UA80681C2 - Порошкоподібний матеріал та стиране покриття для герметичних ущільнень - Google Patents

Abstract

Порошкоподібний матеріал, призначений для утворення стираного покриття, що містить металевий порошок на основі алюмінію, що містить марганець або кальцій та можливо інші металеві елементи. Стиране покриття для утворення герметичного ущільнення, зокрема в турбомашинах, одержане шляхом термічного напилювання зазначеного порошкоподібного матеріалу.

Description

Опис винаходу

Даний винахід відноситься до галузі порошкоподібних матеріалів, призначених для виготовлення стираних 2 герметичних ущільнень. Зокрема, він може застосовуватися в турбомашинах.

Матеріали, здатні до стирання, знаходять у даний час різноманітне застосування; зокрема, вони використовуються в герметичних ущільненнях. Стирані ущільнення використовуються, наприклад, в обертових частинах турбомашин, наприклад, у компресорах з метою зменшення газових або повітряних витоків, які можуть позначитися на продуктивності турбомашини.

Компресор турбомашини складається з множини лопаток, закріплених на валі, встановленому в нерухомому кільці. В процесі роботи вал і лопатки обертаються всередині кільця компресора.

Для забезпечення ефективної роботи турбомашини необхідно за можливістю скоротити витоки повітря і газів у компресорних секціях машини. Таке скорочення витоків досягається мінімізацією зазорів, наявних, по-перше, між кінцями лопаток і внутрішньою поверхнею кільця компресора й, по-друге, між міждисковими обичайками і 72 зовнішньою поверхнею випрямного апарата. В той же час термічне і відцентрове розширення лопаток компресора ускладнює одержання малих зазорів між кінцями лопаток і внутрішньою поверхнею кільця компресора.

За цих умов внутрішня поверхня кільця компресора звичайно покривається шаром стираного матеріалу, а вал компресора встановлюється в кільце компресора таким чином, щоб кінці лопаток виявилися якнайближче до стираного покриття. Функція такого стираного покриття зводиться, таким чином, до утворення ущільнення між рухомими й нерухомими частинами компресора турбомашини.

При контакті рухомих і нерухомих частин компресора ущільнення зі стираного матеріалу дозволяє одержати зменшений зазор без значного пошкодження деталей ротора, що вступають у контакт. Небажаний взаємний контакт між рухомими і нерухомими частинами компресорів відбувається переважно через різноманітне с розширення рухомих і нерухомих частин компресорів при роботі компресорів у перехідному режимі. Явища Ге) пластичності лопаток, дисбалансу і вібрації також можуть призводити до такого небажаного контакту.

В разі такого небажаного контакту ущільнення має відповідати таким вимогам: - кінці лопаток не повинні піддаватися надмірному зносу. Більш того, хоча незначний знос і може бути допущений, краще, щоб при такому контакті пошкодженню піддавалося ущільнення; -- - контакт між кінцями лопаток і ущільненням не має призводити до нагрівання лопаток; у протилежному с випадку, зокрема, при використанні лопаток із титанових сплавів, таке нагрівання може призвести до загоряння; - ущільнення мають бути стійкі до ерозії що викликається газовим потоком, циркулюючим усередині ее, компресора; о - ущільнення мають також зберігати здатність до стирання в окисному й корозійному середовищі. Підвищення

Зо температури всередині компресора сприяє окислюванню, а газоподібні продукти згоряння, використовувані в со турбомашинах, і зовнішнє повітря викликають корозію; - при зносі ущільнень їхні залишки не повинні забивати отвори, призначені для охолодження компресорів; - нарешті, стирані матеріали, які утворюють ущільнення, мають бути стійкі до високих температур і не « схильні до таких змін, як затвердіння, розтріскування або розшаровування, які могли б знизити їхню здатність З до стирання. Стираний матеріал має витримувати різноманітні цикли роботи турбомашини, не втрачаючи своїх с властивостей.

Із» Були запропоновані різноманітні порошкоподібні матеріали, призначені для утворення стираних ущільнень. Ці матеріали можна розділити на дві основні категорії: матеріали, що містять металеві порошки на кремнієвій основі (наприклад, матеріал, що містить сплав АЇ!зі й органічний порошок), і матеріали, що містять металеві порошки на основі хрому й нікелю (наприклад, матеріал, що містить сплав МістАЇ і керамічний, органічний або со глиняний порошок). Кожна з цих категорій стираних матеріалів характеризується певними недоліками. ав | Матеріали на кремнієвій основі мають, по суті, задовільні характеристики стирання й ерозійної стійкості, але мають лише обмежене застосування при високих температурах. Відомий, наприклад, порошковий матеріал, б описаний у (патенті США Мо5434210). Використання цього матеріалу можливе при температурах приблизно до о 20 добес. При перевищенні цієї температури металева матриця цього матеріалу стискується й ущільнюється, що щк може призвести до зносу кінців лопаток, що взаємодіють з ним.

Матеріали на основі хрому й нікелю відносно стабільні і стійкі до високих температур, але не мають достатньої здатності до стирання й опірності ерозії особливо якщо вони застосовуються у поєднанні з лопатками компресорів, виготовленими з титанових сплавів без покриття. Наприклад, сплав МІіСтАЇї, що має гарні 99 температурні характеристики, відрізняється відносно високою жорсткістю і викликає надмірний знос лопаток.

ГФ) Для вирішення названих трудностей на кінці лопаток може бути нанесене захисне покриття. Використання юю такого покриття виявляється, проте, надзвичайно дорогим.

Таким чином, задачею, на вирішення якої спрямований даний винахід, є створення порошкоподібного матеріалу, призначеного для утворення стираного покриття для ущільнень, що відповідає вищезгаданим 60 вимогам.

Іншою задачею, що її розв'язує винахід, є створення стираного покриття, яке зберігає задовільний стан за використання при температурах, що сягають 550296.

Ще однією задачею є створення стираного ущільнення, придатного до використання з лопатками або з їхніми ущільнювальними елементами з титанових сплавів без нанесення на їхні кінці захисного покриття. бо Для вирішення поставленої задачі пропонується порошкоподібний матеріал, призначений для створення стираних покриттів і який характеризується тим, що містить металевий порошок, краще на основі алюмінію, а також кальцій або марганець.

Цей новий порошкоподібний матеріал має кращі термічні характеристики, ніж матеріали, використовувані в даний час для утворення стираних покриттів. Заявником було виявлено, що температура евтектичного плато сплаву АІГРе, АІМп або АїІСа значно вище аналогічного значення, наприклад, для сплаву АЇЗі, що дозволяє сягати температур порядку 5502С без трансформації або руйнації матеріалу.

Краще до матеріалу додається органічний порошок, що збільшує шпаристість одержуваного покриття, полегшує стирання при контакті рухомих і нерухомих частин і забезпечує можливість підвищення температури 7/0 покриття.

Крім того, додавання твердого мастила з керамічного порошку дозволяє одержати додаткову перевагу достатнього розділення шарів для попередження нагрівання лопаток при контакті рухомих і нерухомих частин.

Отриманий порошкоподібний матеріал відповідає, таким чином, вищезгаданим вимогам. Він добре підходить для утворення стираного покриття, зокрема, для створення ущільнень компресорів турбомашин.

Переважно керамічний порошок містить один з таких компонентів: нітрид бору, дисульфід молібдену, графіт, тальк, бентоніт і слюда, а органічний порошок містить один з таких компонентів: складний поліефір, поліметил-метакрилат і поліїмід.

У кращому варіанті вміст металевого порошку складає від бо5мас.бо до 95мас.бо, керамічного порошку - від

Змас.бо до 20мас.бо, а органічного порошку - від 5мас.9о до 20мас.бо матеріалу.

Металевий порошок може також містити один або декілька з таких додаткових елементів: хром, молібден, нікель, кремній і залізо. Вміст марганцю або кальцію в металевому порошку складає переважно від 5мас.9о до 2Омас.бо, а вміст додаткових елементів не перевищує 1Омас.9о металевого порошку.

В кращому варіанті здійснення винаходу металевий порошок виготовляється зі сплаву АІМп5, керамічний порошок - з гексагонального нітриду бору, а органічний порошок - зі складного поліефіру. с

Порошкоподібний матеріал згідно з винаходом призначений для утворення стираного матеріалу, наприклад покриття для ущільнень компресорів або кілець турбін. о

Порошкоподібний матеріал складається в основному з металевого порошку, що відповідає сплаву переважно на основі алюмінію.

Другим основним металевим елементом цього сплаву може бути марганець або кальцій, вміст якого може - пе складати від 5мас.бо до 20мас.бо металевого порошку.

Металевий порошок (типу АІБРе, АІМп або АІСа) може, крім того, містити один або декілька з таких со додаткових металевих елементів: хром, молібден, нікель, кремній і залізо. Окремо вміст кожного з цих Ге) додаткових елементів не перевищує б5мас.9о металевого порошку, а сумарний вміст цих додаткових елементів не перевищує 1Омас.9о. о

У кращому варіанті порошкоподібний матеріал містить також органічний порошок, що містить один або со декілька з таких компонентів: складний поліефір, поліметилметакрилат і поліїмід. Цей порошкоподібний матеріал може також містити будь-який інший матеріал типу полімеру, наприклад поліетилен, полівінілацетат або поліарамід.

Крім того, до матеріалу в оптимальному варіанті може бути доданий керамічний порошок. Він складається з « одного або декількох таких компонентів з групи твердих керамічних мастил: нітрид бору, дисульфід молібдену, й) с графіт, тальк, бентоніт, слюда. Цей порошкоподібний матеріал може також бути складений з інших шаруватих й матеріалів на основі силікатів, як, наприклад, каоліну та інших глин. и? Підготовлені в такий спосіб металевий, органічний і мастильний порошки змішуються, переважно, в такій пропорції: вміст металевого порошку складає від бомас.уо до ЗУОмас.бо матеріалу, вміст керамічного порошку складає від 5мас.бо до 20мас.7о, а вміст органічного порошку - від 5мас.бо до 15мас.о. о Змішування порошків може бути здійснене механічно. Ця процедура полягає в механічному змішуванні складових і в одержанні, під впливом сил стиску і зсуву в змішувачі, агломератів, утворених усіма вихідними о компонентами. б Втім, змішування може також здійснюватися іншими засобами, наприклад пресуванням і сушінням або спіканням і подрібнюванням. бо Згідно з кращим варіантом здійснення винаходу порошкоподібний матеріал складається з металевого - М порошку зі сплаву алюмінію і марганцю (АІМп5), керамічного порошку з гексагонального нітриду бору (ВМ) і органічного порошку зі складного поліефіру (поліестеру, ПЕ). В оптимальному варіанті вміст сплаву АЇМи5 складає близько 75мас.бо матеріалу, вміст гексагонального нітриду бору складає близько 15мас.9о матеріалу, а

Вміст складного поліефіру складає близько 1Омас.9о матеріалу.

Отриманий у такий спосіб порошкоподібний матеріал наноситься методом термічного напилювання за іФ) допомогою відомих технологій (наприклад, плазмового або полум'яного напилювання) для утворення стираного ко покриття.

В оптимальному варіанті стиране покриття може бути піддане термічній сублімації для створення в матеріалі бо порожнин і збільшення ступеня його шпаристості. Така сублімація служить для видалення органічного порошку з метою проведення дослідів в умовах експлуатації, близьких до реальних, у яких видалення органічних компонентів неминуче.

Експеримент

Порошкоподібна суміш, призначена для термічного нанесення, була виготовлена шляхом механічного 65 Змішування 75мас.7о порошку АІМи5, 1Омас.9о ПЕ і 15мас.бо ВМ. Підкладка на основі нікелю була покрита шаром МІіАїІ5. Отриманий у такий спосіб порошкоподібний матеріал було нанесено на цю підкладку плазмовим напилюванням. Параметри напилювання, використані в даних дослідах, наведені в наступній таблиці: ; - й й

Використаний для нанесення інжектор мав наступні характеристики: деметсютав | мм си: и З й й й

Покриття, отримане в результаті напилювання, являє собою стиране покриття з середньою товщиною близько Змм. Твердість покриття була виміряна за допомогою шкали К15У за Роквеллом, що визначає твердість покриття. В даному випадку виміряне значення за шкалою К15У для випробувального покриття склало в середньому близько 70.

Зразок підкладки з нанесеним покриттям був потім підданий сублімації при температурі 5009 протягом чотирьох годин. Після закінчення цієї сублімації значення за шкалою К15У для покриття склало в середньому близько 60. сч 29 Покриття було випробуване на стирання на спеціальному стенді з використанням лопаток з титанового Го) сплаву без покриття. Зносостійкість цього герметичного ущільнення вимірювалася за таких умов: - зо Товщина поляк 1 ояим со ю о

Всі здійснені вимірювання грунтувалися на таких принципах: прикладення зусилля по трьох осях со (заглиблення Рр, різання Есо і точіння Ес!) і вимірювання зносу лопаток. У нижченаведеній таблиці | містяться результати цих вимірювань порівняно до результатів, отриманих на відомому покриттю, виготовленому з суміші

АЇїЗі, органічного порошку і гексагонального нітриду бору (таблиця І). « з -; хз : з Бботодин при Бо 2 5625 0 Гог тост, со воотодинтри УС 35 ЗЛ 49 001 о 0 («в)

Ф со -з Видний мав оо 001

Боотодинтри вого 4 2805002 00

ГФ) З цих результатів очевидно, що отримане описаним чином стиране ущільнення має кращі властивості опірності ерозії, ніж класичне ущільнення, охарактеризоване в таблиці ІІ. Ущільнення за винаходом піддається о зносу при контакті з лопатками з металевого, а саме титанового сплаву, не викликаючи зносу останніх.

Металургійна стабільність цього ущільнення дозволяє йому працювати при температурах до 550 2С, на відміну 60 від класичного ущільнення, описаного в таблиці ІІ, що не витримує настільки високих температур.

Claims (14)

1. Формула винаходу б5 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. 95 металевого порошку та окремі кількості кожного додаткового металевого елементу, що менші або дорівнюють 5 мас. 96 металевого порошку.
2. 2. Матеріал за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить органічний порошок.
3. З. Матеріал за п. 2, який відрізняється тим, що вміст органічного порошку складає від 5 до 15 мас. 95 матеріалу.
4. 4. Матеріал за пп. 2 або 3, який відрізняється тим, що органічний порошок містить один з таких компонентів: 70 поліестер, поліметилметакрилат і поліїмід.
5. 5. Матеріал за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що додатково містить керамічний порошок.
6. 6. Матеріал за п. 5, який відрізняється тим, що вміст керамічного порошку складає від 5 до 20 мас. 95 матеріалу.
7. 7. Матеріал за пп. 5 або 6, який відрізняється тим, що керамічний порошок містить один з таких компонентів: нітрид бору, дисульфід молібдену, графіт, тальк, бентоніт і слюду.
8. 8. Матеріал за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що додаткові металеві елементи вибрано з таких: хром, молібден, нікель, кремній і залізо.
9. 9. Матеріал за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що вміст додаткових елементів в металевому порошку складає не більше 10 мас. 96 металевого порошку.
10. 10. Матеріал за будь-яким з пп. 1-9, який відрізняється тим, що вміст металевого порошку складає від 65 до 90 мас. 9о матеріалу.
11. 11. Матеріал за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що металевий порошок є сплавом АІМп5.
12. 12. Матеріал за п. 11, який відрізняється тим, що додатково містить гексагональний нітрид бору та поліестер.
13. 13. Матеріал за п. 12, який відрізняється тим, що вміст сплаву АІМп5 складає 75 мас. 95 матеріалу, вміст с ов Гексагонального нітриду бору складає 15 мас. 95 матеріалу, вміст зазначеного поліестеру складає 10 мас. 95 матеріалу. і)
14. 14. Стиране покриття для утворення герметичного ущільнення, яке відрізняється тим, що одержане шляхом термічного напилювання порошкоподібного матеріалу за будь-яким з пп. 1-13. «- зо Офіційний бюлетень "Промислова власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних мікросхем", 2007, М 17, 25.10.2007. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і со науки України. Ге «в) с

    - . и? (ее) («в) (о) (ее) - іме) 60 б5