航空發動機用M210石墨材料耐濕熱老化性能研究

楊英炎，劉 歡，劉福春

（1.海裝飛機辦，北京100071；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

航空發動機用M210石墨材料耐濕熱老化性能研究

楊英炎1，劉 歡2，劉福春2

（1.海裝飛機辦，北京100071；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

為適應海洋環境高溫、高濕的氣候條件，對航空發動機用高性能抗氧化石墨材料M 210，選取不浸漬不浸油、浸漬不浸油、浸漬后浸油3種不同處理方式的試樣進行濕熱老化試驗，對比研究濕熱環境對不同處理方式的M 210石墨材料在外觀形貌、抗壓強度和抗折強度等方面的影響。研究表明：M 210石墨材料表現出良好的抗濕熱老化性能，浸漬處理可以增強M 210石墨材料在濕熱環境下的抗壓強度，且不受浸油的影響。3種處理方式的試樣在濕熱環境下均表現出優異的抗折性能。

石墨；性能老化；濕熱環境；航空發動機；浸漬；浸油

0 引言

石墨材料在航空發動機上主要用作附件系統和滑油系統的圓周密封件，與其他封嚴方式相比，石墨封嚴的密封效果好，壽命長，尤其是在高溫、高壓、高轉速的條件下仍能保證可靠的密封性能[1]。世界先進的航空發動機（如F404、F110、M88等發動機[2]）均采用了圓周石墨作為主軸承腔的滑油密封裝置。

石墨材料經長期使用或放置，在環境因素的作用下，其表觀和力學性能會發生變化，這就是石墨的老化現象。海洋環境濕度較大，尤其是在中國南方海域呈現出高溫高濕的氣候特點，例如，在山東半島東南部沿岸夏季平均相對濕度為80%～94%[3]，在這樣的濕熱環境下，發動機用石墨零件在高溫以及氧和水分等因素的綜合作用下，會加速老化，影響密封效果。因此，航空發動機所選用的石墨材料應具有較強的抗濕熱老化能力，以保證發動機在海洋環境下使用的可靠性。石墨屬于多孔材料，其制品的總氣孔率為20% ～30%，隨著氣孔率的增大，其機械強度降低，抗氧化性能和耐腐蝕性能變差[4]。因此，發動機用石墨密封零件要進行浸漬密實化處理，以減小其氣孔率。經過抗氧化劑浸漬處理后，浸泡的石墨孔隙中滲入耐高溫抗氧化劑，從而提高碳石墨密封件的耐高溫性能[5-7]。密封件中的石墨在工作過程中直接與滑油接觸，可以增強石墨材料的潤滑性，提高發動機用石墨密封零件在工作過程中的摩擦性能，但對浸油石墨的性能研究，尤其是在濕熱環境下對浸油石墨老化性能影響的研究開展較少，值得研究者關注。本文選取航空發動機用高性能特種石墨材料M210，研究在濕熱環境下對不浸漬不浸油、浸漬不浸油、浸漬后浸油3種不同處理方式的石墨材料在外觀形貌及抗壓強度、抗折強度等力學性能方面的影響，為M210石墨材料在發動機上的應用提供技術依據。

1 試樣及試驗方法

1.1 試樣

本試驗共選取3種不同處理方式的M210石墨材料進行濕熱試驗。抗壓試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm；抗折試樣尺寸為10 mm×10 mm×64 mm。在每個測試周期準備5個試樣。為便于說明，分別對3種試樣進行編號，具體情況見表1。

表1 M210石墨材料試樣

1.2 試驗方法

濕熱試驗按照GJB 150.9-1986[8]中第4.2節“地面起動控制設備和艦船設備濕熱試驗”的試驗條件進行。試樣在25±5℃、相對濕度為50%的條件下放置24 h，預處理后按如圖1所示的控制程序進行24 h 為1個循環周期的濕熱試驗。每一循環周期由在60℃下16 h和在30℃下8 h組成（包括轉換時間）。在這2種溫度條件下，相對濕度保持為95%。在30℃和60℃之間的每個轉換時間不超過1.5 h。對石墨試樣分別進行10、20、60、100周期的試驗。抗壓強度測試試樣采用懸掛的方式進行試驗，抗折強度測試試樣直接放置于試樣架上進行試驗。

圖1 濕熱控制程序

在濕熱試驗后對石墨試樣進行力學性能測試，對比分析不浸漬不浸油、浸漬不浸油和浸漬后浸油3種不同處理方式的石墨材料在經過濕熱老化試驗后的力學性能變化情況。抗壓強度、抗折強度分別按照JB/T 8133.8-1999[9]、JB/T 8133.7-1999[10]進行測試，采用島津AG-250KNE拉伸試驗機完成，濕熱試驗采用SDJ005F型濕熱試驗箱完成。

2 試驗結果與分析

2.1 外觀分析

在整個濕熱試驗過程中，1#試樣表面始終無明顯變化，如圖2所示。2#試樣在浸漬處理后表面沒有水漬，在10周期濕熱試驗后，表面開始沉積不規則的水漬，而且在接下來的濕熱試驗中一直存在，如圖3所示。3#試樣浸漬后浸油，表面即沉積水漬/油漬，而且在整個濕熱試驗過程中一直存在，如圖4所示。

圖2 1#試樣濕熱試驗后表面形貌

2.2 力學性能測試分析

2.2.1 抗壓強度

圖3 2#試樣濕熱試驗后表面形貌

圖4 3#試樣濕熱試驗后表面形貌

圖5 濕熱試驗前后石墨抗壓強度曲線

3種處理方式的M210石墨材料在整個濕熱試驗過程中的抗壓強度變化曲線如圖5所示。從圖5中可見，3種處理方式的試樣抗壓強度整體上均呈降低趨勢，表明在濕熱環境下，不同處理方式的M210石墨材料均發生了老化，抗壓強度隨濕熱試驗周期的增加而逐漸降低。2#和3#試樣的抗壓強度降低比1#試樣的緩慢，表明石墨的浸漬處理能夠減緩石墨材料的老化，且不受工作環境中浸油的影響。經100周期濕熱試驗后，不進行處理的1#試樣的抗壓強度降低約7.8%；2#和3#試樣表現出良好的抗壓性能，經過100周期的濕熱試驗后抗壓強度降低僅為2.6%和2.3%。

2.2.2 抗折強度

3種處理方式的M210石墨材料在整個濕熱試驗過程中的抗折強度變化曲線如圖6所示。從圖中可見，3種處理方式試樣的抗折強度隨濕熱周期的增加逐漸降低。表明在濕熱環境下，不同處理方式M210石墨材料均發生了老化，抗折強度隨濕熱試驗周期的增加而逐漸降低。經100周期濕熱老化試驗后，3種處理方式試樣的抗折強度均高于65 MPa。表明在濕熱環境下，3種處理方式的M210石墨均表現出優異的抗折性能。

圖6 濕熱試驗前后石墨抗折強度曲線

2.3 綜合分析

綜合上述試驗結果，3種處理方式的M210石墨材料均表現出良好的耐濕熱老化性能。發動機常用密封石墨材料性能要求及3種處理方式的M210濕熱試驗后的性能結果見表2。從表中可見，3種處理方式的M210石墨經過100周期濕熱老化試驗后其抗壓強度和抗折強度均滿足標準要求，與同類型其他石墨材料相比表現出更加優異的抗折強度性能，為M210石墨材料的廣泛使用奠定了基礎[11]。

表2 M210石墨與其他發動機常用密封石墨材料性能對比

3 結論

（1）經過100周期的濕熱試驗，不浸漬不浸油的石墨試樣表面形貌無明顯變化，浸漬不浸油和浸漬后浸油的石墨試樣表面均沉積了不規則的水漬/油漬。

（2）隨著濕熱試驗時間的延長，經不浸漬不浸油、浸漬不浸油、浸漬后浸油3種處理方式的M210石墨材料的抗壓強度均逐漸降低。浸漬處理能夠減緩在濕熱條件下的老化過程，提高其抗壓強度，且不受工作環境中浸油的影響。

（3）在100周期的濕熱時間內，不浸漬不浸油、浸漬不浸油、浸漬后浸油3種處理方式M210石墨材料均表現出優異的抗折強度性能，抗折強度均高于65 MPa。隨著濕熱試驗時間的延長，抗折強度逐漸降低。

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Aging Property Investigation of Resistance to Heat and Humidity of M210 Graphite Material for Aeroengine

YANG Ying-yan1,LIU Huan2,LIU Fu-chun2
（1.Aircraft Office Naval Equipment Department，Beijing 100071,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to adapt to hot and humid marine environment,the damp-heat aging experiments of high-performance oxidation resistance M210 graphite materials that including three kinds of treatment mode including non-impregnated,impregnated and oilimpregnated after impregnated were performed.Comparative study on the influence of hot and humid environment on appearance, compressive strength and flexure strength of M210 graphite materials in different treatment mode were performed.The results show that M210 graphite material exhibite good damp-heat aging resistance.Impregnated and oil-impregnated treatment method could enhance the compressive strength of M210 graphite.Three treated sorts of M210 graphites exhibite good performance of bending strength with little influence on hot and humid environment.

graphite;aging property;hot and humid environment;aeroengine;impregnated;oil-impregnated

楊英炎（1963），男，高級工程師，從事航空發動機研制工程管理工作。

燃氣輪機工程研究項目資助

2013-08-10