复合密封件的制作方法

专利名称：复合密封件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在具有不同热和化学膨胀系数的材料之间提供基 本流体密封性接头的密封。
背景技术：
陶瓷离子传送膜用于从空气中分离氧气以用于制备氧气产物或者 用于将分离的氧气与可氧化的化合物(例如曱烷)反应形成氧化或部分 氧化的反应产物(例如合成气)。使用必须与陶瓷离子传送膜密封接合 的金属管运送原料气体(例如空气)出入陶瓷离子传送膜模块。可以通 过其它也必须与该膜密封接合的金属管从该模块中收回非渗透性气体。 渗透的氧气制品也可以通过其它必须与该膜密封接合的金属管从模块 中抽出。例如离子传送膜的装置可以在高压(高至500 psig)和升高的 温度(通常在700~ IIO(TC范围内)下操作，该金属管和该陶资膜之间 的密封必须经受;f艮多个大温度变化的循环，并继续在高压下提供流体密 封性密封。
很难提供在很宽的温度范围下在陶瓷和金属之间有效地可靠的流 体密封性密封，因为金属与陶瓷的热膨胀系数之间的明显差别。膨胀系 数的不同与装置操作过程中经历的大温度偏移的结合意味着任何与陶 瓷和金属部件都接触的密封都必须能够容纳由部件之间在物理膨胀方 面的较大差异所造成的应力和应变并同时保持密封的完整性。
更进一步的考虑是保持陶瓷和金属部件之间的流体密封性密封，响 应于一种部件相对于另一种的化学膨胀形成的不同膨胀。例如，当在等 温条件下其经受的氧气分压发生变化时，离子传送膜陶瓷材料会膨胀或 收缩。化学膨胀是离子传送陶瓷材料的特征，金属是不具备的，这种差别造成甚至当操作温度保持稳定时陶瓷和金属部件之间的另外的差异 膨胀，这会危及到密封件的完整性。
显然需要可以在很多循环期间容纳接口部件相对较大的膨胀或收 缩差异而不会危及该密封件的密封完整性的密封件。

发明内容
本发明涉及复合密封件。该复合密封件包括具有第 一 外周边
(perimeter)和由第一内周边限定的通过其的第一孔的第一金属层。第 二金属层与该第 一金属层以间隔关系设置并覆盖在其上。该第二金属层 具有第二外周边和由第二内周边限定的第二孔。至少一个第一周边与一 个第二周边密封接合。矿物层位于第一和笫二金属层之间。该矿物层中 具有第三孔。金属层和矿物层的孔彼此重叠。金属层之一可以具有由外 围侧壁限定的凹槽，该凹槽适于接受该矿物层。
该矿物层可由云母、蛭石、蛭石的热和化学重构形式以及这些材料 的组合形成。该第一和第二金属层包括金属箔，优选由金；银；柏；包 含金、银或铂的合金；不锈钢或镍超级合金形成。优选地该第一和第二 金属层是相同类型的金属。
在一种实施方案中，该第一金属层的第一外周边与该第二金属层的 第二外周边接合。在另一种实施方案中，第一金属层的第一内周边与第 二金属层的第二内周边接合。在另一实施方案中，内周边相结合，该外 周边也相接合。优选地，金属层通过焊接相接合。
本发明还包括基本流体密封的接头。该接头包括由具有笫一膨胀系 数的材料形成的第 一表面和由具有与所述第 一膨胀系数不同的第二膨 胀系数的材料形成的第二表面。膨胀系数例如可以是热膨胀系数或化学 膨胀系数。密封件位于所述第一和第二表面之间，且与其接触。该密封 件包括具有第一外周边和由第一内周边限定的通过其的第一孔的笫一 金属层。第二金属层与该第一金属层以间隔关系设置并覆盖在其上。第 二金属层具有第二外周边和由笫二内周边限定的笫二孔。第一周边之一 与第二周边之一密封接合。矿物层位于该第一和第二金属层之间。该矿
物层中具有第三孔。所述孔;f皮此重叠。该矿物层可以由云母、蛭石、蛭 石的热和化学重构形式或这些材料的组合形成。


图l是依照本发明的复合密封件的分解透视图；和
图2-4是依照本发明的复合密封件的几种实施方案的纵向剖面图。
具体实施例方式
图1是依照本发明的复合密封件10的分解透视图。密封件10包括 具有外周边14和限定通过该金属层的孔18的内周边16的第一金属层 12。第二金属层20与该第一金属层以间隔关系设置并覆盖在其上。该 第二金属层也具有外周边22和限定通过该第二金属层的孔26的内周边 24。
该金属层优选为厚度在约0.002英寸~约0.020英寸之间的箔。由 于其韧性和柔性，因此金属箔是优选的，这些性质对于如下所述在使用 时必须容纳大的应力和应变的密封件是有利的性质。尽管任何金属都可 以使用，但对于高温应用，有利地使用以下金属，例如金；银；柏；包 含金、银或铂的合金；不锈钢或镍超级合金，其例如在离子传送膜典型 的高温富氧环境下不会熔融或氧化。
矿物层28位于第一和第二金属层12和22之间。该矿物层28也具 有孔30。优选的矿物包括云母、蛭石和Flexitallic Group, Inc., Houston, Texas以THERMICULITETM的商品名销售的蛭石的热和化学重构形式。 该矿物层的所需特征是能够承受高温并由薄片形成，所述薄片很容易在 矿物层的平面中解理或以其它方式分开，以适应由于由密封件接合的接 口部件之间的膨胀系数差异造成的径向膨胀和收缩的差异所产生的该 矿物层的面内位移。该矿物层可以具有约0.001英寸~约0.1英寸的厚 度，优选的厚度在约0.002英寸~约0.05英寸之间。实用的由云母形成 的用于复合密封件的矿物层具有约0.005英寸的厚度。厚度在约0.017 英寸~约0.034英寸之间的THERMICULITETM层也用于依照本发明的 密封件中。
在装配时，如图2所示，金属层12和20和矿物层28中的孔18、 26和30分别彼此重叠，优选同轴对准以在包括各个层的密封组合件中 形成孔32。尽管层示例为圆形，但应当理解其可以根据需要采用任何形 状以实现特定应用所要求的接口和密封功能。(当该密封件为圆形时， 各周边可以指代各自的圆周(circumference)。)为了便于装配该密封件10,有利地使至少一个金属层(在该实施例 中为层20)形成具有由外围侧壁36限定的用于接受该矿物层28的凹槽 34。当金属层以重叠关系放置时，该构造使得该层的外周边22与金属 层12的外周边14相接触。具有在该金属层20中形成的凹槽和侧壁， 金属层的外周边可以容易地接合，如图2中示出的密封件实施方案10a 所示。
在该密封件实施方案10a中，外周边14和22优选通过焊接相接合。 使用气体保护鵠极电弧的轨道焊(orbital welding)对于在金属层12和 22的外周边处形成接头38是有利的。电弧产生的强热使得接头区域内 的基础金属熔融。在氩吹扫气的存在下〗吏该熔融金属冷却并熔合，以形 成环绕该密封件的整个外周边的流体密封性接头。不使用填充金属来形 成焊缝。其它用于接合该周边的技术也可以使用，包括钎焊、电子束焊 接、巻边、铆接、折叠、轧制和爆炸熔粘焊接。
图2中示出的密封件实施方案10a密封了金属管40和陶乾部件42 的一部分之间的接头。该陶瓷部件例如可以是离子传送膜的一部分，该 管可以由镍超级合金形成。构成依照本发明的接头中的陶资部件的陶资 材料包含某些混合金属氧化物组合物，并且在升高的温度下同时具有氧 离子传导性和电导性。这些材料在本领域中称作混合传导金属氧化物， 可以用于包括气体分离膜和膜氧化反应器的应用中。这些陶乾膜由选定 的混合金属氧化物组合物制成，已被称作离子传送膜(ITM)。
该混合传导金属氧化物材料可以具有通式化学计量组成 (LnLxAx)w(B^yB'y)03-s,其中Ln表示选自La、 IUPAC元素周期表中的D 区镧系元素、和Y中的一种或多种元素；其中A表示选自Mg、 Ca、 Sr 和Ba的一种或多种元素；其中B和B'各自表示选自Sc、 Ti、 V、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Cr、 Al、 Zr和Ga的一种或多种元素；其中0^x^1, OSySl, 0.95￡\\^1.05;以及其中5为使该化合物处于电中性的数值。该 混合传导金属氧化物材料可以具有通式化学计量组成(LaxCa!.x:KvFe03-s， 其中1.0>x>0.5， l.l^w^l.0,以及5为使该组成处于电中性的数值。
该混合传导金属氧化物材料可以具有通式化学计量组成 (LaxSr卜x)wCo03-s,其中1.0〉x〉0.1, 1.05^w>0.95,以及S为使该组成电 中性的数值。该混合传导金属氧化物材料可以具有通式化学计量组成 (La0.4Sr0.6)wCoO3-5,其中1.05^w>0.95,以及S为使该组成电中性的数值。在操作中，再次参照图2，将管40的外直径暴露于高压气体，而处 于高温的低压气体流过管40的内膛44、通过该密封件孔32并进入该陶 瓷部件42。由于图2中所示的装置在操作中温度升高，因此该金属管 40将径向向外膨胀，由于它和陶资部件的热膨胀系数不同，所以它的膨 胀程度与陶瓷元件42和其连接的部分不同。随着密封件中与管40相接 触的金属层20和管一起膨胀到与和陶瓷42接触的金属层12的膨胀程 度不同的程度，管40和陶瓷部件42的膨胀差异导致密封件10a中产生 剪切应力。通过限定用于接受如上所述的矿物层28的凹槽34的金属层 侧壁36的弯曲，容纳了这种剪切应力。这种剪切也通过矿物层28得以 容纳。构成该层的片层发生面内分离，使得和管40接触的金属层20可 以膨胀到与和陶瓷部件42接触的金属层12膨胀的程度不同。该接头38 的流体密封性焊缝确保了该接头的密封完整性，避免管内膛44内部或 外部的任何气体找到通过该矿物层的泄漏途径。
图3示出了另一种密封件实施方案10b,其中，金属层12和20的 内周边16和24被接合起来，该结合再次优选通过环绕内周边连续延伸 的焊接接头38。再一次，使金属层20变形以形成由侧壁36限定的凹槽 34,其有助于容纳由于该密封件10b相对侧上的膨胀不同引起的剪切力。 图4示出了另一种密封件实施方案10c,其中各金属层12和20的内周 边(16、 24)和外周边(14、 22)都被接合起来，优选通过焊接接头38。
在测试中证明依照本发明的密封件的功效。在第一测试中，由两层 内径为2.223cm、外径为3.493cm的银箔(各自0.025cm厚)构成复合 密封件。将箔层其中之一经成形以提供直径为3.251cm、深度为0.013cm 的凹槽。将厚度为O.OlOcm、内径为2.223cm、外径为3.239cm的白云 母矿物层放置在该凹槽中，通过焊接将金属层在其外周边接合。将复合 密封件放置成与由Laa4Sra6Co03-x陶瓷制成的封闭端管的开口端相向接 触，其中x是使该化合物电中性的数值。该密封件的相对的一面与由 Haynes 230合金制成的罩子(cup)啮合，该罩子具有与该密封件的孔 相对齐的开口。将该管和密封件组件放置在压力容器中，加热到875°C, 将该组件的外部加压到200 psig。泄漏率低于4企测限。然后将该组件的 外部减压，冷却到室温。然后将该组件加热到875°C,再次将该组件的 外部加压到200 psig。泄漏率再次低于4企测限。重复该加热/加压/减压/ 冷却循环10次，任何一次循环在最高温度和压力下观察到的最大泄漏率为160sccm。泄漏率不随循环数量的增加而增加。
在第二实施例中，由两层内径为0.475cm、外径为1.054cm的金箔 (各自0.025cm厚)构成复合密封件。该箔层其中之一经成形以提供直 径为0.901cm、深度为0.013cm的凹槽。将厚度为O.OlOcm、内径为 0.475cm、外径为0.889cm的白云母矿物层放置在该凹槽中，通过焊接 将金属层在其外周边接合。然后将两个密封件放置到在Lao.9Ca(nFeOk 陶瓷块中加工出来的两个孔的每一个的底座(base)中，其中x是使该 化合物电中性的数值。该两个孔流体连通。然后将由Haynes 230合金制 成的管接头(tube stub)插入各孔中，使得复合密封件位于各管接头的 平端和该陶瓷块的各孔的平底座之间。将该管接头的开口端焊接到入口 和出口管道上，然后将该组件安装到压力容器中。将该组件的外部加压 到60psig,将该组件加热到900°C，促使空气流动通过该入口管。处于 900°C，提高该组件外部的压力，首先提高到100psig，然后提高到215 psig。监控出口和入口空气流量之差，来评估密封件泄漏情况。将该组 件在215 psig和900。C下保持约70小时，然后冷却到室温并减压。在整 个测试过程中流量差低于检测限。
在具有金箔金属层和Thermiculite 矿物层的同样尺寸的垫圈上进 行相同的测试。测试结果相同，即在整个测试过程中流量差低于检测限。
依照本发明的复合密封件提供的超越现有技术密封件的优点在于 与不能塑性变形因此在接触表面之间具有泄漏路径的矿物基密封件不 同，由于具有包含可塑性变形的接口表面的金属层，其能够形成密封性 的金属对金属密封件和金属对陶瓷密封件。该矿物层在金属表面之间的 使用提供了剪切顺从性。由于云母和蛭石的平面特征，这种剪切顺从性 使得可以容纳该密封件的金属层之间的较大的膨胀差异。在接触表面处 的塑性变形能力以及容纳剪切的能力，使得本发明的密封件当放置在经 历较大温度变化具有明显不同的化学和热膨胀系数的部件之间时，能够 有效操作。
权利要求
1.复合密封件，包括第一金属层，其具有第一外周边和由第一内周边限定的通过其的第一孔；第二金属层，与所述第一金属层以间隔关系设置并覆盖在其上，所述第二金属层具有第二外周边和由第二内周边限定的第二孔，至少一个所述第一周边与所述第二周边之一密封性接合；和矿物层，位于所述第一和第二金属层之间，所述矿物层中具有第三孔，所述孔彼此重叠，所述矿物层选自云母、蛭石、蛭石的热和化学重构形式及其组合。
2. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述金属层之一具有由外围侧壁限定的凹槽，所述凹槽用于接收所述矿物层。
3. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述笫一金属层的所述第一 外周边与所述第二金属层的所述第二外周边接合。
4. 依照权利要求3的复合密封件，其中所述第一金属层的所述第一 内周边与所述笫二金属层的所述第二内周边接合。
5. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述第一金属层的所述第一 内周边与所述第二金属层的所述第二内周边接合。
6. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述第一金属层的所述第一 外周边焊接到所述第二金属层的所述笫二外周边上。
7. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述金属层选自金、银、柏、 金合金、银合金、柏合金、不锈钢和镍超级合金。
8. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述第一和第二金属层是相 同类型的金属。
9. 依照权利要求1的复合密封件，其中所述第一和第二金属层包含 金属箔。
10. 复合密封件，包括笫一金属层，其具有第一外圆周和由第一内圆周限定的通过其的笫 一孔；第二金属层，与所述第一金属层以间隔关系设置并覆盖在其上，所 述第二金属层具有第二外圆周和由第二内圆周限定的第二孔，所述第一 外圆周与所述第二外圆周密封性接合；和矿物层，位于所述第一和第二金属层之间，所述矿物层中具有第三 孔，所述孔彼此重叠，所述矿物层选自云母、蛭石、蛭石的热和化学重 构形式及其组合。
11. 依照权利要求10的复合密封件，其中所述金属层之一具有由外 围侧壁限定的凹槽，所述凹槽适于接收所述矿物层。
12. 依照权利要求10的复合密封件，其中所述第一和第二金属层包 含金属箔。
13. 依照权利要求12的复合密封件，其中所述金属层选自金、银、 铂、金合金、银合金、铂合金、不锈钢和镍超级合金。
14. 依照权利要求10的复合密封件，其中所述第一金属层的所述第 一内圆周与所述第二金属层的所述第二内圆周密封性接合。
15. 基本流体密封性的接头，包括 第一表面，由具有第一膨胀系数的材料形成；第二表面，由具有与所述第 一膨胀系数不同的第二膨胀系数的材料 形成；密封件，位于所述第一和第二表面之间且与其接触，所述密封件包括第一金属层，其具有第一外周边和由第一内周边限定的通过其的第 一孔；第二金属层，与所述第一金属层以间隔关系设置并覆盖在其上，所 述第二金属层具有第二外周边和由第二内周边限定的第二孔，至少一个所述第一周边与所述第二周边之一密封性接合；和矿物层，位于所述第一和第二金属层之间，所述矿物层中具有第三 孔，所述孔彼此重叠，所述矿物层选自云母、蛭石、蛭石的热和化学重 构形式及其组合。
16. 依照权利要求15的接头，其中所述第一金属层的所述第一外周 边与所述第二金属层的所述第二外周边接合。
17. 依照权利要求16的接头，其中所述第一金属层的所述第一内周 边与所述第二金属层的所述第二内周边接合。
18. 依照权利要求15的接头，其中所述第一金属层的所述笫一内周 边与所述第二金属层的所述第二内周边接合。
19. 依照权利要求15的接头，其中所述第一金属层的所述第一外周边焊接到所述第二金属层的所述第二外周边上。
20. 依照权利要求15的接头，其中所述金属层之一具有由外围侧壁限定的凹槽，所述凹槽适于接收所述矿物层。
21. 依照权利要求15的接头，其中所述金属层选自金、银、锅、金 合金、银合金、钿合金、不锈钢和镍超级合金。
22. 依照权利要求15的接头，其中所述第一和第二金属层包含金属箔。
23. 依照权利要求15的接头，其中所述第一表面材料是金属，所述 第二表面材料是陶瓷。
24. 依照权利要求23的接头，其中所述笫二表面材料具有通式化学 计量组成(Ln.xAx;Kv(B!-yB'y)03-5，其中Ln表示选自La、 IUPAC元素周期 表中的D区镧系元素、Y及其组合的元素；其中A表示选自Mg、 Ca、 Sr、 Ba及其组合的元素；其中B和B'各自表示选自Sc、 Ti、 V、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Cr、 Al、 Zr、 Ga及其组合的元素；其中O^x^l, 0$ySl， 0.95^w^l.05;以及其中5为使该化合物电中性的数值。
25. 依照权利要求23的接头，其中所述第二表面材料具有通式化学 计量组成(LaxCa-x)wFe03-s,其中1.0>x>0.5， l.lSwd.O,以及S为使该 组成电中性的数值。
26. 依照权利要求23的接头，其中所述第二表面材料具有通式化学 计量组成(LaxSrLx)wCo03-s,其中1.0〉x〉0.1, 1.05^w〉0.95，以及5为使 该组成电中性的数值。
27. 依照权利要求23的接头，其中所述第二表面材料具有通式化学 计量组成(Lao.4Sro.6)wCo03-s,其中1.05^w〉0.95,以及5为使该组成电中 性的数值。
全文摘要
本发明公开了复合密封件，其具有以间隔关系相互覆盖的第一和第二金属层。矿物层位于金属层之间。该金属和矿物层具有内周边和外周边，内周边重叠以限定孔。该金属层通过焊接在周边，优选在外周边，接合。金属层优选为贵金属或高温合金箔，矿物层可以由云母、蛭石或蛭石的变体形成。
文档编号F16L17/00GK101290078SQ200810092238
公开日2008年10月22日 申请日期2008年4月17日 优先权日2007年4月17日
发明者E·明福特, J·A·库克, M·F·卡罗兰, T·J·卡莱诺 申请人:气体产品与化学公司