教练机活动舱透明件故障分析研究

高 翔，胡建冬，吕晓雷，郭蕊娜，陈 琦

（中航工业洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

活动舱盖透明件是飞机机体的关键结构部件，作为飞行员观察窗口，它不仅要具备优良的光学性能，还要具备足够的承载能力，以在满足飞行性能条件下可承受各种载荷并保护飞行员。由于军用飞机使用载荷高、飞行速度大以及国内舱盖玻璃使用材质、生产工艺、结构形式和维护措施等方面不足，舱盖玻璃各类故障时有发生，严重时可能导致事故征候甚至飞行事故[1]。因而，在飞机生产、试验、使用的各环节，对各种不利影响要高度重视，特别是对产生故障的飞机座舱透明件要进行系统分析，找出故障源和产生故障原因，并进行相应的改进。目前甲基丙烯酸甲酯（PMMA）航空有机玻璃被大量用于制备飞机座舱透明件，很多文献对其不同条件下的断裂行为及断口特征的大量研究[2-7]，可为后期类似故障提供分析借鉴。

某型教练机的一架试验机，在飞行几个架次后的例行检查中，发现活动舱盖透明件边缘上多处出现裂纹和疑似腐蚀凹坑。该活动舱舱盖透明件材料为YB-M-3，边缘连接结构采用复合连接，即透明件周边前后弧框处与D-QAS涤纶钢边条进行对接，用涤丝带将涤纶钢边条与透明件边缘进行包覆式胶接固化[8]。本文对发生缺陷的座舱进行了观察与分析，并结合损伤区域的低倍形貌观察，损伤区域和未发生损伤区域的金相组织观察，断口金相观察和环境扫面电镜（ESEM）观察，红外光谱试验，以及制造、试验过程调查，分析了裂纹、银纹、腐蚀凹坑的性质与形成的原因，提出了改进措施。

1 试样的选取及试验方法

1.1 试样宏观与低倍形貌观察

通过棱镜排查整个座舱透明件，故障发生在活动舱盖前舱，分布于透明件玻璃与涤丝带胶接周缘，见图1。为深入分析各缺陷的性质与形成原因，从故障机上分解前舱活动舱盖透明件，并按故障类型取样进行宏观与低倍形貌观察。

图1 透明件故障分布

取自活动舱盖前舱透明件底部拐角A区的故障试样进行宏观观察，在透明件与胶接结合处，有机玻璃外侧存在一处明显的淡棕色凹坑，见图2（a）。通过视频显微镜观察发现，凹坑形状不规则，横向最大尺寸约为17mm，纵向最大尺寸约为12mm。

透明件胶接结构底部B区、C区两侧外存在一排细小的裂纹,如图2（b）。裂纹分布均匀，从胶接结构方向向透明件扩展，长度约为2～4mm。通过视频显微镜对裂纹低倍放大进行观察，可以看出存在大量裂纹及气泡，裂纹分布在胶接界面处，各个裂纹长度相差不大。在裂纹中部位置，存在炸开形貌。大部分裂纹中间部分较深，两侧逐渐变浅，部分裂纹扩展到胶接结构的气泡内，但并未发现气泡破裂现象，可排除由气泡破裂导致裂纹萌生。

图2 故障宏观与低倍形貌

1.2 环境扫描电镜（ESEM）观察

A区试样凹坑放大ESEM形貌如图3（a），经过对凹坑内部放大观测，可见分布大量银纹，具有一定的方向性，但并不完全平行，银纹与银纹之间有一定的交叉，见图3（b）。从银纹的方向性判断是由溶剂、应力因素导致银纹的产生，从而使该处强度降低，造成有机玻璃表面层剥落。

试样B区胶接面处裂纹放大的ESEM如图4所示，靠近胶接面处裂纹尺寸较大，距离界面处越远裂纹尺寸越小。将裂纹放大观测，见图4（b），靠近边缘胶接界面处裂纹的尺寸较大，裂纹向透明件方向延伸，裂纹中有碎屑填充，并且裂纹周围有银纹向四周扩展，裂纹末端较为密集，银纹并未穿越裂纹，且均止于裂纹。

图3 A区凹坑ESEM形貌

图4 B区裂纹ESEM形貌

试样C区胶接面处裂纹放大ESEM如图5。可以看到，裂纹穿越了透明件、胶接面和涤丝带，胶接面处裂纹的尺寸较大，透明件和涤丝带上裂纹尺寸较小。

图5 C区裂纹ESEM形貌

为了判定裂纹萌生位置，将试样用砂纸打磨至0.6mm左右，进行ESEM观察。可以看到，裂纹从胶接面处萌生，有的只向涤丝带扩展，如图6（a）所示形貌，裂纹最长约2mm；有的只向玻璃件扩展，如图6（b），裂纹最长约1.4mm；有的既向涤丝带扩展也向玻璃件扩展，如图6（c），涤丝带中裂纹最长约1.5mm，玻璃件中裂纹最长约0.6mm。试样上裂纹是从涤丝带与玻璃件的胶接面处萌生的，分别向不同的方向扩展。将裂纹末端放大具有如图6（d）形貌。可以看到，裂纹末端处的银纹较集中，并且向四周扩展，但是银纹并未穿越裂纹，且均止于裂纹。

图6 开裂密封圈断口源区形貌ESEM

1.3 裂纹断口形貌

为进一步研究裂纹的形成机制，选择典型C区试样的多处裂纹沿其扩展方向打开，从中再选择四处典型形貌通过环境扫描电镜进行观察，四处典型形貌分别记为1#、2#、3#和4#。

首先对1#面断口形貌进行了环境扫描电镜观察，其整体形貌如图7（a），裂纹长度约1.4mm，深度约0.7mm。将断口源区及扩展区放大，如图7（b）。从图中断口的扩展形貌，可以判定，箭头区域为断裂源区。断口源区（即裂纹）表面光滑，无夹杂、分层、气孔、疏松等加工缺陷和腐蚀形貌，此处裂纹为非工艺缺陷和腐蚀导致的。断口扩展区呈现放射性形貌，垂直于源区边缘往外扩展。对2#、3#、4#断口进行环境扫描电镜观察，其整体形貌及源区形貌与1#断口具有完全相似的形貌，源区表面光滑，扩展区呈放射性扩展。观察表明，断口源区（裂纹区）无加工缺陷。

1.4 试样红外图谱（FTIR）分析

试样凹坑的红外光谱如图8（a），通过与有机玻璃基体红外光谱图8（b）对照发现，凹坑与有机玻璃基体的红外光谱完全一致。说明凹坑与有机玻璃基体的成分一致，或者也可能由于腐蚀溶剂是酸、碱类有机溶剂，在红外光谱图上不显示。

图7 裂纹断口源区形貌

图8 红外分析谱图

2 分析与讨论

2.1 裂纹性质与原因分析

裂纹形貌呈均匀排列，主要存在于活动舱盖的前舱有机玻璃上，且裂纹集中在有机玻璃透明件与涤丝带胶接界面外侧部位 （见图9），即应力集中部位。这种应力集中主要来自于舱盖装配机身不协调和后续试验、使用等在开启关闭时发生阻磨，从而使舱盖的铰链、锁、开舱作动筒支架的传力关系变成一个扭力关系，以及透明件在舱盖装配时的强迫操作，使得胶接边发生应力集中。根据制造、试验调查，本试验机在装配中有强迫行为，后续的检验、试验、试飞等过程中开关次数频繁。

图9 透明件边缘结构及裂纹区

透明件边缘属于胶接结构，如图9所示，涤纶钢垫块和涤丝带均与有机玻璃胶接为一体。就胶接而言有两种基本形式：

1）粘接，依靠胶粘剂在粗糙的待粘接表面充分吸附，利用胶粘剂强度保证最佳粘附力。

2）溶接，依靠胶粘剂对其中的待粘接物的溶蚀渗透，使待粘物结合为一体。

本文研究有机玻璃透明件边缘的胶接就属于第二种形式。检查故障区时发现的气泡为多余的胶粘接。其形成为：在胶接过程中，胶接区加压使得多余胶液外溢，在固化温度作用下产生泡沫（气泡），俗称胶瘤。胶瘤本身不具备受力载体的能力，加上本身对有机玻璃透明件的溶蚀，使透明件局部有效承载厚度变浅，使之成为应力容易集中区。

另外根据试验分析，B、C区试样裂纹底端存在气泡。通过视频显微镜放大后观察发现，两个故障区的裂纹并未从气泡处萌生，虽然有部分裂纹扩展进入气泡，但未导致气泡破裂，应与气泡破裂造成应力集中导致裂纹萌生无关。通过环境扫描电镜观察发现，裂纹在透明件与涤丝带对接界面处尺寸最大，向透明件及粘接层方向尺寸之间减小。其裂纹扩展存在三种不同情况，分别为向透明件方向扩展、向粘接层方向扩展及向两个方向同时扩展。通过对比观察B、C区试样宏观及视频显微镜形貌，发现两者形貌相近，为进一步研究其性质及形成原因，将裂纹沿其扩展方向打开，通过对断口环境扫描电镜观察发现，裂纹断口表面平整，具有明显的休止线，未见除胶瘤（气泡）外其它明显的夹杂、分层、气孔、疏松等缺陷。

综合以上分析，可判断裂纹断面源区未发现夹杂、分层、气孔、疏松以及加工缺陷，其形成应与加工损伤无关。裂纹细小，并排密布于透明件与粘接层界面处，不可能为一次或多次冲击载荷而形成的过载裂纹；且断面上未发现明显的溶剂腐蚀形貌，由溶剂腐蚀导致裂纹的可能性也不大。裂纹断面平坦，整个断面呈扇形，休止线呈弧形，因此，该裂纹应为疲劳裂纹，是飞机飞行过程中，在交变循环载荷作用下，于透明件与粘接层界面处首先萌生并扩展，其主要原因是粘接层与透明件部分结合部位存在应力集中，加上多余的胶瘤，使该处的应力集中增加。裂纹末端银纹产生于裂纹生成之后，为裂纹扩展过程中产生的二次裂纹。

2.2 凹坑银纹性质与原因分析

从低倍形貌观察可以看到，凹坑中有剥落部分，这种剥落是由银纹发展而来。PMMA有机玻璃银纹分为溶剂银纹、应力银纹和应力-溶剂银纹[8]。溶剂银纹是在溶剂作用下产生的，其杂乱无章，呈现无序状态分布；应力银纹是在没有溶剂而只有外力作用下产生的，其垂直于应力作用方向，呈现有序分布；应力-溶剂银纹则是在应力和溶剂共同作用下造成的，既有溶剂银纹特点又有应力银纹特点。通过对凹坑试样的宏观观察、视频显微镜及环境扫描电镜观察可以看到，凹坑的剥落处有银纹，且此处银纹既有方向性较强、呈有序分布的应力银纹，也有短而密、呈鱼鳞般闪亮、方向性不明显、无序分布的溶剂银纹，这是溶剂-应力银纹的主要形貌特征。通过对凹坑式样的红外光谱分析，发现此处与有机玻璃基体的成分一致，但若与有机玻璃反应的溶剂是酸、碱等有机溶剂，红外光谱图中是无法反映的。由此判断，导致银纹的物质可能是对有机玻璃有弱腐蚀性的溶剂、水或其它液体。其应力来源与裂纹一致，主要是强迫装配应力、舱盖启、关阻力；飞行过程中的舱内气压以及气动力；还有透明件自身的残余应力综合作用。

另外，凹坑银纹形貌在座舱前舱有机玻璃外侧，集中在前舱底部拐角处，如A区。对于本文教练机座舱倾斜角较大，机舱表面上有液体流过，容易在此处聚集，如图10所示，若该处密封失效就容易造成液体渗透。透明件分解前未能对密封情况进行观察，但根据剥离密封剂较为容易，且凹坑处的剥离面光滑，可以断定此处密封失效。通过对制造和试验过程调查，飞机装配过程中经常使用汽油对机身进行清洗，整机的淋雨试验，以及试飞和使用阶段环境中的清洗和雨水，均是外来液体从外出浸入透明件的方式。结合银纹产生区域的应力特点和试验分析，凹坑应是应力和溶剂联合作用产生应力-溶剂银纹，最后导致有机玻璃剥落。溶剂的来源为机身清洗，淋雨试验或试飞阶段维护等外来液体经失效的密封处渗入凹坑区造成。

图10 舱盖外来液体聚集示意

3 改进措施

1)将透明件的边缘胶接固化工艺改进为预固化和固化，并实施分段、分次胶接[9]，预固化后进行了胶接面修整，避免胶瘤产生。

2)透明件装配于座舱骨架使用压紧测力器[10]检查贴合情况，避免需使用较大应力的透明件进行装配；透明件装配后的边缘密封应严格按照工艺方法进行清洗、涂胶、整形、硫化，使得密封有效。

3)控制舱盖上铰链、锁座等与机身连接的装配协调精度，使座舱能在低阻磨下正常开启关闭。

4）在原有透明件玻璃保护的基础上增加保护罩，对座舱整体进行保护，并设计了用于活动舱的玻璃钢保护罩，在飞机制造、试验过程中对其进行保护。

5）对座舱维护过程中的溶剂使用进行严格控制，及时擦拭、干燥，避免造成透明件的浸蚀。

4 结 论

1）裂纹为应力下的疲劳裂纹，在透明件边缘胶接界面处首先萌生，主要受透明件与涤丝带对接界面应力集中的影响。这种应力集中主要来自于舱盖装配机身不协调，胶接界面产生的胶瘤，透明件生产后的残余应力以及透明件在舱盖装配时的强迫操作，与有机玻璃中夹杂、分层、气孔、疏松等工艺缺陷无关。裂纹末端银纹为裂纹扩展过程的二次裂纹。

2）凹坑应为清洗、试验、使用环境等过程中外来液体渗入密封失效的前舱拐角处后，有机玻璃残余应力与外来液体联合作用造成应力-溶剂银纹，加上飞机玻璃的特殊受力状态和苛刻的大气条件，加速银纹的扩展，导致的有机玻璃剥落。

3）针对故障原因，对透明件边缘胶接固化工艺、透明件装配定力、密封控制、座舱装配制造和保护等进行的工艺改进，较为有效地消除了故障产生的因素。

[1]王新坤，魏世丞，徐滨士，等.飞机舱盖玻璃故障分析实用理论技术[C].首届透明结构材料及透明件学术会议论文集，2014：145-151.

[2]StartsevO V,Rudnew V P.Reversible moisture effects in the climatic ageing of organic glass [J].Polymer Degradation and Stability 1993,39:373-379.

[3]郭梅丽，刘贵春，张复盛，等.4号航空有机玻璃在大气老化中表面开裂的原因分析[J].航空学报，1990,11（6）：281-289.

[4]肖亮灿，李仲彰，杜玲仪，等.PMMA断口形态及其破坏机理[J].高分子材料科学与工程，1990,（4）：61-65.

[5]许凤和.轰六飞机领航舱玻璃空中爆破断口分析[J].材料工程，1995,（4）：46-47.

[6]陈洁，厉蕾.飞机舷窗银纹故障分析[J].失效分析与预测，2009,4（4）：242-246.

[7]高翔，郭蕊娜，万映辉.某型飞机前风挡有机玻璃裂纹故障分析和换装[J].教练机，2011.4：50-55.

[8]许凤和.高分子力学试验[M].北京：科学出版社，1988：92-94.

[9]高翔，陈文君，胡建冬，等.教练机活动舱盖复合连接透明组件的研制[C].首届透明结构材料及透明件学术会议论文集，2014：59-64.

[10]高翔，万建平，胡建冬，万映辉.一种用于测试有机玻璃与飞机座舱骨架装配贴合力的装置[P].中国专利：CN 201320373389.5,2013,12,11.