减速器管断裂失效分析

陈国权，张立文，李佳珊

(哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150066)

0 引言

减速器管是直升机的关键部件，用来支撑尾桨组件，主要承受涵道尾桨推力。对保证飞机的飞行安全起关键作用。

减速器管主要是由两种预浸布卷制并模压成形的管体，在中部及两端是由8 个玻璃纤维半轴瓦组成的紧固轴套。减速器管的结构图见图1。减速器管总长1 220 mm，外径为65 mm，中部约580 mm 长度区域壁厚最大，从中部向两端壁厚逐渐减薄;减速器管本体所用材料为碳纤维增强树脂基复合材料。紧固套所用材料为玻璃纤维增强树脂基复合材料。每一紧固套由上下两半轴瓦构成，成型时两半轴瓦通过模具扣合在减速器管本体上，轴瓦和减速器管本体之间通过胶结固化形成一体。

减速器管的生产工艺为:紧固套缠绕、固化→减速器管本体缠绕→将紧固件涂胶并安装到减速器管上→固化(固化温度(125±5)℃，固化压力2.0 MPa，固化时间1.5～2 h)→打孔→安装钢销→涂胶。减速器管本体由2 层单向3238A 布及9层双向3238A 布缠绕而成，半轴瓦由3233 玻璃纤维铺层固化而成。

减速器管所经历的试验过程:减速器管进行弯曲疲劳试验，振动频率为2 Hz，振动载荷为(750±500)daN，振动试验进行到40 次时发生断裂失效，设计要求振动次数大于20 万次。本研究对减速器管断裂原因进行了系统分析。

1 试验部分

1.1 宏观观察

减速器管断裂位置如图1 所示。减速器管在一侧紧固套边缘断裂成两部分，2 个匹配断口分别为减速器管一侧断口和紧固套一侧断口，对2个匹配断口分别进行观察。减速器管一侧断口约4/5 周断口较平齐，其余1/5 断口参差不齐且存在层间开裂及纤维束拔出现象，采用游标卡尺测量断口区域的壁厚约2.0 mm。断口附近管壁外表面存在2 条明显的纵向裂纹，长度分别为25、23 mm，裂纹未穿透壁厚，此外断口附近内壁双向碳布与单向碳布之间存在分层开裂现象(图2)。

图1 减速器管结构及断裂位置示意图Fig.1 Sketch map of fracture section of reducing unit pipe

图2 断口附近分层断裂形貌Fig.2 Delamination fracture appearance near the fracture surface

紧固套一侧断口形貌与减速器管一侧断口形貌一致，但断口外侧紧固套端面上约2/3 周的范围内存在亮黑色区域，黑色区域在紧固套的端面上宽度约为0.2 mm(图3);体视显微镜下观察，亮黑色区域碳布，局部区域可见碳纤维束断裂后固化在紧固套端面上(图4)。断裂纤维位于外层紧固套的自由端面上，已与紧固套固化为一体，断裂纤维丝与紧固套直径呈约45°角，向外径方向断裂，为最外层预浸布褶皱折叠所造成，在减速管断裂之前已经断裂。用手术刀在亮黑色区域表面上刮蹭，可见白色粉末状物质。

1.2 红外光谱分析

在紧固套端面亮黑色区域刮取试样进行红外光谱分析，主要成分为环氧树脂。

1.3 微观观察

将断口喷金后置于扫描电镜下进行观察。

图3 紧固套边缘黑色区域形貌Fig.3 Black area at the edge of adapter sleeve

图4 紧固套边缘黑色区域形貌(局部形貌)Fig.4 Black area at the edge of adapter sleeve (local morphology)

减速器管一侧断口:外壁双向碳布层和中间区域部分单向碳布纤维束断面上均附着一层物质(呈自由表面形态)，部分区域表面散落纤维及环氧树脂碎屑，原始纤维及环氧树脂断口形貌观察不到，表面附着的物质为固化环氧胶的自由表面;部分单向碳布纤维束可见明显的断裂形貌，纤维断口一侧存在明显的挤压磨损痕迹(图5、图6)。

图5 减速器管断口上自由表面形貌(环氧树脂固化自由表面，在低倍断口上的位置见图4)Fig.5 Free face appearance of fracture surface of reducing unit pipe (free face of epoxy resin solidification)

图6 减速器管碳纤维挤压磨损断裂形貌Fig.6 Extrusion and wear appearance at fracture surface of reducing unit pipe carbon fiber

对于紧固套端面亮黑色区域，该区域附着一层碳纤维－环氧树脂，部分区域可见碳纤维，局部区域可见碳纤维断裂形貌(图7)。

图7 紧固套端面亮黑色区域纤维断裂形貌Fig.7 Fracture surface of fiber at black area of adapter sleeve end

内部双向碳布分层区域:分层面上环氧树脂呈锯齿状断裂形貌，未见碳纤维断裂形貌，表明该区域双向碳布与单向碳布之间的界面结合强度相对较弱，导致在试验过程中发生较大面积的层间开裂现象，形貌见图8。

图8 分层区树脂锯齿状断裂形貌Fig.8 Zigzag fracture surface of delamination area

1.4 金相分析

在紧固套一侧断口附近取样，制备金相试样进行组织观察［1-2］，紧固套边缘附近碳布存在明显的弯曲变形，碳布层发生层间开裂，部分纤维断裂，且该区域的树脂含量较其他区域多(图9)。

图9 断口附近碳布弯曲变形Fig.9 Bending deformation of carbon cloth near fracture surface

2 分析与讨论

减速器管断裂于一侧紧固套边缘应力集中区域，约4/5 周断口较平齐，断面大部分区域(外壁双向碳布和部分单向碳布)附着一层物质，呈自由表面形态，为固化的环氧树脂表面，表明这些区域纤维束在树脂固化之前已经存在损伤且已断裂，固化时环氧树脂流入并固化在断口表面;其他区域断面碳纤维断口存在挤压磨损痕迹。

金相分析结果表明紧固套边缘附近碳布存在明显的弯曲变形［3-4］，部分纤维断裂，碳布层之间存在分层现象，表明紧固套边缘附近区域碳布发生弯曲变形，导致部分纤维弯曲、变形、断裂，碳布层之间发生分层［5-7］。

综合减速器管断口形貌及金相分析结果分析认为，减速器管发生早期疲劳断裂(设计要求20万次试验时，在第40 次发生断裂)的原因是减速器管在固化之前，紧固套边缘碳布发生弯曲变形，碳布层之间发生分层，部分碳纤维发生断裂，导致固化后该区域层间结合强度低，部分区域未有效固化成一体，形成缺陷，导致该区域减速器管的刚度、强度、抗疲劳性能均大幅度下降［8-9］，试验过程中在疲劳载荷的作用下，损伤区域产生局部裂纹并扩展，导致减速器管发生断裂。

3 结论

1)减速器管发生早期疲劳断裂的原因是该区域层间结合强度低，部分区域存在分层。

2)减速器管在固化之前，紧固套边缘部分区域碳布发生弯曲变形，碳布层之间发生分层，部分碳纤维发生断裂，导致固化后该区域层间结合强度低，部分区域存在分层缺陷。

3)试验过程中在疲劳载荷的作用下分层缺陷区域产生局部裂纹并扩展，导致减速器管发生断裂。

4)建议加强固化前的工艺过程控制。

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