聚四氟乙烯軟管氣蝕引起疲勞損傷的形貌分析

陳 榮，閻 旭，張東方，夏洪花，宋 科

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

0 引言

因具有耐高低溫、耐腐蝕、抗老化、抗靜電、重量輕、流阻小、吸收振動(dòng)和使用壽命長等特點(diǎn)，聚四氟乙烯軟管組件廣泛用于航空裝備液壓、氣動(dòng)、燃（滑）油、動(dòng)力、推進(jìn)、應(yīng)急、彈射和伺服等系統(tǒng)。滲漏是聚四氟乙烯軟管使用中常見的故障模式，以往引起滲漏的原因大多與軟管制造缺陷或內(nèi)表面劃傷等因素有關(guān)。氣蝕是在流體壓力變化的條件下，與流體接觸的固體表面發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。在飛機(jī)液壓系統(tǒng)中，高速流動(dòng)的液壓油在負(fù)壓下分解出游離狀態(tài)的微小氣泡，隨后氣泡在高壓下收縮、破裂，從而對油液接觸的液壓系統(tǒng)元件表面產(chǎn)生局部沖擊和高溫，長期作用造成元件表面剝落，形成蜂窩狀小坑，這就是“氣蝕”。液壓泵、液壓馬達(dá)等動(dòng)力元件中氣蝕現(xiàn)象較為常見，管路系統(tǒng)中管型突變部位發(fā)生氣蝕的情況也偶有發(fā)生[1-2]，但是低壓吸油導(dǎo)管發(fā)生氣蝕失效尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。國內(nèi)外學(xué)者針對氣蝕機(jī)理、結(jié)構(gòu)材料抗氣蝕性能、涂層抗氣蝕性能等方面開展了大量研究工作[3-5]，也有人對塑料的氣蝕行為開展研究[6-7]，但氣蝕損傷的形貌特征很少有人關(guān)注，特別是氣蝕引起疲勞損傷的形貌特征鮮有報(bào)道。

飛機(jī)多次發(fā)生液壓系統(tǒng)吸油軟管漏油故障，漏油部位均在與液壓泵入口相連的軟管管體上。本研究利用視頻顯微鏡、掃描電鏡等手段對軟管的損傷形貌及特征進(jìn)行詳細(xì)分析，以確定軟管失效性質(zhì)。

1 試驗(yàn)研究

飛機(jī)先后發(fā)生10 余起液壓系統(tǒng)吸油軟管漏油故障，故障軟管分布在7 個(gè)制造批次中，使用時(shí)間最短為150 h，最長為754 h。故障軟管為聚四氟乙烯軟管組件，內(nèi)管材料為聚四氟乙烯，外包金屬編織層，兩端為金屬套筒及接頭。軟管一端連接液壓泵進(jìn)油口，另一端連接硬管并通向液壓油箱，全長約800 mm。軟管漏油部位均位于軟管與液壓泵連接端套筒附近35～100 mm 的范圍內(nèi)，且滲漏點(diǎn)均在軟管彎曲弧內(nèi)側(cè)（圖1）。

圖1 發(fā)生漏油故障的吸油軟管Fig.1 PTFE pipe with leakage faulty

1.1 宏觀檢查

故障吸油軟管宏觀損傷特征相似，軟管外觀完好，編織層無明顯擠壓、斷絲等現(xiàn)象，軟管內(nèi)管上存在一個(gè)或多個(gè)沿軸向分布的孔洞，典型形貌見圖2?？锥丛诠荏w內(nèi)表面呈橢圓形，長軸大致沿軟管軸向分布，長度不等，短軸尺寸為1～1.5 mm?？锥催吘壊灰?guī)則，內(nèi)壁起伏不平，部分孔洞已穿透內(nèi)管管體，從剖面看孔洞呈喇叭口狀，在管體內(nèi)表面開口大，由內(nèi)表面向外表面逐漸變小，喇叭口在內(nèi)表面靠液壓泵側(cè)形成類似“慧尾”的淺層剝落，孔洞在厚度方向上略有傾斜，多個(gè)失效軟管上孔洞的傾斜方向非常一致，均呈現(xiàn)由內(nèi)向外逐漸遠(yuǎn)離液壓泵的特點(diǎn)，孔洞典型形貌見圖3、圖4，示意圖見圖5。

圖2 孔洞在軟管內(nèi)管外表面和內(nèi)表面典型形貌Fig.2 Typical damage characteristics of caves on PTFE pipe

圖3 不同軟管上的孔洞典型宏觀形貌Fig.3 Typical macroscopic morphology of caves on different PTFE pipes

圖4 孔洞典型剖面形貌Fig.4 Typical macro-feature of cross-section of different pipes

圖5 內(nèi)管孔洞輪廓示意圖Fig.5 Sketch map of pipe cave

此外，還有部分軟管內(nèi)管雖然尚未形成穿透性孔洞，但內(nèi)表面有與故障軟管相似的淺層損傷（圖6）。

圖6 內(nèi)管內(nèi)表面的淺層損傷Fig.6 Shallow-spalling damage on inner surface of pipe

1.2 微觀觀察

在掃描電鏡下觀察管體內(nèi)表面形貌，這些軟管孔洞形貌相似，低倍下呈海綿狀，由大量細(xì)小凹坑組成。高倍觀察可見這些凹坑均由大小不等的扇形疲勞區(qū)組成，疲勞區(qū)大小不等，但大部分尺寸在0.2 mm×0.2 mm 以內(nèi)，疲勞條帶特征清晰，疲勞擴(kuò)展方向不定，既有平行于表面的，也有沿深度方向的，一個(gè)疲勞區(qū)的邊緣往往是另一個(gè)疲勞區(qū)的起始。有些孔洞內(nèi)可見橫向或縱向分布的微裂紋。觀察孔洞邊緣的淺層凹坑，也有明顯的疲勞條帶等特征，這些疲勞區(qū)大多從次表面起始，源區(qū)未見明顯缺陷?？锥粗車参匆妱潅?、夾雜等缺陷。典型損傷形貌見圖7。

圖7 孔洞微觀形貌Fig.7 Microscopic feature of caves

在較大的穿透性孔洞附近的管體內(nèi)表面，還可見零星分布的尺寸很小的淺層凹坑，這些凹坑較小的只有20～30 μm 左右，但坑底均可見疲勞條帶特征和微裂紋，凹坑邊緣可見輕微鼓包變形，疲勞源區(qū)未見明顯夾雜等缺陷，大部分凹坑周邊沒有粗大劃痕等表面缺陷（圖8）。

圖8 孔洞附近小凹坑疲勞特征Fig.8 Fatigue features of small pits near caves

有的軟管內(nèi)表面未形成穿透性孔洞，但可見面積較大的淺層剝落損傷。在掃描電鏡下觀察剝落區(qū)形貌，可見剝落區(qū)底部較平，由多個(gè)小疲勞區(qū)組成，并可見明顯疲勞條帶特征，這些小疲勞區(qū)大多平行于內(nèi)管表面，擴(kuò)展至剝落區(qū)邊緣時(shí)出現(xiàn)分層翹起現(xiàn)象，剝落區(qū)內(nèi)未見夾雜等缺陷。在剝落區(qū)附近還可見一些尺寸更小的剝落坑，坑內(nèi)有疲勞條帶特征，坑邊緣鼓包翹起，還有的表層尚未剝落，已出現(xiàn)明顯鼓包分層。典型形貌見圖9。

圖9 軟管淺層剝落處低倍形貌Fig.9 Characteristics of shallow spalling of pipe

2 分析討論

外場先后發(fā)生的10 余起軟管漏油故障中，軟管內(nèi)管滲漏部位均位于軟管與液壓泵連接端附近，且故障點(diǎn)均在軟管彎曲弧內(nèi)側(cè)。軟管損傷區(qū)宏觀和微觀形貌相似，宏觀上均為不規(guī)則的孔洞，孔洞表面粗糙不平，類似海綿狀；微觀上這些孔洞由多個(gè)大小不一的凹坑組成，這些凹坑上可見清晰的疲勞條帶特征，因此，根據(jù)上述特征判斷，這些聚四氟乙烯軟管組件的失效模式相同。

已穿透管壁的孔洞均呈喇叭口狀，在內(nèi)表面孔洞尺寸最大，向外表面逐漸變小，部分軟管內(nèi)表面還可見未穿透的孔洞以及較淺的剝落損傷，表明軟管損傷首先從內(nèi)表面開始，逐漸向深度方向擴(kuò)展直至穿透管壁?？锥醇皽\層剝落微觀上均可看到清晰的疲勞條帶特征，表明孔洞及剝落是在交變載荷作用下形成的，屬于疲勞損傷。這種疲勞損傷具有典型特征：疲勞擴(kuò)展不連續(xù)，孔洞由多個(gè)疲勞區(qū)組成，疲勞區(qū)尺寸大多在0.2 mm×0.2 mm以內(nèi)，疲勞擴(kuò)展方向大多平行于內(nèi)管表面，也有局部沿內(nèi)管厚度方向，導(dǎo)致內(nèi)管材料呈現(xiàn)出層狀疲勞剝落的特點(diǎn)。疲勞開裂是飛機(jī)液壓系統(tǒng)金屬導(dǎo)管的常見故障模式，其失效原因主要與裝配應(yīng)力、導(dǎo)管振動(dòng)等因素有關(guān)[8-9]，而本文研究的氟塑料軟管失效特征與傳統(tǒng)的液壓脈動(dòng)或管路振動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞裂紋有明顯差異。此外，液體沖蝕可能在導(dǎo)管表面產(chǎn)生損傷，但圍繞沖擊點(diǎn)往往會(huì)形成環(huán)形、橫向或縱向等不同角度的微裂紋，且沖擊損傷表面較為光滑[10]，不會(huì)出現(xiàn)疲勞條帶等特征，與本故障特征也有明顯差異。

故障聚四氟乙烯軟管為液壓系統(tǒng)吸油管路的一部分，吸油管路一端與液壓油箱相連，一端與液壓泵吸油口相連。在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)收放、停止瞬間，液壓泵進(jìn)油口附近管路內(nèi)部的液壓油由于壓力突變可能出現(xiàn)氣泡并潰滅，具備產(chǎn)生氣蝕的條件。S M Ahmed 等[11]曾針對304 不銹鋼開展了氣蝕損傷機(jī)理的深入研究，按照ASTM G32—1985標(biāo)準(zhǔn)開展振動(dòng)氣蝕試驗(yàn)，研究認(rèn)為氣蝕的典型失效模式為疲勞失效，失效特征主要包括：1）初期氣蝕表面產(chǎn)生局部塑性變形，滑移帶沿高向發(fā)展；2）裂紋從高應(yīng)力（應(yīng)變）集中部位形核，如凹坑、表面拋光線、滑移帶上的材料不連續(xù)等；3）裂紋首先傾斜于表面形成，之后沿平行于表面方向擴(kuò)展；4）斷裂表面可見疲勞條帶或輪胎花樣。Shuji Hattori等研究了塑料的耐氣蝕性能，Abouel-Kasem、Shuji Hattori 等[12-13]對比分析了不銹鋼、鋁合金以及聚四氟乙烯等不同材料的耐氣蝕性能，對金屬或塑料等非金屬材料，氣蝕的過程均與疲勞斷裂的行為一致，材料耐氣蝕能力取決于沖擊能及材料的疲勞強(qiáng)度。因此，根據(jù)軟管工作環(huán)境、損傷形貌等綜合分析認(rèn)為，聚四氟乙烯軟管失效性質(zhì)為氣蝕引起的疲勞損傷。

根據(jù)氣蝕損傷的沖擊波機(jī)制，尺寸較大的氣泡潰滅瞬間會(huì)產(chǎn)生流體沖擊波，巨大的沖擊波導(dǎo)致固體表面塑性變形，在沖擊波反復(fù)作用下，軟管內(nèi)表面首先出現(xiàn)零星分布的細(xì)小凹坑。之后凹坑在沖擊波作用下不斷擴(kuò)展變大，同時(shí)凹坑處成為新的應(yīng)力集中部位，氣泡更容易在凹坑周圍聚集和潰滅，示意圖見圖10；因此，一個(gè)接一個(gè)的疲勞區(qū)得以不斷形成并發(fā)展，最終形成宏觀可見的孔洞。故障軟管內(nèi)表面的孔洞附近均可見一些零星分布的細(xì)小凹坑，凹坑很淺，可見疲勞條帶特征，邊緣有鼓起變形特征，最小的凹坑尺寸約為0.02 mm×0.03 mm，這些細(xì)小凹坑就是氣蝕失效的早期階段。軟管一端與液壓泵入口相連，在液壓泵啟動(dòng)及停止瞬間，入口處流體會(huì)形成湍流，部分流體沿管壁反向流動(dòng)。因此，最終形成的宏觀孔洞往往在液壓泵側(cè)有很長區(qū)域的而淺層剝落，同時(shí)在深度方向上遠(yuǎn)離液壓泵側(cè)。

圖10 軟管氣蝕損傷過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of cavitation erosion process of pipe

3 結(jié)論

1）飛機(jī)液壓系統(tǒng)聚四氟乙烯軟管組件失效性質(zhì)為氣蝕引起的疲勞損傷。

2）聚四氟乙烯軟管的氣蝕疲勞損傷特點(diǎn)為：宏觀上損傷區(qū)為蜂窩狀孔洞形貌，微觀上孔洞由多個(gè)小疲勞區(qū)組成，可見疲勞條帶特征；裂紋早期從表面或次表面萌生，基本以平行于表面的疲勞擴(kuò)展為主，形成尺寸很小的淺層凹坑，凹坑不斷擴(kuò)展并在邊緣形成新的疲勞裂紋。

3）液壓軟管氣蝕疲勞損傷的形成與沖擊波機(jī)制較為吻合。