机械用碳密封材料在航天伺服涡轮泵中的应用特性

侯玉杰，程 诺，李秋霞，王志峰，孙建通

（1成都中超碳素科技有限公司，成都 610000；2中国运载火箭技术研究院（北京精密机电控制设备研究所），北京 100000；3沈阳航天新光集团有限公司，沈阳 110000）

1 前言

1.1 机械用碳简述

机械用碳指的是从碳质转化为石墨质的过程中存在的具有各种中间性的碳结构材料，机械用碳注重的不是像石墨质结构的这种规则的叠层，它需要的是材料的叠层规则介于乱层结构和石墨结构之间，具有一定的C轴取向。而不同的C轴取向，支配着材料的晶体化程度，碳质和石墨质的不同的特性，是由于它们晶体结构的完善程度不同所引起的[1]。结晶碳与非结晶碳的不同结合比例决定该材料的不同性能特点，同时也决定了材料的应用场合。

根据不同的使用要求，设计、制造出不同中间性的碳-石墨材料，它既具有一定的非结晶碳的高硬度、高机械强度的特性，又兼具了结晶碳石墨的自润滑性、高导热率等特性，弥补了单一形态的无定型碳或石墨的缺陷，形成具有较好综合性能的一种机械用碳-石墨材料。

1.2 机械用碳生产

机械用碳的生产方法分为一元法和二元法，通常传统的碳石墨材料生产均采用的是二元法，一元法则是生产高性能机械用碳材料新型方法。

二元法材料结构特点，如图1所示，已经具有初步多晶结构的焦炭颗粒用沥青粘接剂粘接在一起，通过高温烧结得到了碳石墨材料初始碳桥结构。生产出的碳石墨材料呈多孔特性,碳桥强度低，致密性差，由于含有粘接剂的骨料需要二次磨粉，工艺上限制了材料的粒度，颗粒度较粗,一般在20～40微米。由于上述原因导致材料机械强度低、需通过多次浸渍等方法来增强。

图1 二元法8000倍电镜照片Fig.1 SEM photo (8000 times) in binary method

图2 一元法8000倍电镜照片Fig.2 SEM photo (8000 times) in unary method

一元法材料结构特点，如图2所示，一元法生产的碳材料呈一次多晶结构，最重要的特点是晶体整体重新定性性能好，材料具有理想的碳桥结构，碳桥强度高，材料致密、颗粒度细，一般在10微米以内，气孔多为封闭气孔，无需浸渍，并具备更优良的导热性、耐腐性。

2 航天领域对机械用碳密封材料应用特性要求

航天领域往往处于苛刻特种环境内，要求材料适应：高温、低温、高转速、燃热冲击、热烧蚀 、辐照等复杂环境[2]。

因此，航天特种环境碳石墨材料需要具有如下特性：

（1）稳定的机械性能；

（2）良好的摩擦性能；

（3）良好的耐温性能；

（4）抗热震性；

（5）抗烧失性；

（6）耐电化学稳定性

（7）良好导热性能

（8）辐照、声响、震动、冲击等

生产制造这种满足航天环境的使用要求,设计者需要从原材料的生产方式上着手，科学地提升材料的性能指标。

3 航天伺服涡轮泵的机械用碳材料特性的相应实验及分析研究

3.1 机械性能

航空材料使用工况压力特别苛刻，且要求重复使用，这就对材料的机械性能提出了更高的要求，采用一元法制造的多晶结构的碳石墨材料，由于它的整体定性的多晶结构，使其具有除普通碳材料的一般特性外，还具有更优的机械性能见表1。

表1 航天伺服泵机械用碳机械性能指标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损量、低发热量，即我们通常所说的成膜性与研磨性，这主要由材料内部不同比例的多晶结构特性而决定。

碳材料的成膜性能造就了机械用碳的自润滑性能，优良的机械用碳材料除了要具备成膜性能外还必须具备研磨性能，并保持成膜性与研磨性的一定的数率关系，使之摩擦副对磨面之间保持极薄的润滑膜。

若摩擦副碳材料研磨性与成膜性不匹配时，将会出现两种以下现象：

（a）成膜困难或不能成膜；

（b）研磨性差或没有研磨性。

前者会造成磨损加剧，而后者将会导致成膜过厚或部分脱落，形成凹坑，极易发生泡疤现象，造成密封泄漏。我们可以通过如下两个摩擦试验来进一步说明这个问题。图3与图4为同类型的纯碳材料对磨氧化铝陶瓷的干磨试验结果，其中，图3为成膜性与研磨性匹配优良的高性能械用碳石墨材料，在工作中可以持续保持温度的稳定。而图4为匹配特性一般的碳石墨材料，会导致工作面温度的明显上升。

图3 ZC7-3与氧化铝 干磨温度曲线Fig.3 ZC7-3 VS AL2O3 dry grinding temperature curve

图4 普通纯碳材料与氧化铝 干磨温度曲线Fig.4 Original pure carbon graphite VS AL2O3 dry grinding temperature curve

有研究表明，碳能作为固体自润滑材料的关键在于它的层状晶体结构，它能与气体（例如水蒸气）形成较强的化学键，被吸附的气体能削弱层间力，所有碳石墨材料在它的结构中都包含大量的吸附性气体，吸附发生在晶体的边缘，小的微晶比大的微晶具有更高浓度的原子边缘，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与某些适宜的对磨材料配对时，干磨效果良好。

3.3 耐温性能和抗热震性

航天用机械用碳要求具有耐高温和耐低温的性质，还需要经受住温度的剧烈变化，由于一元法生产的多晶碳石墨材料结构致密强度高，具有优良的导热性能，膨胀系数很小，温度突变时，不会产生裂纹。因此能抗急冷急热的变化，碳石墨材料温度适用范围-190℃～600℃，在无氧情况下使用温度可达到1000℃以上。

3.4 热烧蚀性（抗氧化性能）

由于航天器在高温环境下运行，要求所选用的碳石墨材料具有一定的抗烧蚀性能，确保产品安全稳定。 但一般情况下碳石墨材料在350℃和400℃时就会发生氧化现象，为了适应航天领域高温环境，必须有效地提升材料的抗氧化性能，通常采用以下几种方法来提高材料的抗烧蚀性能；

(1)浸渍磷酸铝或其它金属盐

(2)表面涂层（陶瓷膜、碳膜、金刚石膜）

(3)碳/陶瓷复合材料（气相反应、气相沉积、贯穿包裹）

第一种方法是一种化学改善办法，但效果有限，不适合航天环境下使用。第二、第三种方法，在材料的表面涂层和碳/陶复合材料是航天用机械用碳的研发方向。我们选用了M191G、ZC7-3、M300T三种有代表性的机械用碳材料，进行了涂层与未涂层的烧蚀对比（800℃）试验。定量及拉曼图谱分析如下：

①定量分析实验结果

图5 Cr基涂层烧蚀定量分析Fig.5 Quantitative analysis of ablation of Cr-based coating

②拉曼图谱分析实验结果

③实验结果分析

涂层后，各碳棒烧蚀量较标样明显减少，数据如下：M191G减少35%，ZC7-3减少 77%，M300T减少55%。

高温后，肉眼观察涂层高温下完整，未有脱落现象。一面烧蚀量小于4%基体未暴露，高温氧化后Raman测试各面未出现基体信号基体未暴露。

涂层与未涂层碳石墨材料的抗烧蚀对比试验结果可以明显看出，涂层后的碳石墨材料在800℃空气中有明显的抗烧蚀效果，涂层起到高温防护作用,能使航天密封装置安全稳定运行。

3.5 抗电化学性能

在航天涡轮泵密封装置中，密封介质为燃气和液压油，由于燃气和液压油的成分复杂，所以材料必须具有抗电化学性能，这就要求材料具有一定纯度，内部的微量元素需要控制在一定的范围以内，避免机械用碳在该环境中发生原电池现象，致使产生电化学现象。我们可以通过对碳石墨材料的能谱分析检测内部成份及微量元素，防范电化学现象的发生[5]。ZC7-3S/M191T纯碳材料能谱分析实例：

图7 (ZC7-3S) 能谱分析Fig.7 Energy spectrum analysis of ZC7-3S

图8 ( M191T)能谱分析Fig.8 Energy spectrum analysis of M191T

ZC7-3S与M191T的能谱分析对比说明，不同材料内部微量元素复杂程度不同。在机械密封装置中，碳石墨环都会与金属镶装发生对磨。如果密封装置在含有溶剂的燃油或润滑油的工作环境中运行，极易与对磨面金属环产生原电池现象，发生电化学腐蚀。

通过能谱分析掌握密封对磨材料中的微量元素情况，便于密封设计者正确选用碳石墨材料，有效避免电化学现象的发生。

3.6 导热性能

航天伺服涡轮泵密封装置在高转速下会产生大量的热量，需要所使用的碳石墨材料具有良好的导热性能，以便将部分摩擦产生的热量从对磨面中部分导出。这就要求我们设计生产科学比例的非结晶碳与结晶碳结构的碳石墨材料，兼顾较高机械性能和良好的导热性能，例如我们前面所述的一元法生产的多晶结构碳石墨材料，以适应航天领域的特种环境使用要求。

3.7 在航天器推力矢量控制伺服系统中的实验情况

我们还结合上述对机械用碳石墨材料的理解，根据航天器推力矢量控制伺服系统的基体工况，选用了适应此工况的多晶结构的碳石墨材料，并在航天器推力矢量控制伺服系统机械端面密封中，进行了运转动态摩擦实验。

3.7.1 实验应用对象简介

航天器推力矢量控制伺服系统中，小型超高转速涡轮泵是由高压气体驱动产生高压液压介质的核心动力部件。系统工作时，机械密封若发生失效将导致液压油急剧泄漏，引起伺服系统性能下降或失效，造成严重后果；而在贮存状态下，机械密封若发生渗漏超标，一定时间后会导致伺服液压油减少，同时污染其它设备，增加伺服系统的维护成本。

动环安装于涡轮轴系组件上并与轴系同步旋转，碳石墨静环安装于密封壳体上并与涡轮壳体保持相对静止的状态，同时机械密封组件内的弹簧对静环组件施加轴向弹力，使静环贴合与动环，二者组成一对旋转摩擦/密封副并在工作端面维持一定的比压，起到阻止流体泄漏的作用。

3.7.2 实验参数及结果

多晶结构碳石墨静环在模拟航天环境状态下进行的动态实验，实验取得了较满意的结果，如下表2、表3所示。机械密封装置经过22次系统氦试碳石墨静环磨损量几乎为零，与以前同工况条件的实验相比较，多晶结构碳石墨静环的磨损量只是原来普通碳石墨静环磨损量的几十分之一，实验结果表明科学的根据航天环境工况，有针对性选用不同结构的多晶碳石墨材料是确保涡轮泵密封装置的重要保证。

4 结论

一元法生产的多晶结构的机械用碳材料，具有理想的碳桥结构、稳定的机械性能、良好的摩擦性能、良好的抗烧失性、良好的导热性能以及稳定的耐电化学性能，能够满足航天伺服涡轮泵等航天产品的使用要求。

表2 航天伺服涡轮泵试验工况参数Table 2 Parameter of operation condition in testing of Aerospace Servo Turbine Pump

表3 航天伺服涡轮泵试验结果Table 3 Testing result of Aerospace Servo Turbine Pump