專利名稱：復合耐磨性材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及彈性復合耐磨性材料，特別涉及用于燃氣輪機的壓縮機部件，尤其用于在這種發(fā)動機的低壓縮機部件中的耐磨材料。
現(xiàn)代大型燃氣輪機中有包括安裝在可旋轉輪盤外圍的多個圓形機翼系列的軸流式壓縮機。與每套移動壓縮機機翼相鄰的是一排靜止的機翼。這種壓縮機的效率強烈地受移動機翼末端周圍泄漏的空氣的影響。將這種漏泄減到最少的典型的方法是提供耐磨的氣封，壓縮機機翼外端端部與耐磨氣封互相作用以減小漏泄。
美國專利3575427描述了和本申請人目前生產(chǎn)的發(fā)動機中使用的相類似的耐磨密封材料。美國專利3,575,427的密封材料包括一種含有脆性空心玻璃微珠分散體的彈性基質材料。
申請人目前使用的作為耐磨氣封材料的這種材料包括含有15-50體積％的空心玻璃微珠的硅橡膠基質。
燃氣輪機已經(jīng)朝著較高工作溫度的方向發(fā)展。由于使用了美國專利3,575427中描述的材料，輪機壓縮機部件的溫度已有適度提高，同時輪機段的燃燒室的溫度實質上已有提高。
當耐磨密封件磨損時，在具有玻璃微珠密封件燃氣輪機中玻璃微球被帶經(jīng)輪機的燃燒室和渦輪段。在現(xiàn)代的發(fā)動機中，燃燒室和渦輪段的溫度足以高到引起玻璃微珠軟化或熔化。有時可觀察到這些軟化的或熔融的玻璃微珠已粘附于發(fā)動機部件并堵塞空氣冷卻孔。冷卻孔的堵塞對發(fā)動機部件壽命是不利的。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供用于現(xiàn)代高溫燃氣輪機中的耐磨材料。本發(fā)明的另一個目的是提供一種耐磨材料，其組分隨后不會粘附到燃燒室和渦輪機組件。本發(fā)明的再一個目的是提供一種耐磨材料的壓縮機，該耐磨材料從室溫到400°F(204℃)的溫度范圍內比目前使用的材料具有更高的耐磨性，而且可在最高達450°F(232℃)的溫度下使用，并具有理想的磨損特性。
一方面，本發(fā)明包括一種高溫彈性材料，該材料含有包含高溫有機顆粒分散體的高溫硅氧烷聚合材料。該顆粒優(yōu)選選自在至少400°F(204℃)下是穩(wěn)定的材料。該顆粒在密封件中的量優(yōu)選為大約10重量％。
選擇硅氧烷聚合物基質以便在超過300°F(149℃)且優(yōu)選在超過450°F(232℃)的溫度下是熱穩(wěn)定的。最優(yōu)選的硅氧烷聚合物基體可以承受高達550°F(288℃)的短時間溫度的最大值而不會過度惡化。
從另一個主要方面來說，本發(fā)明提供一種耐磨材料，它包括在耐磨硅氧烷聚合物基質(ASPM)中有約5-20重量％的耐磨有機填料顆粒(AOFP)。
在不同的實施方案中，本發(fā)明包括含有顆?；虻涂v橫比(＜10∶1)的纖維分散體的基質。
詞組“耐磨性硅氧烷聚合物基質”或ASPM在這里作為材料的規(guī)定術語，也就是說，優(yōu)選通過選自Ru、Rb、Pd、Os、Ir、Pt的貴金屬及其混合物催化的一種或兩種彈性硅氧烷聚合物，它在至少300°F(149℃)下是熱穩(wěn)定性的。固化的ASPM材料優(yōu)選的室溫抗拉強度大于每平方英寸400磅(2.76Nmm-2)，衰壞伸長率大于100％，以及Shore A(硬度計)硬度為15-75，更優(yōu)選為15-50。
優(yōu)選的ASPM材料是二甲基或甲基苯基硅氧烷。
優(yōu)選的ASPM材料含有選自V、Cr、Ce、Mn、Fe、Co、Ni或其它過渡金屬的過渡金屬氧化物，而其與氧化鐵的混合物是特別優(yōu)選的。過渡金屬氧化物起熱的或熱氧化的穩(wěn)定劑的作用。
優(yōu)選的ASPM材料是由下列物質的混合物生產(chǎn)的分子量為1000g/mol-1,000,000g/mol的乙烯基封端聚合物、分子量為300g/mol-10,000g/mol的硅烷交聯(lián)劑以及貴金屬催化劑，最優(yōu)選為Pt。ASPM材料也可以含有增強填料例如霧狀氧化硅。
固化ASPM材料的室溫抗拉強度優(yōu)選超過每平方英寸1000磅(6.9Nmm- 2)。
固化ASPM材料的室溫衰壞伸長率優(yōu)選超過800％。
固化ASPM材料的Shore A硬度計硬度優(yōu)選為約15-40。
固化ASPM材料優(yōu)選為抗氧化劑，它暴露在空氣中于300°F(149℃)，最優(yōu)選400°F(204℃)下經(jīng)過100小時之后的失重量損小于2％(使用1″×1″×1/4″(25.4mm×25.4mm×6.3mm)的樣品)。
優(yōu)選的固化ASPM材料是熱穩(wěn)定性的，在300°F(149℃)，優(yōu)選400°F(204℃)下100小時后其抗拉強度損失小于20％。
詞組“耐磨有機填料顆?！被駻OFP在這里作為一種規(guī)定的術語，意思是一種硬的、有機的且在300°F(149℃)下保持有用性質的材料。AOFP材料必須含有小于大約2％S以保證ASPM材料的合適固化。AOFP材料必須具有超過300°F(149℃)的玻璃轉化溫度，和室溫沖擊強度超過5英尺-磅/英寸(ft-lb/in)以減少在發(fā)動機運行的研磨條件下顆粒破壞的可能性。
優(yōu)選AOFP材料在超過500°F(260℃)的溫度下保持有效的機械性能。
優(yōu)選的AOFP材料含有小于約2重量％的F，以致使AOFP材料的燃燒不會腐蝕燃氣輪機材料。
優(yōu)選的AOFP材料含有小于大約1重量％的S和小于大約1重量％的F。
優(yōu)選的AOFP材料當在超過2000°F(1093℃)的溫度的通常氧化條件下在燃氣輪機中燃燒時僅產(chǎn)生氣態(tài)燃燒產(chǎn)物。
許多有機材料含有填料例如云母、玻璃顆粒等等。優(yōu)選的AOFP材料不含有填料。如果存在填料，他們必須或者完全地燃燒，或者在超過2500°F(1371℃)，優(yōu)選超過3000°F(1649℃)的軟化溫度下是不可燃的。不可燃的填料的粒度優(yōu)選小于1密耳(mil)(O.025毫米)。
優(yōu)選的AOFP材料具有超過大約400°F(204℃)的玻璃轉化溫度。
優(yōu)選的AOFP材料在1.8 MPa下根據(jù)ASTM D 648測量的撓曲溫度超過大約400°F(204℃)，且優(yōu)選超過500°F(260℃)。
優(yōu)選的AOFP材料的室溫抗拉強度超過每平方英寸10磅(68.9Nmm-2)。
優(yōu)選的AOFP材料的室溫衰壞伸長率超過1％。
優(yōu)選的AOFP材料的室溫懸臂梁式?jīng)_擊強度超過1.0英尺-磅/平方英寸。
加到基質材料中的顆?？捎靡陨晕⑾魅趸|材料，且使它更耐磨。在本領域的技術人員的能力范圍內，完全可以選擇適量的具有特定性質的顆粒材料用于基質材料中以達到要求的磨損度。我們優(yōu)選使用約5-20重量％的顆粒。
該顆粒優(yōu)選選自聚酰胺、聚酰亞胺、聚酰胺-酰亞胺，以及其它在燃氣輪機壓縮機運行條件下是穩(wěn)定的熱塑性材料和熱固性材料。
我們特別優(yōu)選使用稱為Torlon 4000的聚酰胺-酰亞胺，它可從伊利諾州芝加哥的BP Amoco石油公司買到。我們優(yōu)選使用平均粒徑為55微米的這種材料。35-75微米的范圍是平均粒度的寬范圍。我們優(yōu)選使用90％的粒徑小于約150微米的顆粒，以及90％的粒徑為10-125微米的顆粒。
可列舉的ASPM材料包括a)NuSil公司生產(chǎn)的LSR 5820。
b)NuSil公司生產(chǎn)的LSR 5830。
c)Dow Corning公司生產(chǎn)的Dow Corning硅橡膠GP-70。
d)Rhodia公司生產(chǎn)的Visilox V-240。
目前優(yōu)選LSR 5830。
可列舉的APM材料包括a)從BP Amosco石油公司可買到的幾種級別的Torlon。
b)從各地(包括俄亥俄克利夫蘭Hycomp公司)市場上可買到的美國國家航空和宇航局研制的聚酰亞胺材料PMR-15。
c)從各地包括Hycomp公司的市場上可買到的美國國家航空和宇航局研制的聚酰亞胺材料DMBZ。
我們目前優(yōu)選使用可從BP Amoco石油公司買到的Torlon 4000。
在燃氣輪機壓縮機應用中，密封材料通常位于圓環(huán)的徑向內表面，該圓環(huán)位于發(fā)動機中以確定移動機翼的頂端的范圍，而且耐磨密封件優(yōu)選位于圓環(huán)的淺槽或凹陷處。凹陷處寬度例如為35-75毫米，且深度為1-5毫米，它與密封件相互作用的壓縮機葉片的寬度可相比較并稍大于壓縮機葉片寬度。
圓環(huán)是金屬的，一般為鋁或鈦，且可以分段形成。密封材料用于下述的圓環(huán)或環(huán)形段的凹槽處。使用傳統(tǒng)方法清潔該凹槽。當生產(chǎn)新部件時，我們推薦使干凈的凹槽表面陽極化處理，當拆修配件時，在凹槽表面我們已經(jīng)使用鉻酸鹽轉換涂層例如由Wallingford的MacDermid公司生產(chǎn)的鉻化鍍層(Iridite)14-2。陽極化處理和鉻酸鹽轉換是優(yōu)選的，但是并不是在所有的應用中都需要這樣。
當前述的本發(fā)明材料粘附到金屬表面時，不論是赤裸的、陽極化處理，還是使用鉻酸鹽轉換涂層，通過在使用微粒填充的聚合物材料前在其表面使用了適當?shù)牡灼岵牧?，通?？筛纳埔栏叫?。該底漆材料通常由硅氧烷基質供應商提供或指定，通常使用的底漆包括Midland MI的Dow Coming公司生產(chǎn)的DC-I200底漆、Troy NY的Rhodia公司生產(chǎn)的Visilox V-06和Carpeuteria,CA的NuSil公司生產(chǎn)的SP270。
圓環(huán)或環(huán)形段裝有一個與圓環(huán)內表面一致的心軸，該圓環(huán)密封該凹槽并留下環(huán)形的空腔以容納本發(fā)明的顆粒填充的硅氧烷密封件。心軸有一個或多個小孔，通過小孔可以注射含有硅氧烷聚合體顆粒的材料。
將含有硅氧烷聚合體顆粒的材料注入并填充環(huán)形的空腔。填充環(huán)形的空腔之后，封閉已經(jīng)注入該材料的小孔，將填充的圓環(huán)或環(huán)形段(與心軸一起)放入烘箱固化。一般在300°F(149℃)和400°F之間固化1-2小時，或按照硅氧烷生產(chǎn)者的建議的其它方式進行固化。
固化之后，從烘箱處取出圓環(huán)和心軸，除去心軸，而含有耐磨性的硅氧烷/微粒微粒的帶凹槽的環(huán)形段可以視情況而進一步熱固化。
通過參考下列實施例可更好地了解本發(fā)明，這些實施例用于說明本發(fā)明而不限制本發(fā)明。
將用氧化鐵熱改性的LSR 5820或LSR 5830(NuSil公司生產(chǎn)的，LSR 5820和LSR 5830固化后的Shore A硬度計硬度分別為大約20和30)與10重量％的平均粒度為55μm的Torlon 4000TF顆粒相混合，如前所述將填充硅氧烷材料在300°F(149℃)下處理并固化2小時以及在400°F(204℃)下處理和固化2小時。該材料可在市場上買到，即NuSil公司生產(chǎn)的R3-2160。
固化的R3-2160的代表性特性是Shore A硬度為32，抗拉強度為每平方英寸680磅(4.69 Nmm-2)和拉伸長度為600％。
當使用50-70目渥太華砂、在800英尺/秒(244ms-1)和20°入射角的實驗室用的腐蝕裝置中，在室溫和400°F(204℃)下分別試驗時，由所得到的產(chǎn)品制造的密封件具有與現(xiàn)行耐磨密封材料同等的磨損度，而磨耗壽命是現(xiàn)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。
雖然參考詳細的實施方案已經(jīng)說明和描述了本發(fā)明，但是本領域的技術人員將相信在不脫離本發(fā)明權利要求的范圍的前提下，可以作不同的變化、形式上和細節(jié)上的省略和增加。例如，在這里使用的術語顆粒也包括低縱橫比(＜10∶1)的纖維分散體。
權利要求
1．一種耐磨材料，它包括在耐磨性硅氧烷聚合物基質(ASPM)中含有約5-20重量％的耐磨性有機填料顆粒(AOFP)。
2．權利要求1所述的耐磨材料，其中，AOFP顆粒的平均粒度為30-80微米。
3．權利要求1或2所述的耐磨材料，其中，AOFP材料的室溫懸臂梁式?jīng)_擊強度超過1.0英尺-磅/平方英寸。
4．在前述權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．在前述權利要求中任一耐磨材料，其中，AOFP材料的玻璃轉化溫度超過300°F(149℃)。
6．在前述權利要求中任一耐磨材料，其中，AOFP材料選自聚酰亞胺、聚酰胺、聚酰胺-酰亞胺及其混合物。
7．前述權利要求任一耐磨材料，其中，AOFP材料在燃氣輪機中燃燒時僅產(chǎn)生氣態(tài)燃燒產(chǎn)物。
8．前述權利要求中任一耐磨材料，其中，耐磨硅氧烷聚合物基質含有二甲基硅氧烷或甲基苯基硅氧烷。
9．前述權利要求中任一耐磨材料，其中，ASPM含有由一種或多種過渡金屬氧化物組成的穩(wěn)定材料。
10．前述權利要求中任一耐磨材料，其中，ASPM由Pt催化處理過。
11．前述權利要求任一耐磨材料，其中，固化的ASPM的室溫抗拉強度超過每平方英寸400磅。
12．前述權利要求任一耐磨材料，其中，固化的ASPM的室溫延伸率超過100％。
13．前述權利要求任一耐磨材料，其中，ASPM的室溫Shore A硬度計硬度為15-75。
14．前述權利要求任一耐磨材料，可用于燃氣輪機壓縮機中。
15．一種燃氣輪機耐磨密封件，包括a)至少一個圓環(huán)的片段，所說的圓環(huán)是金屬的，b)在所說的圓環(huán)的內表面有一個凹槽，c)耐磨性材料位于所說的凹槽中，所說的耐磨性材料為前述權利要求中任一材料。
16．一種彈性材料，它包括含有耐高溫有機顆粒分散體的耐高溫硅氧烷聚合材料。
17．一種耐磨材料，它包括在耐磨硅氧烷聚合物基質中的耐磨性有機填料顆粒。
全文摘要
在中等溫度下使用的耐磨性材料,它特別適用于燃氣輪機的壓縮機部件中。本發(fā)明的耐磨性密封件包括耐磨性硅氧烷聚合物基質,該基質含有硬質耐磨性有機填料顆粒的分散體。
文檔編號F04D29/02GK1308100SQ0013105
公開日2001年8月15日 申請日期2000年12月23日 優(yōu)先權日1999年12月23日
發(fā)明者約翰·W·帕特南, 查爾斯·R·沃森 申請人:聯(lián)合工藝公司