Technetics 新型密封材料将更好地保护飞机涡轮叶片

在喷气发动机的压缩机部分中，耐磨密封垫填充了涡轮叶片尖端与发动机壳体之间的间隙。在空转和高功率之间的数千个循环中，这些密封件起着减轻空气和气体泄漏的关键作用，这些泄漏会夺走发动机的推进力和有效载荷效率。一旦由于腐蚀，冲击损坏或高温氧化而分解过多，则必须更换密封件。

时间

2013年，Technetics集团着手制造一种新的密封材料，并最终制造出一种新的密封件，与传统材料（包括当今广泛使用的纤维金属）制成的密封件相比，这种密封件使用寿命更长，涡轮叶片磨损更少。

2016年，Technetics完成了对新型金属基复合材料或MMC密封材料的摩擦测试。这种先进的耐磨材料（Technetics已标记为Bladesafe）是金属合金和固体润滑陶瓷的专有混合物，Technetics准备用它制造密封件。Technetics的测试令人鼓舞，相信涡轮机制造商不久将希望使用这种新型高级耐磨材料制成的密封件进行发动机测试。

Technetics Group的材料工程师表示，他们已经为喷气发动机设计了更好的压缩机密封。图片来源：Technetics集团

达到这一点需要解决一些引人入胜的材料工程挑战。如今，叶片尖端的表面速度有时会超过每秒300米，即使密封垫能够吸收冲击能量，密封件和表面尖端之间的摩擦事件也更有可能损坏叶片。施加于叶片尖端的硬涂层通常是一种保护其免受磨损的方法。这不是最佳的解决方案，因为涂层会增加成本，重量，并可能分层。

最佳的密封将允许进行摩擦，而不会严重损坏叶片，也不需要尖端涂层。密封件将抗腐蚀，抗氧化和防止漏气，同时保持足够的厚度以减小叶片外壳间隙。

与传统材料相比，可磨蚀材料的iPhone照片（左侧）上的黄色箭头表示高级材料（顶部）上的粘合剂磨损较少。扫描电子显微镜图像（右）在测试图像上显示出磨损痕迹。图片来源：Technetics集团

权衡

取决于发动机的类型，通常已经以几种方法中的一种将密封件附接到发动机壳体的内表面或背板。可以将金属合金或蜂窝材料层热钎焊到表面上。金属纤维密封件也可以通过真空钎焊来固定，在金属纤维密封件中，合金纤维通过扩散结合或烧结得到了增强。复合涂层可以通过热喷涂方法沉积到外壳的内部。

这些当前的材料和方法均带有Bladesafe避免的折衷方案。与蜂窝相比，金属纤维对涡轮机叶片的损害较小，但它对空气和气体的渗透性更高，并且其耐蚀性非常低。热喷涂涂层比纤维金属具有更高的气密性和抗侵蚀性，但是它们对钛合金叶片的损害是如此之大，以至于必须对它们进行硬质涂层以防磨损。此外，热喷涂涂层的厚度受到限制，而蜂窝和纤维金属的涂层厚度最多可达到几毫米，从而可以实现更紧密的间隙。

Technetics以对飞机涡轮机密封件，纤维金属和烧结的特殊理解开始了MMC项目。Technetics从事金属纤维耐磨密封材料的制造已有40多年的历史，在众多发动机上的飞行时间超过10亿小时。这种材料是由细金属纤维制成的，该细金属纤维的有效直径为10-20微米，长径比为60-90：1。取决于涡轮发动机应用的特定需求，纤维通常源自各种金属。纤维被“毡化”成片状，并经过专有的烧结循环，其中在纤维之间的接触点形成粘结。然后将烧结的片材轧制成所需的厚度和密度，并切成一定尺寸。

金属纤维材料本质上是多孔的，具有明显的密度，通常以锻造材料的15％到30％施加。根据密封要求，Technetics可以将材料设计为具有500至3,000 psi的极限拉伸强度。可以通过制造过程独立于其他物理属性设置UTS。这种灵活性很重要，因为UTS在很大程度上决定了材料的耐磨性和腐蚀性能。这种“调节”耐磨性和腐蚀性能的能力使设计人员可以灵活地为每种应用选择最佳材料。新的MMC材料保持了设计者的灵活性。

这些温度表明，高级耐磨材料的表面在测试中保持较低的温度，而护罩（固定耐磨材料的金属板）更热，表明高级耐磨材料在将热量从表面传导出去方面做得更好。图片来源：Technetics集团

在桨叶尖端速度相对较低（小于每秒300米）的摩擦事件中，包括Technetics在内的常规纤维金属不会对钛桨叶造成明显磨损，但对气路中的颗粒具有相对较低的耐腐蚀性。在尖端速度较高（300 m / s或更高）的摩擦事件中，高度多孔的金属纤维最终会压紧并因摩擦力而过热，从而损坏叶片并导致局部熔化甚至密封失效。

Technetics的MMC密封材料解决了这些折衷和缺点中的大多数。MMC的成分和结构减轻了压实和摩擦，同时还增强了材料抵抗侵蚀性颗粒的能力。MMC将表观密度提高了30％至60％，从而提高了渗透性。与传统的纤维金属密封件一样，MMC仍可以使用真空钎焊方法连接到外壳的内部。Technetics设计出的MMC具有独特的结构和特性，以减少叶片的磨损，并提高密封件在更高的速度和温度下的抗腐蚀能力。新密封件的独特材料提供了一种牺牲性的耐磨性响应，与传统的纤维金属相比，它对叶片的侵入具有更好的耐磨性，同时保持了类似于热喷涂涂层的耐腐蚀性颗粒的抵抗力。

测验

Technetics从进行的一系列摩擦测试中知道了这些事实。Technetics的工程师使用另一个组织的高速耐磨试验台，对几种开发概念材料进行了迭代测试。该钻机由安装在转盘上的测试叶片组成，该叶片可产生高达500 m / s的叶片速度。将MMC耐磨材料钎焊到护罩或垫板上以模拟套管。将该样品以受控的侵入速率移动到旋转刀片中。记录了叶片磨损和密封材料。初始测试的重点是大多数涡轮机叶片Ti6A14V中使用的钛合金。对常规低密度纤维金属材料的样品进行了相同的测试。与金属纤维相比，先进的耐磨材料具有更高的表观密度，更高的拉伸强度和屈服强度，降低的百分伸长率（或延展性），更高的抗干颗粒侵蚀性，降低的透气性以及在更高温度下的抗氧化性。

在高速，适度侵入的叶片摩擦条件下，先进的耐磨材料耐压实和致密化，中断了传统多孔金属纤维耐磨材料典型的破坏性顺序。除了抵抗表面的压实和致密化外，先进的耐磨材料还具有降低的延展性，可在刀片接触下实现局部微裂纹，与纤维金属相比，具有更好的牺牲磨损响应。先进的耐磨材料还结合了先进的高温固体润滑剂陶瓷材料，因此密封件可作为其自身的润滑剂，以降低发生刀片接触时的摩擦系数。在先进的耐磨材料中，通常用纤维金属观察到的表面致密化程度，增加的接触面积和产生的热量显着降低。

在无涂层的Ti刀片以高表面速度（410 m / s）和适度的侵入速率（50 micros / s）的摩擦条件下，高强度和降低的延展性相结合，使高级耐磨材料可以通过切削，已知对叶片的损害较小。Technetics从经验中知道，与粘合剂的磨损和破裂机制相比，作为磨损机制的切割所需的能量去除材料更少。当粘合剂磨损机制起主导作用时，来自刀片的Ti会粘附到密封材料上，而来自密封材料的合金会粘附到刀片上，从而产生具有高摩擦力和明显局部加热的粗糙表面。加热会削弱密封件和叶片的尖端，加速叶片和密封件的磨损，并有破裂的危险。

磨损占主导地位并减少表面致密性的磨损机制的好处是，在摩擦表面产生的热量更少。因此，密度更高，强度更高的高级可磨耗材料可能会与钛合金刀片发生摩擦，而不会增加刀片磨损的严重性。

除了刀片和可磨耗材料的磨损外，还测量了可磨耗表面和钎焊过的护罩背面的温度。温度与耐磨性观察结果一致。即，由于更有利的切削磨损机理，致密的MMC具有较低的表面温度。护罩（或外壳）的背面温度较高，因为密度较大的材料具有更好的导热性。

与热喷涂涂层相比，先进的耐磨密封材料具有厚度优势。它可以制成厚达10毫米的片材，而热喷涂通常应用于2-3毫米厚的外壳内部。由于具有更大的厚度，涡轮发动机设计者可以接受更深的叶片侵入，例如来自更大的喘振或不圆的情况，并且叶片尖端与壳体之间的初始间隙最小，以实现最大的压缩机效率。

总而言之，Technetics发现，在高速未涂层的Ti6Al4V刀片侵入情况下，与传统的纤维金属相比，可磨损表面产生的热量更少，刀片磨损更少，密封件的磨损更少，并且磨损机理涉及损坏刀片的粘合剂转移减少。Bladesafe先进的耐磨材料还具有较高的抗干颗粒侵蚀性和较低的透气性。它比金属纤维更致密，更坚固，在650摄氏度（1,200华氏度）（典型的飞机发动机压缩机内部的气路温度）下具有较低的氧化速率。

关于Technetics集团
作为EnPro Industries（纽约证券交易所代码：NPO）的一部分的Technetics集团为以下领域提供创新的解决方案：

从核反应堆压力容器到航空发动机以及世界上最关键和最苛刻的应用。Technetics Group是全球公认的工程组件，密封件，组件和子系统的来源，这些组件是为半导体，航空航天，发电，石油和天然气，医疗和其他行业中的高性能和极端应用量身定制的。