某型飞机蓄压器○型橡胶密封圈失效分析

2014-12-02胡建冬郭蕊娜吕晓雷付永平

教练机 2014年4期

高翔，胡建冬，郭蕊娜，吕晓雷，付永平

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

丁腈橡胶是以丙烯腈含量不同的生胶为基础，填加补强剂、防老化剂、硫化剂等组分经过混炼、硫化而成，具有优异的耐油性能、加工性能、物理力学性能以及动态力学性能等，适用于制造航空油料中工作的活动或固定密封件和或门[1]。橡胶制件在使用、贮存不当时，容易受氧（空气）、臭氧、热、光、水分和机械应力导致大分子链断裂、交联等化学变化，导致弹性橡胶制品性能下降，最终失去其使用价值，即老化失效[2]。在蓄压器工作过程中橡胶密封圈会不断受到周期应力作用，局部温度升高，易加速上述反应。

某型飞机蓄压器所用密封圈为O 型丁腈橡胶密封圈（牌号为试5171），安装好后需要经过例行试验考核其耐油密封性和环境耐久性，即进行YH-15 液压油72h、100±5℃浸油试验和低温耐久循环试验。在工程化生产以来，经历多年的摸索，生产工艺、试验与产品质量都很稳定。但在某批次蓄压器生产期间，在耐久循环试验过程中，有两个蓄压器进气口端的O型密封圈（本文编号为1#、2#）发生失效，出现气体外漏现象。检查中发现，蓄压器在进行高温耐久循环试验后的低温耐久循环试验时，出现气体外漏现象，在泄压试验时，出现气泡，1#密封圈出现 “起泡”、“鼓包”现象。另一件蓄压器在进行高温耐久循环试验（N2工作环境）时，出现漏气现象，但压力值基本无变化，4h 后压力出现下降现象，检查2#密封圈发现有开裂现象。针对失效形式，本文对失效O 型密封圈的外观及断口宏微观特征进行了观察，并将失效密封圈与完好密封圈的邵尔硬度和红外光谱进行了对比，确定了失效性质，对其失效原因进行了分析，并提出了建议。

1 试验分析

1.1 宏观观察

对故障橡胶密封圈进行宏观检查。发现1#密封圈表面发生起泡，起泡区域的长度大约占整个密封圈周长的1/3，其他位置未见气泡，其外观形貌见图1a。该密封圈三面受载，一面自由，气泡只出现在密封圈的自由表面部分区域，起泡数量较多（见图1b）。经手指接触测试，气泡侧明显变硬，另一侧硬度变化不大。放大观察到密封圈存在径向细微裂纹，部分裂纹穿过呈现“火山口”形貌的气泡，气泡内部光滑且圆整，可以判断气泡由密封圈表面内部向外鼓出（见图1c）。由图1d 可以看出，密封圈与金属接触表面和自由表面均有明显的高温损伤痕迹。

图1 1#起泡橡胶密封圈宏观形貌

宏观检查发现，2# 密封圈表面存在肉眼可见裂纹，外观形貌见图2。裂纹产生区域多发生在密封圈内侧与金属接触面附近区域，可见裂纹多呈45°排布，裂纹之间平行呈“鱼鳞”状，见图2b，图2c，图2d。经手指接触测试，裂纹区域表面变硬，其他位置硬度变化不大。

1.2 断口微观观察

将1#起泡密封圈部分（A、B、C）断口打开进行SEM 观察（见图3），断口A 呈两个裂纹源，均位于外侧分模面处附近，源区特征为点源，源区未见明显的夹杂和损伤等缺陷，两源区处可见明显河流状花样，此断口可见明显疲劳弧线。从图3d 中可以看出，密封圈与金属接触的内、外侧与自由表面均有短时局部高温损伤特征。

1#起泡密封圈B 断口（见图4），呈现一条裂纹源。此裂纹源出现在金属与橡胶内侧接触面处附近，裂纹源为线源，大部分裂纹扩展区比较光滑，局部可见河流状棱线形貌。在源区附近可见一定厚度的硬化层，并且在其他断口处也存在表层硬化现象。

1#密封圈起泡处断口C 见图5，断口呈现一个裂纹源。此裂纹源出现在金属与橡胶内侧接触面处附近，裂纹源起源于自由表面气泡一侧，为线源，大部分裂纹扩展区比较光滑，局部可见河流状棱线与台阶形貌。由图中看出，气孔出现在材料近表面处，在局部高温作用下，气泡内部气体冲出，留下一个“火山口”形状凹坑。

图2 2#裂纹橡胶密封圈宏观形貌

图3 1#起泡密封圈A 断口源区形貌

图4 1#起泡密封圈B 断口源区形貌

图5 1#起泡密封圈C 断口源区形貌

将2#密封圈其中一条典型裂纹断口打开进行SEM 观察，发现断口从表面起源（见图6）。此裂纹源位于金属与橡胶内侧接触面处附近，裂纹源呈线源特征，大部分裂纹扩展区比较光滑，源区可见疲劳弧线特征，扩展区可见河流状棱线形貌，为疲劳断裂，断口上的人为打开区域可见较大的气孔。

图6 2#开裂密封圈断口源区形貌

1.3 硬度测试

采用橡胶硬度计对两个O 型橡胶密封圈的缺陷处与完好处进行硬度（邵尔A）测量，结果见表1 和表2。有关资料中提供的丁腈橡胶试5171 的硬度（邵尔A）约为72~76[1，3]。由于密封圈的测量标准、试样尺寸、仪器等不同，无法和其它文献上的数据进行对比，仅在本文测量的数据之间比较分析。

表1 起泡O 型密封圈起泡处硬度与未起泡处硬度比较

通过实验数据可以看出，1#密封圈起泡处硬度明显高于此其他完好处表面硬度；2#密封圈裂纹附近硬度也高于无裂纹面的硬度。可见，两个密封圈发生了局部（缺陷处）过硫，即老化。

1.4 红外图谱（FTIR）分析

对失效密封圈与完好密封圈进行对比红外光谱分析，结果见图7，图中907cm-1、962cm-1的吸收峰是橡胶中丁二烯产生的C=C 振动吸收峰，且962cm-1处的吸收峰为最强峰；1434cm-1为链状CH2的特征吸收峰；2235cm-1处的吸收峰是-C≡N 的特征吸收峰和1722cm-1处的吸收峰是C-N 的振动吸收峰。从图中可以看出，所检部位材料均为丁腈橡胶，但是起泡处的红外峰中962cm-1的C=C 振动吸收峰峰值减弱，说明此处材料在工作过程中发生了老化，C=C 发生断裂，进行了交联，从而使材料的刚度上升，使材料力学性能改变，材料硬度升高。

图7 失效密封圈红外分析谱图

2 分析与讨论

由以上实验结果可以看出，两种密封圈均在自由表面产生大量的微裂纹；两种密封圈失效表面硬度均高于未损伤表面，局部表面明显硬化，材料发生老化，承载能力下降，自由面在耐久循环实验时，在循环载荷作用下，在应力集中处发生断裂；从断口上可见明显的疲劳弧线特征，由此确定两个密封圈上的裂纹均为疲劳裂纹。

外观检查表明，1#起泡密封圈表面出现明显局部短时高温损伤痕迹，有大量“火山口”形状气泡产生；与金属接触的内、外侧表面有明显的高温烫伤痕迹，且在自由表面出现大量微裂纹及碳化形貌。断口观察发现，源区附近存在碳化现象，源区附近可见明显的一定厚度的碳化层。硬度测试结果表明，密封圈起泡处表面硬度远高于未起泡处表面。由此表明，1#密封圈由于短时高温，导致局部表面高温氧化，造成表面材料性能下降。

2#开裂密封圈宏观观察未见明显的高温损伤痕迹，但存在一定量的沿45°方向开裂的细小“鱼鳞”状裂纹。调查发现，此开裂密封圈装配使用于蓄压器已接近橡胶的存放年限，故开裂原因可能为橡胶存放时间过长，导致表面老化，性能下降。断口观察发现，2#开裂密封圈裂纹起源于密封圈与金属套筒接触的内表面区域，源区附近可见明显的一定厚度的硬化层，损伤扩展区大部分区域光滑，这说明表面硬度值很高。硬度测试结果进一步证实，开裂表面硬度高于未开裂区域。根据前期了解判断，造成其开裂的原因为密封圈存放时间过长，导致的材料老化。在开裂源区附近发现内部表面圆整大小不一的起泡，通过观察2#密封圈的其他未开裂部位的横截面和表层面，未见起泡，故大致可以排除这些起泡是在生产过程中产生的可能。与1#密封圈对比，发现起泡形态出现位置相似，同时源区硬化层与表面硬度偏高，怀疑可能这个起泡也是由于短时超温所致，只是工作时间较短，还未破裂。

对1#、2#起泡密封圈进行受力状态分析。密封圈在装配后，所产生变形如图8 所示，在1、2 表面处受压应力作用；耐久循环实验前，进行耐压与气密性实验时，密封圈在自由面（4 面）上受气体压力作用；将3 面压到与金属套筒相接触时， 3 面受到压应力作用；从宏观观察时也可以证实1、 2、 3 表面已经被压平。

图8 失效密封圈受力状态分析图

在浸油实验中，由于试5171 橡胶在YH15 内体积溶胀较大，实验中，自由表面（4 表面）受到的表面张应力增加。当在耐压循环实验（100±5℃环境下，循环油压下限1.4MPa，上限为20.6MPa，频率为每分钟1～2个循环）下， 4 表面产生循环压力，同时存在表面张应力，共同作用下会产生应力集中区，密封圈的薄弱（潜在失效）区若处在应力集中区就会产生疲劳破坏。

红外分析结果表明，密封圈所用橡胶为丁腈橡胶，其中2# 开裂密封圈未见明显异常，1#密封圈气泡处的红外峰中，962cm-1的C=C 振动吸收峰峰值减弱，说明此处材料在工作过程中发生了老化，C=C 发生断裂，进行了交联，使材料力学性能改变，材料弹性下降。

因此可以推断，1#密封圈的裂纹产生过程为：一方面由于短时局部高温老化，造成表面硬度上升；另一方面由于密封圈在YH-15 号液压油中体积溶胀较大，在耐压循环气体压力作用下，表面应力集中处发生疲劳引发破坏失效。 2#密封圈的裂纹产生过程为：由于橡胶密封圈存放时间过长，导致老化，另外由于短时局部超温老化，致使材料性能下降，同时在循环载荷作用下，导致材料开裂失效。