密封組合形式對結構密封性能影響研究

趙連紅，劉成臣，何衛平，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

XM 系列聚硫密封劑由于較好的性能在飛行器上廣泛運用，比如飛機結構部位中鉚接、焊接和螺紋接頭、儀表等密封部位[1-2]，飛機結構部位的密封設計往往與裝配形式、密封劑涂覆形式和密封形式有關[3-4]，如何通過選取正確的密封組合形式來提高飛機結構的密封性能是急需解決的一個問題。在高濕高熱強紫外海洋環境下[5]，密封組合形式選用不當往往造成飛機在首翻期之前就出現油箱滲油、氣密區泄漏等諸多問題，嚴重影響飛機出勤率的同時，給飛機飛行也帶來了嚴重的安全隱患。為解決飛機結構密封性能問題，不少學者從密封劑性能[6-8]、密封劑工藝[9-12]以及密封劑老化研究方面作了研究，為密封劑有效性和可靠性找到了重要的評價方法。

文中針對飛機不同密封部位結構及受載特點，從影響結構密封性能的三個方面，即結構密封形式、結構裝配形式、結構密封劑涂覆形式等，開展影響結構密封性能的試驗研究。目的在于提高飛機密封結構密封性能，同時為工程技術人員在飛機結構密封設計過程中提供參考和借鑒[13-15]。

1 試驗

1.1 試驗件

試驗采用硫化密封劑 XM22，試驗件為鉚接試樣，試驗件尺寸為221 mm×70 mm×205 mm。其材料為常用的LY12-T4鋁合金材料，鉚釘牌號為HB6306-5。其表面處理采用硫酸陽極，采用S06-1010H底漆涂層體系，見表1。按照密封劑施工工藝規范和設計規范加工試驗件，試驗件如圖1所示。

表1 密封性能試驗件清單

1.2 密封組合形式

開展密封性能試驗，分別從密封形式、裝配形式、涂覆形式開展密封性能研究。其中，密封形式分為貼合面密封和未貼合面密封，裝配形式分為干涉裝配和濕裝配，涂覆形式分為部分涂覆和全涂覆。

1）貼合面密封指在結構與結構貼合面之間采用密封劑或者膠膜消除結構與結構之間縫隙，達到防止電解液積聚、預防和控制貼合面腐蝕的目的。

2）裝配形式。干涉裝配指連接結構采用過盈配合安裝裝配的，具有自身密封作用；濕裝配指連接結構采用間隙配合安裝的同時連接孔與緊固件之間采用密封劑密封。

3）涂覆形式。部分涂覆針對緊固件連接結構形式采用密封劑封包處理，全涂覆指緊固件連接結構表面全部采用密封劑密封。

結構典型密封形式如圖2所示，密封性能試驗件清單見表2。

1.3 試驗設備

試驗所用主要設備為疲勞試驗機，其量程為250 kN。設備指標：載荷精度為示值的±0.5%，試驗速度為(0.0005～500)mm/min，速度精度為±0.1%，位置精度為示值的±0.1%或者0.01 mm，位置顯示分辨率0.001 mm。

1.4 載荷大小

密封性能試驗在（25±5）℃，RH為 30%～60%的條件下開展。試驗的加載頻率 f=2 Hz，應力比R=0.1，試驗載荷最大名義應力 σmax1=80 MPa，σmax2=200 MPa，采用等幅正弦波形式，加載次數均為20 000次。

1.5 試驗步驟

試驗件制備完畢后，對試驗件進行外觀檢測，剔除表面有損傷的試驗件。按照按GJB 1997—1994《金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗方法》第5部分第5.4條試驗程序開展密封性能試驗，高應力永久密封部位試驗件的載荷大小為 σmax2，間隙裝配常拆卸密封部位試驗件的載荷大小為 σmax1。試驗件加載形式如圖 3所示，采用密封盒為試驗件提供燃油浸泡環境，確保試驗件在載荷試驗過程中其密封部位始終浸泡在燃油中。按照加載要求完成試驗后，清洗試驗件表面油污，然后在標準大氣條件溫度 15～35 ℃和相對濕度不高于50%的條件下干燥試驗件24 h，放在干燥器皿中短期保存（不應造成二次污染），等待檢驗。檢查記錄試驗件外表有無破壞損傷，主要對試驗件對縫處、密封劑邊緣處等部位進行檢查。解剖拆卸試驗件，檢查試驗件內部密封部位有無滲油現象。

表2 密封性能試驗件清單

2 結果與討論

2.1 涂覆形式對于密封性能影響

試驗考察涂覆形式對于密封性能的影響，涂覆形式分為全涂覆和部分涂覆兩種形式，有40件全涂覆和40件部分涂覆。涂覆形式分別與裝配形式和密封形式組成8種結構密封組合方式，見表2。經過密封性能試驗后，通過試驗件外觀檢測，保持裝配形式和密封形式一致的情況下，分別比較全涂覆和部分涂覆對密封性能影響。試驗結果表明：在2種應力水平作用下，采用部分涂覆、未貼合面密封、濕裝配的形式與采用全涂覆、未貼合面密封、濕裝配形式的對比，部分涂覆試驗件均沒有出現密封膠邊緣剝離的情況，而全涂覆試驗件中有6件密封劑邊緣出現剝離，程度較輕。剝離原因在于密封膠全涂覆易導致試驗件密封部位膠膜厚薄不一致，致使試驗件表面膠膜單位面積內受載不均，從而導致密封膠膜發生剝離現象，如圖4所示。

2.2 裝配形式對于密封性能影響

裝配形式分為干涉裝配和濕裝配兩種，其中裝配形式分別與密封形式和涂覆形式組成8種組合形式。試驗結束后保持密封形式和涂覆形式一致，分別比較干涉裝配和濕裝配對密封性能的影響。試驗結果表明，在高應力水平下，采用部分涂覆、未貼合面密封、濕裝配組合形式中有 5件試驗件在解剖后內部密封部位出現滲漏。在低應力水平下，試驗件膠膜未出現破壞損傷和滲漏現象。分析其滲漏原因在于：試驗件在高應力水平下，鉚釘與試驗件間隙內密封膠受力變形大，導致鉚釘頭部密封膠變形剝離形成滲漏源，從而導致滲漏現象發生，如圖5所示。其余試驗件完好，無損傷破壞和滲漏現象。

2.3 密封形式對于密封性能影響

密封形式分為貼合面密封和未貼合面密封兩種形式，其中貼合面密封分別與裝配形式、涂覆形式組成8種組合方式。試驗結束后保持裝配形式和涂覆形式一致的情況下，分別對比貼合面密封和未貼合面密封對于密封性能的影響。實驗結果表明：在2種不同應力水平作用下，未采用貼合面密封的試驗件都有不同程度的密封膠剝離和滲漏現象，如圖6所示。采用貼合面密封的試驗件中僅有2件出現密封膠膜剝離，無滲漏現象發生。試驗結果說明貼合面密封能有效提高結構的密封性能。

3 結論

文中從密封形式、涂覆形式和裝配形式等3個方面研究其對結構密封性能的影響。其中涂覆形式分為全涂覆和部分涂覆；裝配形式分為干涉裝配和濕裝配2種形式；密封形式為貼合面密封和無貼合面密封。通過開展密封性能試驗、后期試驗件解剖檢測，得到以下結論。

1）選擇正確的密封組合形式，比如貼合面密封、濕裝配、部分涂覆的組合形式，不但密封性能好，而且對于飛機減重方面也具有較大幫助。未貼合面密封、濕裝配、全涂覆的組合形式，密封性能不好，同時也增加飛機質量。選擇正確的密封組合形式對于提高飛機結構密封性能以及減輕飛機質量有重要意義。

2）按照飛機結構部位結構及受載特點選擇不同結構密封組合形式，在飛機應力較高、不常拆的密封部位應選擇貼合面密封、干涉裝配、部分涂覆的密封組合形式的密封性能較好。在飛機結構設計中要求間隙裝配、常拆卸的密封部位選擇貼合面密封、濕裝配、部分涂覆的密封組合形式的密封性能較好。

3）選擇正確密封組合形式后，密封過程工藝質量控制非常重要，特別是飛機內部結構復雜，密封膠施工工藝質量達不到質量要求，是飛機結構密封性能不好的主要原因。比如，密封膠厚薄不一致、密封劑固化質量、密封膠封包不滿足要求等。做好密封工藝質量控制對于提高結構密封性能有重要意義。

參考文獻：

[1] 劉秦智, 王哲. 民用飛機結構密封設計技術要求研究[J]. 航空標準化與質量, 2017(1): 15-18.

[2] 袁芳. 民用飛機翼根整流罩結構密封優化設計研究[J].科技信息, 2013(20): 400-401.

[3] 鄺春偉. 由某型飛機水密試驗看水密結構設計[J]. 黑龍江科技信息, 2016(6): 117.

[4] 郭玉瑛. XM-28密封膠在飛機結構密封中的應用[J]. 航空材料, 1979(2): 9-14.

[5] 房振乾, 陳群志, 楊蕊琴. 腐蝕條件下新型膠體密封劑對典型飛機結構材料疲勞性能影響[J].中國表面工程,2012, 25(2): 26-30.

[6] 李詠, 曉飛. 聚硫密封劑剝離強度測定影響因素分析[J]. 化學工程與裝備, 2013(8): 205-206.

[7] 徐麗娜, 李靈子, 李子菲, 等. 民用飛機機身密封技術淺析[J]. 航空工程進展, 2016, 7(3): 382-386.

[8] HB 5249—93, 室溫硫化密封劑 180°剝離強度試驗方法[S].

[9] 潘廣萍, 吳松華, 柳瑩. 提高聚硫密封劑粘接性能的研究[J]. 粘接, 2008(1): 22-24.

[10] 索軍營, 文友誼, 李帆. 環境溫濕度條件對聚硫密封膠性能的影響[J]. 中國膠粘劑, 2015(4): 20-22.

[11] 陳群志, 房振乾. 飛機結構用新型膠體密封劑的主要性能測試與表征[J]. 包裝工程, 2011, 32(23): 146-149.

[12] 李詠. 密封劑 180°剝離強度測量不確定度的評估[J].粘接, 2013(6): 50-52.

[13] 張向宇. 膠黏劑分析與測試技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2004: 281-297.

[14] 趙連紅. 施工環境對密封劑剝離強度影響研究[J]. 裝備環境工程, 2017, 14(2): 18-24.

[15] 張洪燕, 曹壽德, 王景鶴, 等. 高性能橡膠密封劑[M].北京: 化學工業出版社, 2007: 216-231, 281-297.