复合耐磨性材料的制作方法

文档序号:5420303阅读:610来源:国知局
专利名称:复合耐磨性材料的制作方法
技术领域
本发明涉及弹性复合耐磨性材料,特别涉及用于燃气轮机的压缩机部件,尤其用于在这种发动机的低压缩机部件中的耐磨材料。
现代大型燃气轮机中有包括安装在可旋转轮盘外围的多个圆形机翼系列的轴流式压缩机。与每套移动压缩机机翼相邻的是一排静止的机翼。这种压缩机的效率强烈地受移动机翼末端周围泄漏的空气的影响。将这种漏泄减到最少的典型的方法是提供耐磨的气封,压缩机机翼外端端部与耐磨气封互相作用以减小漏泄。
美国专利3575427描述了和本申请人目前生产的发动机中使用的相类似的耐磨密封材料。美国专利3,575,427的密封材料包括一种含有脆性空心玻璃微珠分散体的弹性基质材料。
申请人目前使用的作为耐磨气封材料的这种材料包括含有15-50体积%的空心玻璃微珠的硅橡胶基质。
燃气轮机已经朝着较高工作温度的方向发展。由于使用了美国专利3,575427中描述的材料,轮机压缩机部件的温度已有适度提高,同时轮机段的燃烧室的温度实质上已有提高。
当耐磨密封件磨损时,在具有玻璃微珠密封件燃气轮机中玻璃微球被带经轮机的燃烧室和涡轮段。在现代的发动机中,燃烧室和涡轮段的温度足以高到引起玻璃微珠软化或熔化。有时可观察到这些软化的或熔融的玻璃微珠已粘附于发动机部件并堵塞空气冷却孔。冷却孔的堵塞对发动机部件寿命是不利的。
因此,本发明的一个目的是提供用于现代高温燃气轮机中的耐磨材料。本发明的另一个目的是提供一种耐磨材料,其组分随后不会粘附到燃烧室和涡轮机组件。本发明的再一个目的是提供一种耐磨材料的压缩机,该耐磨材料从室温到400°F(204℃)的温度范围内比目前使用的材料具有更高的耐磨性,而且可在最高达450°F(232℃)的温度下使用,并具有理想的磨损特性。
一方面,本发明包括一种高温弹性材料,该材料含有包含高温有机颗粒分散体的高温硅氧烷聚合材料。该颗粒优选选自在至少400°F(204℃)下是稳定的材料。该颗粒在密封件中的量优选为大约10重量%。
选择硅氧烷聚合物基质以便在超过300°F(149℃)且优选在超过450°F(232℃)的温度下是热稳定的。最优选的硅氧烷聚合物基体可以承受高达550°F(288℃)的短时间温度的最大值而不会过度恶化。
从另一个主要方面来说,本发明提供一种耐磨材料,它包括在耐磨硅氧烷聚合物基质(ASPM)中有约5-20重量%的耐磨有机填料颗粒(AOFP)。
在不同的实施方案中,本发明包括含有颗粒或低纵横比(<10∶1)的纤维分散体的基质。
词组“耐磨性硅氧烷聚合物基质”或ASPM在这里作为材料的规定术语,也就是说,优选通过选自Ru、Rb、Pd、Os、Ir、Pt的贵金属及其混合物催化的一种或两种弹性硅氧烷聚合物,它在至少300°F(149℃)下是热稳定性的。固化的ASPM材料优选的室温抗拉强度大于每平方英寸400磅(2.76Nmm-2),衰坏伸长率大于100%,以及Shore A(硬度计)硬度为15-75,更优选为15-50。
优选的ASPM材料是二甲基或甲基苯基硅氧烷。
优选的ASPM材料含有选自V、Cr、Ce、Mn、Fe、Co、Ni或其它过渡金属的过渡金属氧化物,而其与氧化铁的混合物是特别优选的。过渡金属氧化物起热的或热氧化的稳定剂的作用。
优选的ASPM材料是由下列物质的混合物生产的分子量为1000g/mol-1,000,000g/mol的乙烯基封端聚合物、分子量为300g/mol-10,000g/mol的硅烷交联剂以及贵金属催化剂,最优选为Pt。ASPM材料也可以含有增强填料例如雾状氧化硅。
固化ASPM材料的室温抗拉强度优选超过每平方英寸1000磅(6.9Nmm- 2)。
固化ASPM材料的室温衰坏伸长率优选超过800%。
固化ASPM材料的Shore A硬度计硬度优选为约15-40。
固化ASPM材料优选为抗氧化剂,它暴露在空气中于300°F(149℃),最优选400°F(204℃)下经过100小时之后的失重量损小于2%(使用1″×1″×1/4″(25.4mm×25.4mm×6.3mm)的样品)。
优选的固化ASPM材料是热稳定性的,在300°F(149℃),优选400°F(204℃)下100小时后其抗拉强度损失小于20%。
词组“耐磨有机填料颗粒”或AOFP在这里作为一种规定的术语,意思是一种硬的、有机的且在300°F(149℃)下保持有用性质的材料。AOFP材料必须含有小于大约2%S以保证ASPM材料的合适固化。AOFP材料必须具有超过300°F(149℃)的玻璃转化温度,和室温冲击强度超过5英尺-磅/英寸(ft-lb/in)以减少在发动机运行的研磨条件下颗粒破坏的可能性。
优选AOFP材料在超过500°F(260℃)的温度下保持有效的机械性能。
优选的AOFP材料含有小于约2重量%的F,以致使AOFP材料的燃烧不会腐蚀燃气轮机材料。
优选的AOFP材料含有小于大约1重量%的S和小于大约1重量%的F。
优选的AOFP材料当在超过2000°F(1093℃)的温度的通常氧化条件下在燃气轮机中燃烧时仅产生气态燃烧产物。
许多有机材料含有填料例如云母、玻璃颗粒等等。优选的AOFP材料不含有填料。如果存在填料,他们必须或者完全地燃烧,或者在超过2500°F(1371℃),优选超过3000°F(1649℃)的软化温度下是不可燃的。不可燃的填料的粒度优选小于1密耳(mil)(O.025毫米)。
优选的AOFP材料具有超过大约400°F(204℃)的玻璃转化温度。
优选的AOFP材料在1.8 MPa下根据ASTM D 648测量的挠曲温度超过大约400°F(204℃),且优选超过500°F(260℃)。
优选的AOFP材料的室温抗拉强度超过每平方英寸10磅(68.9Nmm-2)。
优选的AOFP材料的室温衰坏伸长率超过1%。
优选的AOFP材料的室温悬臂梁式冲击强度超过1.0英尺-磅/平方英寸。
加到基质材料中的颗粒可用以稍微削弱基质材料,且使它更耐磨。在本领域的技术人员的能力范围内,完全可以选择适量的具有特定性质的颗粒材料用于基质材料中以达到要求的磨损度。我们优选使用约5-20重量%的颗粒。
该颗粒优选选自聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺,以及其它在燃气轮机压缩机运行条件下是稳定的热塑性材料和热固性材料。
我们特别优选使用称为Torlon 4000的聚酰胺-酰亚胺,它可从伊利诺州芝加哥的BP Amoco石油公司买到。我们优选使用平均粒径为55微米的这种材料。35-75微米的范围是平均粒度的宽范围。我们优选使用90%的粒径小于约150微米的颗粒,以及90%的粒径为10-125微米的颗粒。
可列举的ASPM材料包括a)NuSil公司生产的LSR 5820。
b)NuSil公司生产的LSR 5830。
c)Dow Corning公司生产的Dow Corning硅橡胶GP-70。
d)Rhodia公司生产的Visilox V-240。
目前优选LSR 5830。
可列举的APM材料包括a)从BP Amosco石油公司可买到的几种级别的Torlon。
b)从各地(包括俄亥俄克利夫兰Hycomp公司)市场上可买到的美国国家航空和宇航局研制的聚酰亚胺材料PMR-15。
c)从各地包括Hycomp公司的市场上可买到的美国国家航空和宇航局研制的聚酰亚胺材料DMBZ。
我们目前优选使用可从BP Amoco石油公司买到的Torlon 4000。
在燃气轮机压缩机应用中,密封材料通常位于圆环的径向内表面,该圆环位于发动机中以确定移动机翼的顶端的范围,而且耐磨密封件优选位于圆环的浅槽或凹陷处。凹陷处宽度例如为35-75毫米,且深度为1-5毫米,它与密封件相互作用的压缩机叶片的宽度可相比较并稍大于压缩机叶片宽度。
圆环是金属的,一般为铝或钛,且可以分段形成。密封材料用于下述的圆环或环形段的凹槽处。使用传统方法清洁该凹槽。当生产新部件时,我们推荐使干净的凹槽表面阳极化处理,当拆修配件时,在凹槽表面我们已经使用铬酸盐转换涂层例如由Wallingford的MacDermid公司生产的铬化镀层(Iridite)14-2。阳极化处理和铬酸盐转换是优选的,但是并不是在所有的应用中都需要这样。
当前述的本发明材料粘附到金属表面时,不论是赤裸的、阳极化处理,还是使用铬酸盐转换涂层,通过在使用微粒填充的聚合物材料前在其表面使用了适当的底漆材料,通常可改善依附性。该底漆材料通常由硅氧烷基质供应商提供或指定,通常使用的底漆包括Midland MI的Dow Coming公司生产的DC-I200底漆、Troy NY的Rhodia公司生产的Visilox V-06和Carpeuteria,CA的NuSil公司生产的SP270。
圆环或环形段装有一个与圆环内表面一致的心轴,该圆环密封该凹槽并留下环形的空腔以容纳本发明的颗粒填充的硅氧烷密封件。心轴有一个或多个小孔,通过小孔可以注射含有硅氧烷聚合体颗粒的材料。
将含有硅氧烷聚合体颗粒的材料注入并填充环形的空腔。填充环形的空腔之后,封闭已经注入该材料的小孔,将填充的圆环或环形段(与心轴一起)放入烘箱固化。一般在300°F(149℃)和400°F之间固化1-2小时,或按照硅氧烷生产者的建议的其它方式进行固化。
固化之后,从烘箱处取出圆环和心轴,除去心轴,而含有耐磨性的硅氧烷/微粒微粒的带凹槽的环形段可以视情况而进一步热固化。
通过参考下列实施例可更好地了解本发明,这些实施例用于说明本发明而不限制本发明。
将用氧化铁热改性的LSR 5820或LSR 5830(NuSil公司生产的,LSR 5820和LSR 5830固化后的Shore A硬度计硬度分别为大约20和30)与10重量%的平均粒度为55μm的Torlon 4000TF颗粒相混合,如前所述将填充硅氧烷材料在300°F(149℃)下处理并固化2小时以及在400°F(204℃)下处理和固化2小时。该材料可在市场上买到,即NuSil公司生产的R3-2160。
固化的R3-2160的代表性特性是Shore A硬度为32,抗拉强度为每平方英寸680磅(4.69 Nmm-2)和拉伸长度为600%。
当使用50-70目渥太华砂、在800英尺/秒(244ms-1)和20°入射角的实验室用的腐蚀装置中,在室温和400°F(204℃)下分别试验时,由所得到的产品制造的密封件具有与现行耐磨密封材料同等的磨损度,而磨耗寿命是现行耐磨密封材料(含有玻璃微珠和通常描述于US 3,575427中)的1.9和2.4倍。
虽然参考详细的实施方案已经说明和描述了本发明,但是本领域的技术人员将相信在不脱离本发明权利要求的范围的前提下,可以作不同的变化、形式上和细节上的省略和增加。例如,在这里使用的术语颗粒也包括低纵横比(<10∶1)的纤维分散体。
权利要求
1.一种耐磨材料,它包括在耐磨性硅氧烷聚合物基质(ASPM)中含有约5-20重量%的耐磨性有机填料颗粒(AOFP)。
2.权利要求1所述的耐磨材料,其中,AOFP颗粒的平均粒度为30-80微米。
3.权利要求1或2所述的耐磨材料,其中,AOFP材料的室温悬臂梁式冲击强度超过1.0英尺-磅/平方英寸。
4.在前述权利要求中任一的耐磨材料,其中,AOFP材料含有小于1重量%的S。
5.在前述权利要求中任一耐磨材料,其中,AOFP材料的玻璃转化温度超过300°F(149℃)。
6.在前述权利要求中任一耐磨材料,其中,AOFP材料选自聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺及其混合物。
7.前述权利要求任一耐磨材料,其中,AOFP材料在燃气轮机中燃烧时仅产生气态燃烧产物。
8.前述权利要求中任一耐磨材料,其中,耐磨硅氧烷聚合物基质含有二甲基硅氧烷或甲基苯基硅氧烷。
9.前述权利要求中任一耐磨材料,其中,ASPM含有由一种或多种过渡金属氧化物组成的稳定材料。
10.前述权利要求中任一耐磨材料,其中,ASPM由Pt催化处理过。
11.前述权利要求任一耐磨材料,其中,固化的ASPM的室温抗拉强度超过每平方英寸400磅。
12.前述权利要求任一耐磨材料,其中,固化的ASPM的室温延伸率超过100%。
13.前述权利要求任一耐磨材料,其中,ASPM的室温Shore A硬度计硬度为15-75。
14.前述权利要求任一耐磨材料,可用于燃气轮机压缩机中。
15.一种燃气轮机耐磨密封件,包括a)至少一个圆环的片段,所说的圆环是金属的,b)在所说的圆环的内表面有一个凹槽,c)耐磨性材料位于所说的凹槽中,所说的耐磨性材料为前述权利要求中任一材料。
16.一种弹性材料,它包括含有耐高温有机颗粒分散体的耐高温硅氧烷聚合材料。
17.一种耐磨材料,它包括在耐磨硅氧烷聚合物基质中的耐磨性有机填料颗粒。
全文摘要
在中等温度下使用的耐磨性材料,它特别适用于燃气轮机的压缩机部件中。本发明的耐磨性密封件包括耐磨性硅氧烷聚合物基质,该基质含有硬质耐磨性有机填料颗粒的分散体。
文档编号F04D29/02GK1308100SQ0013105
公开日2001年8月15日 申请日期2000年12月23日 优先权日1999年12月23日
发明者约翰·W·帕特南, 查尔斯·R·沃森 申请人:联合工艺公司
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