠腐蝕，導(dǎo)致粘接面積減少，是過載開裂的主要原因。