Порошкоподібний матеріал та стиране покриття для герметичних ущільнень

1. Порошкоподібний матеріал, призначений для утворення стираного покриття, який містить металевий порошок переважно на основі алюмінію, що містить марганець або кальцій та один або більше додаткових металевих елементів, який відрізняється тим, що містить марганець або кальцій в кількості від 5 до 20 мас. % металевого порошку та окремі кількості кожного додаткового металевого елементу, що менші або дорівнюють 5 мас. % металевого порошку. 2. Матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить органічний порошок. 3. Матеріал за п. 2, який відрізняється тим, що вміст органічного порошку складає від 5 до 15 мас. % матеріалу. 4. Матеріал за пп. 2 або 3, який відрізняється тим, що органічний порошок містить один з таких компонентів: поліестер, поліметилметакрилат і поліімід. C2 2 (19) 1 3 80681 4 Матеріали, здатні до стирання, знаходять у згоряння, використовувані в турбомашинах, і даний час різноманітне застосування; зокрема, зовнішнє повітря викликають корозію; вони використовуються в герметичних - при зносі ущільнень їхні залишки не повинні ущільненнях. Стирані ущільнення забивати отвори, призначені для охолодження використовуються, наприклад, в обертових компресорів; частинах турбомашин, наприклад, у компресорах з - нарешті, стирані матеріали, які утворюють метою зменшення газових або повітряних витоків, ущільнення, мають бути стійкі до високих які можуть позначитися на продуктивності температур і не схильні до таких змін, як турбомашини. затвердіння, розтріскування або розшаровування, Компресор турбомашини складається з які могли б знизити їхню здатність до стирання. множини лопаток, закріплених на валі, Стираний матеріал має витримувати різноманітні встановленому в нерухомому кільці. В процесі цикли роботи турбомашини, не втрачаючи своїх роботи вал і лопатки обертаються всередині властивостей. кільця компресора. Були запропоновані різноманітні Для забезпечення ефективної роботи порошкоподібні матеріали, призначені для турбомашини необхідно за можливістю скоротити утворення стираних ущільнень. Ці матеріали витоки повітря і газів у компресорних секціях можна розділити на дві основні категорії: машини. Таке скорочення витоків досягається матеріали, що містять металеві порошки на мінімізацією зазорів, наявних, по-перше, між кремнієвій основі (наприклад, матеріал, що містить кінцями лопаток і внутрішньою поверхнею кільця сплав AISi й органічний порошок), і матеріали, що компресора й, по-друге, між міждисковими містять металеві порошки на основі хрому й обичайками і зовнішньою поверхнею випрямного нікелю (наприклад, матеріал, що містить сплав апарата. В той же час термічне і відцентрове NiCrAl і керамічний, органічний або глиняний розширення лопаток компресора ускладнює порошок). Кожна з цих категорій стираних одержання малих зазорів між кінцями лопаток і матеріалів характеризується певними недоліками. внутрішньою поверхнею кільця компресора. Матеріали на кремнієвій основі мають, по суті, За цих умов внутрішня поверхня кільця задовільні характеристики стирання й ерозійної компресора звичайно покривається шаром стійкості, але мають лише обмежене застосування стираного матеріалу, а вал компресора при високих температурах. Відомий, наприклад, встановлюється в кільце компресора таким чином, порошковий матеріал, описаний у [патенті США щоб кінці лопаток виявилися якнайближче до №5434210]. Використання цього матеріалу стираного покриття. Функція такого стираного можливе при температурах приблизно до 400°С. покриття зводиться, таким чином, до утворення При перевищенні цієї температури металева ущільнення між рухомими й нерухомими матриця цього матеріалу стискується й частинами компресора турбомашини. ущільнюється, що може призвести до зносу кінців При контакті рухомих і нерухомих частин лопаток, що взаємодіють з ним. компресора ущільнення зі стираного матеріалу Матеріали на основі хрому й нікелю відносно дозволяє одержати зменшений зазор без значного стабільні і стійкі до високих температур, але не пошкодження деталей ротора, що вступають у мають достатньої здатності до стирання й контакт. Небажаний взаємний контакт між опірності ерозії, особливо якщо вони рухомими і нерухомими частинами компресорів застосовуються у поєднанні з лопатками відбувається переважно через різноманітне компресорів, виготовленими з титанових сплавів розширення рухомих і нерухомих частин без покриття. Наприклад, сплав NiCrAl, що має компресорів при роботі компресорів у перехідному гарні температурні характеристики, відрізняється режимі. Явища пластичності лопаток, дисбалансу і відносно високою жорсткістю і викликає надмірний вібрації також можуть призводити до такого знос лопаток. небажаного контакту. Для вирішення названих трудностей на кінці В разі такого небажаного контакту ущільнення лопаток може бути нанесене захисне покриття. має відповідати таким вимогам: Використання такого покриття виявляється, проте, - кінці лопаток не повинні піддаватися надзвичайно дорогим. надмірному зносу. Більш того, хоча незначний Таким чином, задачею, на вирішення якої знос і може бути допущений, краще, щоб при спрямований даний винахід, є створення такому контакті пошкодженню піддавалося порошкоподібного матеріалу, призначеного для ущільнення; утворення стираного покриття для ущільнень, що - контакт між кінцями лопаток і ущільненням не відповідає вищезгаданим вимогам. має призводити до нагрівання лопаток; у Іншою задачею, що її розв'язує винахід, є протилежному випадку, зокрема, при використанні створення стираного покриття, яке зберігає лопаток із титанових сплавів, таке нагрівання задовільний стан за використання при може призвести до загоряння; температурах, що сягають 550°С. - ущільнення мають бути стійкі до ерозії, що Ще однією задачею є створення стираного викликається газовим потоком, циркулюючим ущільнення, придатного до використання з усередині компресора; лопатками або з їхніми ущільнювальними - ущільнення мають також зберігати здатність елементами з титанових сплавів без нанесення на до стирання в окисному й корозійному середовищі. їхні кінці захисного покриття. Підвищення температури всередині компресора Для вирішення поставленої задачі сприяє окислюванню, а газоподібні продукти пропонується порошкоподібний матеріал, 5 80681 6 призначений для створення стираних покриттів і 5мас.% металевого порошку, а сумарний вміст цих який характеризується тим, що містить металевий додаткових елементів не перевищує 10мас.%. порошок, краще на основі алюмінію, а також У кращому варіанті порошкоподібний матеріал кальцій або марганець. містить також органічний порошок, що містить Цей новий порошкоподібний матеріал має один або декілька з таких компонентів: складний кращі термічні характеристики, ніж матеріали, поліефір, поліметилметакрилат і поліімід. Цей використовувані в даний час для утворення порошкоподібний матеріал може також містити стираних покриттів. Заявником було виявлено, що будь-який інший матеріал типу полімеру, температура евтектичного плато сплаву AlFe, наприклад поліетилен, полівінілацетат або AIMn або АІСа значно вище аналогічного поліарамід. значення, наприклад, для сплаву AISi, що Крім того, до матеріалу в оптимальному дозволяє сягати температур порядку 550°С без варіанті може бути доданий керамічний порошок. трансформації або руйнації матеріалу. Він складається з одного або декількох таких Краще до матеріалу додається органічний компонентів з групи твердих керамічних мастил: порошок, що збільшує шпаристість одержуваного нітрид бору, дисуль фід молібдену, графіт, тальк, покриття, полегшує стирання при контакті рухомих бентоніт, слюда. Цей порошкоподібний матеріал і нерухомих частин і забезпечує можливість може також бути складений з інших шарува тих підвищення температури покриття. матеріалів на основі силікатів, як, наприклад, Крім того, додавання твердого мастила з каоліну та інших глин. керамічного порошку дозволяє одержати Підготовлені в такий спосіб металевий, додаткову перевагу достатнього розділення шарів органічний і мастильний порошки змішуються, для попередження нагрівання лопаток при контакті переважно, в такій пропорції: вміст металевого рухомих і нерухомих частин. Отриманий порошку складає від 65мас.% до 90мас.% порошкоподібний матеріал відповідає, таким матеріалу, вміст керамічного порошку складає від чином, вищезгаданим вимогам. Він добре 5мас.% до 20мас.%, а вміст органічного порошку підходить для утворення стираного покриття, від 5мас.% до 15мас.%. зокрема, для створення ущільнень компресорів Змішування порошків може бути здійснене турбомашин. механічно. Ця процедура полягає в механічному Переважно керамічний порошок містить один з змішуванні складових і в одержанні, під впливом таких компонентів: нітрид бору, дисульфід сил стиску і зсуву в змішувачі, агломератів, молібдену, графіт, тальк, бентоніт і слюда, а утворених усіма вихідними компонентами. органічний порошок містить один з таких Втім, змішування може також здійснюватися компонентів: складний поліефір, поліметиліншими засобами, наприклад пресуванням і метакрилат і поліімід. сушінням або спіканням і подрібнюванням. У кращому варіанті вміст металевого порошку Згідно з кращим варіантом здійснення складає від 65мас.% до 95мас.%, керамічного винаходу порошкоподібний матеріал складається порошку - від 3мас.% до 20мас.%, а органічного з металевого порошку зі сплаву алюмінію і порошку - від 5мас.% до 20мас.% матеріалу. марганцю (АlМn5), керамічного порошку з Металевий порошок може також містити один гексагонального нітриду бору (hBN) і органічного або декілька з таких додаткових елементів: хром, порошку зі складного поліефіру (поліестеру, ПЕ). В молібден, нікель, кремній і залізо. Вміст марганцю оптимальному варіанті вміст сплаву Аl Мn5 або кальцію в металевому порошку складає складає близько 75мас.% матеріалу, вміст переважно від 5мас.% до 20мас.%, а вміст гексагонального нітриду бору складає близько додаткових елементів не перевищує 10мас.% 15мас.% матеріалу, а вміст складного поліефіру металевого порошку. складає близько 10мас.% матеріалу. В кращому варіанті здійснення винаходу Отриманий у такий спосіб порошкоподібний металевий порошок виготовляється зі сплаву матеріал наноситься методом термічного Аl Мn5, керамічний порошок - з гексагонального напилювання за допомогою відомих технологій нітриду бору, а органічний порошок - зі складного (наприклад, плазмового або полум'яного поліефіру. напилювання) для утворення стираного покриття. Порошкоподібний матеріал згідно з винаходом В оптимальному варіанті стиране покриття призначений для утворення стираного матеріалу, може бути піддане термічній сублімації для наприклад покриття для ущільнень компресорів створення в матеріалі порожнин і збільшення або кілець турбін. ступеня його шпаристості. Така сублімація Порошкоподібний матеріал складається в служить для видалення органічного порошку з основному з металевого порошку, що відповідає метою проведення дослідів в умовах експлуатації, сплаву переважно на основі алюмінію. близьких до реальних, у яких видалення Другим основним металевим елементом цього органічних компонентів неминуче. сплаву може бути марганець або кальцій, вміст Експеримент якого може складати від 5мас.% до 20мас.% Порошкоподібна суміш, призначена для металевого порошку. термічного нанесення, була виготовлена шляхом Металевий порошок (типу AlFe, AIMn або механічного змішування 75мас.% порошку Аl Мn5, АІСа) може, крім того, містити один або декілька з 10мас.% ПЕ і 15мас.% hBN. Підкладка на основі таких додаткових металевих елементів: хром, нікелю була покрита шаром ΝiΑl5. Отриманий у молібден, нікель, кремній і залізо. Окремо вміст такий спосіб порошкоподібний матеріал було кожного з цих додаткових елементів не перевищує нанесено на цю підкладку плазмовим 7 80681 напилюванням. Параметри напилювання, 500 годин при 550°С використані в даних дослідах, наведені в наступній таблиці: Газ плазми Витрати (л/хв.) Тиск (кПа) Сила струму (А) Напруга (В) Відстань нанесення Аргон 50-70 100-150 Водень 2,5-5 120-170 500 31 130мм Використаний для нанесення інжектор мав наступні характеристики: Діаметр сопла Розмір інжектора Кут інжектора Швидкість переміщення матеріалу Крок сканування 6мм 2мм 90° 1600мм/с 5,5мм Покриття, отримане в результаті напилювання, являє собою стиране покриття з середньою товщиною близько 3мм. Твердість покриття була виміряна за допомогою шкали R15Y за Роквеллом, що визначає твердість покриття. В даному випадку виміряне значення за шкалою R15Y для випробувального покриття склало в середньому близько 70. Зразок підкладки з нанесеним покриттям був потім підданий сублімації при температурі 500°С протягом чотирьох годин. Після закінчення цієї сублімації значення за шкалою R15Y для покриття склало в середньому близько 60. Покриття було випробуване на стирання на спеціальному стенді з використанням лопаток з титанового сплаву без покриття. Зносостійкість цього герметичного ущільнення вимірювалася за таких умов: Температура дослідів Кількість лопаток Товщина лопаток Швидкість крайніх точок лопаток Швидкість заглиблення лопаток Глибина заглиблення Стан покриття Вихідний 250 годин при 500°С 500 годин при 500°С 8 3,5 3,7 4,9 Fp 11 8,7 4 Зусилля (Н) Fco 2,25 2,8 2,8 Fch 0,5 0,5 0,5 З цих результатів очевидно, що отримане описаним чином стиране ущільнення має кращі властивості опірності ерозії, ніж класичне ущільнення, охарактеризоване в таблиці II. Ущільнення за винаходом піддається зносу при контакті з лопатками з металевого, а саме титанового сплаву, не викликаючи зносу останніх. Металургійна стабільність цього ущільненнядозволяє йому працювати при температурах до 550°С, на відміну від класичного ущільнення, описаного в таблиці II, що не витримує настільки високих температур. Навколишня температура 3 0,8мм 200м/с 0,15мм/с 0,5мм Всі здійснені вимірювання грунтувалися на таких принципах: прикладення зусилля по трьох осях (заглиблення Fp, різання Fco і точіння Fch) і вимірювання зносу лопаток. У нижченаведеній таблиці І містяться результати цих вимірювань порівняно до результатів, отриманих на відомому покриттю, виготовленому з суміші AISi, органічного порошку і гексагонального нітриду бору (таблиця II). Таблиця І Стан покриття Вихідний 250 годин при 500°С 500 годин при 500°С Fp 3,2 2,85 2,6 Зусилля(Н) Fco 3,2 4 5,6 Fch 2,9 2,4 2,5 №1 +0,01 +0,01 0 Знос лопаток (мм) №2 №3 +0,03 +0,01 +0,03 +0,05 +0,02 +0,01