減速器管斷裂失效分析

陳國權(quán)，張立文，李佳珊

(哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150066)

0 引言

減速器管是直升機的關(guān)鍵部件，用來支撐尾槳組件，主要承受涵道尾槳推力。對保證飛機的飛行安全起關(guān)鍵作用。

減速器管主要是由兩種預(yù)浸布卷制并模壓成形的管體，在中部及兩端是由8 個玻璃纖維半軸瓦組成的緊固軸套。減速器管的結(jié)構(gòu)圖見圖1。減速器管總長1 220 mm，外徑為65 mm，中部約580 mm 長度區(qū)域壁厚最大，從中部向兩端壁厚逐漸減薄;減速器管本體所用材料為碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料。緊固套所用材料為玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料。每一緊固套由上下兩半軸瓦構(gòu)成，成型時兩半軸瓦通過模具扣合在減速器管本體上，軸瓦和減速器管本體之間通過膠結(jié)固化形成一體。

減速器管的生產(chǎn)工藝為:緊固套纏繞、固化→減速器管本體纏繞→將緊固件涂膠并安裝到減速器管上→固化(固化溫度(125±5)℃，固化壓力2.0 MPa，固化時間1.5～2 h)→打孔→安裝鋼銷→涂膠。減速器管本體由2 層單向3238A 布及9層雙向3238A 布纏繞而成，半軸瓦由3233 玻璃纖維鋪層固化而成。

減速器管所經(jīng)歷的試驗過程:減速器管進行彎曲疲勞試驗，振動頻率為2 Hz，振動載荷為(750±500)daN，振動試驗進行到40 次時發(fā)生斷裂失效，設(shè)計要求振動次數(shù)大于20 萬次。本研究對減速器管斷裂原因進行了系統(tǒng)分析。

1 試驗部分

1.1 宏觀觀察

減速器管斷裂位置如圖1 所示。減速器管在一側(cè)緊固套邊緣斷裂成兩部分，2 個匹配斷口分別為減速器管一側(cè)斷口和緊固套一側(cè)斷口，對2個匹配斷口分別進行觀察。減速器管一側(cè)斷口約4/5 周斷口較平齊，其余1/5 斷口參差不齊且存在層間開裂及纖維束拔出現(xiàn)象，采用游標(biāo)卡尺測量斷口區(qū)域的壁厚約2.0 mm。斷口附近管壁外表面存在2 條明顯的縱向裂紋，長度分別為25、23 mm，裂紋未穿透壁厚，此外斷口附近內(nèi)壁雙向碳布與單向碳布之間存在分層開裂現(xiàn)象(圖2)。

圖1 減速器管結(jié)構(gòu)及斷裂位置示意圖Fig.1 Sketch map of fracture section of reducing unit pipe

圖2 斷口附近分層斷裂形貌Fig.2 Delamination fracture appearance near the fracture surface

緊固套一側(cè)斷口形貌與減速器管一側(cè)斷口形貌一致，但斷口外側(cè)緊固套端面上約2/3 周的范圍內(nèi)存在亮黑色區(qū)域，黑色區(qū)域在緊固套的端面上寬度約為0.2 mm(圖3);體視顯微鏡下觀察，亮黑色區(qū)域碳布，局部區(qū)域可見碳纖維束斷裂后固化在緊固套端面上(圖4)。斷裂纖維位于外層緊固套的自由端面上，已與緊固套固化為一體，斷裂纖維絲與緊固套直徑呈約45°角，向外徑方向斷裂，為最外層預(yù)浸布褶皺折疊所造成，在減速管斷裂之前已經(jīng)斷裂。用手術(shù)刀在亮黑色區(qū)域表面上刮蹭，可見白色粉末狀物質(zhì)。

1.2 紅外光譜分析

在緊固套端面亮黑色區(qū)域刮取試樣進行紅外光譜分析，主要成分為環(huán)氧樹脂。

1.3 微觀觀察

將斷口噴金后置于掃描電鏡下進行觀察。

圖3 緊固套邊緣黑色區(qū)域形貌Fig.3 Black area at the edge of adapter sleeve

圖4 緊固套邊緣黑色區(qū)域形貌(局部形貌)Fig.4 Black area at the edge of adapter sleeve (local morphology)

減速器管一側(cè)斷口:外壁雙向碳布層和中間區(qū)域部分單向碳布纖維束斷面上均附著一層物質(zhì)(呈自由表面形態(tài))，部分區(qū)域表面散落纖維及環(huán)氧樹脂碎屑，原始纖維及環(huán)氧樹脂斷口形貌觀察不到，表面附著的物質(zhì)為固化環(huán)氧膠的自由表面;部分單向碳布纖維束可見明顯的斷裂形貌，纖維斷口一側(cè)存在明顯的擠壓磨損痕跡(圖5、圖6)。

圖5 減速器管斷口上自由表面形貌(環(huán)氧樹脂固化自由表面，在低倍斷口上的位置見圖4)Fig.5 Free face appearance of fracture surface of reducing unit pipe (free face of epoxy resin solidification)

圖6 減速器管碳纖維擠壓磨損斷裂形貌Fig.6 Extrusion and wear appearance at fracture surface of reducing unit pipe carbon fiber

對于緊固套端面亮黑色區(qū)域，該區(qū)域附著一層碳纖維－環(huán)氧樹脂，部分區(qū)域可見碳纖維，局部區(qū)域可見碳纖維斷裂形貌(圖7)。

圖7 緊固套端面亮黑色區(qū)域纖維斷裂形貌Fig.7 Fracture surface of fiber at black area of adapter sleeve end

內(nèi)部雙向碳布分層區(qū)域:分層面上環(huán)氧樹脂呈鋸齒狀斷裂形貌，未見碳纖維斷裂形貌，表明該區(qū)域雙向碳布與單向碳布之間的界面結(jié)合強度相對較弱，導(dǎo)致在試驗過程中發(fā)生較大面積的層間開裂現(xiàn)象，形貌見圖8。

圖8 分層區(qū)樹脂鋸齒狀斷裂形貌Fig.8 Zigzag fracture surface of delamination area

1.4 金相分析

在緊固套一側(cè)斷口附近取樣，制備金相試樣進行組織觀察［1-2］，緊固套邊緣附近碳布存在明顯的彎曲變形，碳布層發(fā)生層間開裂，部分纖維斷裂，且該區(qū)域的樹脂含量較其他區(qū)域多(圖9)。

圖9 斷口附近碳布彎曲變形Fig.9 Bending deformation of carbon cloth near fracture surface

2 分析與討論

減速器管斷裂于一側(cè)緊固套邊緣應(yīng)力集中區(qū)域，約4/5 周斷口較平齊，斷面大部分區(qū)域(外壁雙向碳布和部分單向碳布)附著一層物質(zhì)，呈自由表面形態(tài)，為固化的環(huán)氧樹脂表面，表明這些區(qū)域纖維束在樹脂固化之前已經(jīng)存在損傷且已斷裂，固化時環(huán)氧樹脂流入并固化在斷口表面;其他區(qū)域斷面碳纖維斷口存在擠壓磨損痕跡。

金相分析結(jié)果表明緊固套邊緣附近碳布存在明顯的彎曲變形［3-4］，部分纖維斷裂，碳布層之間存在分層現(xiàn)象，表明緊固套邊緣附近區(qū)域碳布發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致部分纖維彎曲、變形、斷裂，碳布層之間發(fā)生分層［5-7］。

綜合減速器管斷口形貌及金相分析結(jié)果分析認(rèn)為，減速器管發(fā)生早期疲勞斷裂(設(shè)計要求20萬次試驗時，在第40 次發(fā)生斷裂)的原因是減速器管在固化之前，緊固套邊緣碳布發(fā)生彎曲變形，碳布層之間發(fā)生分層，部分碳纖維發(fā)生斷裂，導(dǎo)致固化后該區(qū)域?qū)娱g結(jié)合強度低，部分區(qū)域未有效固化成一體，形成缺陷，導(dǎo)致該區(qū)域減速器管的剛度、強度、抗疲勞性能均大幅度下降［8-9］，試驗過程中在疲勞載荷的作用下，損傷區(qū)域產(chǎn)生局部裂紋并擴展，導(dǎo)致減速器管發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

1)減速器管發(fā)生早期疲勞斷裂的原因是該區(qū)域?qū)娱g結(jié)合強度低，部分區(qū)域存在分層。

2)減速器管在固化之前，緊固套邊緣部分區(qū)域碳布發(fā)生彎曲變形，碳布層之間發(fā)生分層，部分碳纖維發(fā)生斷裂，導(dǎo)致固化后該區(qū)域?qū)娱g結(jié)合強度低，部分區(qū)域存在分層缺陷。

3)試驗過程中在疲勞載荷的作用下分層缺陷區(qū)域產(chǎn)生局部裂紋并擴展，導(dǎo)致減速器管發(fā)生斷裂。

4)建議加強固化前的工藝過程控制。

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