專利名稱：機(jī)械密封件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及密封件,特別是涉及用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的機(jī)械密封件。
背景技術(shù)：
機(jī)械密封件用于各種旋轉(zhuǎn)軸裝置，在包括鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、真空泵、膨脹 器和熱氣通路組件等等。通過在例如工作室和外界環(huán)境之間或在壓縮機(jī)或渦輪 的兩個(gè)連續(xù)級之間設(shè)置隔板，這些密封件防止流體(氣體或液體)從容納有旋 轉(zhuǎn)軸的工作室泄漏或使其減到最少。
一種這樣的機(jī)械面密封件是螺旋槽密封件,其中螺旋形凹槽區(qū)域設(shè)置在一對 相對密封面中的一個(gè)密封面上。當(dāng)密封面之一相對于另一個(gè)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于流體
力的作用，流體受itilil凹槽流向密封面的非凹槽部分。在某一取決于密封件
設(shè)計(jì)的速度下，由于這種泵送作用，流體壓力將這兩個(gè)密封面分離一精確量。 密封面的非凹槽部分起到密封擋板的作用，以便為流體泄漏提供阻力及保持均 勻的流體壓力。該對相對密封面中的一個(gè)密封面可彈簧加載，從而通過保證施 加作用力以阻止這兩個(gè)密封面的分離以及將密封面間的縫隙減至撮少，以給流 體泄漏提供附加的阻力。
當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時(shí)(例如，在安裝有螺旋槽密封件的裝置開動(dòng)和關(guān)閉期間)， 沒有形成足夠的壓力以分離密封面。結(jié)果，密封面之間發(fā)生接觸，盡管是短暫 的，但可足以在密封面處由于摩擦熱和磨損而產(chǎn)生微裂縫、顆粒拔離和/或顆粒 粉化。這些缺陷的濃度由于反復(fù)接觸和/或在正常工作斜牛(即轉(zhuǎn)速)期間產(chǎn)生
的周向應(yīng)力與離心應(yīng)力而增大，這導(dǎo)致密封件失效以及密封殼體和/或1OT密封
件的裝置的最終失效。
之前延長密封件壽命的努力集中在增加硬度、增加抗裂縫性、減少摩擦、 使接觸次數(shù)減到最少等等?，F(xiàn)在，許多密封面由高性能碳化物制成(例如碳化 鉤、碳化硅等等，及它們的各種形式)，以代替氧化物或金屬。然而，許多這 樣的密封件受到厚度的限制，所以不能經(jīng)受它們在使用壽命期間所遭受的磨損
4狀況。因此，盡管已經(jīng)獲得改善，但是在本領(lǐng)域仍然需要改進(jìn)的機(jī)械密封件。

發(fā)明內(nèi)容
一種機(jī)械密封件包括一對相對的密封表面，其中該對密封面中的至少一個(gè)
密封面包括布置于基底上的一多層涂層，其中，該多層涂層包括相異層(distinct layers)的周期性重復(fù)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該機(jī)械密封件包括一對相對的密封面，其中該對密封 面中的至少一個(gè)密封面包括布置于基底上的一多層涂層，其中，該多層涂層包 括一種組合物的多個(gè)層，并且其中，該組合物中沒有任何兩個(gè)相鄰層包含相同 比例的組合物組分。
一種方法，包括將多層涂層布置到基底上以形成非接觸式機(jī)械密封件的一 對相對密封面中的至少一個(gè)密封面。
—h3i描述及其他特征由下列附圖和具體實(shí)施方式
執(zhí)列說明。 '


現(xiàn)在參考附圖，所述附圖是示例性的實(shí)施例，并且其中相同的元件以相同 的編號標(biāo)注
圖1是非接觸式機(jī)械密封面的一部分的縱向截面圖；和 圖2是具有螺旋形凹槽的非接觸式機(jī)械密封面的示意圖。 10-密封面12-基底14-多層涂層16-粘合層18-涂層20-涂層22-涂層24-涂層26-涂層28-低摩擦層30-固術(shù)閏滑層32-螺旋形凹槽
具體實(shí)施例方式
此處公開了機(jī)械密封件及其制造方法。在示例性實(shí)施例中，機(jī)械密封件是 非接觸式機(jī)械密封件。術(shù)語"非接觸式"在此《頓以描述密封件時(shí)具有其領(lǐng)域公認(rèn) 的含義(即在使用該密封件的裝置的工作期間，在相對密封面之間某個(gè)點(diǎn)處 有由壓力產(chǎn)生的分離)。轉(zhuǎn)速(相對密封面之間的分離以這樣的速度出現(xiàn))也 與密封面的表面光潔度有關(guān)。隨著時(shí)間的流逝，當(dāng)密封表面老化時(shí)，需要高轉(zhuǎn) 速以用于分離，從而導(dǎo)致當(dāng)密封面的表面接觸時(shí)在它們上面產(chǎn)生更多的熱量和 磨損。與現(xiàn)有技術(shù)相比，在此公開的密封件和方法總體上基于包括多層涂層的至少一個(gè)密封面。多層涂層的使用有益地產(chǎn)生硬的耐磨密封面，該密封面減少 了摩擦并且減少了與磨損相關(guān)的微裂縫形成。這些特征最終導(dǎo)致密封件和裝置 的壽命延長。
而且，術(shù)語"第一"、"第二"等等，并不表示任何次序、數(shù)量、或重要性，而 是用于區(qū)f個(gè)元件與另一個(gè)元件；并且術(shù)語"該"、"一"和"一個(gè)"并不表示數(shù)量 限制，而是表示存在至少一個(gè)所引用的部件。用于與數(shù)量相關(guān)的修飾語"大約" 包括所述值，并且具有根據(jù)上下文表述的含義(例如，包括與特定量測量有關(guān) 的誤差度)。此外，描述相同數(shù)量或物理特性的所有范圍包括所述端點(diǎn)并且可 獨(dú)立地組合。
密封件通常包括一對相對的密封面，其中至少一個(gè)密封面包括布置在基底 上的多層涂層。在密封件工作期間，密封面中的一個(gè)相對于另一個(gè)旋轉(zhuǎn)。盡管 密封面的二者之一 (或兩者)可包含多層涂層，但最好是至少該旋轉(zhuǎn)密封面包 括多層涂層。此外，密封面的二者之一 (或兩者)可選地包含螺旋形凹槽；然 而，最好是至少該旋轉(zhuǎn)密封面具有這些凹槽。
現(xiàn)在參考圖1 ，顯示了標(biāo)注為10的密封面的一部分。密封面10的該部分總 體上包括基底12和布置于其上的多層涂層14。
在其上布置有多層涂層14的基底12可為任何金屬、金屬合金、或陶瓷的 (例如，氧化物、氮化物、碳化物等等)成分。在示例性實(shí)施例中，基底12是 碳化物成分。示例性的碳化物包括碳化硅(例如，固體碳化硅、硅化石墨、反 應(yīng)燒結(jié)碳化硅、自燒結(jié)的碳化硅、或包括前，少一種的組合物)和碳化鎢(例 如，碳化鎢或金屬結(jié)合碳化鎢)。值得注意的是，基底的成分和微結(jié)構(gòu)能影響 密封面的性能。
在多層涂層14內(nèi)，各層的成分可選擇成提供所期望的特性，例如硬度、耐 磨性、潤滑性、抗熱應(yīng)力性、斷裂韌度、粘附性、或包括至少一個(gè)上述特性的組合。
舉例來說，當(dāng)期望的是硬度、耐磨性、禾B/或抗熱應(yīng)力性時(shí)，可用陶瓷材料 作為多層涂層14中一層的成分。適當(dāng)?shù)奶沾沙伤ㄓ操|(zhì)相(hardphase)金 屬氧化物，例如Al2Cb、 Cr203、 Zr02等等；金屬碳化物，例如&A、 WC、 TiC、 ZiC、 B4C等等；金剛石、類金剛石碳；金屬氮化物，例如立方BN、 TiN、 ZrN、 HfN、 Si3N4、 A1N、 TiAlN、 TiAlCrN、 TiCrN、 TiZrN等等；金屬硼化物，例如TiB2、 ZrB2、 Cr3B2、 \^82等等；以及包括至少一種，成分的組合?；蛘撸?層涂層14的一層的成分是陶瓷組合物，該陶瓷組合物包括占該組合物總體積的 至少51%體積(體積百分比)的前述適當(dāng)陶瓷成分以及粘結(jié)相的相對較軟且低 熔點(diǎn)的成分。用于該陶瓷組合物的適當(dāng)?shù)奶沾烧辰Y(jié)相成分包括SK)2、Ce02、Y203、 TK32、以及包括至少一種前述陶瓷粘結(jié)相成分的組合。在另一可供選擇的實(shí)施 例中，多層涂層14的一層的成分是金屬陶瓷組合物(金屬陶瓷)。適當(dāng)?shù)慕饘?陶瓷包括WC/Co、 WC/CoCr、 WC/Ni、 TiC/Ni、 TiC/Fe、 Ni(Cr)/Cr3C2 ，以及包 括上述至少一種的組合。用于多層涂層14的一層的其他成分包括這樣的組合， 這些組合包括陶瓷、陶瓷組合物、或金屬陶瓷(例如包括上述之一的金屬或合 金基體)中的至少一種。
在另一個(gè)示例中，當(dāng)期望的愚閏滑性時(shí)，多層涂層14的一層的成分可包含 鍺、MoS2、聚翻安、含氟聚合物(例如聚四氟乙烯、氟化乙烯-丙烯共聚物等等)、 石墨、過渡金屬硼化物、六方氮化硼和類似固體潤滑劑。有益地是，當(dāng)處于粉 末形式時(shí)，這些固體潤滑劑除提供潤滑外還將促進(jìn)從密封件的接觸區(qū)域排走熱
在另一個(gè)示例中，當(dāng)期望的是粘附性時(shí)，該多層涂層14的一層的成分可包 括MCrAl或MCrAlY合金，其中M表示例如鐵、鎳、或鈷的金屬；NiAl(Zr) 成分；或者類似物。
盡管對可形成多層涂層14的個(gè)層(individuallayer)的數(shù)目沒有具體上限， 但是至少有2層。在該多層涂層14的內(nèi)部，應(yīng)考慮個(gè)層與基底一起的熱膨脹以 及這些個(gè)層之間的熱膨脹。另外，這些層應(yīng)該能承受任何不均勻的應(yīng)變。
此外，在多層涂層14的內(nèi)部，各層可具有不同的厚度和/或各層可具有不均 勻的厚度。各層的平均厚度可獨(dú)立地為大約5納米(nm)至l汰約25貨妹(拜)。 在該范圍內(nèi)，各層的平均厚度可獨(dú)立地大于或等于大約10nm，尤其大于或等于 大約20nm。同樣在該范圍內(nèi)，各層的平均厚度可獨(dú)立地小于或等于10拜，尤 其是小于或等于大約5,。整個(gè)多層涂層14的平均厚度可為大約2Mm到大約 500,。在該范圍內(nèi)，整個(gè)多層涂層14的平均厚度可大于或等于大約5,，尤 其大于或等于大約8,。同樣在該范圍內(nèi)，整個(gè)多層涂層14的平均厚度可小于 或等于200mhi，尤其小于或等于大約50^m。
在一個(gè)實(shí)施例中，多層涂層14的至少一部分可以是這^層的周期性重復(fù)。例如，兩種不同的成分可交錯(cuò)層疊以形成3層或更多層。另外，3種不同的成分 可以以任意數(shù)量的排列方式層疊，包括但不限于1—2—3—1—2—3 — ， 1—2—3 —2—1—等等。如果這些交錯(cuò)層疊的層足夠薄(例如小于或等于大約100nm)， 就形成了異質(zhì)結(jié)構(gòu)或超晶格，該結(jié)構(gòu)可比更厚的個(gè)層具有顯著改善的硬度和斷 裂韌度。
在另一實(shí)施例中，多層涂層14可包括皿一個(gè)層的組合物，使得各層具有 相同的組成成分但具有不同的量或比例。例如， 一種包括分散在基體內(nèi)的納米 顆粒的組合物可用于該多層涂層14的各層，并且在下一個(gè)相鄰層中的納米顆粒 量增加(或減少)從而存在梯度特性。當(dāng)在此使用時(shí)，關(guān)于該多層涂層中的層， 術(shù)語"相鄰"是指兩個(gè)成物理接觸的層(即在稱為彼此相鄰的兩層之間沒有中間 層)。
多層涂層14的各層可ilil各種適用技術(shù)獨(dú)立地沉積或以其它方式形成于基 底12上，這些技術(shù)例如是物理氣相沉積(PVD)，包括電子束物理氣相沉積 (EB-PVD)、射頻、鵬寸、離子束濺射、等離子體輔助物理氣相沉積、陰極電弧 沉積和陰極電弧等離子體沉積；化學(xué)氣相沉積(CVD)等等。本領(lǐng)域技術(shù)人員 根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容在沒有過多實(shí)驗(yàn)的情況下，可使用這些技術(shù)中的各種技 術(shù)形成多層涂層14的個(gè)層。取決于所用的技術(shù)，各層的原子結(jié)構(gòu)可獨(dú)立地按照 特定的密封應(yīng)用場合所希望的那樣做成晶狀或非晶形。此外，如果為晶狀，還 可根據(jù)該特定的密封應(yīng)用場合所希望的那樣調(diào)整晶粒形態(tài)。
重新參考圖1 ，機(jī)械密封件的示例性旋轉(zhuǎn)密封面10可形皿鎳接合WC金 屬陶瓷基底12上。WC顆粒的平均最長尺寸大于或等于大約3,。尤其是，粒 度分布是雙模態(tài)的，其中大約60 %的顆粒具有大于大約3^irn的平均最長尺寸， 并且余量顆粒具有小于大約2 Mm的平均最長尺寸。存在于金屬陶瓷內(nèi)的鎳的量 是金屬陶瓷總重量的大約6%到大約15% (重量百分比)。在該范圍內(nèi)，優(yōu)選 的是在該金屬陶瓷內(nèi)具有大于或等于大約9 % (重量百分比)的鎳。如此，由 于存在增大量的鎳而防止在WC中產(chǎn)生的任何裂縫增大。
多層涂層14通)l沉積交錯(cuò)的TiN層(18, 22,和26)和ZrN層(20和24)而 形成。應(yīng)該認(rèn)識到，盡管已經(jīng)參考了5個(gè)交錯(cuò)層(即18、 20、 22、 24和26)， 但這僅用于說明性的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以使用任何數(shù)量的交錯(cuò) 層。此外，盡管本實(shí)施例中的第一交錯(cuò)層18 (即最接近于基底的層)指為TiN層，但ZrN也可用作第一交錯(cuò)層18。
交錯(cuò)層18、 20、 22、 24和26由PVD技術(shù)沉積，并可被直接沉積到基底12 上或沉積到可選的粘合層16上，該粘合層比第一交錯(cuò)層18能更好地粘附到基 底12上。該可選的粘合層16可使用CVD來沉積以提供對基底上晶粒成長的更 好控制。希望的是，可選的粘合層16具有與第一交錯(cuò)層18相同的成分，以提 供兩者間最大的相容性。交錯(cuò)層18、 20、 22、 24、和26中，通常每層具有大約 20nm至l汰約100nm的厚度，以形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，所有交錯(cuò)層 18、 20、 22、 24和26的總厚度為大約3,到大約8,。該可選的粘合層16可 具有大約l拜到大約25,的厚度。
可選擇地，低摩擦層28可布置在最后的(即基底12的最外面)交錯(cuò)層26 上。例如，該可選的低摩擦層28例如可為-幾剛石碳層。任何上述技糊可用 來沉積該可選的低摩擦層28。
替換地或者除了該可選的低摩擦層28，可選的固術(shù)閨滑劑層30可布置到該 最后的交錯(cuò)層26 (或該可選的低摩擦層28)上，以便當(dāng)旋轉(zhuǎn)密封面10接觸到 相對的密封面(未示出)時(shí)給旋轉(zhuǎn)密封面10提供增大的潤滑性。該可選的固體 潤滑劑層30可以是打磨出的，或者用粘結(jié)相沉積到該最后交錯(cuò)層26 (或可選低 摩擦層28)上。
當(dāng)多層涂層14的最上層已經(jīng)沉積到基底12上時(shí)，螺旋形凹槽32 (如圖2 所示)可被亥lJ蝕或機(jī)械加工至幅最上層的表面內(nèi)。還可能的是，在沉積該多層 涂層14之前機(jī)械加工或刻蝕該基底12，同時(shí)在沉積之后保持該螺旋形凹槽32。 用于將多層涂層14沉積到已進(jìn)行機(jī)械加工或已刻蝕好的基底12上的技術(shù)包括 EB-PVD、陰極電弧沉積等等。
在另一實(shí)施例中，代替交錯(cuò)的TiN層(18、 22和26)和ZrN層(20和24)的 是，采用由一種組合物(該組合物包括分散于納米結(jié)構(gòu)的MQA1或CoCrAl合 金基體中的Al203納米顆粒)構(gòu)成的多個(gè)層，使得該多個(gè)層中的每層具有與任一 直接相鄰層所不同的M03納米顆粒的濃度(例如體積分?jǐn)?shù))。例如， 一層可為 富陶瓷的(ceramic-rich)，而其相鄰層可為富合金的(alloyrich)。在該組合物 內(nèi)部，A1203納米顆粒具有大約10 nm到大約200 nm的平均最長尺寸。同樣地， 在累積的組合物的內(nèi)部，旨Al203體積分?jǐn)?shù)是高的(例如大約70%到大約80 %)，以便為該組合物提供增大的硬度。多個(gè)組合物層(18、 20、 22、 24和26)由PVD技術(shù)沉積，并且同樣地可 直接地沉積到基底12或可選的粘合層16上，該粘合層16可比第一組合物層18 更好地粘附到基底12上。該多個(gè)組合物層(18、 20、 22、 24和26)的整體厚 度為大約50拜到大約300拜。
在還一實(shí)施例中，該多層涂層14包括該多個(gè)組合物層和和該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的組 合，以提供更為增大的硬度。希望的是，該多個(gè)組合物層是在包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 層之前沉淀到基底上的，以便該異質(zhì)結(jié)構(gòu)布置到該多個(gè)組合物層的與基底相反 的表面上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在此公開的機(jī)械密封件和方法提供了硬的 耐磨密封面，其具有減小的摩擦以及減小的與磨損相關(guān)的貨，縫形成。例如包 括多層涂層的密封面的維氏硬度(Hv)可為大約4000至呔約5000。結(jié)果，可 以顯著延長機(jī)械密封件和采用該密封件的裝置的使用壽命。
還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，機(jī)械密封件和采用該密封件的裝置可包括已知與機(jī)械密封 件和采用機(jī)械密封件的裝置一起使用的其它部件，例如彈簧(用于彈簧加載一 對彈簧面中的至少一個(gè)，其通常為靜止面)、軸、轉(zhuǎn)子、定子、第二O形環(huán)密 封件等等。
盡管己經(jīng)參照示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以理解，在不脫離本公開的范圍的情況下，可以產(chǎn)生多種變化并且等效元件 可替代其中元件。另外，在不脫離本公幵實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可以進(jìn)行許多變 型以使特定情況或材料適合于本公開的教導(dǎo)。所以，這就意味著，本公開不限 于作為最佳實(shí)施方式所公開的特定實(shí)施例，但是本公開將包括落入所附權(quán)利要 求的保護(hù)范圍內(nèi)的全部實(shí)施例。
權(quán)利要求
1. 一種機(jī)械密封件，包括一對相對的密封面(10)，其中，該對密封面(10)中的至少一個(gè)密封面包括布置在基底(12)上的一多層涂層(14)，其中，該多層涂層(14)包括相異層的周期性重復(fù)；或一種組合物的多個(gè)層，其中，該組合物中沒有任何兩個(gè)相鄰層包括相同比例的組合物組分；或這兩者。
2. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)械密封件，其中，這些相異層形成一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
3. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)械密封件，其中，該多層涂層(14)進(jìn) 一步包括粘合層(16)、低摩擦層(28)或潤滑劑層(30)或其組合。
4. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)械密封件，其中，包括有布置到基底 (12)上的該多層涂層(14)的該對密封面(10)中的該至少一個(gè)密封面在該非 接觸式機(jī)械密封件的工作期間旋轉(zhuǎn)。
5. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)械密封件，其中，包括有布置到基底 (12)上的該多層涂層(14)的該對密封面(10)中的該至少一個(gè)密封面包括螺 旋形凹槽(32)。
6. 如J^權(quán)禾腰求中任一項(xiàng)所述的機(jī)械密封件，其中，該機(jī)械密封件是非接 觸式機(jī)械密封件。
7. —種方法，包括將一多層涂層(14)布置到基底(12)上以形成機(jī)械密封件的一對相對密 封面(10)中的至少一個(gè)密封面。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，該多層涂層(14)包括 相異層的周期性重復(fù)；或一種組合物的多個(gè)層，其中，該組合物中沒有任何兩個(gè)相鄰層包括相同比 例的組合物組分；或 這兩者。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，該多層涂層(14)的任何一層均采用物 理氣相沉積進(jìn)行布置。
10.如權(quán)禾腰求7所述的方法，還包括在將該多層涂層(14)布置到基底(12) 上之前將粘合層(16)化學(xué)氣相沉積到基底(12)上。
全文摘要
一種機(jī)械密封件包括一對相對的密封面(10)，其中，該對密封面(10)中的至少一個(gè)密封面包括布置在基底(12)上的多層涂層(14)，其中，該多層涂層(14)具有相異層的周期性重復(fù)；或一種組合物的多個(gè)層，其中該組合物中沒有任何兩個(gè)相鄰層包括相同比例的組合物組分；或這兩者。一種方法包括將多層涂層(14)布置到基底(12)上以形成機(jī)械密封件的一對相對密封面(10)中的至少一個(gè)密封面。
文檔編號F16J15/16GK101424342SQ200710199768
公開日2009年5月6日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者B·W·布里森, D·M·格雷, D·斯里尼瓦桑, F·加斯皮普爾, K·阿南德, M·薩爾希, P·馬修 申請人:通用電氣公司