Technetics金属纤维耐磨密封件在航空涡轮机上的应用

自从涡轮机问世以来，限制航空航天涡轮机中的泄漏一直是工程师的重点。越来越多的公司发现，金属纤维耐磨密封件是减少轴向流压缩机和涡轮机中经过叶片尖端逸出的压缩气体量的有效解决方案。这些密封件保持隔室压力，以提高关键压缩区域的密封效果。在瞬态和非稳态条件下，耐磨材料允许刀片尖端将其自身的通道“机械加工”到壳体中，从而最大程度地减少了刀片与外壳之间的流动路径。

图1.侵蚀率和摩擦能与极限拉伸强度的关系

金属纤维耐磨密封件适用于航天推进燃气轮机和陆基公用蒸汽轮机和燃气轮机。这些密封件平衡了耐侵蚀性和耐腐蚀性以及抗氧化性和在高温操作中具有耐磨性这些冲突的要求。这些密封件由烧结的耐热和抗氧化金属纤维制成，设计成多孔的。替代品包括蜂窝材料和金属热喷涂。研究表明，与这些选择相比，使用耐磨密封件可以将比油耗降低多达2％。这是由于几个因素。用耐磨的密封件，没有刀头磨损或密封材料拾取。此外，“机械加工”密封件所需的工作更少，并且在瞬态过程中去除的材料也更少。

与结合了硬表面密封的系统相比，这些关键优势放宽了对公差的要求，该系统很容易受到摩擦以及由于刀片干扰外壳而造成的损害。

图2.侵蚀测试中各种材料的性能

耐磨的密封件设计为耐摩擦的，因此可以使发动机工作间隙最小化，从而通过限制发动机级之间的气体泄漏来提高效率。随着对提高性能的需求不断提高，已应用于固定式发动机组件的耐磨密封件可在整个360°旋转中实现刀片尖端和级间迷宫式的完全密封，同时最大程度地减少或消除昂贵旋转硬件上的磨损。

为燃气涡轮发动机中的特定位置选择耐磨的密封件总是涉及冲突要求的折衷。每个位置都有其自身的特定问题，这些问题涉及工作速度，温度，压力，压降，气体速度，脉动压力和机械负载，热循环，气体撞击角度，存在的颗粒的大小和数量以及气体组成。密封材料必须能够承受严格的操作，并在发动机的使用寿命内继续履行其基本功能。当与高速旋转接触时，它必须足够脆弱才能不造成磨损。该材料还必须足够坚固，以承受高速气体和微粒侵蚀。

叶片顶端密封件比级间迷宫式密封件承受更高的气体速度和更脏的空气中的压降，并且设计成可承受更严重的腐蚀。级间刀刃密封件由于刀刃的连续摩擦而承受更多的热量和摩擦，这与刀片尖端的间歇切割作用不同。因此，刀口密封件必须较弱，以消除这种更严重的摩擦作用造成的磨损。级间迷宫式密封在清洁空气中的气体侵蚀最小，压缩机的低压降和气体流速也很小。但是，这些密封垫可能会因其自身的摩擦碎片而严重腐蚀。

如果它太大而不能被泄漏的气体吹出密封区域。当颗粒大于25微米时，在带有粉末金属密封件的压缩机中会看到这种腐蚀。当来自上游粉末金属的可磨蚀或磨蚀涂层形式的粗碎屑吹入密封件时，这个情况也会发生在金属纤维密封件中。

图3.测试后的照片

金属纤维耐磨密封件由有效直径为10-20微米，长径比为60-90：1的细金属纤维制成。纤维主要是Hastelloy-X，因为它提供了绝大多数应用所需的抗氧化性，但是也可以使用不锈钢和FeCrAlY。纤维被“毡化”成片状并经受烧结循环，其中在纤维之间的接触点处形成粘结，然后将薄板卷成所需的厚度和密度，并切成一定尺寸。最终产品是一条条状的轧制纤维金属材料，准备钎焊或机械连接到壳体中。这种材料本质上是多孔的，其表观密度通常为锻造材料的15％至30％。极限抗拉强度（UTS）由烧结粘结的强度和数量决定，通常在500至3,000 psi的范围内。UTS的设置可以独立于制造过程中的其他物理属性。这很重要，因为UTS在很大程度上决定了材料的耐磨性和腐蚀性能。

图1说明了这些冲突的属性。“调节”耐磨性和侵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。

图2总结了五种不同的耐磨密封材料的腐蚀测试数据。可以预见，纤维金属材料的腐蚀速率与UTS成反比。腐蚀剂的大小对纤维金属和镍石墨的腐蚀速率都有影响。较大的侵蚀颗粒的增加的能量足以破坏这些结构中的烧结键。两种腐蚀尺寸的CoNiCrAlY / hBN / PE和蜂窝材料的结果均相同。

同时也比较了不同材料的体积磨损比或磨损的叶片材料量（理想情况下为零）与去除的密封材料量。运行后硬件的照片如图3所示。金属纤维样品显示出完全清洁的摩擦，直至最终侵入深度。刀尖上仍可见机加工痕迹，表明摩擦作用几乎没有影响，也没有材料拾取。Hastelloy-X蜂窝样品也显示出干净的摩擦。但是，实际的磨损量被叶片尖端上的Hastelloy-X材料拾取所掩盖。CoNiCrAlY / hBN / PE涂层样品上的摩擦槽也显示出广泛的磨损。在摩擦槽中观察到了可磨损材料剥落或破裂的局部区域。叶片磨损了整个侵入深度，并且由于摩擦作用而显示出热变色。镍石墨涂层样品中唯一可测量的磨损是涂层剥落的区域。在摩擦轨迹上还可以看到大量的热量检查，并且刀片的侵入深度使刀片磨损，并且还表现出热量变色。

结论

在模拟叶尖应用中发现的条件下，对金属纤维，蜂窝状，CoNiCrAlY / hBN / PE和镍石墨耐磨密封材料进行了评估。根据测试结果，蜂窝耐磨材料并不是特别适合这些应用。大量吸收蜂窝材料，以及较高的腐蚀速率，使其成为不太有吸引力的候选材料。两种热喷涂材料在高速下的性能非常差，刀片磨损过大的耐磨性测试无需考虑。在所评估的材料中，金属纤维表现出耐磨性和侵蚀性能的最佳组合，使其成为公用和航空涡轮机的首选材料。

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