機械用碳密封材料在航天伺服渦輪泵中的應用特性

侯玉杰，程 諾，李秋霞，王志峰，孫建通

（1成都中超碳素科技有限公司，成都 610000；2中國運載火箭技術研究院（北京精密機電控制設備研究所），北京 100000；3沈陽航天新光集團有限公司，沈陽 110000）

1 前言

1.1 機械用碳簡述

機械用碳指的是從碳質(zhì)轉(zhuǎn)化為石墨質(zhì)的過程中存在的具有各種中間性的碳結(jié)構材料，機械用碳注重的不是像石墨質(zhì)結(jié)構的這種規(guī)則的疊層，它需要的是材料的疊層規(guī)則介于亂層結(jié)構和石墨結(jié)構之間，具有一定的C軸取向。而不同的C軸取向，支配著材料的晶體化程度，碳質(zhì)和石墨質(zhì)的不同的特性，是由于它們晶體結(jié)構的完善程度不同所引起的[1]。結(jié)晶碳與非結(jié)晶碳的不同結(jié)合比例決定該材料的不同性能特點，同時也決定了材料的應用場合。

根據(jù)不同的使用要求，設計、制造出不同中間性的碳-石墨材料，它既具有一定的非結(jié)晶碳的高硬度、高機械強度的特性，又兼具了結(jié)晶碳石墨的自潤滑性、高導熱率等特性，彌補了單一形態(tài)的無定型碳或石墨的缺陷，形成具有較好綜合性能的一種機械用碳-石墨材料。

1.2 機械用碳生產(chǎn)

機械用碳的生產(chǎn)方法分為一元法和二元法，通常傳統(tǒng)的碳石墨材料生產(chǎn)均采用的是二元法，一元法則是生產(chǎn)高性能機械用碳材料新型方法。

二元法材料結(jié)構特點，如圖1所示，已經(jīng)具有初步多晶結(jié)構的焦炭顆粒用瀝青粘接劑粘接在一起，通過高溫燒結(jié)得到了碳石墨材料初始碳橋結(jié)構。生產(chǎn)出的碳石墨材料呈多孔特性,碳橋強度低，致密性差，由于含有粘接劑的骨料需要二次磨粉，工藝上限制了材料的粒度，顆粒度較粗,一般在20～40微米。由于上述原因?qū)е虏牧蠙C械強度低、需通過多次浸漬等方法來增強。

圖1 二元法8000倍電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM photo (8000 times) in binary method

圖2 一元法8000倍電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM photo (8000 times) in unary method

一元法材料結(jié)構特點，如圖2所示，一元法生產(chǎn)的碳材料呈一次多晶結(jié)構，最重要的特點是晶體整體重新定性性能好，材料具有理想的碳橋結(jié)構，碳橋強度高，材料致密、顆粒度細，一般在10微米以內(nèi)，氣孔多為封閉氣孔，無需浸漬，并具備更優(yōu)良的導熱性、耐腐性。

2 航天領域?qū)C械用碳密封材料應用特性要求

航天領域往往處于苛刻特種環(huán)境內(nèi)，要求材料適應：高溫、低溫、高轉(zhuǎn)速、燃熱沖擊、熱燒蝕 、輻照等復雜環(huán)境[2]。

因此，航天特種環(huán)境碳石墨材料需要具有如下特性：

（1）穩(wěn)定的機械性能；

（2）良好的摩擦性能；

（3）良好的耐溫性能；

（4）抗熱震性；

（5）抗燒失性；

（6）耐電化學穩(wěn)定性

（7）良好導熱性能

（8）輻照、聲響、震動、沖擊等

生產(chǎn)制造這種滿足航天環(huán)境的使用要求,設計者需要從原材料的生產(chǎn)方式上著手，科學地提升材料的性能指標。

3 航天伺服渦輪泵的機械用碳材料特性的相應實驗及分析研究

3.1 機械性能

航空材料使用工況壓力特別苛刻，且要求重復使用，這就對材料的機械性能提出了更高的要求，采用一元法制造的多晶結(jié)構的碳石墨材料，由于它的整體定性的多晶結(jié)構，使其具有除普通碳材料的一般特性外，還具有更優(yōu)的機械性能見表1。

表1 航天伺服泵機械用碳機械性能指標Table1 Property of Mechanical Carbon Sealing Material in Aerospace Servo Turbine Pump

3.2 摩擦性能

航天密封材料要求低磨損量、低發(fā)熱量，即我們通常所說的成膜性與研磨性，這主要由材料內(nèi)部不同比例的多晶結(jié)構特性而決定。

碳材料的成膜性能造就了機械用碳的自潤滑性能，優(yōu)良的機械用碳材料除了要具備成膜性能外還必須具備研磨性能，并保持成膜性與研磨性的一定的數(shù)率關系，使之摩擦副對磨面之間保持極薄的潤滑膜。

若摩擦副碳材料研磨性與成膜性不匹配時，將會出現(xiàn)兩種以下現(xiàn)象：

（a）成膜困難或不能成膜；

（b）研磨性差或沒有研磨性。

前者會造成磨損加劇，而后者將會導致成膜過厚或部分脫落，形成凹坑，極易發(fā)生泡疤現(xiàn)象，造成密封泄漏。我們可以通過如下兩個摩擦試驗來進一步說明這個問題。圖3與圖4為同類型的純碳材料對磨氧化鋁陶瓷的干磨試驗結(jié)果，其中，圖3為成膜性與研磨性匹配優(yōu)良的高性能械用碳石墨材料，在工作中可以持續(xù)保持溫度的穩(wěn)定。而圖4為匹配特性一般的碳石墨材料，會導致工作面溫度的明顯上升。

圖3 ZC7-3與氧化鋁 干磨溫度曲線Fig.3 ZC7-3 VS AL2O3 dry grinding temperature curve

圖4 普通純碳材料與氧化鋁 干磨溫度曲線Fig.4 Original pure carbon graphite VS AL2O3 dry grinding temperature curve

有研究表明，碳能作為固體自潤滑材料的關鍵在于它的層狀晶體結(jié)構，它能與氣體（例如水蒸氣）形成較強的化學鍵，被吸附的氣體能削弱層間力，所有碳石墨材料在它的結(jié)構中都包含大量的吸附性氣體，吸附發(fā)生在晶體的邊緣，小的微晶比大的微晶具有更高濃度的原子邊緣，因此有更多的吸附部位[3-4]，因此一元法微晶碳石墨材料在與某些適宜的對磨材料配對時，干磨效果良好。

3.3 耐溫性能和抗熱震性

航天用機械用碳要求具有耐高溫和耐低溫的性質(zhì)，還需要經(jīng)受住溫度的劇烈變化，由于一元法生產(chǎn)的多晶碳石墨材料結(jié)構致密強度高，具有優(yōu)良的導熱性能，膨脹系數(shù)很小，溫度突變時，不會產(chǎn)生裂紋。因此能抗急冷急熱的變化，碳石墨材料溫度適用范圍-190℃～600℃，在無氧情況下使用溫度可達到1000℃以上。

3.4 熱燒蝕性（抗氧化性能）

由于航天器在高溫環(huán)境下運行，要求所選用的碳石墨材料具有一定的抗燒蝕性能，確保產(chǎn)品安全穩(wěn)定。 但一般情況下碳石墨材料在350℃和400℃時就會發(fā)生氧化現(xiàn)象，為了適應航天領域高溫環(huán)境，必須有效地提升材料的抗氧化性能，通常采用以下幾種方法來提高材料的抗燒蝕性能；

(1)浸漬磷酸鋁或其它金屬鹽

(2)表面涂層（陶瓷膜、碳膜、金剛石膜）

(3)碳/陶瓷復合材料（氣相反應、氣相沉積、貫穿包裹）

第一種方法是一種化學改善辦法，但效果有限，不適合航天環(huán)境下使用。第二、第三種方法，在材料的表面涂層和碳/陶復合材料是航天用機械用碳的研發(fā)方向。我們選用了M191G、ZC7-3、M300T三種有代表性的機械用碳材料，進行了涂層與未涂層的燒蝕對比（800℃）試驗。定量及拉曼圖譜分析如下：

①定量分析實驗結(jié)果

圖5 Cr基涂層燒蝕定量分析Fig.5 Quantitative analysis of ablation of Cr-based coating

②拉曼圖譜分析實驗結(jié)果

③實驗結(jié)果分析

涂層后，各碳棒燒蝕量較標樣明顯減少，數(shù)據(jù)如下：M191G減少35%，ZC7-3減少 77%，M300T減少55%。

高溫后，肉眼觀察涂層高溫下完整，未有脫落現(xiàn)象。一面燒蝕量小于4%基體未暴露，高溫氧化后Raman測試各面未出現(xiàn)基體信號基體未暴露。

涂層與未涂層碳石墨材料的抗燒蝕對比試驗結(jié)果可以明顯看出，涂層后的碳石墨材料在800℃空氣中有明顯的抗燒蝕效果，涂層起到高溫防護作用,能使航天密封裝置安全穩(wěn)定運行。

3.5 抗電化學性能

在航天渦輪泵密封裝置中，密封介質(zhì)為燃氣和液壓油，由于燃氣和液壓油的成分復雜，所以材料必須具有抗電化學性能，這就要求材料具有一定純度，內(nèi)部的微量元素需要控制在一定的范圍以內(nèi)，避免機械用碳在該環(huán)境中發(fā)生原電池現(xiàn)象，致使產(chǎn)生電化學現(xiàn)象。我們可以通過對碳石墨材料的能譜分析檢測內(nèi)部成份及微量元素，防范電化學現(xiàn)象的發(fā)生[5]。ZC7-3S/M191T純碳材料能譜分析實例：

圖7 (ZC7-3S) 能譜分析Fig.7 Energy spectrum analysis of ZC7-3S

圖8 ( M191T)能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of M191T

ZC7-3S與M191T的能譜分析對比說明，不同材料內(nèi)部微量元素復雜程度不同。在機械密封裝置中，碳石墨環(huán)都會與金屬鑲裝發(fā)生對磨。如果密封裝置在含有溶劑的燃油或潤滑油的工作環(huán)境中運行，極易與對磨面金屬環(huán)產(chǎn)生原電池現(xiàn)象，發(fā)生電化學腐蝕。

通過能譜分析掌握密封對磨材料中的微量元素情況，便于密封設計者正確選用碳石墨材料，有效避免電化學現(xiàn)象的發(fā)生。

3.6 導熱性能

航天伺服渦輪泵密封裝置在高轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生大量的熱量，需要所使用的碳石墨材料具有良好的導熱性能，以便將部分摩擦產(chǎn)生的熱量從對磨面中部分導出。這就要求我們設計生產(chǎn)科學比例的非結(jié)晶碳與結(jié)晶碳結(jié)構的碳石墨材料，兼顧較高機械性能和良好的導熱性能，例如我們前面所述的一元法生產(chǎn)的多晶結(jié)構碳石墨材料，以適應航天領域的特種環(huán)境使用要求。

3.7 在航天器推力矢量控制伺服系統(tǒng)中的實驗情況

我們還結(jié)合上述對機械用碳石墨材料的理解，根據(jù)航天器推力矢量控制伺服系統(tǒng)的基體工況，選用了適應此工況的多晶結(jié)構的碳石墨材料，并在航天器推力矢量控制伺服系統(tǒng)機械端面密封中，進行了運轉(zhuǎn)動態(tài)摩擦實驗。

3.7.1 實驗應用對象簡介

航天器推力矢量控制伺服系統(tǒng)中，小型超高轉(zhuǎn)速渦輪泵是由高壓氣體驅(qū)動產(chǎn)生高壓液壓介質(zhì)的核心動力部件。系統(tǒng)工作時，機械密封若發(fā)生失效將導致液壓油急劇泄漏，引起伺服系統(tǒng)性能下降或失效，造成嚴重后果；而在貯存狀態(tài)下，機械密封若發(fā)生滲漏超標，一定時間后會導致伺服液壓油減少，同時污染其它設備，增加伺服系統(tǒng)的維護成本。

動環(huán)安裝于渦輪軸系組件上并與軸系同步旋轉(zhuǎn)，碳石墨靜環(huán)安裝于密封殼體上并與渦輪殼體保持相對靜止的狀態(tài)，同時機械密封組件內(nèi)的彈簧對靜環(huán)組件施加軸向彈力，使靜環(huán)貼合與動環(huán)，二者組成一對旋轉(zhuǎn)摩擦/密封副并在工作端面維持一定的比壓，起到阻止流體泄漏的作用。

3.7.2 實驗參數(shù)及結(jié)果

多晶結(jié)構碳石墨靜環(huán)在模擬航天環(huán)境狀態(tài)下進行的動態(tài)實驗，實驗取得了較滿意的結(jié)果，如下表2、表3所示。機械密封裝置經(jīng)過22次系統(tǒng)氦試碳石墨靜環(huán)磨損量幾乎為零，與以前同工況條件的實驗相比較，多晶結(jié)構碳石墨靜環(huán)的磨損量只是原來普通碳石墨靜環(huán)磨損量的幾十分之一，實驗結(jié)果表明科學的根據(jù)航天環(huán)境工況，有針對性選用不同結(jié)構的多晶碳石墨材料是確保渦輪泵密封裝置的重要保證。

4 結(jié)論

一元法生產(chǎn)的多晶結(jié)構的機械用碳材料，具有理想的碳橋結(jié)構、穩(wěn)定的機械性能、良好的摩擦性能、良好的抗燒失性、良好的導熱性能以及穩(wěn)定的耐電化學性能，能夠滿足航天伺服渦輪泵等航天產(chǎn)品的使用要求。

表2 航天伺服渦輪泵試驗工況參數(shù)Table 2 Parameter of operation condition in testing of Aerospace Servo Turbine Pump

表3 航天伺服渦輪泵試驗結(jié)果Table 3 Testing result of Aerospace Servo Turbine Pump