高 翔，胡建冬，呂曉雷，郭蕊娜，陳 琦

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

0 引 言

活動艙蓋透明件是飛機機體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，作為飛行員觀察窗口，它不僅要具備優(yōu)良的光學(xué)性能，還要具備足夠的承載能力，以在滿足飛行性能條件下可承受各種載荷并保護飛行員。由于軍用飛機使用載荷高、飛行速度大以及國內(nèi)艙蓋玻璃使用材質(zhì)、生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)形式和維護措施等方面不足，艙蓋玻璃各類故障時有發(fā)生，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致事故征候甚至飛行事故[1]。因而，在飛機生產(chǎn)、試驗、使用的各環(huán)節(jié)，對各種不利影響要高度重視，特別是對產(chǎn)生故障的飛機座艙透明件要進行系統(tǒng)分析，找出故障源和產(chǎn)生故障原因，并進行相應(yīng)的改進。目前甲基丙烯酸甲酯（PMMA）航空有機玻璃被大量用于制備飛機座艙透明件，很多文獻對其不同條件下的斷裂行為及斷口特征的大量研究[2-7]，可為后期類似故障提供分析借鑒。

某型教練機的一架試驗機，在飛行幾個架次后的例行檢查中，發(fā)現(xiàn)活動艙蓋透明件邊緣上多處出現(xiàn)裂紋和疑似腐蝕凹坑。該活動艙艙蓋透明件材料為YB-M-3，邊緣連接結(jié)構(gòu)采用復(fù)合連接，即透明件周邊前后弧框處與D-QAS滌綸鋼邊條進行對接，用滌絲帶將滌綸鋼邊條與透明件邊緣進行包覆式膠接固化[8]。本文對發(fā)生缺陷的座艙進行了觀察與分析，并結(jié)合損傷區(qū)域的低倍形貌觀察，損傷區(qū)域和未發(fā)生損傷區(qū)域的金相組織觀察，斷口金相觀察和環(huán)境掃面電鏡（ESEM）觀察，紅外光譜試驗，以及制造、試驗過程調(diào)查，分析了裂紋、銀紋、腐蝕凹坑的性質(zhì)與形成的原因，提出了改進措施。

1 試樣的選取及試驗方法

1.1 試樣宏觀與低倍形貌觀察

通過棱鏡排查整個座艙透明件，故障發(fā)生在活動艙蓋前艙，分布于透明件玻璃與滌絲帶膠接周緣，見圖1。為深入分析各缺陷的性質(zhì)與形成原因，從故障機上分解前艙活動艙蓋透明件，并按故障類型取樣進行宏觀與低倍形貌觀察。

圖1 透明件故障分布

取自活動艙蓋前艙透明件底部拐角A區(qū)的故障試樣進行宏觀觀察，在透明件與膠接結(jié)合處，有機玻璃外側(cè)存在一處明顯的淡棕色凹坑，見圖2（a）。通過視頻顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，凹坑形狀不規(guī)則，橫向最大尺寸約為17mm，縱向最大尺寸約為12mm。

透明件膠接結(jié)構(gòu)底部B區(qū)、C區(qū)兩側(cè)外存在一排細(xì)小的裂紋,如圖2（b）。裂紋分布均勻，從膠接結(jié)構(gòu)方向向透明件擴展，長度約為2～4mm。通過視頻顯微鏡對裂紋低倍放大進行觀察，可以看出存在大量裂紋及氣泡，裂紋分布在膠接界面處，各個裂紋長度相差不大。在裂紋中部位置，存在炸開形貌。大部分裂紋中間部分較深，兩側(cè)逐漸變淺，部分裂紋擴展到膠接結(jié)構(gòu)的氣泡內(nèi)，但并未發(fā)現(xiàn)氣泡破裂現(xiàn)象，可排除由氣泡破裂導(dǎo)致裂紋萌生。

圖2 故障宏觀與低倍形貌

1.2 環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察

A區(qū)試樣凹坑放大ESEM形貌如圖3（a），經(jīng)過對凹坑內(nèi)部放大觀測，可見分布大量銀紋，具有一定的方向性，但并不完全平行，銀紋與銀紋之間有一定的交叉，見圖3（b）。從銀紋的方向性判斷是由溶劑、應(yīng)力因素導(dǎo)致銀紋的產(chǎn)生，從而使該處強度降低，造成有機玻璃表面層剝落。

試樣B區(qū)膠接面處裂紋放大的ESEM如圖4所示，靠近膠接面處裂紋尺寸較大，距離界面處越遠(yuǎn)裂紋尺寸越小。將裂紋放大觀測，見圖4（b），靠近邊緣膠接界面處裂紋的尺寸較大，裂紋向透明件方向延伸，裂紋中有碎屑填充，并且裂紋周圍有銀紋向四周擴展，裂紋末端較為密集，銀紋并未穿越裂紋，且均止于裂紋。

圖3 A區(qū)凹坑ESEM形貌

圖4 B區(qū)裂紋ESEM形貌

試樣C區(qū)膠接面處裂紋放大ESEM如圖5?？梢钥吹?，裂紋穿越了透明件、膠接面和滌絲帶，膠接面處裂紋的尺寸較大，透明件和滌絲帶上裂紋尺寸較小。

圖5 C區(qū)裂紋ESEM形貌

為了判定裂紋萌生位置，將試樣用砂紙打磨至0.6mm左右，進行ESEM觀察?？梢钥吹?，裂紋從膠接面處萌生，有的只向滌絲帶擴展，如圖6（a）所示形貌，裂紋最長約2mm；有的只向玻璃件擴展，如圖6（b），裂紋最長約1.4mm；有的既向滌絲帶擴展也向玻璃件擴展，如圖6（c），滌絲帶中裂紋最長約1.5mm，玻璃件中裂紋最長約0.6mm。試樣上裂紋是從滌絲帶與玻璃件的膠接面處萌生的，分別向不同的方向擴展。將裂紋末端放大具有如圖6（d）形貌?？梢钥吹?，裂紋末端處的銀紋較集中，并且向四周擴展，但是銀紋并未穿越裂紋，且均止于裂紋。

圖6 開裂密封圈斷口源區(qū)形貌ESEM

1.3 裂紋斷口形貌

為進一步研究裂紋的形成機制，選擇典型C區(qū)試樣的多處裂紋沿其擴展方向打開，從中再選擇四處典型形貌通過環(huán)境掃描電鏡進行觀察，四處典型形貌分別記為1#、2#、3#和4#。

首先對1#面斷口形貌進行了環(huán)境掃描電鏡觀察，其整體形貌如圖7（a），裂紋長度約1.4mm，深度約0.7mm。將斷口源區(qū)及擴展區(qū)放大，如圖7（b）。從圖中斷口的擴展形貌，可以判定，箭頭區(qū)域為斷裂源區(qū)。斷口源區(qū)（即裂紋）表面光滑，無夾雜、分層、氣孔、疏松等加工缺陷和腐蝕形貌，此處裂紋為非工藝缺陷和腐蝕導(dǎo)致的。斷口擴展區(qū)呈現(xiàn)放射性形貌，垂直于源區(qū)邊緣往外擴展。對2#、3#、4#斷口進行環(huán)境掃描電鏡觀察，其整體形貌及源區(qū)形貌與1#斷口具有完全相似的形貌，源區(qū)表面光滑，擴展區(qū)呈放射性擴展。觀察表明，斷口源區(qū)（裂紋區(qū)）無加工缺陷。

1.4 試樣紅外圖譜（FTIR）分析

試樣凹坑的紅外光譜如圖8（a），通過與有機玻璃基體紅外光譜圖8（b）對照發(fā)現(xiàn)，凹坑與有機玻璃基體的紅外光譜完全一致。說明凹坑與有機玻璃基體的成分一致，或者也可能由于腐蝕溶劑是酸、堿類有機溶劑，在紅外光譜圖上不顯示。

圖7 裂紋斷口源區(qū)形貌

圖8 紅外分析譜圖

2 分析與討論

2.1 裂紋性質(zhì)與原因分析

裂紋形貌呈均勻排列，主要存在于活動艙蓋的前艙有機玻璃上，且裂紋集中在有機玻璃透明件與滌絲帶膠接界面外側(cè)部位 （見圖9），即應(yīng)力集中部位。這種應(yīng)力集中主要來自于艙蓋裝配機身不協(xié)調(diào)和后續(xù)試驗、使用等在開啟關(guān)閉時發(fā)生阻磨，從而使艙蓋的鉸鏈、鎖、開艙作動筒支架的傳力關(guān)系變成一個扭力關(guān)系，以及透明件在艙蓋裝配時的強迫操作，使得膠接邊發(fā)生應(yīng)力集中。根據(jù)制造、試驗調(diào)查，本試驗機在裝配中有強迫行為，后續(xù)的檢驗、試驗、試飛等過程中開關(guān)次數(shù)頻繁。

圖9 透明件邊緣結(jié)構(gòu)及裂紋區(qū)

透明件邊緣屬于膠接結(jié)構(gòu)，如圖9所示，滌綸鋼墊塊和滌絲帶均與有機玻璃膠接為一體。就膠接而言有兩種基本形式：

1）粘接，依靠膠粘劑在粗糙的待粘接表面充分吸附，利用膠粘劑強度保證最佳粘附力。

2）溶接，依靠膠粘劑對其中的待粘接物的溶蝕滲透，使待粘物結(jié)合為一體。

本文研究有機玻璃透明件邊緣的膠接就屬于第二種形式。檢查故障區(qū)時發(fā)現(xiàn)的氣泡為多余的膠粘接。其形成為：在膠接過程中，膠接區(qū)加壓使得多余膠液外溢，在固化溫度作用下產(chǎn)生泡沫（氣泡），俗稱膠瘤。膠瘤本身不具備受力載體的能力，加上本身對有機玻璃透明件的溶蝕，使透明件局部有效承載厚度變淺，使之成為應(yīng)力容易集中區(qū)。

另外根據(jù)試驗分析，B、C區(qū)試樣裂紋底端存在氣泡。通過視頻顯微鏡放大后觀察發(fā)現(xiàn)，兩個故障區(qū)的裂紋并未從氣泡處萌生，雖然有部分裂紋擴展進入氣泡，但未導(dǎo)致氣泡破裂，應(yīng)與氣泡破裂造成應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋萌生無關(guān)。通過環(huán)境掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋在透明件與滌絲帶對接界面處尺寸最大，向透明件及粘接層方向尺寸之間減小。其裂紋擴展存在三種不同情況，分別為向透明件方向擴展、向粘接層方向擴展及向兩個方向同時擴展。通過對比觀察B、C區(qū)試樣宏觀及視頻顯微鏡形貌，發(fā)現(xiàn)兩者形貌相近，為進一步研究其性質(zhì)及形成原因，將裂紋沿其擴展方向打開，通過對斷口環(huán)境掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋斷口表面平整，具有明顯的休止線，未見除膠瘤（氣泡）外其它明顯的夾雜、分層、氣孔、疏松等缺陷。

綜合以上分析，可判斷裂紋斷面源區(qū)未發(fā)現(xiàn)夾雜、分層、氣孔、疏松以及加工缺陷，其形成應(yīng)與加工損傷無關(guān)。裂紋細(xì)小，并排密布于透明件與粘接層界面處，不可能為一次或多次沖擊載荷而形成的過載裂紋；且斷面上未發(fā)現(xiàn)明顯的溶劑腐蝕形貌，由溶劑腐蝕導(dǎo)致裂紋的可能性也不大。裂紋斷面平坦，整個斷面呈扇形，休止線呈弧形，因此，該裂紋應(yīng)為疲勞裂紋，是飛機飛行過程中，在交變循環(huán)載荷作用下，于透明件與粘接層界面處首先萌生并擴展，其主要原因是粘接層與透明件部分結(jié)合部位存在應(yīng)力集中，加上多余的膠瘤，使該處的應(yīng)力集中增加。裂紋末端銀紋產(chǎn)生于裂紋生成之后，為裂紋擴展過程中產(chǎn)生的二次裂紋。

2.2 凹坑銀紋性質(zhì)與原因分析

從低倍形貌觀察可以看到，凹坑中有剝落部分，這種剝落是由銀紋發(fā)展而來。PMMA有機玻璃銀紋分為溶劑銀紋、應(yīng)力銀紋和應(yīng)力-溶劑銀紋[8]。溶劑銀紋是在溶劑作用下產(chǎn)生的，其雜亂無章，呈現(xiàn)無序狀態(tài)分布；應(yīng)力銀紋是在沒有溶劑而只有外力作用下產(chǎn)生的，其垂直于應(yīng)力作用方向，呈現(xiàn)有序分布；應(yīng)力-溶劑銀紋則是在應(yīng)力和溶劑共同作用下造成的，既有溶劑銀紋特點又有應(yīng)力銀紋特點。通過對凹坑試樣的宏觀觀察、視頻顯微鏡及環(huán)境掃描電鏡觀察可以看到，凹坑的剝落處有銀紋，且此處銀紋既有方向性較強、呈有序分布的應(yīng)力銀紋，也有短而密、呈魚鱗般閃亮、方向性不明顯、無序分布的溶劑銀紋，這是溶劑-應(yīng)力銀紋的主要形貌特征。通過對凹坑式樣的紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)此處與有機玻璃基體的成分一致，但若與有機玻璃反應(yīng)的溶劑是酸、堿等有機溶劑，紅外光譜圖中是無法反映的。由此判斷，導(dǎo)致銀紋的物質(zhì)可能是對有機玻璃有弱腐蝕性的溶劑、水或其它液體。其應(yīng)力來源與裂紋一致，主要是強迫裝配應(yīng)力、艙蓋啟、關(guān)阻力；飛行過程中的艙內(nèi)氣壓以及氣動力；還有透明件自身的殘余應(yīng)力綜合作用。

另外，凹坑銀紋形貌在座艙前艙有機玻璃外側(cè)，集中在前艙底部拐角處，如A區(qū)。對于本文教練機座艙傾斜角較大，機艙表面上有液體流過，容易在此處聚集，如圖10所示，若該處密封失效就容易造成液體滲透。透明件分解前未能對密封情況進行觀察，但根據(jù)剝離密封劑較為容易，且凹坑處的剝離面光滑，可以斷定此處密封失效。通過對制造和試驗過程調(diào)查，飛機裝配過程中經(jīng)常使用汽油對機身進行清洗，整機的淋雨試驗，以及試飛和使用階段環(huán)境中的清洗和雨水，均是外來液體從外出浸入透明件的方式。結(jié)合銀紋產(chǎn)生區(qū)域的應(yīng)力特點和試驗分析，凹坑應(yīng)是應(yīng)力和溶劑聯(lián)合作用產(chǎn)生應(yīng)力-溶劑銀紋，最后導(dǎo)致有機玻璃剝落。溶劑的來源為機身清洗，淋雨試驗或試飛階段維護等外來液體經(jīng)失效的密封處滲入凹坑區(qū)造成。

圖10 艙蓋外來液體聚集示意

3 改進措施

1)將透明件的邊緣膠接固化工藝改進為預(yù)固化和固化，并實施分段、分次膠接[9]，預(yù)固化后進行了膠接面修整，避免膠瘤產(chǎn)生。

2)透明件裝配于座艙骨架使用壓緊測力器[10]檢查貼合情況，避免需使用較大應(yīng)力的透明件進行裝配；透明件裝配后的邊緣密封應(yīng)嚴(yán)格按照工藝方法進行清洗、涂膠、整形、硫化，使得密封有效。

3)控制艙蓋上鉸鏈、鎖座等與機身連接的裝配協(xié)調(diào)精度，使座艙能在低阻磨下正常開啟關(guān)閉。

4）在原有透明件玻璃保護的基礎(chǔ)上增加保護罩，對座艙整體進行保護，并設(shè)計了用于活動艙的玻璃鋼保護罩，在飛機制造、試驗過程中對其進行保護。

5）對座艙維護過程中的溶劑使用進行嚴(yán)格控制，及時擦拭、干燥，避免造成透明件的浸蝕。

4 結(jié) 論

1）裂紋為應(yīng)力下的疲勞裂紋，在透明件邊緣膠接界面處首先萌生，主要受透明件與滌絲帶對接界面應(yīng)力集中的影響。這種應(yīng)力集中主要來自于艙蓋裝配機身不協(xié)調(diào)，膠接界面產(chǎn)生的膠瘤，透明件生產(chǎn)后的殘余應(yīng)力以及透明件在艙蓋裝配時的強迫操作，與有機玻璃中夾雜、分層、氣孔、疏松等工藝缺陷無關(guān)。裂紋末端銀紋為裂紋擴展過程的二次裂紋。

2）凹坑應(yīng)為清洗、試驗、使用環(huán)境等過程中外來液體滲入密封失效的前艙拐角處后，有機玻璃殘余應(yīng)力與外來液體聯(lián)合作用造成應(yīng)力-溶劑銀紋，加上飛機玻璃的特殊受力狀態(tài)和苛刻的大氣條件，加速銀紋的擴展，導(dǎo)致的有機玻璃剝落。

3）針對故障原因，對透明件邊緣膠接固化工藝、透明件裝配定力、密封控制、座艙裝配制造和保護等進行的工藝改進，較為有效地消除了故障產(chǎn)生的因素。

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