与发展建议
■ 王 婧1 韩秀峰1 王妙全1 梁利强2 李 亮2
（1. 中国航发商用航空发动机有限责任公司；2. 西北橡胶塑料研究设计院有限责任公司）
摘 要：本文综述了发动机材料标准适航要求和含氟橡胶材料在航空发动机上的应用。重点对比分析了国内航空工业标准（HB）、国家军用标准（GJB）和美国宇航标准（AMS）中含氟橡胶在标准体系结构、性能项目及指标、数据生成准则方面的差异。提出统一标准体系、制定型类级系列标准、以统计数据建立材料标准、充分贯彻适航要求和建立健全标准复审和维护机制是未来航空发动机含氟橡胶材料标准的发展方向。
关键词：航空发动机，标准，适航，含氟橡胶
DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2021.03.035
Analysis on the Progress and Development of Fluorine-Containing Rubber
for Aeroengine
WANG Jing1 HAN Xiu-feng1 WANG Miao-quan1 LIANG Li-qiang2 LI Liang2
（1. AECC Commercial Aircraft Engine Co., Ltd.;
2. Northwest Rubber & Plastics Research & Design Institute Co., Ltd.）
Abstract: This paper reviews the airworthiness requirements of material specification for aeroengine and application of fluorine-containing rubber, comparatively analyzes the differences in specification system structure, properties and requirements, data derived criteria between HB, GJB and AMS specifications. It puts forward that the trend of fluororubber material specifications for aeroengine are unified system, establishing series of standards of different type, form and grade, defining material standards based on statistical data, fully implementing airworthiness requirements and setting robust standards review and maintenance mechanism.
Keywords: aeroengine, specification, airworthiness, fluororubber
标准评析
1 引 言
高可靠性、长寿命、低油耗是当代航空发动机设计与制造技术发展的主要目标。材料是构成航空发动机的物质基础，需要建立完善的材料标准来保证材料性能的稳定性和对发动机零件的适用性[1-6]。因此，材料标准作为航空发动机技术体系的重要组成部分，既是设计制造的指导文件，又是性能稳定的基础保证，也是适航审定的重要依据。
我国航空发动机标准较大程度上源于军用发动机体系，民机与军机的研制目标、性能需求和标准指标生成准则等方面都存在差异，因此在标准体系中落实民机安全性、可靠性和经济性的适航要求，是构建先进完备的航空标准体系的重要举措。
王婧，韩秀峰，王妙全等：航空发动机含氟橡胶标准现状分析与发展建议
本论文将以含氟橡胶材料标准为切入点，基于适航条款的分解要求，对常用国内外含氟橡胶标准进行对比分析，进而提出我国含氟橡胶标准的发展建议。
2 发动机材料及标准适航要求
各航空器的适航规章都对材料提出了直接审定要求[7-12]。CCAR-33《航空发动机适航规定》[5]材料专用条款33.15条提出，发动机所用材料的适用性和耐久性必须满足：a）建立在经验或试验的基础上；b）符合经批准的规范（如工业或军用规范），保证这些材料具有设计资料中采用的强度和其他性能。可分解成以下几方面执行要求[13]。
（1）选用的材料应有足够的数据和经验，即成熟材料，已积累一定数量炉批的性能数据。
（2）选用的材料应有正式标准，材料标准应经适航管理机构或其他权威机构认可。对于FAA 和EASA直接接受的行业材料标准，在说明适用性的前提下，可提供材料数据作为符合性证据，如A MS标准；对于国内行业材料标准，需表明用于材料标准建立的生产处于稳定和设计值满足适航要求，如国内航空工业标准（HB），国家军用标准（GJB）等。
（3）设计使用的材料性能数据应在指定手册中选用。
因此，材料的适航要求通过材料标准和性能数据来审查。材料标准由能够实现材料性能全面控制的代表性项目构成，指标由多炉批数据基于统计方法生成。材料、标准、性能数据是不可分割的整体，材料是基础，标准是关键，数据是支撑。
3 航空发动机含氟橡胶应用情况
航空发动机有大量的密封件分布在滑油（如机械系统）、燃油（如燃烧系统）和液压油（如控制系统）介质中，在各种耐介质类橡胶中，耐油性最好的是含氟橡胶，有氟橡胶（FKM）、氟醚橡胶、全氟醚橡胶（FFKM）和氟硅橡胶（FVMQ）几类[14]。严格意义上，前三种都属于广义氟橡胶，为了便于区分，下述氟橡胶特指第一类氟烯烃共聚物。发动机密封
含氟橡胶具有优异的耐热、耐臭氧和耐各种航空油料的性能，适于制造在空气、石油基滑油、燃油和液压油、硅酸酯和双酯类合成滑油中工作的密封零件、胶板、胶管及其他橡胶制品。全氟醚橡胶、氟硅橡胶是含有氟原子的硅橡胶，耐低温性能比氟醚橡胶更好。
氟橡胶（FKM）是应用最广泛的含氟橡胶品种，在空气中的工作温度为-40℃～250℃，在航空油料中为-40℃～180℃。硬度等级不同，其应用范围也不同。如国内生产的FX-4氟橡胶硬度较低、拉断伸长率高，适于制造接触油料的套管、密封垫片和O形圈。FX-5硬度适中，适用于各种形式的密封件。
氟醚橡胶比氟橡胶的低温适用性更好，可在-55℃～200℃的空气、石油基滑油、燃油和液压油、硅酸酯和双酯类合成滑油中工作。如FM-1、FM-2氟醚橡胶适用于工作温度为-50℃～250℃，工作介质为空气、合成油、航空液压油的固定或活动密封件。FM-1D和FM-2D氟醚橡胶的耐低温性能更佳，工作温度可低至-55℃，高温达200℃。
全氟醚橡胶（FFKM）的工作温度范围最宽，在空气、石油基滑油、燃油和液压油中的工作温度可高达300℃，是高温耐介质密封件的主要选择，一般制成O形圈、垫圈、U形皮碗、V形圈、隔膜等密封件。
氟硅橡胶（FV MQ）同时具有硅橡胶耐热、耐寒、耐天候老化和氟橡胶耐溶剂等优点，是-68℃～232℃使用温度范围可耐非极性介质的唯一橡胶品种，适于制造耐油密封制品。
3.1 标准体系结构
3.1.1 氟橡胶，氟醚橡胶
橡胶分型类级有多个维度，如硫化方式、组分、耐温能力、硬度等。氟橡胶和氟醚橡胶结构相
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似，仅耐温能力不同，在HB、GJB和AMS中并未做严格区别，HB和GJB统一称为氟橡胶，AMS称为氟碳橡胶（fluorocarbon rubber）。氟（醚）橡胶型别以耐温能力（耐高温、耐低温等）区分，类别以零件形式（板材、O形圈等）区分，级别以不同硬度（Shore A）区分。
H B体系关于氟（醚）橡胶有H B 5229和H B 5230，分别适用于氟（醚）橡胶通用零件和氟（醚）橡胶O形圈，分为65和75两个硬度级别。GJB体系氟橡胶标准为GJB 251A，具有两个型别，Ⅰ型适用于O形圈、胶板、胶管、型材，Ⅱ型适用于唇形密封圈；硬度包括55、65、75和85四个级别。
AMS关于氟（醚）橡胶有完整的标准系列。以耐温能力区分：氟橡胶的最低工作温度要求均为-29℃，AMS 3384、AMS 7287最低工作温度要求为-40℃；AMS 3353、AMS 7379最低工作温度要求为-50℃。以零件形式区分，AMS 3216，AMS 3218，AMS 3353和AMS 3384适用于氟橡胶板、带、管、挤出和模具成型制品；AMS 7276，AMS 7259，AMS 7379和AMS 7287适用于O形圈，压力密封
件和直接成型的密封垫。以硬度区分：AMS 3218和AMS 7259为硬度为85～95的氟橡胶，其他标准均为硬度为70～80的氟（醚）橡胶。HB、GJB和AMS体系的氟（醚）橡胶标准框架归纳如图1所示。
从上图可以看出，与HB和GJB相比，AMS标准对于氟（醚）橡胶的分类更加详细和具体，针对不同耐低温等级、零件形式和硬度分别对应不同的标准，更加利于设计分类选用，对某一特定型类级别的氟（醚）橡胶的针对性也更强。
3.1.2 全氟橡胶
由于全氟醚橡胶应用较少，HB中没有关于全氟醚橡胶的材料标准，GJB于2017年发布了全氟
（a）
（b）
图1 氟（醚）橡胶标准体系框架图：（a）AMS标准；（b）HB和GJB标准
橡胶密封圈的标准，包括两个型别，Ⅰ型工作温度为-15℃～290℃，Ⅱ型工作温度为-15℃～250℃，每种型别都有硬度为70和80的两个级别。A MS 7257只涉及一种工作温度为-15℃～290℃，适用于O形圈、压力密封件和密封垫的硬度为75的全氟醚橡胶。
3.1.3 氟硅橡胶
从标准数量上来看，国外对氟硅橡胶的研究和应用比国内成熟得多，AMS体系已经形成了一系列的氟硅橡胶标准，体系性和针对性也更强，国内标准体系中HB尚未有此类规范，GJB仅有GJB 1790。GJB 1790型别按零件形式区分，Ⅰ型为O形圈，硬度为60级和70级，Ⅱ型为胶板、胶条、压出型材及其他模压制品，硬度为50级、60级和70级。氟硅橡胶的AMS标准按照产品形式也分成两类，一类为氟橡胶板、胶带、胶管、挤出和模具成型制品，该类标准下属普通氟硅橡胶和高模量氟硅橡胶两个系列，每个系列都分为不同的硬度级别。另一类为O形圈，仅有AMS 7273一份标准。GJB和AMS体系的氟硅橡胶标准框架图如图2所示。
3.2 标准性能项目及指标
材料标准应包括能够实现材料性能全面控制的代表性性能项目，橡胶材料标准常采用硬度、拉伸强度、压缩永久变形等，对于氟橡胶，还考察热老化（耐高温性能）、脆性温度、TR
10
（低温性能）和液
体中性能变化率（耐液体性能），以硬度为75的适用于O形圈的氟橡胶标准AMS 7276与HB 5230 B级
为例，对比国内外标准在性能项目与指标的差异性：AMS 7276和HB 5230 B级氟橡胶的硬度、拉伸强度、拉断伸长率和密度等基本指标都相当。耐介质性能，HB 5230选用了国内的RP-1或RP-2燃油，润滑油选用了4109合成油，AMS 7276选用的是ASTM Ref. Fuel B燃油和AMS3023润滑油，由于选用的介质牌号、测试温度和时间不同，指标不具有直接的可比性。耐热老化性能，AMS标准选用了比HB更高的温度和更长的时间，考察条件更苛刻，指标基本相当。
AMS 7276和HB 5230 B级氟橡胶在恒定压缩永
久变形和橡胶回弹温度TR
10
指标上有较大差异。恒定压缩永久变形测试条件为空气中200℃加热22h，O形圈横截面直径小于3mm时，AMS 7276的指标为≤20%，HB 5230 B级的指标为≤35%；O形圈横截面直径大于3mm时，AMS 7276的指标为≤15%，HB 5230 B级的指标为≤30%。恒定压缩永久变形是评价橡胶件长期密封性能的关键性指标，直接反映橡
胶零件的密封寿命。橡胶回弹温度TR
10
代表了其耐低温能力，AMS 7276的要求为≤-15℃，HB 5230 B 级的要求为≤-10℃。
王婧，韩秀峰，王妙全等：航空发动机含氟橡胶标准现状分析与发展建议图2 氟硅橡胶AMS和GJB标准体系框架图
由此可见，同等耐温能力、同硬度级别的HB和AMS氟橡胶标准相比，基础性能的要求相当，而对于材料密封功能性和低温适用性指标，AMS标准的压缩永久变形性能和橡胶回弹温度提出了更高的要求。
3.3 标准数据生成准则
发动机设计应使用基于统计且满足一定概率要求的材料强度和其他性能，因此只有基于统计方法及数据建立的材料标准，才能够保证材料性能可用于设计。
国外GE、RR公司多个型号的先进航空发动机选用了AMS含氟橡胶标准，其性能指标均为多批次性能数据统计的结果，且通过了适航取证，也积累了大量长时服役的性能数据。
HB和GJB标准体系是随着国内航空器和军品研制和发展需要逐步建立起来的，20世纪50～70年代，含氟橡胶材料研制和材料标准主要仿制苏联；70年代后期，通过转包生产学习形成了一些具有英、美标准体系特点的标准[15]。标准指标的确立有几种方式：一种是借鉴国外标准和产品的技术指标；二是设计提出的技术需求指标；三是将研制的材料进行少数几个批次的合格鉴定检验，取典型值作为标准指
标。没有基于统计数据建立的标准，一方面无法充分保证按标准验收的材料具有设计所需的满足一定概率要求的强度和其他性能，另一方面也无法充分表征材料本身所具备的实际性能水平。
4 国内航空发动机含氟橡胶标准发展建议
国外航空发动机采用的AMS含氟橡胶标准已发展成熟，且经过多个先进航空发动机型号的适航取证，标准体系完整性、内容全面性、指标科学性和产品适用性都已得到验证。国内含氟橡胶标准体系标内容涵盖不够全面，指标缺乏统计数据的较核，标准维护和更新的频率也远远低于国外标准，建议加强以下几个方面工作。
（1）军民融合，整体规划，建立统一的国内含氟橡胶标准体系。GJB和HB两大军民标准体系中的含氟橡胶的标准从技术层面初步评估，具备相互融合的基本条件。如HB 5229、HB 5230和GJB 251A都对不同硬度级别的氟橡胶的性能进行了规定，可将重复部分优化精简，差异部分相互补充，同时吸收国内先进的企业标准如中国航发集团标准（AE）、北京航空材料研究院标准（Q/6S）、中国航发商发（MAS）的内容，形成适用于军民两用需求的国内标准体系。
（2）以型、类、级别为区分准则，制定含氟橡胶标准系列，利于设计选用。从上述分析可以看到，AMS标准关于氟（醚）橡胶的型别以耐低温能力区分，类别以产品形式区分，级别以橡胶硬度区分；关于氟硅橡胶的型别以产品形式区分，类别以普通模量和高模量区分，级别以橡胶硬度区分。每一型
、类、级别的材料的强度、功能和应用环境充分体现在标题中，从设计选用的角度可对橡胶材料的适用性一目了然。HB和GJB标准多采用在同一份标准中对应多个型类级别，随着氟橡胶工业的发展，具有不同特性的氟橡胶的牌号越来越多，不利于标准的维护和设计的选用。建议借鉴AMS标准体系的构建方式，在国内含氟橡胶的标准体系中建立多个针对不同型、类、级别产品的完整标准系列。
（3）基于统计数据建立氟橡胶材料标准。只有基于统计数据建立的材料标准，才能够保证材料具有设计所采用的满足一定概率要求的材料强度和其他性能。确定材料标准中性能指标的统计方法，主要是指：a）选择并确定列在材料标准中的性能项目，保证设计所使用的性能都得到有效控制；b）确定材料性能接收限，使材料性能能够足够高概率达到设计将使用的性能；c）材料规格的划分[16]。另一方面，建立具有统计基础的材料标准指标值，要求供应商规范生产过程控制体系，保证材料稳定生产的实现，广泛使用的方法是统计过程控制（SPC），
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