Способ заполнения теплоизолирующим материалом полости в изделии

Способ заполнения теплоизолирующим материалом полости в изделии

Реферат

Изобретение относится к области высокотемпературной техники, в частности к изготовлению теплоизоляции путем заполнения теплоизолирующим материалом полости в изделии, например в блоке направляющих лопаток или в корпусе газотурбинного двигателя.

Известен способ получения конструкционного теплоизолирующего материала через суспензию углеродных волокон в глицерине, или в полигликолях, или нефтяных маслах с последующим удалением части дисперсионной среды в нутч-фильтре и формованием заготовки подпрессовкой в пресс-форме (патент RU №2093494, кл. С04В 35/52, 20.10.97). После обжига заготовки получают материал, обладающий несущей способностью. Однако в этом способе не рассматривается возможность заполнения теплоизолирующим материалом полостей в изделиях.

Известен способ заполнения теплоизолирующим материалом полости в изделии, образованной поверхностями составляющих изделие элементов, заключающийся в том, что на поверхность элемента наносят композиционный материал, в качестве которого используют смесь наполнителя и связующего и осуществляют сушку композиционного материала. В качестве связующего используют жидкое стекло (патент RU №2189956, кл. С04В 38/08, 27.09.2002). Однако полученный таким способом твердый теплоизолирующий материал не выдерживает вибрационного и высокотемпературного воздействия.

Изобретение решает задачу создания способа заполнения теплоизолирующим материалом полостей различного сечения и кривизны со сложным рельефом поверхностей элементов, образующих полости, и получение теплоизолирующего слоя, устойчивого к длительному высокотемпературному и вибрационному воздействию.

Технический результат достигается в способе заполнения теплоизолирующим материалом полости в изделии, образованной поверхностями составляющих изделие элементов, заключающемся в размещении в полости, по крайней мере, одного элемента сырьевой смеси для получения теплоизолирующего материала, содержащей наполнитель из минерального волокна или вермикулита и связующее, сушку нанесенной сырьевой смеси и последующую термообработку после сборки изделия, причем в качестве связующего используют органическое водосодержащее связующее: водную эмульсию поливинилацетата с концентрацией 7-30 мас.% или водный гель с содержанием гуаровой смолы 0,06-1 мас.%, при следующем составе сырьевой смеси мас.%: вермикулит - 43-45, водная эмульсия поливинилацетата с концентрацией 7-30 мас.% - 55-57, или минеральное волокно в виде фрагментов холста или ваты, или мата- 10-12, водный гель с содержанием гуаровой смолы 0,06-1 мас.% - 88-90, причем сырьевую смесь размещают прессованием при ручном поджатии и выглаживанием поверхности, сушку проводят при температуре от 100 до 240°С с получением сцепленного с поверхностью полости слоя, термообработку после сборки осуществляют при температуре не менее температуры разложения органического водосодержащего связующего.

В способе сырьевая смесь может представлять собой пасту. В способе в качестве минеральных волокон используют стеклянные, и/или базальтовые, и/или кремне-глиноземные, и/или мулотокремнеземные волокна.

В качестве связующего могут использовать водные растворы поливинилового спирта или водные эмульсии поливинилацетата с концентрацией от 7 до 30 мас.%, что исключает возможность воспламенения паров и обеспечивает устойчивость суспензии во время ее хранения и использования.

В качестве связующего могут использовать водные гели, а в качестве гелеобразователя - полисахариды растительного происхождения типа гуаровых смол в количестве от 0,06 до 1 мас.%, что исключает возможность воспламенения паров и обеспечивает устойчивость суспензии во время ее хранения и использования.

Могут использовать волокнистый наполнитель, что обеспечивает теплоизолирующие свойства.

В качестве волокнистого наполнителя могут использовать вату, или холст, или мат из стеклянных, или базальтовых, или кремне- и глиноземных волокон, что обеспечивает устойчивость к механическим и температурным воздействиям.

Могут использовать дисперсный наполнитель, что обеспечивает теплоизолирующие свойства.

Сущность изобретения поясняется примерами его осуществления на установке для моделирования и на натурных изделиях.

Сырьевую смесь в виде суспензии получали следующим образом. Производили дезинтеграцию волокнистого теплоизоляционного материала (вата, холст, мат) на фрагменты с размерами - 30×20×15 мм. Полученный наполнитель помещали в дисперсионную среду (связующее) и перемешивали в ведре с использованием рамной мешалки. Кусочки волокнистого наполнителя в процессе перемешивания пропитывались связующим и частично распускались на волокна. Использовали органическое водосодержащее связующее.

Моделирование процессов сушки и термообработки проводили на установке, схема которой показана на фиг.1.

Модель для оценки поведения композиционного материала при сушке представляет собой стакан 1 без крышки 2. Стакан заполняли композиционным материалом 3 и выдерживали в термошкафу до постоянного веса. Оценивалось изменение толщины слоя композиционного материала в процессе сушки.

Модель для моделирования процесса термообработки представляет собой стакан 1 с крышкой 2. Зазор между крышкой 2 и стенкой стакана 1 составлял 0,2 мм. Стакан 1, до краев заполненный композиционным материалом, закрывали крышкой 2 с зазором между крышкой 2 и поверхностью слоя композиционного материала и устанавливали на бок. Дно стакана 1 обдували горячим воздухом при заданной температуре. Оценивалась высота слоя теплоизолирующего материала в стакане 2 после термообработки и агрегатное состояние материала.

Пример 1

Использовали композиционный материал в виде смеси наполнителя - дисперсного вермикулита и связующего - водной эмульсии поливинилацетата при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Поливинилацетат	17,1-16,5
Вода	39,9-38,5
Вермикулит	43,0-45,0

Физическое состояние: рыхлая масса (частицы вермикулита, увлажненные водной эмульсией поливинилацетата), пригодная для прессования при ручном поджатии шпателем или пальцами и выглаживания поверхности шпателем.

При нахождении сухого материала в модели (чертеже) в течение 30 минут при обдуве горячим воздухом при температуре 700°С произошло разложение связующего с образованием дисперсного материала, находящегося в стакане 1 в поджатом состоянии. Материал рассыпается при прикосновении. Полученный дисперсный материал аналогичен исходному вермикулиту, насыпной объем материала превышает объем стакана на 20%.

Заполнение композиционным материалом полостей в блоке направляющих лопаток газотурбинного двигателя осуществляли следующим образом. Наносили композиционный материал на поверхность блока послойно, уплотняли пальцами или шпателем, заполняли геометрически сложную полость. Толщина слоя композиционного материала 20 мм. Поверхность слоя гладкая. Слой удерживается в полости в вертикальном и опрокинутом положении.

Сушили слой при температуре 135°С в течение трех часов. Вода удалена не полностью. Поверхность материала гладкая, сухая, упругая, прочная. Отслоений и трещин нет. Состояние материала в полости после 30 минутного прогрева в печи приведено в таблице.

Температура воздуха, °С	Состояние материала
200	Мягкий, упругий, не разрушающийся
300	Потемнение, дальнейшее размягчение, не разрушающийся
400	Черный, твердый, прочный. Произошло термоокислительное структурирование
500	Плотный, при прикосновении разрушается при небольшом усилии
600	Разрушается при меньшем усилии
650	Разрушается при легком прикосновении

Извлеченный после охлаждения материал по цвету - исходный вермикулит, насыпная плотность - 0,287 г/см³, превышение насыпного объема вермикулита над объемом полости 24%.

Прочностные характеристики материала в полости после сушки обеспечивают сохранность теплоизолирующего слоя при проведении сборочных работ. При рабочих температурах газотурбинного двигателя, то есть при его эксплуатационном режиме, связующее разлагается. При воздействии вибрационных нагрузок материал разрушается с образованием практически исходного вермикулита в насыпном объеме, превышающем объем полости не менее чем на 20%, что обеспечивает полное заполнение полости и нахождение в ней вермикулита в поджатом состоянии.

Пример 2

Использовали композиционный материал в виде смеси наполнителя - фрагментов холста из базальтовых волокон и связующего - водного геля при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Холст базальтовый	10-12
Водный гель	90-88

Состав водного геля, мас.%:

Вода пресная питьевая	99,94-99,92
Гелеобразователь - полисахарид
(гуаровая смола)	0,06-0,08

Материал представляет собой однородную густую суспензию не полностью распущенных фрагментов холста в водном геле.

Оптимальный режим сушки слоя толщиной до 20 мм - температура 200°С в течение одного часа. Предварительная сушка при комнатной температуре нецелесообразна.

После сушки материал представляет собой уплотненную мягкую вату, не способную к пушению при приглаживании рукавицей, и обеспечивает сохранность слоя в полостях при проведении сборочных работ.

При нахождении сухого слоя материала в модели (чертеж), обдуваемой воздухом при температуре 700°С в течение 30 минут, происходит разложение полисахарида, раскрепление волокон и увеличение объема слоя на 5-10%.

Заполнение композиционным материалом полостей в блоке направляющих лопаток газотурбинного двигателя осуществляли следующим образом. Наносили композиционный материал на поверхность блока послойно, уплотняли пальцами или шпателем, заполняли весь объем геометрически сложной полости, после чего поверхность выглаживали шпателем по линейке - шаблону требуемой поверхности.

Сушку материала осуществляли при температуре 200°С в течение двух часов. Полученный материал мягкий, плотный, упругий, прочно скрепленный с поверхностью образующего полость элемента двигателя. Плотность материала 0,132 г/см³.

После прогрева в печи в течение 30 минут при температуре 700°С происходит увеличение толщины слоя материала на 1-2 мм, что достаточно для полного заполнения теплоизолирующим материалом полостей на корпусе, блоках направляющих лопаток, проставках и других элементах газотурбинного двигателя.

Использование в качестве наполнителя волокнистых теплоизолирующих материалов и стеклянных, кремне- и глиноземных волокон и в качестве связующего водного раствора поливинилового спирта дает аналогичный результат.

1. Способ заполнения теплоизолирующим материалом полости в изделии, образованной поверхностями составляющих изделие элементов, включающий размещение в полости, по крайней мере, одного элемента сырьевой смеси для получения теплоизолирующего материала, содержащей наполнитель из минерального волокна или вермикулита и связующее, сушку нанесенной сырьевой смеси и последующую термообработку после сборки изделия, отличающийся тем, что в качестве связующего используют органическое водосодержащее связующее: водную эмульсию поливинилацетата с концентрацией 7-30 мас.% или водный гель с содержанием гуаровой смолы 0,06-1 мас.% при следующем составе сырьевой смеси, мас.%:

вермикулит	43-45
водная эмульсия поливинилацетата с	55-57
концентрацией 7-30 мас.%
или
минеральное волокно в виде
фрагментов холста или ваты, или мата	10-12
водный гель с содержанием гуаровой смолы
0,06-1 мас.%	88-90

сырьевую смесь размещают прессованием при ручном поджатии и выглаживанием поверхности, сушку проводят при температуре 100-240°С с получением сцепленного с поверхностью полости слоя, термообработку после сборки осуществляют при температурах не менее температуры разложения органического водосодержащего связующего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сырьевая смесь представляет собой пасту.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральных волокон используют стеклянные и/или базальтовые, и/или кремне- и глиноземные, и/или мулитокремнеземные волокна.