李 璇，吳 濤，潘 柳，高永丹，林奇輝

(中航工業(yè)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，湖南 株洲 412002)

0 引言

石墨密封環(huán)具有優(yōu)良的耐高溫性、自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)、耐磨損性、耐化學(xué)腐蝕性和良好的導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)小、對(duì)高低溫交變性能的適應(yīng)性以及材料的物理力學(xué)性能，在機(jī)械密封的關(guān)鍵部件有著廣泛的應(yīng)用。然而，石墨密封環(huán)的材質(zhì)和特殊結(jié)構(gòu)也常造成其磨損和斷裂，易造成機(jī)械密封的失效。國(guó)內(nèi)外相關(guān)制造企業(yè)和研究單位通過(guò)對(duì)材料性能的提高、加工工藝的改進(jìn)等，讓石墨密封環(huán)能更好地滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

本研究通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行二次裝配試車中斷裂的石墨密封環(huán)進(jìn)行外觀檢查、斷口觀察、物理性能檢測(cè)、結(jié)構(gòu)和尺寸計(jì)量等，對(duì)石墨密封環(huán)斷裂、裂紋等產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，以期探尋故障件的改進(jìn)與預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

發(fā)動(dòng)機(jī)分解后發(fā)現(xiàn)燃燒室零件封嚴(yán)環(huán)組件失效。封嚴(yán)環(huán)組件中的石墨密封環(huán)碎裂，并從石墨密封環(huán)套中完全脫落，在甩油盤、篦齒封嚴(yán)環(huán)和鼓筒軸內(nèi)腔表面布滿了石墨粉末。石墨密封環(huán)斷裂情況:對(duì)燃燒室零件進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)石墨密封環(huán)已完全碎裂，并已從石墨密封環(huán)套中完全脫離?，F(xiàn)場(chǎng)收集了30 多段碎塊和大量粉末，有呈條狀石墨碎片，也有呈粉末狀石墨，大碎塊長(zhǎng)13～16 mm，小碎塊2～8 mm。斷裂的石墨密封環(huán)還可見(jiàn)其內(nèi)圓柱面出現(xiàn)周向裂紋。且篦齒環(huán)的涂層有局部脫落。封嚴(yán)環(huán)前端面內(nèi)緣約5 mm 范圍內(nèi)金屬表面呈高溫氧化色。

圖1a 為斷裂的石墨密封環(huán)內(nèi)圓柱面的磨損形貌，可見(jiàn)各條狀石墨碎片內(nèi)表面上部均有非常嚴(yán)重的偏磨現(xiàn)象，磨痕不規(guī)則，圖1b 軸向上磨損厚度承梯度分布。經(jīng)測(cè)量，石墨被磨損了1/3 左右。圖1c為斷裂件外圓柱面形貌，其表面顏色呈深黑色，無(wú)光澤，質(zhì)地粗糙，表面密布一些小凹坑。而同批次庫(kù)存件為亮灰色，有金屬光澤，表面細(xì)膩平整光滑。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于斷裂件所處溫度超出了其允許使用溫度，使得石墨密封環(huán)中環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑經(jīng)高溫分解炭化，形成硬質(zhì)顆粒、疤痕，破壞其自潤(rùn)滑和密封條件，從而極大地增加磨損力。同時(shí)，由于經(jīng)高溫分解，破壞了石墨密封環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低其抗拉強(qiáng)度，容易產(chǎn)生脆性破損［3］。

圖1 斷裂的石墨密封環(huán)宏觀形貌Fig.1 Appearance of the failed graphite seal ring

1.2 斷口分析

斷裂主要從內(nèi)圓柱面起始，由內(nèi)向外擴(kuò)展，斷面可見(jiàn)明顯的放射棱線，呈快速開(kāi)裂特征。斷裂件的起始部位無(wú)明顯缺陷，無(wú)夾雜，石墨顆粒大小均勻(圖2a);擴(kuò)展區(qū)呈典型脆性斷裂特征(圖2b);最終斷裂區(qū)呈瞬時(shí)脆性斷裂(圖2c)。由此可見(jiàn)，石墨密封環(huán)斷裂屬脆性斷裂。

圖3 為內(nèi)圓柱面周向裂紋打開(kāi)形貌，顏色深暗，無(wú)光澤，無(wú)明顯斷裂特征。圖4 為熱裂紋高倍形貌，斷口已經(jīng)被氧化，存在較多的微小裂紋和孔洞，是石墨密封環(huán)中環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑經(jīng)高溫分解炭化形成的，屬于過(guò)熱裂紋。

圖2 斷口微觀形貌Fig.2 Morphology of the fracture

圖3 周向裂紋打開(kāi)形貌Fig.3 Morphology of circumferential fracture

圖4 熱裂紋高倍形貌Fig.4 High-power morphology of heating crack

1.3 物理性能檢測(cè)

取與故障件同一批次的石墨密封環(huán)，根據(jù)HB 5366—1986 技術(shù)要求進(jìn)行物理性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。表明石墨密封環(huán)材質(zhì)硬度、耐壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、空隙率及密度等物理性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 石墨密封環(huán)物理性能Table 1 Physical performance of the graphite ring

1.4 高溫脫落試驗(yàn)

石墨密封環(huán)組件是由石墨密封環(huán)和石墨密封環(huán)套組合而成。為證明在正常工作條件下，石墨密封環(huán)套不會(huì)對(duì)石墨密封環(huán)施加額外外力而致使其發(fā)生斷裂或偏磨，因此，進(jìn)行石墨密封環(huán)正常工作溫度的高溫試驗(yàn)。水平放置石墨密封環(huán)組件，支撐石墨密封環(huán)套，在石墨上放置1.4 kg 的重物。在加熱至450 ℃，石墨密封環(huán)與石墨密封環(huán)套沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)加熱至500 ℃時(shí)，石墨密封環(huán)與石墨密封環(huán)套有相對(duì)位移，位移量為小于0.5 mm。石墨密封環(huán)套組件在正常工作時(shí)，環(huán)境溫度要低于450 ℃，并且石墨密封環(huán)套只受石墨密封環(huán)給予它的徑向力，所以正常工作條件2 個(gè)零件不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

1.5 尺寸測(cè)量

圖5 為封嚴(yán)環(huán)組件設(shè)計(jì)圖紙要求尺寸及本次分解后的計(jì)量值。從計(jì)量結(jié)果看，石墨密封環(huán)套的同軸度和跳動(dòng)都嚴(yán)重超標(biāo)，而復(fù)查同批次庫(kù)存零件，尺寸是符合要求的。這說(shuō)明工作過(guò)程中零件產(chǎn)生了較大變形。

圖5 封嚴(yán)環(huán)組件尺寸Fig.5 Size of seal ring assembly

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)斷裂的石墨密封環(huán)表面痕跡檢查，結(jié)果表明，石墨密封環(huán)經(jīng)受了很大的摩擦力導(dǎo)致其嚴(yán)重磨損，石墨中環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑經(jīng)高溫分解并產(chǎn)生熱裂紋;斷口基本平齊，斷面無(wú)明顯缺陷，無(wú)夾雜，石墨顆粒大小均勻，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂形貌。通過(guò)物理性能檢測(cè)，石墨密封環(huán)材質(zhì)符合相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合以上分析，該石墨密封環(huán)斷裂性質(zhì)為過(guò)熱脆性斷裂。

2.2 斷裂原因分析

對(duì)石墨密封環(huán)組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析中可知，石墨密封環(huán)和石墨密封環(huán)套是石墨密封環(huán)組件的下屬零件，石墨密封環(huán)組件是封嚴(yán)環(huán)組件的下屬零件。石墨密封環(huán)組件的左端面與封嚴(yán)環(huán)面接觸，其右端面通過(guò)墊片、波紋彈簧支撐在鎖片上，鎖片固定在封嚴(yán)環(huán)上。封嚴(yán)環(huán)組件在整機(jī)上主要起到軸向氣密封作用。石墨密封環(huán)組件的工作溫度在300 ℃左右，自定心工作，在工作狀態(tài)，與轉(zhuǎn)子不接觸;因此，不會(huì)發(fā)生與轉(zhuǎn)子碰撞而碎裂的現(xiàn)象。同時(shí)，石墨密封環(huán)材質(zhì)的物理性能經(jīng)檢測(cè)也是滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的。

封嚴(yán)環(huán)組件除了封嚴(yán)作用外，還起到定心作用，以保證軸向徑向擴(kuò)壓器組件與噴射油道同心。所以封嚴(yán)環(huán)組件不僅會(huì)受到轉(zhuǎn)子對(duì)它的沖擊力，還有可能受到軸向徑向擴(kuò)壓器組件和噴射油道的沖擊力和扭矩。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，可能會(huì)發(fā)生輕微碰磨，但這是允許的。同時(shí)由于石墨密封環(huán)兩個(gè)端面都有支撐，一般不會(huì)發(fā)生傾斜，不會(huì)發(fā)生偏磨。經(jīng)了解該發(fā)動(dòng)機(jī)在試車到慢車分解后發(fā)現(xiàn)石墨密封環(huán)上沒(méi)有被磨的痕跡。這說(shuō)明在發(fā)動(dòng)機(jī)試車轉(zhuǎn)速到慢車時(shí)，石墨密封環(huán)與轉(zhuǎn)子已經(jīng)分開(kāi)，不會(huì)碰磨。但是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速突然下降，振動(dòng)急劇上升，因此，石墨密封環(huán)可能受異常外力的沖擊造成破碎。所以，當(dāng)封嚴(yán)環(huán)受外力沖擊變形后，必定導(dǎo)致石墨密封環(huán)組件傾斜，從而引起轉(zhuǎn)靜子對(duì)其碰磨和偏磨。這一點(diǎn)也可從斷裂的石墨密封環(huán)的偏磨痕跡及封嚴(yán)環(huán)上以及墊片上的劃痕上得以證實(shí)。因此，可以推斷石墨密封環(huán)斷裂的過(guò)程:封嚴(yán)環(huán)受外力沖擊變形，導(dǎo)致石墨密封環(huán)組件傾斜，從而會(huì)引起轉(zhuǎn)靜子碰磨和偏磨，密封環(huán)與轉(zhuǎn)子發(fā)生偏磨時(shí)產(chǎn)生干摩擦生熱升溫，石墨密封環(huán)中環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑經(jīng)高溫分解炭化而變脆，在軸的沖擊下發(fā)生脆性斷裂。

綜合分析表明:失效石墨密封環(huán)的物理性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。但由于石墨密封環(huán)為脆性材料，抗沖擊性差，在發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)時(shí)，會(huì)引起轉(zhuǎn)子沖擊石墨密封環(huán)，動(dòng)靜組件發(fā)生嚴(yán)重干摩擦，在軸的沖擊下發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)論

1)石墨密封環(huán)斷裂性質(zhì)為過(guò)熱脆性斷裂。

2)石墨密封環(huán)失效的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常，引起轉(zhuǎn)子對(duì)石墨密封環(huán)的偏磨與沖擊，導(dǎo)致石墨密封環(huán)發(fā)生脆性斷裂。

［1］張棟，李權(quán).發(fā)動(dòng)機(jī)石墨密封環(huán)失效分析［J］.失效分析與預(yù)防，2006，1(2):56-60.

［2］魏龍.密封技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:121-125.

［3］黃志堅(jiān).現(xiàn)代密封技術(shù)應(yīng)用:使用、維修方法與案例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:77-145.

［4］張杰，李鯤，吳兆山，等.石墨密封環(huán)端面壓力變形的試驗(yàn)研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2012，37(10):30-33.

［5］劉明銘.石墨密封環(huán)車削工藝研究［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2013(22):120.

［6］胡亞非，王雷，胡建文.中速磨煤機(jī)用浸銻石墨密封環(huán)材料的制備與性能［J］.機(jī)械工程材料，2006，30(6):55-57.

［7］張杰，李鯤，吳兆山，等.鑲裝式石墨密封環(huán)的壓力變形研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2012，37(3):53-58.

［8］賀寶海.鑲嵌密封環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2010:16-17.