發(fā)動機石墨密封環(huán)斷裂分析

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)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、自潤滑性、低摩擦系數、耐磨損性、耐化學腐蝕性和良好的導熱性、熱膨脹系數小、對高低溫交變性能的適應性以及材料的物理力學性能，在機械密封的關鍵部件有著廣泛的應用。然而，石墨密封環(huán)的材質和特殊結構也常造成其磨損和斷裂，易造成機械密封的失效。國內外相關制造企業(yè)和研究單位通過對材料性能的提高、加工工藝的改進等，讓石墨密封環(huán)能更好地滿足各個應用領域的需求。

本研究通過對發(fā)動機進行二次裝配試車中斷裂的石墨密封環(huán)進行外觀檢查、斷口觀察、物理性能檢測、結構和尺寸計量等，對石墨密封環(huán)斷裂、裂紋等產生的原因進行分析，以期探尋故障件的改進與預防措施。

1 試驗過程與結果

1.1 宏觀檢查

發(fā)動機分解后發(fā)現燃燒室零件封嚴環(huán)組件失效。封嚴環(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、篦齒封嚴環(huán)和鼓筒軸內腔表面布滿了石墨粉末。石墨密封環(huán)斷裂情況:對燃燒室零件進行分解檢查，發(fā)現石墨密封環(huán)已完全碎裂，并已從石墨密封環(huán)套中完全脫離?，F場收集了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13～16 mm，小碎塊2～8 mm。斷裂的石墨密封環(huán)還可見其內圓柱面出現周向裂紋。且篦齒環(huán)的涂層有局部脫落。封嚴環(huán)前端面內緣約5 mm 范圍內金屬表面呈高溫氧化色。

圖1a 為斷裂的石墨密封環(huán)內圓柱面的磨損形貌，可見各條狀石墨碎片內表面上部均有非常嚴重的偏磨現象，磨痕不規(guī)則，圖1b 軸向上磨損厚度承梯度分布。經測量，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，無光澤，質地粗糙，表面密布一些小凹坑。而同批次庫存件為亮灰色，有金屬光澤，表面細膩平整光滑。出現這一現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)氧樹脂粘合劑經高溫分解炭化，形成硬質顆粒、疤痕，破壞其自潤滑和密封條件，從而極大地增加磨損力。同時，由于經高溫分解，破壞了石墨密封環(huán)內部結構，降低其抗拉強度，容易產生脆性破損［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

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

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

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

取與故障件同一批次的石墨密封環(huán)，根據HB 5366—1986 技術要求進行物理性能檢測，結果見表1。表明石墨密封環(huán)材質硬度、耐壓強度、彎曲強度、空隙率及密度等物理性能符合標準要求。

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

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)套不會對石墨密封環(huán)施加額外外力而致使其發(fā)生斷裂或偏磨，因此，進行石墨密封環(huán)正常工作溫度的高溫試驗。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)套沒有相對移動。當加熱至500 ℃時，石墨密封環(huán)與石墨密封環(huán)套有相對位移，位移量為小于0.5 mm。石墨密封環(huán)套組件在正常工作時，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 個零件不會發(fā)生相對運動。

1.5 尺寸測量

圖5 為封嚴環(huán)組件設計圖紙要求尺寸及本次分解后的計量值。從計量結果看，石墨密封環(huán)套的同軸度和跳動都嚴重超標，而復查同批次庫存零件，尺寸是符合要求的。這說明工作過程中零件產生了較大變形。

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

2 分析與討論

2.1 斷裂性質分析

通過對斷裂的石墨密封環(huán)表面痕跡檢查，結果表明，石墨密封環(huán)經受了很大的摩擦力導致其嚴重磨損，石墨中環(huán)氧樹脂粘合劑經高溫分解并產生熱裂紋;斷口基本平齊，斷面無明顯缺陷，無夾雜，石墨顆粒大小均勻，呈現典型的脆性斷裂形貌。通過物理性能檢測，石墨密封環(huán)材質符合相關產品標準要求。綜合以上分析，該石墨密封環(huán)斷裂性質為過熱脆性斷裂。

2.2 斷裂原因分析

對石墨密封環(huán)組件進行結構分析中可知，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)組件是封嚴環(huán)組件的下屬零件。石墨密封環(huán)組件的左端面與封嚴環(huán)面接觸，其右端面通過墊片、波紋彈簧支撐在鎖片上，鎖片固定在封嚴環(huán)上。封嚴環(huán)組件在整機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)，與轉子不接觸;因此，不會發(fā)生與轉子碰撞而碎裂的現象。同時，石墨密封環(huán)材質的物理性能經檢測也是滿足相關標準要求的。

封嚴環(huán)組件除了封嚴作用外，還起到定心作用，以保證軸向徑向擴壓器組件與噴射油道同心。所以封嚴環(huán)組件不僅會受到轉子對它的沖擊力，還有可能受到軸向徑向擴壓器組件和噴射油道的沖擊力和扭矩。隨著發(fā)動機轉速逐漸上升，可能會發(fā)生輕微碰磨，但這是允許的。同時由于石墨密封環(huán)兩個端面都有支撐，一般不會發(fā)生傾斜，不會發(fā)生偏磨。經了解該發(fā)動機在試車到慢車分解后發(fā)現石墨密封環(huán)上沒有被磨的痕跡。這說明在發(fā)動機試車轉速到慢車時，石墨密封環(huán)與轉子已經分開，不會碰磨。但是，由于發(fā)動機在高速運轉時，轉速突然下降，振動急劇上升，因此，石墨密封環(huán)可能受異常外力的沖擊造成破碎。所以，當封嚴環(huán)受外力沖擊變形后，必定導致石墨密封環(huán)組件傾斜，從而引起轉靜子對其碰磨和偏磨。這一點也可從斷裂的石墨密封環(huán)的偏磨痕跡及封嚴環(huán)上以及墊片上的劃痕上得以證實。因此，可以推斷石墨密封環(huán)斷裂的過程:封嚴環(huán)受外力沖擊變形，導致石墨密封環(huán)組件傾斜，從而會引起轉靜子碰磨和偏磨，密封環(huán)與轉子發(fā)生偏磨時產生干摩擦生熱升溫，石墨密封環(huán)中環(huán)氧樹脂粘結劑經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)的物理性能和結構設計滿足要求。但由于石墨密封環(huán)為脆性材料，抗沖擊性差，在發(fā)動機異常振動時，會引起轉子沖擊石墨密封環(huán)，動靜組件發(fā)生嚴重干摩擦，在軸的沖擊下發(fā)生脆性斷裂。

3 結論

1)石墨密封環(huán)斷裂性質為過熱脆性斷裂。

2)石墨密封環(huán)失效的主要原因是發(fā)動機出現異常，引起轉子對石墨密封環(huán)的偏磨與沖擊，導致石墨密封環(huán)發(fā)生脆性斷裂。

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