氟醚橡膠O形密封圈耐航空發(fā)動機潤滑油性能的研究

楊 睿，趙文博，王 珍，陸 明，劉金嶺，蘇正濤

（中國航發(fā)北京航空材料研究院 中國航發(fā)減振降噪材料及應用技術重點實驗室，北京 100095）

現(xiàn)代航空發(fā)動機正朝高推重比、高性能、高可靠的方向發(fā)展，作為航空發(fā)動機“血液”的航空潤滑油，身兼數(shù)職，在發(fā)揮潤滑作用的同時，還要發(fā)揮清潔、密封、冷卻、腐蝕控制和緩沖等作用。若潤滑油失效，發(fā)動機將會受到嚴重損害。因此，為了提高發(fā)動機的安全可靠性，世界各國都在不斷研制高性能航空發(fā)動機潤滑油[1-3]。美國頒布了航空發(fā)動機潤滑油規(guī)范MIL-L-23699，將符合規(guī)范的發(fā)動機潤滑油稱為Ⅱ型潤滑油，并將Ⅱ型潤滑油劃分為標準型、防腐型與熱氧穩(wěn)定型。不同類型Ⅱ型潤滑油適應航空發(fā)動機不同使用工況[4-6]。

氟醚橡膠是由偏氟乙烯、四氟乙烯、全氟烷基乙烯基醚等單體共聚制備的多元含氟彈性體。與普通氟橡膠相比，氟醚橡膠由于側鏈含醚鍵（提高了分子鏈柔性），不僅改善了耐低溫性能，而且保持了含氟橡膠的耐介質性能，是目前耐低溫和耐介質綜合性能最優(yōu)異的橡膠材料之一[7-10]，是航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的可選密封材料[11-15]。

本工作選取航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中常用的TR10（回縮10%對應的溫度）為－30 ℃級氟醚橡膠作為研究對象，采用2種不同氟含量的氟醚橡膠制備出標準O形密封圈，重點考察2種O形密封圈的物理性能和耐3種航空發(fā)動機潤滑油性能，以期為TR10為－30 ℃級氟醚橡膠作為航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的密封材料使用提供支持。

1 實驗

1.1 原材料

氟醚橡膠，牌號PL855，氟質量分數(shù)為0.64，TR10為－30 ℃；牌號VPL85730，氟質量分數(shù)為0.67，TR10為－30 ℃，蘇威（上海）有限公司產品。炭黑N990，贏創(chuàng)德固賽（中國）有限公司產品。氧化鋅，工業(yè)級，海順新材料有限公司產品；三烯丙基異氰脲酸酯（助交聯(lián)劑TAIC）和2，5-二甲基-2，5-雙（叔丁基過氧基）己烷（硫化劑雙2，5），化學純，湖南以翔科技有限公司產品。飛馬Ⅱ型號潤滑油，MIL-L-23699標準型，埃克森美孚公司產品。長城4050潤滑油，相當于MIL-L-23699標準型，中國石化石油化工科學研究院產品。FDS-655-HTS潤滑油，相當于MIL-L-23699熱氧穩(wěn)定型，孚迪斯石油化工（葫蘆島）有限公司產品。

1.2 試驗配方

氟醚橡膠 100，炭黑N990 40，氧化鋅 5，助交聯(lián)劑TAIC 3，硫化劑雙2，5 1。采用牌號為PL855和VPL85730的氟醚橡膠膠料配方編號為FM-855和FM-85730。

1.3 主要設備和儀器

SY-6215-C型開煉機，東莞市世研精密儀器設備有限公司產品；TY-7006型平板硫化機，江蘇天源試驗設備有限公司產品；Barofix Ⅲ型顯微IRHD硬度計，德國Bareiss公司產品；T-2000型拉力試驗機，濟寧同創(chuàng)機械有限公司產品；101A-2E型老化烘箱，上海錦玟儀器設備有限公司產品；JSM-7500F型掃描電子顯微鏡（SEM），日本JEOL公司產品。

1.4 試樣制備

混煉在開煉機上進行，氟醚橡膠先塑煉，包輥后加入炭黑N990及氧化鋅，混煉均勻后加入助交聯(lián)劑TAIC和硫化劑雙2，5，薄通8遍后，再進行出片。

將混煉膠停放24 h后壓制為標準O形密封圈（24.99 mm×3.53 mm）。試樣采用兩段硫化，一段硫化條件為160 ℃×15 min，二段硫化條件為200 ℃×4 h。

1.5 測試分析

（1）IRHD硬度。采用顯微IRHD硬度計按照GB/T 6031—2017測試O形密封圈的IRHD硬度（M型）。

（2）拉伸性能。采用拉力試驗機按照GB/T 5720—2008測試O形密封圈的拉伸性能。

（3）耐熱空氣老化性能。采用老化烘箱按照GB/T 3512—2014進行O形密封圈的耐熱空氣老化試驗。

（4）壓縮永久變形。按照GB/T 5720—2008測試O形密封圈的壓縮永久變形，壓縮率為25%。

（5）耐航空發(fā)動機潤滑油性能。按照GB/T 1690—2010測試O形密封圈的耐航空發(fā)動機潤滑油性能。

（6）SEM分析。試樣的拉伸斷面進行噴金處理，采用SEM觀察試樣的拉伸斷面形貌。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

FM-855和FM-85730 O形密封圈混煉膠的硫化特性如表1所示。

表1 FM-855和FM-85730 O形密封圈混煉膠的硫化特性（160 ℃）Tab.1 Vulcanization characteristics of FM-855 and FM-85730 O-ring seal compounds at 160 ℃

由表1可見，F(xiàn)M-855和FM-85730 O形密封圈混煉膠的硫化特性相差不大。

2.2 物理性能

FM-855和FM-85730 O形密封圈的物理性能如表2所示。

表2 FM-855和FM-85730 O形密封圈的物理性能Tab.2 Physical properties of FM-855 and FM-85730 O-ring seals

由表2可見：與FM-855 O形密封圈相比，F(xiàn)M-85730 O形密封圈的硬度稍高，拉伸強度和拉斷伸長率較低，TR10相當，即耐低溫等級相當，高溫壓縮永久變形相近。275 ℃×70 h熱空氣老化后，F(xiàn)M-85730 O形密封圈的硬度和拉伸強度分別降低6度和21.1%，而FM-855 O形密封圈的硬度和拉伸強度分別降低4度和9.3%，說明FM-855 O形密封圈的耐高溫性能更優(yōu)異。

2.3 耐航空發(fā)動機潤滑油性能

FM-855和FM-85730 O形密封圈的耐航空發(fā)動機潤滑油性能如表3所示。

表3 FM-855和FM-85730 O形密封圈的耐航空發(fā)動機潤滑油性能Tab.3 Aeroengine lubricating oil resistances of FM-855 and FM-85730 O-ring seals

由表3可以看出：與FM-855 O形密封圈相比，F(xiàn)M-85730 O形密封圈耐飛馬Ⅱ號、長城4050和FDS-655-HTS潤滑油的性能更好，表現(xiàn)為3種潤滑油浸泡后硬度變化和體積變化率更小。這是因為FM-85730的氟含量更高，因此其O形密封圈更能抵抗介質侵蝕。

對比經潤滑油浸泡后FM-855和FM-85730 O形密封圈的體積變化和壓縮永久變形可得：FM-85730 O形密封圈的體積變化率較小，但壓縮永久變形較大；FM-855 O形密封圈的體積變化率較大，但壓縮永久變形較小。這是由于FM-855中氟含量較低，其O形密封圈受到潤滑油的侵蝕更嚴重，進而導致橡膠分子間距增大，分子鏈活動能力增大，O形密封圈受壓縮后的彈性增強，而且體積的增大也抵消了一部分壓縮永久變形。FM-85730 O形密封圈的情況則相反。

根據上述分析可推斷，潤滑油對氟醚橡膠的侵蝕程度是決定FM-855和FM-85730 O形密封圈耐潤滑油性能的根本因素，也間接決定了氟醚橡膠O形密封圈在航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中的密封性能。如在某些情況下，雖然使用一定時間的氟醚橡膠O形密封圈的壓縮變形較小，但O形密封圈有可能已發(fā)生較大的體積膨脹，若繼續(xù)使用，則可能被擠入溝槽間隙，進而導致其破壞及密封失效。

從表3還可以看出：經飛馬Ⅱ號、長城4050和FDS-655-HTS潤滑油浸泡后FM-85730 O形密封圈性能變化基本處于同一水平，這說明FM-85730 O形密封圈適于在上述3種航空發(fā)動機潤滑油中工作；經長城4050和FDS-655-HTS潤滑油浸泡后FM-855 O形密封圈的硬度變化較大，降低了6度。在實際的密封工況下，O形密封圈的硬度會使得其密封能力降低，導致密封失效，因此FM-855 O形密封圈不適合在長城4050和FDS-655-HTS潤滑油中使用。

2.4 SEM分析

航空發(fā)動機潤滑油浸泡前后的FM-855 O形密封圈的拉伸斷面形貌如圖1所示。

由圖1（a）和（b）可以看出：潤滑油浸泡前FM-855 O形密封圈拉伸斷面存在少數(shù)孔洞，這可能是拉伸應力作用下膠料中部分炭黑顆粒與氟醚橡膠基體脫離導致的；潤滑油浸泡前FM-855 O形密封圈拉伸斷面的膠料中除了因拉伸導致脫離的炭黑之外，其余炭黑仍牢固地嵌在橡膠基體中。由圖1（c）和（d）可見，F(xiàn)M-855 O形密封圈經飛馬Ⅱ號潤滑油浸泡后，膠料中炭黑與氟醚橡膠基體的界面仍未被破壞，物理交聯(lián)作用仍存在，炭黑仍能起到補強作用。如圖1（e）和（f）可見，F(xiàn)M-855 O形密封圈經長城4050潤滑油浸泡后，拉伸斷面處的孔洞缺陷增多，膠料中炭黑與橡膠基體已發(fā)生脫離，物理交聯(lián)作用被破壞，炭黑補強結構受到破壞。

從圖1還可以看出，長城4050潤滑油對FM-855 O形密封圈的侵蝕作用比飛馬Ⅱ號潤滑油更顯著，這與FM-855 O形密封圈耐航空發(fā)動機潤滑油性能分析結果一致。

航空發(fā)動機潤滑油浸泡前后FM-85370 O形密封圈的拉伸斷面形貌（本文未示出）分析表明，經3種潤滑油浸泡后，其拉伸斷面的膠料中炭黑與氟醚橡膠基體結合良好，未出現(xiàn)界面脫離現(xiàn)象。

3 結論

（1）經275 ℃×70 h熱空氣老化后，F(xiàn)M-85730 O形密封圈的IRHD硬度和拉伸強度分別降低6度和21.1%，而FM-855 O形密封圈的IRHD硬度和拉伸強度分別降低4度和9.3%，故FM-855 O形密封圈的耐高溫性能更優(yōu)異。

（2）FM-85730 O形密封圈耐飛馬Ⅱ號、長城4050和FDS-655-HTS潤滑油中的性能更好，表現(xiàn)為硬度變化和體積變化率較小；FM-855 O形密封圈僅耐飛馬Ⅱ號潤滑油的性能更好，F(xiàn)M-85730 O形密封圈適合在3種航空發(fā)動機潤滑油中工作。

（3）當航空發(fā)動機潤滑油對O形密封圈的侵蝕效應明顯時，會導致其膠料中炭黑與橡膠基體脫離，并破壞物理交聯(lián)作用，表現(xiàn)為氟醚硫化膠的性能明顯衰減。