燃氣輪機用YS10-021聚酰亞胺三防試驗驗證分析

商旭靜，胡艷，由寶財，王宇，楊文鑫

航空航天裝備

燃氣輪機用YS10-021聚酰亞胺三防試驗驗證分析

商旭靜1，胡艷2，由寶財1，王宇1，楊文鑫2

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015；2.青島蘇試海測檢測技術(shù)有限公司，山東 青島 266000）

研究濕熱、鹽霧、霉菌環(huán)境對YS10-021聚酰亞胺材料性能的影響，為燃氣輪機選材設(shè)計和定壽、延壽提供數(shù)據(jù)支撐。設(shè)計開展YS10-021聚酰亞胺三防試驗，定期測試試樣老化后的物理性能，并對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。經(jīng)3 552 h濕熱試驗后，高溫拉伸強度和高溫彎曲強度下降24%，仍然符合出廠指標(biāo)要求；常溫彎曲強度下降34%，簡支梁沖擊強度下降62%，超出指標(biāo)要求；其他各項性能未見明顯老化。經(jīng)3 552 h鹽霧試驗后，彎曲強度下降30%，其余性能均在出廠指標(biāo)要求范圍以內(nèi)。經(jīng)84 d霉菌試驗后，YS10-021聚酰亞胺各項性能均有輕微下降趨勢，但老化不明顯。YS10-021聚酰亞胺在濕熱、鹽霧、霉菌環(huán)境中的耐受性良好?？傮w來看，濕熱和鹽霧環(huán)境對YS10-021聚酰亞胺力學(xué)性能的影響更大。

YS10-021聚酰亞胺；濕熱試驗；鹽霧試驗；霉菌試驗；物理性能；老化規(guī)律。

近年來，隨著我國海外利益的深入拓展以及建設(shè)海洋強國計劃的持續(xù)推進，我海軍裝備力量建設(shè)進入前所未有的發(fā)展期[1]。燃氣輪機因體積小、質(zhì)量輕、污染小、能量轉(zhuǎn)換效率高以及機動性強等優(yōu)點，已逐漸成為艦船的主要動力裝置[1-2]。在燃氣輪機的研制使用過程中，YS10-021聚酰亞胺因其良好的熱穩(wěn)定性、自潤滑性和低摩擦系數(shù)，被廣泛應(yīng)用于可調(diào)葉片襯套，以減少靜子葉片軸徑的磨損，對靜子葉片起保護作用[3-8]。相比于金屬材料，采用YS10-021聚酰亞胺能夠起到較好的減重效果，同時減磨效果更優(yōu)、耐久性更好[9-10]。

可調(diào)葉片襯套是裝配在高壓壓氣機可調(diào)葉片上起減磨作用的關(guān)鍵部件，用以保護葉片軸，其在服役過程的環(huán)境耐受性、壽命長短直接制約了整機可靠性和壽命的提升。燃氣輪機海上工作環(huán)境苛刻，不但會導(dǎo)致金屬材料的腐蝕，也會造成橡膠、塑料等高分子材料吸濕、開裂、老化、體積膨脹等，造成強度等性能降低或彈性等功能失效，影響裝備的整體性能和服役壽命[11-15]。另外，非金屬功能材料的霉變，會使得自身物理性能發(fā)生明顯惡化，從而危及裝備的可靠性和安全性[16-17]。

國內(nèi)對艦船燃氣輪機材料，特別是非金屬功能材料的環(huán)境適應(yīng)性研究基礎(chǔ)不足，影響燃氣輪機非金屬功能材料的正確選用、合適防護和正確維護[11]。為了全面評估YS10-021聚酰亞胺的海洋環(huán)境適應(yīng)性，本文采取濕熱試驗、鹽霧試驗、霉菌試驗3種環(huán)境加速方法，開展聚酰亞胺材料的老化研究，為燃氣輪機非金屬功能材料的環(huán)境老化及壽命評估提供技術(shù)基礎(chǔ)，為燃氣輪機的合理選材提供數(shù)據(jù)支撐，為燃氣輪機的定壽、延壽提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 材料及樣品

試驗所采用的材料為YS10-021聚酰亞胺，試件的尺寸及數(shù)量見表1。

表1 試驗材料信息

Tab.1 Test material information

1.2 方法

1）濕熱試驗方法。濕熱試驗[18]方法見表2。濕熱試驗時間為3 552 h，共計148循環(huán)，分別在1、2、4、8、22、42、64、84、148循環(huán)后對其物理性能進行測試。

2）鹽霧試驗方法。鹽霧試驗[19]方法見表3。鹽霧試驗時間為3 552 h，共計74循環(huán)，分別在1、2、4、11、21、32、42、74循環(huán)后對其物理性能進行測試。

3）霉菌試驗方法。為了更加全面地考核聚酰亞胺的耐霉性，霉菌試驗[20]采用GJB 150.10A中的10種菌種來進行霉菌試驗（見表4）。在30 ℃、RH為95%條件下，最長進行84 d的霉菌試驗，分別在28、56、84 d后對其物理性能進行測試。

表2 濕熱試驗方法

Tab.2 Damp heat test method

表3 鹽霧試驗方法

表4 試驗菌種

Tab.4 Test strains

1.3 檢測性能

對聚酰亞胺材料的以下性能進行檢測，性能檢測之前按照GB/T 2918—1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》中的規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[溫度為(23±2) ℃，相對濕度為50%±5%]下處理16 h以上。

1）拉伸強度。試樣為啞鈴型，使用高低溫電子萬能試驗機進行測試，每組5件試樣，加載速率為5 mm/min，分別在23、250 ℃環(huán)境溫度下進行拉伸測試，計算其抗拉強度[21]，取5件試樣的平均值。

2）彎曲強度。使用高低溫電子萬能試驗機進行測試，每組5件試樣，加載速率為2 mm/min，分別在23、250 ℃環(huán)境溫度下進行彎曲測試，計算其彎曲強度[22]，取5件試樣的平均值。

3）壓縮強度。使用高低溫電子萬能試驗機進行測試，每組5件試樣，加載速率為2 mm/min，分別在23、250 ℃環(huán)境溫度下進行壓縮測試，計算其壓縮強度[23]，取5件試樣的平均值。

4）沖擊強度。使用液晶顯示沖擊試驗機進行測試，每組10件試樣，采用簡支梁沖擊方式進行沖擊強度測試，跨距為70 mm，沖擊速度為3.8 m/s，沖擊角度為150°，計算其沖擊強度[24]，取10件試樣的平均值。

5）摩擦性能[25]。使用環(huán)塊摩擦磨損試驗機進行測試，每組3件試樣，施加載荷為196 N，試驗環(huán)轉(zhuǎn)動速度為200 r/min，記錄摩擦系數(shù)，并測量磨痕寬度。

6）形貌觀察。宏觀形貌采用目視觀察方式，并用數(shù)碼相機拍攝外觀照片。微觀形貌[26]采用掃描電鏡進行測試，試樣表面噴金處理，加速電壓為3 kV。

7）熱重分析[27]（TG）。采用熱失重儀進行測試，從10 mm×10 mm×4 mm樣塊上制取至少150 mg試樣進行測試。試驗過程中用氮氣吹掃，以10 ℃/min的升溫速率從室溫開始加熱至900 ℃，記錄加熱曲線及質(zhì)量損失量。

8）熱力分析[27]（DSC）。采用差示掃描量熱儀進行測試，從10 mm×10 mm×4 mm樣塊上制取約10 mg試樣進行測試。試驗過程中用氮氣吹掃，以10 ℃/min的升溫速率從室溫開始加熱至400 ℃，記錄試驗前后試樣質(zhì)量及轉(zhuǎn)變溫度曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸強度

YS10-021聚酰亞胺三防試驗前后室溫（23 ℃）和高溫（250 ℃）拉伸性能如圖1所示。從濕熱試驗前后拉伸性能對比（見圖1a）可以看出，經(jīng)過3 552 h濕熱試驗后，YS10-021聚酰亞胺的拉伸強度下降。室溫拉伸強度從72 MPa下降為59 MPa，高溫拉伸強度從50.9 MPa下降為38.6 MPa。相比于室溫拉伸強度的變化，濕熱環(huán)境對高溫拉伸強度的影響更大，下降了24%。3 552 h濕熱試驗后，YS10-021聚酰亞胺的常溫拉伸強度仍然高于50 MPa，高溫拉伸強度仍然高于30 MPa，依舊滿足燃機使用指標(biāo)要求。因此，3 552 h濕熱試驗雖導(dǎo)致YS10-021聚酰亞胺拉伸強度下降，但并未失效。從鹽霧試驗前后拉伸性能對比（見圖1b）可以看出，室溫和高溫拉伸強度均出現(xiàn)明顯下降，下降程度與濕熱試驗前后相近，均未導(dǎo)致其拉伸強度失效。從霉菌試驗前后拉伸性能對比（見圖1c）可以看出，室溫拉伸強度在霉菌試驗56 d后未發(fā)生明顯變化，84 d后略微下降；高溫拉伸強度出現(xiàn)明顯下降，但下降程度并未導(dǎo)致其拉伸強度失效。

圖1 YS10-021聚酰亞胺的拉伸強度

2.2 壓縮強度

YS10-021聚酰亞胺三防試驗前后室溫（23 ℃）和高溫（250 ℃）的壓縮性能如圖2所示。從濕熱試驗前后壓縮性能對比（見圖2a）可以看出，經(jīng)過3 552 h濕熱試驗后，YS10-021聚酰亞胺常溫壓縮強度未出現(xiàn)明顯下降；高溫壓縮強度略微下降，下降9.4%。這說明濕熱環(huán)境對YS10-021聚酰亞胺壓縮性能的影響不大。從鹽霧試驗前后壓縮性能對比（見圖2b）可以看出，試驗后，室溫和高溫壓縮強度均未出現(xiàn)明顯下降，試驗過程中的強度波動為樣品本身的樣本均勻性所致。因此，鹽霧環(huán)境并未對聚酰亞胺的壓縮性能產(chǎn)生影響。從霉菌試驗前后壓縮性能對比（見圖2c）可以看出，隨著霉菌試驗時間的延長，室溫和高溫壓縮強度均出現(xiàn)輕微下降，分別下降了16.7%和9%。與濕熱環(huán)境和鹽霧環(huán)境相比，霉菌環(huán)境對YS10-021聚酰亞胺壓縮性能的影響較大。

圖2 YS10-021聚酰亞胺的壓縮強度

2.3 彎曲強度

YS10-021聚酰亞胺三防試驗前后室溫（23 ℃）和高溫（250 ℃）彎曲強度如圖3所示。從濕熱試驗前后的彎曲強度對比（見圖3a）可以看出，經(jīng)過3 552 h濕熱試驗后，YS10-021聚酰亞胺的室溫彎曲強度由124 MPa下降至82.0 MPa，低于出廠指標(biāo)90 MPa；高溫彎曲強度下降了24%，仍然滿足使用指標(biāo)要求。從鹽霧試驗前后的彎曲強度對比（見圖3b）可以看出，室溫彎曲強度和高溫彎曲強度分別出現(xiàn)不同程度的下降，且下降幅度較濕熱試驗略大。從霉菌試驗前后的彎曲強度對比（見圖3c）可以看出，室溫和高溫彎曲強度均隨霉菌試驗時間的延長出現(xiàn)下降，但均未降至使用指標(biāo)以下，仍然滿足使用要求。這說明霉菌環(huán)境對聚酰亞胺的彎曲性能會產(chǎn)生一定的影響，但84 d霉菌試驗不會使YS10-021聚酰亞胺的彎曲性能失效。

圖3 YS10-021聚酰亞胺的彎曲強度

2.4 簡支梁沖擊強度

YS10-021聚酰亞胺三防試驗前后簡支梁沖擊強度如圖4所示。從濕熱試驗前后簡支梁沖擊強度對比（見圖4a）可以看出，濕熱試驗96 h時，沖擊強度開始呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，在2 016 h后已經(jīng)低于出廠指標(biāo)20 kJ/m2，說明長時間的濕熱試驗會大大降低YS10-021聚酰亞胺的抗簡支梁沖擊性能。從鹽霧試驗前后簡支梁沖擊強度對比（見圖4b）可以看出，鹽霧試驗192 h時，沖擊強度開始呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，但3 552 h后，簡支梁的沖擊強度仍高于20 kJ/m2。這說明鹽霧試驗時間越長，聚酰亞胺的抗簡支梁沖擊性越低，但3 552 h的鹽霧老化并未使聚酰亞胺的抗沖擊性失效。從霉菌試驗前后簡支梁的沖擊強度對比（見圖4c）可以看出，隨著霉菌試驗時間延長，沖擊強度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。84 d后，簡支梁的沖擊強度降至19 kJ/m2，說明霉菌試驗也會明顯降低聚酰亞胺的抗沖擊性能。

圖4 YS10-021聚酰亞胺的簡支梁沖擊強度

2.5 摩擦性能

YS10-021聚酰亞胺三防試驗前后的摩擦性能如圖5所示。其中，從濕熱試驗前后的摩擦性能對比（見圖5a）可以看出，濕熱試驗后，YS10-021聚酰亞胺的摩擦系數(shù)整體增高。從鹽霧試驗前后的摩擦性能對比（見圖5b）可以看出，鹽霧試驗后，YS10-021聚酰亞胺的摩擦系數(shù)有所降低。從霉菌試驗前后的摩擦性能對比（見圖5c）可以看出，霉菌的存在影響了試樣的表面狀態(tài)，使得摩擦系數(shù)由0.33增長為0.37，仍在出廠指標(biāo)（≤0.40）要求范圍以內(nèi)。

2.6 微觀性能

YS10-021聚酰亞胺濕熱、鹽霧、霉菌試驗前后的宏觀照片及微觀形貌如圖6所示。由圖6可知，濕熱和鹽霧試驗后，試樣無目視可見變化，霉菌試驗后表面有聚集的菌落生長。由圖7可知，老化試驗后，樣品表面出現(xiàn)少量微坑或孔，表面形貌總體未發(fā)生明顯變化。

圖8為YS10-021聚酰亞胺濕熱、鹽霧、霉菌試驗前后的熱重曲線，表6為相應(yīng)的分解溫度和殘余量。從圖8b和表6中可以看出，YS10-021聚酰亞胺濕熱試驗前起始分解溫度為600.2 ℃，濕熱試驗后的分解溫度為597.5 ℃，殘余量增加0.55%。這可能是由于在濕熱試驗過程中受熱氧老化影響，聚酰亞胺分子鏈中鍵能較弱的鍵逐漸斷裂，重組后形成其他分子鏈，使其聚合度有所下降。當(dāng)熱氧老化作用持續(xù)進行時，分子主鏈上斷裂醚鍵（C—O—C）的數(shù)量隨之增加，同時出現(xiàn)C—N鍵斷裂，從而降低其力學(xué)性能。生成的小分子基團不斷重整、組合生成碳、氮氧化物，形成C—O鍵，使得聚酰亞胺樹脂的殘留量增加。聚酰亞胺最終分解的產(chǎn)物包括碳的氧化物（CO、CO2）、氮的氧化物（NO、NO2）、碳的氫化物（CH4）以及水分子（H2O）等，表明聚酰亞胺樹脂在高溫環(huán)境中出現(xiàn)分子鏈的分解，同時生成新的C—O鍵使其總質(zhì)量有所增加。因此，分子鍵的斷裂、重組可能是導(dǎo)致其力學(xué)性能下降的主要原因。

從圖8c和表6可以看出，鹽霧試驗后分解溫度降為596.1 ℃，殘余量增加2.23%。這可能是由于鹽霧環(huán)境中的Cl–直徑較小，易通過孔隙滲入材料中，同時在35 ℃的持續(xù)溫度下，導(dǎo)致分子鏈上較弱的鍵發(fā)生斷裂、重組，使Cl–滲入，形成了沉積鹽，從而增加了殘余量。

從圖8d和表6可以看出，聚酰亞胺84 d霉菌試驗后的分解溫度為596.2 ℃，殘余量增加1.37%。說明聚酰亞胺表面微生物的生長也導(dǎo)致了分子鏈結(jié)構(gòu)的變化，從而影響其結(jié)構(gòu)強度及力學(xué)性能。

圖5 YS10-021聚酰亞胺的摩擦系數(shù)和磨痕寬度

圖6 YS10-021聚酰亞胺的照片

圖7 YS10-021聚酰亞胺的微觀照片

圖8 YS10-021聚酰亞胺的熱重曲線

表6 聚酰亞胺分解溫度和殘余量

Tab.6 Decomposition temperature and residual amount of YS10-021 polyimide

結(jié)合圖9可以發(fā)現(xiàn)，聚酰亞胺在經(jīng)過濕熱試驗、鹽霧試驗和霉菌試驗后，并沒有對主分子鏈結(jié)構(gòu)造成明顯裂解和老化。因此，其力學(xué)性能有所下降，但是并沒有體現(xiàn)出明顯老化趨勢。

圖9 YS10-021聚酰亞胺的DSC曲線

3 結(jié)論

1）濕熱和鹽霧環(huán)境對YS10-021聚酰亞胺拉伸強度、彎曲強度、高溫壓縮強度和沖擊強度的影響更大，對室溫壓縮強度基本沒有影響。

2）霉菌環(huán)境對聚酰亞胺拉伸強度、彎曲強度的影響程度小，但對其壓縮強度有一定影響，使得壓縮強度明顯降低。

3）三防試驗中，霉菌試驗對于YS10-021聚酰亞胺力學(xué)性能的影響最小，濕熱試驗和鹽霧試驗對YS10-021聚酰亞胺力學(xué)性能的影響程度相近。

4）YS10-021聚酰亞胺的三防性能較好，經(jīng)3 552 h濕熱試驗后，除室溫彎曲強度、沖擊強度、摩擦系數(shù)外，其余性能滿足出廠指標(biāo)要求，可正常使用；經(jīng)3 552 h鹽霧試驗后，除室溫彎曲強度、高溫彎曲強度外，其余性能滿足出廠指標(biāo)要求，可正常使用；經(jīng)84 d霉菌試驗后，除沖擊強度略低于出廠指標(biāo)外，其余性能滿足出廠指標(biāo)要求，可正常使用。

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Verification and Analysis of YS10-021 Polyimide for Gas Turbine by Three Prevention Test

SHANG Xu-jing1, HU Yan2, YOU Bao-cai1, WANG Yu1, YANG Wen-xin2

(1. AECC Shenyang Engine Design Institute, Shenyang 110015, China; 2. Qingdao Sushihaice Testing Technology Co., Ltd., Shandong Qingdao 266000, China)

The work aims to study the effects of damp heat, salt spray and fungus accelerated environment on physical properties of YS10-021 polyimide, so as to provide data support for material selection, design, service life determination and extension of gas turbine. The three prevention test of YS10-021 polyimide was designed and carried out to regularly test the physical properties of the sample after aging, and make statistical analysis on the test data. After 3 552 h damp heat test, the high temperature tensile strength and high temperature bending strength declined by 24%, which still fulfilled the requirements of the factory specifications. The bending strength at room temperature declined by 34% and the impact strength of the simply supported beam declined by 62%, which failed to meet the standard requirements. Other properties showed no significant aging.After 3 552 h salt spray test, the bending strength significantly declined by 30%, while other properties were within the range of the factory specifications. After 84 d fungus test, the physical properties of YS10-021 polyimide showed a slight downward trend, but the aging was not significant. YS10-021 polyimide has good resistance to damp heat, salt spray and fungus environment. Overall, the damp heat and salt spray have greater effects on the mechanical properties of YS10-021 polyimide than fungus.

YS10-021 polyimide; damp heat test; salt spray test; fungus test; physical properties; aging law

2021-09-08；

2022-06-27

SHANG Xu-jing (1992-), Female.

商旭靜,胡艷,由寶財,等. 燃氣輪機用YS10-021聚酰亞胺三防試驗驗證分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(2): 032-041.

SHANG Xu-jing, HU Yan, YOU Bao-cai, et al.Verification and Analysis of YS10-021 Polyimide for Gas Turbine byThree Prevention Test[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 032-041.

V258；TB304

A

1672-9242(2023)02-0032-10

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.005

2021–09–08；

2022–06–27

國家科技重大專項

Fund：National Science and Technology Major Project of China

商旭靜（1992—），女，碩士。

責(zé)任編輯：劉世忠