航空发动机用M210石墨材料耐湿热老化性能研究

杨英炎，刘 欢，刘福春

（1.海装飞机办，北京100071；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

航空发动机用M210石墨材料耐湿热老化性能研究

杨英炎1，刘 欢2，刘福春2

（1.海装飞机办，北京100071；2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

为适应海洋环境高温、高湿的气候条件，对航空发动机用高性能抗氧化石墨材料M 210，选取不浸渍不浸油、浸渍不浸油、浸渍后浸油3种不同处理方式的试样进行湿热老化试验，对比研究湿热环境对不同处理方式的M 210石墨材料在外观形貌、抗压强度和抗折强度等方面的影响。研究表明：M 210石墨材料表现出良好的抗湿热老化性能，浸渍处理可以增强M 210石墨材料在湿热环境下的抗压强度，且不受浸油的影响。3种处理方式的试样在湿热环境下均表现出优异的抗折性能。

石墨；性能老化；湿热环境；航空发动机；浸渍；浸油

0 引言

石墨材料在航空发动机上主要用作附件系统和滑油系统的圆周密封件，与其他封严方式相比，石墨封严的密封效果好，寿命长，尤其是在高温、高压、高转速的条件下仍能保证可靠的密封性能[1]。世界先进的航空发动机（如F404、F110、M88等发动机[2]）均采用了圆周石墨作为主轴承腔的滑油密封装置。

石墨材料经长期使用或放置，在环境因素的作用下，其表观和力学性能会发生变化，这就是石墨的老化现象。海洋环境湿度较大，尤其是在中国南方海域呈现出高温高湿的气候特点，例如，在山东半岛东南部沿岸夏季平均相对湿度为80%～94%[3]，在这样的湿热环境下，发动机用石墨零件在高温以及氧和水分等因素的综合作用下，会加速老化，影响密封效果。因此，航空发动机所选用的石墨材料应具有较强的抗湿热老化能力，以保证发动机在海洋环境下使用的可靠性。石墨属于多孔材料，其制品的总气孔率为20% ～30%，随着气孔率的增大，其机械强度降低，抗氧化性能和耐腐蚀性能变差[4]。因此，发动机用石墨密封零件要进行浸渍密实化处理，以减小其气孔率。经过抗氧化剂浸渍处理后，浸泡的石墨孔隙中渗入耐高温抗氧化剂，从而提高碳石墨密封件的耐高温性能[5-7]。密封件中的石墨在工作过程中直接与滑油接触，可以增强石墨材料的润滑性，提高发动机用石墨密封零件在工作过程中的摩擦性能，但对浸油石墨的性能研究，尤其是在湿热环境下对浸油石墨老化性能影响的研究开展较少，值得研究者关注。本文选取航空发动机用高性能特种石墨材料M210，研究在湿热环境下对不浸渍不浸油、浸渍不浸油、浸渍后浸油3种不同处理方式的石墨材料在外观形貌及抗压强度、抗折强度等力学性能方面的影响，为M210石墨材料在发动机上的应用提供技术依据。

1 试样及试验方法

1.1 试样

本试验共选取3种不同处理方式的M210石墨材料进行湿热试验。抗压试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm；抗折试样尺寸为10 mm×10 mm×64 mm。在每个测试周期准备5个试样。为便于说明，分别对3种试样进行编号，具体情况见表1。

表1 M210石墨材料试样

1.2 试验方法

湿热试验按照GJB 150.9-1986[8]中第4.2节“地面起动控制设备和舰船设备湿热试验”的试验条件进行。试样在25±5℃、相对湿度为50%的条件下放置24 h，预处理后按如图1所示的控制程序进行24 h 为1个循环周期的湿热试验。每一循环周期由在60℃下16 h和在30℃下8 h组成（包括转换时间）。在这2种温度条件下，相对湿度保持为95%。在30℃和60℃之间的每个转换时间不超过1.5 h。对石墨试样分别进行10、20、60、100周期的试验。抗压强度测试试样采用悬挂的方式进行试验，抗折强度测试试样直接放置于试样架上进行试验。

图1 湿热控制程序

在湿热试验后对石墨试样进行力学性能测试，对比分析不浸渍不浸油、浸渍不浸油和浸渍后浸油3种不同处理方式的石墨材料在经过湿热老化试验后的力学性能变化情况。抗压强度、抗折强度分别按照JB/T 8133.8-1999[9]、JB/T 8133.7-1999[10]进行测试，采用岛津AG-250KNE拉伸试验机完成，湿热试验采用SDJ005F型湿热试验箱完成。

2 试验结果与分析

2.1 外观分析

在整个湿热试验过程中，1#试样表面始终无明显变化，如图2所示。2#试样在浸渍处理后表面没有水渍，在10周期湿热试验后，表面开始沉积不规则的水渍，而且在接下来的湿热试验中一直存在，如图3所示。3#试样浸渍后浸油，表面即沉积水渍/油渍，而且在整个湿热试验过程中一直存在，如图4所示。

图2 1#试样湿热试验后表面形貌

2.2 力学性能测试分析

2.2.1 抗压强度

图3 2#试样湿热试验后表面形貌

图4 3#试样湿热试验后表面形貌

图5 湿热试验前后石墨抗压强度曲线

3种处理方式的M210石墨材料在整个湿热试验过程中的抗压强度变化曲线如图5所示。从图5中可见，3种处理方式的试样抗压强度整体上均呈降低趋势，表明在湿热环境下，不同处理方式的M210石墨材料均发生了老化，抗压强度随湿热试验周期的增加而逐渐降低。2#和3#试样的抗压强度降低比1#试样的缓慢，表明石墨的浸渍处理能够减缓石墨材料的老化，且不受工作环境中浸油的影响。经100周期湿热试验后，不进行处理的1#试样的抗压强度降低约7.8%；2#和3#试样表现出良好的抗压性能，经过100周期的湿热试验后抗压强度降低仅为2.6%和2.3%。

2.2.2 抗折强度

3种处理方式的M210石墨材料在整个湿热试验过程中的抗折强度变化曲线如图6所示。从图中可见，3种处理方式试样的抗折强度随湿热周期的增加逐渐降低。表明在湿热环境下，不同处理方式M210石墨材料均发生了老化，抗折强度随湿热试验周期的增加而逐渐降低。经100周期湿热老化试验后，3种处理方式试样的抗折强度均高于65 MPa。表明在湿热环境下，3种处理方式的M210石墨均表现出优异的抗折性能。

图6 湿热试验前后石墨抗折强度曲线

2.3 综合分析

综合上述试验结果，3种处理方式的M210石墨材料均表现出良好的耐湿热老化性能。发动机常用密封石墨材料性能要求及3种处理方式的M210湿热试验后的性能结果见表2。从表中可见，3种处理方式的M210石墨经过100周期湿热老化试验后其抗压强度和抗折强度均满足标准要求，与同类型其他石墨材料相比表现出更加优异的抗折强度性能，为M210石墨材料的广泛使用奠定了基础[11]。

表2 M210石墨与其他发动机常用密封石墨材料性能对比

3 结论

（1）经过100周期的湿热试验，不浸渍不浸油的石墨试样表面形貌无明显变化，浸渍不浸油和浸渍后浸油的石墨试样表面均沉积了不规则的水渍/油渍。

（2）随着湿热试验时间的延长，经不浸渍不浸油、浸渍不浸油、浸渍后浸油3种处理方式的M210石墨材料的抗压强度均逐渐降低。浸渍处理能够减缓在湿热条件下的老化过程，提高其抗压强度，且不受工作环境中浸油的影响。

（3）在100周期的湿热时间内，不浸渍不浸油、浸渍不浸油、浸渍后浸油3种处理方式M210石墨材料均表现出优异的抗折强度性能，抗折强度均高于65 MPa。随着湿热试验时间的延长，抗折强度逐渐降低。

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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

杨英炎（1963），男，高级工程师，从事航空发动机研制工程管理工作。

燃气轮机工程研究项目资助

2013-08-10