楊英炎，劉 歡，劉福春

（1.海裝飛機(jī)辦，北京100071；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)辦，北京100071；2.中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

為適應(yīng)海洋環(huán)境高溫、高濕的氣候條件，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)，對(duì)比研究濕熱環(huán)境對(duì)不同處理方式的M 210石墨材料在外觀(guān)形貌、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等方面的影響。研究表明：M 210石墨材料表現(xiàn)出良好的抗?jié)駸崂匣阅?，浸漬處理可以增強(qiáng)M 210石墨材料在濕熱環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度，且不受浸油的影響。3種處理方式的試樣在濕熱環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗折性能。

石墨；性能老化；濕熱環(huán)境；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；浸漬；浸油

0 引言

石墨材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上主要用作附件系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)的圓周密封件，與其他封嚴(yán)方式相比，石墨封嚴(yán)的密封效果好，壽命長(zhǎng)，尤其是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的條件下仍能保證可靠的密封性能[1]。世界先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)（如F404、F110、M88等發(fā)動(dòng)機(jī)[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(jīng)長(zhǎng)期使用或放置，在環(huán)境因素的作用下，其表觀(guān)和力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，這就是石墨的老化現(xiàn)象。海洋環(huán)境濕度較大，尤其是在中國(guó)南方海域呈現(xiàn)出高溫高濕的氣候特點(diǎn)，例如，在山東半島東南部沿岸夏季平均相對(duì)濕度為80%～94%[3]，在這樣的濕熱環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)用石墨零件在高溫以及氧和水分等因素的綜合作用下，會(huì)加速老化，影響密封效果。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所選用的石墨材料應(yīng)具有較強(qiáng)的抗?jié)駸崂匣芰Γ员ＷC發(fā)動(dòng)機(jī)在海洋環(huán)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(jī)械強(qiáng)度降低，抗氧化性能和耐腐蝕性能變差[4]。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)用石墨密封零件要進(jìn)行浸漬密實(shí)化處理，以減小其氣孔率。經(jīng)過(guò)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(guò)程中直接與滑油接觸，可以增強(qiáng)石墨材料的潤(rùn)滑性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)用石墨密封零件在工作過(guò)程中的摩擦性能，但對(duì)浸油石墨的性能研究，尤其是在濕熱環(huán)境下對(duì)浸油石墨老化性能影響的研究開(kāi)展較少，值得研究者關(guān)注。本文選取航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高性能特種石墨材料M210，研究在濕熱環(huán)境下對(duì)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(guān)形貌及抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能方面的影響，為M210石墨材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 試樣及試驗(yàn)方法

1.1 試樣

本試驗(yàn)共選取3種不同處理方式的M210石墨材料進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。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(gè)測(cè)試周期準(zhǔn)備5個(gè)試樣。為便于說(shuō)明，分別對(duì)3種試樣進(jìn)行編號(hào)，具體情況見(jiàn)表1。

表1 M210石墨材料試樣

1.2 試驗(yàn)方法

濕熱試驗(yàn)按照GJB 150.9-1986[8]中第4.2節(jié)“地面起動(dòng)控制設(shè)備和艦船設(shè)備濕熱試驗(yàn)”的試驗(yàn)條件進(jìn)行。試樣在25±5℃、相對(duì)濕度為50%的條件下放置24 h，預(yù)處理后按如圖1所示的控制程序進(jìn)行24 h 為1個(gè)循環(huán)周期的濕熱試驗(yàn)。每一循環(huán)周期由在60℃下16 h和在30℃下8 h組成（包括轉(zhuǎn)換時(shí)間）。在這2種溫度條件下，相對(duì)濕度保持為95%。在30℃和60℃之間的每個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)1.5 h。對(duì)石墨試樣分別進(jìn)行10、20、60、100周期的試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度測(cè)試試樣采用懸掛的方式進(jìn)行試驗(yàn)，抗折強(qiáng)度測(cè)試試樣直接放置于試樣架上進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 濕熱控制程序

在濕熱試驗(yàn)后對(duì)石墨試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)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(jīng)過(guò)濕熱老化試驗(yàn)后的力學(xué)性能變化情況?？箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別按照J(rèn)B/T 8133.8-1999[9]、JB/T 8133.7-1999[10]進(jìn)行測(cè)試，采用島津AG-250KNE拉伸試驗(yàn)機(jī)完成，濕熱試驗(yàn)采用SDJ005F型濕熱試驗(yàn)箱完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀(guān)分析

在整個(gè)濕熱試驗(yàn)過(guò)程中，1#試樣表面始終無(wú)明顯變化，如圖2所示。2#試樣在浸漬處理后表面沒(méi)有水漬，在10周期濕熱試驗(yàn)后，表面開(kāi)始沉積不規(guī)則的水漬，而且在接下來(lái)的濕熱試驗(yàn)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(gè)濕熱試驗(yàn)過(guò)程中一直存在，如圖4所示。

圖2 1#試樣濕熱試驗(yàn)后表面形貌

2.2 力學(xué)性能測(cè)試分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖3 2#試樣濕熱試驗(yàn)后表面形貌

圖4 3#試樣濕熱試驗(yàn)后表面形貌

圖5 濕熱試驗(yàn)前后石墨抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)

3種處理方式的M210石墨材料在整個(gè)濕熱試驗(yàn)過(guò)程中的抗壓強(qiáng)度變化曲線(xiàn)如圖5所示。從圖5中可見(jiàn)，3種處理方式的試樣抗壓強(qiáng)度整體上均呈降低趨勢(shì)，表明在濕熱環(huán)境下，不同處理方式的M210石墨材料均發(fā)生了老化，抗壓強(qiáng)度隨濕熱試驗(yàn)周期的增加而逐漸降低。2#和3#試樣的抗壓強(qiáng)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(huán)境中浸油的影響。經(jīng)100周期濕熱試驗(yàn)后，不進(jìn)行處理的1#試樣的抗壓強(qiáng)度降低約7.8%；2#和3#試樣表現(xiàn)出良好的抗壓性能，經(jīng)過(guò)100周期的濕熱試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度降低僅為2.6%和2.3%。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

3種處理方式的M210石墨材料在整個(gè)濕熱試驗(yàn)過(guò)程中的抗折強(qiáng)度變化曲線(xiàn)如圖6所示。從圖中可見(jiàn)，3種處理方式試樣的抗折強(qiáng)度隨濕熱周期的增加逐漸降低。表明在濕熱環(huán)境下，不同處理方式M210石墨材料均發(fā)生了老化，抗折強(qiáng)度隨濕熱試驗(yàn)周期的增加而逐漸降低。經(jīng)100周期濕熱老化試驗(yàn)后，3種處理方式試樣的抗折強(qiáng)度均高于65 MPa。表明在濕熱環(huán)境下，3種處理方式的M210石墨均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗折性能。

圖6 濕熱試驗(yàn)前后石墨抗折強(qiáng)度曲線(xiàn)

2.3 綜合分析

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，3種處理方式的M210石墨材料均表現(xiàn)出良好的耐濕熱老化性能。發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)后的性能結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可見(jiàn)，3種處理方式的M210石墨經(jīng)過(guò)100周期濕熱老化試驗(yàn)后其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，與同類(lèi)型其他石墨材料相比表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗折強(qiáng)度性能，為M210石墨材料的廣泛使用奠定了基礎(chǔ)[11]。

表2 M210石墨與其他發(fā)動(dòng)機(jī)常用密封石墨材料性能對(duì)比

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)100周期的濕熱試驗(yàn)，不浸漬不浸油的石墨試樣表面形貌無(wú)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(guī)則的水漬/油漬。

（2）隨著濕熱試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，經(jīng)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(qiáng)度均逐漸降低。浸漬處理能夠減緩在濕熱條件下的老化過(guò)程，提高其抗壓強(qiáng)度，且不受工作環(huán)境中浸油的影響。

（3）在100周期的濕熱時(shí)間內(nèi)，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(xiàn)出優(yōu)異的抗折強(qiáng)度性能，抗折強(qiáng)度均高于65 MPa。隨著濕熱試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，抗折強(qiáng)度逐漸降低。

[1]沈虹，鄭天慧，陳玉潔.航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)技術(shù)的進(jìn)展[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2011（4）：51-55. SHEN Hong, ZHENG Tianhui, CHEN Yujie. Improvement of aeroengine sealing technology[J].Gas Turbine Experiment and Research，2011 （4）:51-55.(in Chinese)

[2]劉廷武，唐剛.主軸石墨密封試驗(yàn)研究[C]//第十二屆機(jī)械動(dòng)力傳輸學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京：中國(guó)航空學(xué)會(huì)，2005：32-39. LIU Tingwu,TANG Gang.Experimental investigation of carbon sealing for spindle [C]//The 12th Mechanical PowerTransmission AcademicCommunication Proceedings.Beijing:Chinese Society of Aeronautics and Astronautics,2005：32-39.(in Chinese)

[3]趙德孜.海洋環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的熱腐蝕與防護(hù)[J].裝備環(huán)境工程，2011,8（5）:100-103. ZHAO Dezi.Hot corrosion and protection of gas turbine blade in marine environment [J]. Equipment Environmental Engine-ering,2011,8 （5）:100-103.(in Chinese)

[4]錢(qián)湛芬.炭素工藝學(xué) [M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004：151. QIAN Zhanfen.Carbon technology[M].Beijing:Metallurgy Industry Press.(in Chinese)

[5]吳良奎.填料改性PTFE三層復(fù)合材料摩擦學(xué)性能研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006. WU Liangkui.Study on the tribological properties of filled PTEE three layer composite materials [D].Hefei:Hefei University of Technology,2006.(in Chinese)

[6]高亮，梁濤.抗氧化碳-石墨密封材料的研制[J].機(jī)械工程材料，2004，28（7）:35-36. GAO Liang,LIANG Tao.Development of oxidation-resistant sealing material of carbon-graphite[J].Materials for Mechanical Engineering，2004，28（7）:35-36.(in Chinese)

[7]喬英杰，吳培蓮，武湛君，等.高抗氧化低硫柔性石墨復(fù)合密封材料研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，34（1）：19-21. QIAO Yingjie，WU Peilian，WU Zhanjun，et al.A study of low-sulfur,high-inoxidizable flexible graphite based sealing composite[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2002,34（1）：19-21.（in Chinese）

[8]國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 150.9-1986軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 濕熱試驗(yàn) [S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1986. Commission of Science,Technology and Industry for National Defence.GJB 150.9-1986 Environmental test menthods for militare equipments damp heat test[S].Beijing: Commission of Science,Technology and Industry for National，1986.（in Chinese）

[9]電炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 8133.7-1999電炭制品物理化學(xué)性能試驗(yàn)方法 抗折強(qiáng)度[S].北京：機(jī)械工業(yè)部電炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，1999. Electrical Carbon Standardization Technology Committee.JB/T 8133.7-1999 Test method for physical-chemical properties of electrical carbon product-transverse strength [S].Beijing:Machinery Industry Department Electrical Carbon Standardization Technology Committee.（in Chinese）

[10]電炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB/T 8133.8-1999電炭制品物理化學(xué)性能試驗(yàn)方法 抗壓強(qiáng)度[S].北京：機(jī)械工業(yè)部電炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，1999. Electrical Carbon Standardization Technology Committee.JB/T 8133.8-1999 Test method for physical-chemical properties of electrical carbon product-compressive strength [S].Beijing:Machinery Industry Department Electrical Carbon Standardization Technology Commit-

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(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制工程管理工作。

燃?xì)廨啓C(jī)工程研究項(xiàng)目資助

2013-08-10