J-27H环氧结构胶高温失效分析

焦翠翠，王运平，杨 希，焦冠蓉

(中国航空西安航空动力控制科技有限公司，西安 710077)

J-27H环氧结构胶高温失效分析

焦翠翠，王运平，杨 希，焦冠蓉

(中国航空西安航空动力控制科技有限公司，西安 710077)

发动机在使用一个翻修期并经返厂修理继续使用167 h后发生漏油故障。将附件分解后，发现石墨环脱胶，与金属壳体分离，胶粘剂及叶轮轴表面变色。对失效的石墨环组件及配套叶轮轴进行了外观检查，对石墨密封圈各端面形貌进行了金相组织分析，并对J-27H结构胶进行了剪切强度测试及高温老化试验。结果表明：石墨环脱落原因为摩擦生热引起J-27H环氧结构胶高温失效导致，与石墨密封环及胶粘剂自身性能无关。

石墨密封件；环氧结构胶；高温；失效

0 引言

随着胶粘剂生产工艺及胶接技术的发展，胶粘剂的种类日益增加，胶接比机械连接更广泛地应用于不同种材料的连接设计中[1]。在航空组合件产品的制造过程中，通过采用结构胶对单件进行粘接，确保零件结构的完整和密封性能，对粘接剂材料自身的服役温度环境和服役寿命提出了较高的要求[2-3]。

发动机在外场使用过程中发生漏油故障，分解检查发现密封组合件石墨环脱胶并与外密封壳体分离。该密封组合件由石墨密封圈和铁镍合金外密封壳体组成，并采用J-27H高温环氧结构胶粘接组合，保证零件整体密封效果。该组合件在加工完成后为确保其密封效果，在密封圈端面上加载28.44～34.32 N的载荷，在343.23 kPa的煤油中进行密封性试验，要求通过石墨面的漏油量不超过0.5 mL/min且胶接面无渗漏，表明零件胶接工艺过程合格，胶接面密封良好。对失效密封组合件及配套壳体进行宏微观检查、性能试验，结合其工作原理，确定J-27H胶粘剂高温失效的性质，分析其失效产生的原因，并给出J-27H胶粘剂的使用温度范围，以便为设计制造中胶粘剂选用提供依据。

1 外观检验过程与结果

1.1石墨密封组件外观检查

石墨密封环与金属基体目视检查表面完整、无磕碰伤、无异物附着，两组件合拢时配合较紧密，无明显间隙(图1a)。用体视显微镜对密封组件外观进行检查，石墨环内表面有清晰明显的车削加工痕迹，无磨损、掉块(图1b)，上表面有摩擦发亮现象(图1c)，外表面有周向磨痕(图1d)；金属基体上外缘有少量胶液挤出，胶层呈黑褐色，呈现老化迹象(图1a)；粘接面有石墨粉末存在，胶层完整(图1e)。

在自然光下检查故障泵密封环内外圈残留胶粘剂，内圈残留胶粘剂一半呈深的黄褐色，另一半过渡到半透明略泛绿色；外圈残留胶粘剂一半呈黑褐色，另一半过渡到黄褐色。

图1 故障件宏观形貌Fig.1 Macro appearance of the failed part

1.2叶轮组件外观检查

叶轮轴密封端面外圈有大量径向微裂纹，呈周向散射状分布，且端面外侧面有严重的热氧化变色痕迹(呈蓝黑色)，结合材料特性及热氧化颜色变化特征判断在运转过程中叶轮轴表面温度极限温度已达500 ℃，见图2；叶轮轴平面与石墨密封组件相对转动方向与微裂纹走向垂直，裂纹走向与运动方向垂直的特征，且该裂纹仅仅分布在该石墨配合的区域，表明微裂纹为石墨密封环组件和叶轮轴平面持续摩擦所形成的摩擦热造成，与磨削裂纹的性质相同。裂纹处无明显的摩擦痕迹和热变色痕迹，而且表面光亮，表明该表面已经过修磨。

2 J-27H胶粘剂性能分析

2.1 J-27H胶粘剂剪切强度试验

用于粘接石墨密封圈与铁镍合金外密封壳体的胶粘剂为J-27H环氧结构胶，该胶粘剂用于发动机中石墨制品、石棉制品、陶瓷制品与金属的胶接。工作温度为-60～232 ℃，工作介质为3号喷气燃料及4050合成润滑油，耐压2.5 MPa。

图2 端面裂纹形貌图Fig.2 Crack of the end face

为排除胶粘剂材料自身性能因素，对同批次的胶粘接进行了剪切强度试验。试验方法如下：采用铝合金材料试验，胶接表面用丙酮除油，用80目的砂纸或砂棒打磨，打磨的表面均匀平整，不允许有发亮的部位，用刷子将胶接表面的浮砂擦掉，将胶接面浸于配比为m(CP级重铬酸钾)：m(CP级硫酸)：m(自来水)=1：10：30的处理液中于(60±5) ℃下处理10 min，然后用自来水清洗干净，在(80±5) ℃下干燥备用。在处理后的试片胶接表面上，用除油后的玻璃棒薄薄地涂上一层胶粘剂，晾置5～10 min，然后粘接，放在夹具上定位，施加接触压力0.3 MPa，并在保证此接触压力下将组合夹具随炉升温至(180±5) ℃保温2 h，然后随炉冷却至室温取出，在电子万能材料试验机进行剪切强度试验[4-6]，试样数据如表1所示。

表1 J-27H胶粘剂剪切强度试验数值Table 1 Shear strength of J-27H adhesive

图3、图4分别给出了J-27H环氧胶粘剂在不同试验温度条件下进行剪切强度试验时，胶粘剂粘接性能的变化曲线。试样剪切力变化平缓，随着拉伸位移的增大，剪切力逐渐增大，剪切力的增长分布均匀，各试样的剪切力曲线变化规律相近，最终剪切强度平均值分别为21.5 MPa和17.3 MPa，符合J-27H胶粘剂常温下剪切强度≥17.5 MPa，200 ℃高温剪切强度≥13.8 MPa的技术指标要求。

2.2 J-27H胶粘剂耐高温老化试验

为测试温度环境对J-27H环氧结构胶粘接性能的影响，对固化后的J-27H环氧结构胶进行耐高温老化试验。将固化完成的J-27H胶接试样分别在室温、200 ℃、232 ℃及260 ℃环境下放置一定时间后并在同等温度条件下进行剪切强度试验，观察并记录J-27H胶接面的颜色变化及剪切强度，试验内容及结果见表2。

图4 J-27H高温200 ℃剪切试验曲线图Fig.4 Shear strength curves of J-27H at 200 ℃

由表2可以看出，随着温度的升高，J-27H胶粘剂的剪切强度发生很明显的下降(常温剪切强度为≥17.5 MPa，200 ℃时剪切强度为≥13.8 MPa，232 ℃时剪切强度为≥7.0 MPa)。当试验温度从232 ℃升高至260 ℃时剪切强度急剧下降至1.3 MPa，表明当环境温度高于J-27H环氧结构胶Tg温度(235 ℃)时，胶层分子链段运动被激发，内聚强度迅速降低，导致材料粘接强度无法满足实际工况需求[7-8]。

对试验后试片胶接形貌进行了观察，由图5可以看出，胶接界面润湿性好，在粘接过程中胶液均匀深入粗糙膜孔洞中，内聚力及表面吸附力较强，从破坏形貌分析属于内聚破坏与粘接破环相结合的混合破坏[9]。其中，正常固化后的J-27H环氧结构胶为半透明略泛绿色，232 ℃环境加速老化经过20 min后，J-27H环氧结构胶颜色显示为黄褐色，260 ℃环境经过20 min后，J-27H环氧结构胶颜色显示为黑褐色。J-27H胶粘剂的表面颜色逐渐加深，由浅绿色向深黄色、黄褐色、黑褐色过渡，这主要是因为J-27H含有浅黄色环氧树脂、浅黄色固化剂、白色触变剂及浅绿色金刚砂4种组分，各组分质量比为40：16：1.6：0.2。常温下，以浅绿色金刚砂颜色为主体，胶接面呈现浅绿色，随着温度的升高，占较大质量比例的环氧树脂分子链段受热逐渐分解，逐渐产生老化，成为主体颜色，宏观表现为胶接面颜色逐渐加深。

表2 J-27H胶粘剂耐高温老化试验Table 2 High-temperature aging test of J-27H adhesive

图5 J-27H胶粘剂颜色Fig.5 Color of J-27H adhesive

抽取其他等时间运转后的石墨密封圈组件进行检查，J-27H环氧结构胶颜色均显示为半透明略泛绿色，符合J-27H环氧结构胶常温颜色，胶接层未产生高温老化。而故障泵密封环内圈发现一半呈深的黄褐色，另一半过渡到半透明略泛绿色；外圈发现一半呈黑褐色，另一半过渡到黄褐色。这说明密封环受热不均匀，外环受热升温较高，内环升温相对较低；内外环在圆周方向温度上升不均匀，温度差异较大，J-27H环氧结构胶在热力作用下逐步老化。

3 分析与讨论

在体视显微镜下检查石墨密封环内外圈组织正常。石墨环上表面呈现发亮的摩擦迹象为该石墨密封圈与叶轮轴在工作过程中发生相对转动产生的。外表面的周向摩擦痕迹为石墨环与金属基体脱落后，二者发生相对转动产生的[10]。

叶轮轴平面和石墨密封组件产生大量的摩擦热可能是由于叶轮轴与石墨密封环组件装配过紧，导致两部件之间的油膜不连续，出现干摩擦现象。干摩擦过程产生的热量无法及时通过流动的油膜传递，导致叶轮轴平面的外侧冷却不好，摩擦热在此大量蓄积，最终使叶轮轴平面外侧产生热变色并因热应力产生裂纹。

根据石墨环密封组件及与其配合的叶轮轴外观检查可以发现，在工作过程中，叶轮轴平面和密封组件产生大量的摩擦热导致温度升高，结合J-27H环氧结构胶老化试验结果表明环境温度已超出密封组件胶粘剂的老化温度，使胶粘剂老化失效，胶接层在受力从金属基体表面完全脱落，最终导致密封组件中的石墨环与金属基体脱落[11-12]。

4 结论

1)摩擦热导致石墨环温度升高，并使叶轮轴平面的侧面产生热变色。

2)叶轮轴平面在热应力作用下逐渐产生裂纹，J-27H环氧结构胶因受高温导致老化失效，最终导致密封组件石墨环与金属基体脱落。

3)J-27H环氧结构胶服役温度超过232 ℃剪切强度急剧下滑，无法满足使用要求，实际使用时应充分考虑高温环境对环氧结构胶力学性能的影响，以满足航空零部件的使用安全和寿命要求。

[1] 台元月,邱启艳,陈静. 提高胶粘剂质量一致性检验准确率的相关研究[J]. 航空制造技术,2014,459 (15):98-100.

[2] 曹辉,张铝,梁连金,等. 金属用无机胶粘剂在阀座固定及密封中的应用[J]. 阀门,2015(1):43-45.

[3] 王云渤,张关康,冯宗律,等. 飞机装配工艺学[M]. 北京:国防工业出版,1990:107-109.

[4] 张向宇. 胶粘剂分析与测试技术[M]. 北京:化学工业出版社,2010:42-48.

[5] GB/T 7124—2008,胶粘剂拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)[S]. 北京:中国国家标准化管理委员会,2008:1-5.

[6] 艾春安,刘瑜,李剑,等. 复合材料粘接结构试件的制备方法[J]. 科学技术与工程,2013,13(3):677-680.

[7] 张静静,高鸿,刘泊天,等. 在轨温度环境对J-47C胶粘剂粘接性能的影响[J]. 宇航材料工艺,2015(1):37-39.

[8] 刘振华,李岩. 影响胶粘剂剪切强度因素的探讨[J]. 航空维修与工程,2015(2):38-40.

[9] 程小全,赵文漪,高宇剑,等. 胶粘剂性能对挖补修理层合板拉伸性能的影响[J]. 北京航空航天大学学报：自然科学版,2013,39 (9):1144-1149.

[10] 李璇,吴涛,潘柳,等. 发动机石墨密封环断裂分析[J]. 失效分析与预防,2015,10(3):173-176.

[11] 杨利伟,李志来,薛栋林,等. 结构胶固化收缩对反射镜面形影响的分析与试验[J]. 光学技术,2014(4):307-312.

[12] 南辉,贺华红王鸿灵,等. 环氧粘合剂粘接聚四氟乙烯板/不锈钢的耐温性研究[J]. 工程塑料应用,2013,41(3):74-77.

High-temperatureFailureAnalysisofJ-27HEpoxyStructuralAdhesive

JIAO Cui-cui，WANG Yun-ping，YANG Xi，JIAO Guan-rong

(AECCXi’anAero-engineControlsCorporation,Xi’an710077,China)

Oil leakage occurred after the engine served for one renovation period and extra 167 hours. It was found that the graphite ring separated from the metal shell and the surface color of the structural adhesive and the impeller changed. The appearance of the failed graphite seal ring and the impeller was inspected, and the metallographic structure of the graphite seal ring was analyzed. Shear strength test and high-temperature aging test were carried out for J-27H structural adhesive. The results indicate that the shedding-off of the graphite ring is due to the high temperature failure of J-27H epoxy structural adhesive resulting from friction heating, and has nothing to do with the property of the graphite seal ring and the structural adhesive.

graphite seal ring; epoxy structural adhesive; high temperature; failure

2017年3月10日 [

] 2017年5月12日

焦翠翠(1985年-)，女，硕士，工程师，主要从事非金属材料应用及故障分析等方面的研究。

Adoi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2017.03.009

1673-6214(2017)03-0185-05