低温阀门密封副材料性能研究

2018-07-30梁毅龙雪金海霍丽敏李颖首都航天机械有限公司北京00076北京强度环境研究所北京00076

机械工程师 2018年7期

梁毅, 龙雪, 金海, 霍丽敏, 李颖（.首都航天机械有限公司，北京 00076；.北京强度环境研究所，北京 00076）

0 引言

材料的性能主要包括力学性能、工艺特性、热性能、磁性能等。材料的性能决定了材料的用途，密封副材料的材料特性将影响密封性能。对于工作在低温尤其是液氢和液氧深低温环境温度状态下的阀门，密封副的制造材料由于在低温环境温度下的材料性能与常温环境下材料性能会有一定的变化，对材料的选用更应该得到设计人员的重视[1-2]。所选用的材料在工作环境温度下要能保持一定的强度、弹性和复原性。以往由于忽视和条件限制等原因一直未进行低温环境（尤其是液氢和液氧温度下）系统性试验，因此在本文中对常用的部分阀门内腔密封副制造材料在低温下的工艺性能数据，按照国家标准进行了测试。

1 阀门密封副材料

经统计，在低温阀门用于内腔密封副制造的材料中金属材料主要有不锈钢1Cr18Ni9Ti、铝青铜QAl9-4、低膨胀合金X，非金属材料主要有聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等材料。本文针对上述材料在常温、液氢，液氧温度下进行了性能测试。

2 材料性能测试要求

为保证试验数据的权威性，材料性能测试地点选择在中科院理化所，使用标准试验机，按照或参照各性能项目的国家标准进行测试，测试采用的相关标准如表1所示。试验设备采用国产的某型号拉伸/压缩试验机，其位移传感器测量范围为0~50 kN，位移的分辨率为0.01 mm，力载荷的精度为±0.5N，控制方式为计算机控制，试验前要对相应参数进行设定，试验过程中能够对各项试验数据进行控制和记录，以方便试验结束后对测试数据进行分析。材料低温特性试验温度分三个温区：室温、液氧温区、液氢温区。其中为试验安全考虑，采用液氮模拟液氧温度、用液氦模拟液氢温度；材料的力学性能指标分别通过低温拉伸实验、低温冲击和低温压缩实验确定；热学性能采用膨胀仪测定低温膨胀系数；同时还对上述材料的拉伸性能、压缩性能和热膨胀性能绘制出曲线。

表1 材料性能测试相关标准

说明：用液氮和液氦做制冷剂。

表2 金属材料在298 K下的性能

表3 金属材料在77 K下的性能

表4 金属材料在20 K下的性能

3 金属材料试验结果

金属材料在常温、液氮、液氦温度下的拉伸性能见表2、表3、表4，线膨胀系数见图1、图2、图3。

图1 1Cr18Ni9Ti平均膨胀系数曲线

图2 QAl9-4平均膨胀系数曲线

图3 低膨胀合金X平均膨胀系数曲线

根据工程经验，在对3种金属材料拉伸性能试验中比较关注的是弹性模量、屈服强度和抗拉强度等几个参数。用来表征弹性变形阶段的力学性能指标包括弹性模量（弹性模量是指发生弹性变形时应力与应变间的关系常数）。当应变为一个单位时，弹性模量是产生全部弹性变形所需的应力。在工程上弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力，也就是说材料的刚度与产生的弹性变形成反比；屈服强度和抗拉强度均是表征材料抵抗塑性变形的重要力学指标之一，材料的屈服强度是材料在应力作用下由弹性变形向弹-塑性变形过渡的明显标志，屈服时对应的应力值表征材料抵抗起始塑性变形或产生微量塑性变形的能力。在工程上屈服强度是重要的力学性能指标之一，其工程意义是作为设计和选材的依据，同时可以作为金属材料冷塑性加工的参考。屈服强度越大，可充分发挥材料的强度性能，减轻零件重量，不容易由于塑性变形而导致失效。

在3种金属材料中，低膨胀合金X在不同温度下弹性模量均较大，尤其是在室温及液氮温度下，弹性模量值最大，因而在不同温度下具有很好的刚度性能。不锈钢1Cr18Ni9Ti和低膨胀合金X的屈服强度数值均较大，在各种环境温度下均具有优秀的材料强度性能，在结构空间紧凑的情况下，比较适合选用。

热膨胀是指物体的体积或长度随温度升高而增大的现象。平均膨胀系数是表征材料随温度升高体积或长度增加多少的指标。通过图1~图3进行比较分析可以看出，不锈钢1Cr18Ni9Ti和铝青铜QAl9-4的平均膨胀系数随着温度升高有相对较大数值的增加，增加低膨胀合金X的平均膨胀系数随着温度增加而几乎没有变化[3]。可以分析出低膨胀合金X制造的零件在低温环境中与常温环境下相比变形会很小。

4 非金属材料试验结果

非金属材料在常温、液氦、液氮温度下的性能见表5、表6、表7和图4。

图4 非金属20 K-RT热膨胀系数

表5 非金属材料在298 K下的性能

表6 非金属材料在77 K下的性能

表7 非金属材料在20 K下的性能

用于密封的材料（尤其是非金属材料），自身所具有的性能将会在很大程度上决定密封效果。尤其在低温工作环境中，要求用于密封的材料具有更好的韧性和屈服极限。

聚四氟乙烯（PTFE或F4），是由四氟乙烯经聚合成的高分子化合物，化学稳定性、绝缘性能、耐腐蚀性能、密封性能、耐温性能，抗老化性能都很优秀。它的工作环境温度环境范围很大，在20 K到523 K的环境温度下，仍具有很好的性能。它的拉伸强度在21~28 MPa之间，弯曲强度在11～14 MPa之间，伸长率在250~300范围内。它的低温性能很好，在77 K环境中伸长率仍能达到5。

除此以外，在使用过程中它与金属之间的摩擦因数为0.04，同时具有良好润滑性能，适合用来密封。