某型飛機蓄壓器○型橡膠密封圈失效分析

高 翔，胡建冬，郭蕊娜，呂曉雷，付永平

（中航工業洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

丁腈橡膠是以丙烯腈含量不同的生膠為基礎，填加補強劑、防老化劑、硫化劑等組分經過混煉、硫化而成，具有優異的耐油性能、加工性能、物理力學性能以及動態力學性能等， 適用于制造航空油料中工作的活動或固定密封件和或門[1]。 橡膠制件在使用、貯存不當時，容易受氧（空氣）、臭氧、熱、光、水分和機械應力導致大分子鏈斷裂、交聯等化學變化，導致彈性橡膠制品性能下降，最終失去其使用價值，即老化失效[2]。 在蓄壓器工作過程中橡膠密封圈會不斷受到周期應力作用，局部溫度升高，易加速上述反應。

某型飛機蓄壓器所用密封圈為O 型丁腈橡膠密封圈（牌號為試5171），安裝好后需要經過例行試驗考核其耐油密封性和環境耐久性， 即進行YH-15 液壓油72h、100±5℃浸油試驗和低溫耐久循環試驗。 在工程化生產以來，經歷多年的摸索，生產工藝、試驗與產品質量都很穩定。 但在某批次蓄壓器生產期間，在耐久循環試驗過程中，有兩個蓄壓器進氣口端的O型密封圈（本文編號為1#、2#）發生失效，出現氣體外漏現象。 檢查中發現，蓄壓器在進行高溫耐久循環試驗后的低溫耐久循環試驗時，出現氣體外漏現象，在泄壓試驗時， 出現氣泡，1#密封圈出現 “起泡”、“鼓包”現象。另一件蓄壓器在進行高溫耐久循環試驗（N2工作環境）時，出現漏氣現象，但壓力值基本無變化，4h 后壓力出現下降現象，檢查2#密封圈發現有開裂現象。 針對失效形式，本文對失效O 型密封圈的外觀及斷口宏微觀特征進行了觀察，并將失效密封圈與完好密封圈的邵爾硬度和紅外光譜進行了對比，確定了失效性質，對其失效原因進行了分析，并提出了建議。

1 試驗分析

1.1 宏觀觀察

對故障橡膠密封圈進行宏觀檢查。 發現1#密封圈表面發生起泡， 起泡區域的長度大約占整個密封圈周長的1/3，其他位置未見氣泡，其外觀形貌見圖1a。該密封圈三面受載，一面自由，氣泡只出現在密封圈的自由表面部分區域，起泡數量較多（見圖1b）。經手指接觸測試，氣泡側明顯變硬，另一側硬度變化不大。 放大觀察到密封圈存在徑向細微裂紋，部分裂紋穿過呈現“火山口”形貌的氣泡，氣泡內部光滑且圓整，可以判斷氣泡由密封圈表面內部向外鼓出（見圖1c）。 由圖1d 可以看出，密封圈與金屬接觸表面和自由表面均有明顯的高溫損傷痕跡。

圖1 1#起泡橡膠密封圈宏觀形貌

宏觀檢查發現，2# 密封圈表面存在肉眼可見裂紋，外觀形貌見圖2。 裂紋產生區域多發生在密封圈內側與金屬接觸面附近區域， 可見裂紋多呈45°排布，裂紋之間平行呈“魚鱗”狀，見圖2b，圖2c，圖2d。經手指接觸測試，裂紋區域表面變硬，其他位置硬度變化不大。

1.2 斷口微觀觀察

將1#起泡密封圈部分 （A、B、C）斷口打開進行SEM 觀察（見圖3），斷口A 呈兩個裂紋源，均位于外側分模面處附近，源區特征為點源，源區未見明顯的夾雜和損傷等缺陷，兩源區處可見明顯河流狀花樣，此斷口可見明顯疲勞弧線。 從圖3d 中可以看出，密封圈與金屬接觸的內、 外側與自由表面均有短時局部高溫損傷特征。

1#起泡密封圈B 斷口（見圖4）， 呈現一條裂紋源。 此裂紋源出現在金屬與橡膠內側接觸面處附近，裂紋源為線源，大部分裂紋擴展區比較光滑，局部可見河流狀棱線形貌。 在源區附近可見一定厚度的硬化層，并且在其他斷口處也存在表層硬化現象。

1#密封圈起泡處斷口C 見圖5，斷口呈現一個裂紋源。 此裂紋源出現在金屬與橡膠內側接觸面處附近，裂紋源起源于自由表面氣泡一側，為線源，大部分裂紋擴展區比較光滑， 局部可見河流狀棱線與臺階形貌。 由圖中看出，氣孔出現在材料近表面處，在局部高溫作用下，氣泡內部氣體沖出，留下一個“火山口”形狀凹坑。

圖2 2#裂紋橡膠密封圈宏觀形貌

圖3 1#起泡密封圈A 斷口源區形貌

圖4 1#起泡密封圈B 斷口源區形貌

圖5 1#起泡密封圈C 斷口源區形貌

將2#密封圈其中一條典型裂紋斷口打開進行SEM 觀察，發現斷口從表面起源（見圖6）。 此裂紋源位于金屬與橡膠內側接觸面處附近， 裂紋源呈線源特征，大部分裂紋擴展區比較光滑，源區可見疲勞弧線特征，擴展區可見河流狀棱線形貌，為疲勞斷裂，斷口上的人為打開區域可見較大的氣孔。

圖6 2#開裂密封圈斷口源區形貌

1.3 硬度測試

采用橡膠硬度計對兩個O 型橡膠密封圈的缺陷處與完好處進行硬度（邵爾A）測量，結果見表1 和表2。 有關資料中提供的丁腈橡膠試5171 的硬度（邵爾A）約為72~76[1，3]。由于密封圈的測量標準、試樣尺寸、 儀器等不同， 無法和其它文獻上的數據進行對比，僅在本文測量的數據之間比較分析。

表1 起泡O 型密封圈起泡處硬度與未起泡處硬度比較

通過實驗數據可以看出，1#密封圈起泡處硬度明顯高于此其他完好處表面硬度；2#密封圈裂紋附近硬度也高于無裂紋面的硬度。 可見，兩個密封圈發生了局部（缺陷處）過硫，即老化。

1.4 紅外圖譜（FTIR）分析

對失效密封圈與完好密封圈進行對比紅外光譜分析，結果見圖7，圖中907cm-1、962cm-1的吸收峰是橡膠中丁二烯產生的C=C 振動吸收峰，且962cm-1處的吸收峰為最強峰；1434cm-1為鏈狀CH2的特征吸收峰；2235cm-1處的吸收峰是-C≡N 的特征吸收峰和1722cm-1處的吸收峰是C-N 的振動吸收峰。 從圖中可以看出，所檢部位材料均為丁腈橡膠，但是起泡處的紅外峰中962cm-1的C=C 振動吸收峰峰值減弱，說明此處材料在工作過程中發生了老化，C=C 發生斷裂，進行了交聯，從而使材料的剛度上升，使材料力學性能改變，材料硬度升高。

圖7 失效密封圈紅外分析譜圖

2 分析與討論

由以上實驗結果可以看出， 兩種密封圈均在自由表面產生大量的微裂紋； 兩種密封圈失效表面硬度均高于未損傷表面，局部表面明顯硬化，材料發生老化，承載能力下降，自由面在耐久循環實驗時，在循環載荷作用下，在應力集中處發生斷裂；從斷口上可見明顯的疲勞弧線特征， 由此確定兩個密封圈上的裂紋均為疲勞裂紋。

外觀檢查表明，1#起泡密封圈表面出現明顯局部短時高溫損傷痕跡，有大量“火山口”形狀氣泡產生；與金屬接觸的內、外側表面有明顯的高溫燙傷痕跡，且在自由表面出現大量微裂紋及碳化形貌。 斷口觀察發現，源區附近存在碳化現象，源區附近可見明顯的一定厚度的碳化層。 硬度測試結果表明，密封圈起泡處表面硬度遠高于未起泡處表面。 由此表明，1#密封圈由于短時高溫，導致局部表面高溫氧化，造成表面材料性能下降。

2#開裂密封圈宏觀觀察未見明顯的高溫損傷痕跡，但存在一定量的沿45°方向開裂的細小“魚鱗”狀裂紋。 調查發現，此開裂密封圈裝配使用于蓄壓器已接近橡膠的存放年限， 故開裂原因可能為橡膠存放時間過長，導致表面老化，性能下降。 斷口觀察發現，2#開裂密封圈裂紋起源于密封圈與金屬套筒接觸的內表面區域， 源區附近可見明顯的一定厚度的硬化層，損傷擴展區大部分區域光滑，這說明表面硬度值很高。 硬度測試結果進一步證實，開裂表面硬度高于未開裂區域。 根據前期了解判斷，造成其開裂的原因為密封圈存放時間過長，導致的材料老化。 在開裂源區附近發現內部表面圓整大小不一的起泡， 通過觀察2#密封圈的其他未開裂部位的橫截面和表層面，未見起泡， 故大致可以排除這些起泡是在生產過程中產生的可能。與1#密封圈對比，發現起泡形態出現位置相似，同時源區硬化層與表面硬度偏高，懷疑可能這個起泡也是由于短時超溫所致， 只是工作時間較短，還未破裂。

對1#、2#起泡密封圈進行受力狀態分析。 密封圈在裝配后，所產生變形如圖8 所示，在1、2 表面處受壓應力作用；耐久循環實驗前，進行耐壓與氣密性實驗時，密封圈在自由面 （4 面）上受氣體壓力作用；將3 面壓到與金屬套筒相接觸時， 3 面受到壓應力作用； 從宏觀觀察時也可以證實1、 2、 3 表面已經被壓平。

圖8 失效密封圈受力狀態分析圖

在浸油實驗中， 由于試5171 橡膠在YH15 內體積溶脹較大，實驗中，自由表面（4 表面）受到的表面張應力增加。 當在耐壓循環實驗（100±5℃環境下，循環油壓下限1.4MPa，上限為20.6MPa，頻率為每分鐘1～2個循環）下， 4 表面產生循環壓力，同時存在表面張應力， 共同作用下會產生應力集中區， 密封圈的薄弱 （潛在失效）區若處在應力集中區就會產生疲勞破壞。

紅外分析結果表明， 密封圈所用橡膠為丁腈橡膠， 其中2# 開裂密封圈未見明顯異常，1#密封圈氣泡處的紅外峰中，962cm-1的C=C 振動吸收峰峰值減弱，說明此處材料在工作過程中發生了老化，C=C 發生斷裂，進行了交聯，使材料力學性能改變，材料彈性下降。

因此可以推斷，1#密封圈的裂紋產生過程為：一方面由于短時局部高溫老化，造成表面硬度上升；另一方面由于密封圈在YH-15 號液壓油中體積溶脹較大，在耐壓循環氣體壓力作用下，表面應力集中處發生疲勞引發破壞失效。 2#密封圈的裂紋產生過程為：由于橡膠密封圈存放時間過長，導致老化，另外由于短時局部超溫老化，致使材料性能下降，同時在循環載荷作用下，導致材料開裂失效。

3 結 論

1）兩個密封圈的裂紋均為疲勞裂紋；

2）1#密封圈氣泡為短時局部高溫所致；

3）2#密封圈失效與短時局部高溫、 長時間貯存等導致橡膠老化、硬度上升、性能下降有關；

基于易老化的特點及失效原因， 建議嚴格控制例行耐久循環試驗過程的溫度； 加強控制密封圈待裝配的貯存時間，若需要長期存放時，應注意使用專用包裝方法，隔光、除氧密封封存，以防發生老化。

[1]中國航空材料手冊編委會. 中國航空材料手冊（第2 版，第8 卷）[M].北京：中國標準出版社，2002.

[2]夏祥泰，王志宏，劉國光. 飛機起落架作動筒密封圈失效分析[J]. 失效分析與預防，2007，2（4）.

[3]張洪雁,曹壽德,王景鶴.高性能橡膠密封材料[M]. 北京：化學工業出版社，2007.