DE3022105A1

DE3022105A1 - EROSION PROTECTIVE LAYER

Info

Publication number: DE3022105A1
Application number: DE3022105A
Authority: DE
Inventors: Donald Eugene Davis
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1979-06-13
Filing date: 1980-06-12
Publication date: 1981-01-08
Also published as: FR2458736A1; ZA801892B; BR8001851A; JPS56284A; BE882707A; CA1142815A

Description

Die vorliegende Erfindung "betrifft Grenzflächenschichten und insbesondere sich selbst ausbildende Grenzflächenschichten, die die Fähigkeit aufweisen, eine Oberfläche, welche gewöhnlich äußerst erosiven Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, zu schützen. Derartige Umgebungsbedingungen umfassen hohen Druck, hohe Temperatur, ätzende Materialien und Aufs chlämmungen.The present invention "relates to interface layers and in particular self-forming interface layers, which have the ability to have a surface which is usually exposed to extremely erosive environmental conditions is to protect. Such environmental conditions include high pressure, high temperature, corrosive materials and suspensions.

Bei einer kürzlich vom National Bureau of Standards durchgeführten Analyse hat sich.gezeigt, daß bei etwa 20^ der Ausfälle, die bei Einrichtungen zur Kohleumwandlung auftreten, die zugrundeliegende Ursache eine Erosion von Anlagenteilen durch in Flüssigkeiten* mitgeführtes, teilchenförmiges Material ist. Bei Untersuchungen der Anmelderin hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Verbundmaterialien zu einer deutlich verbesserten Beständigkeit gegen Erosion führen kann. Obwohl dieses Verbundmaterial speziell für Einrichtungen zur Handhabung von Kohleaufschlämmungen konzipiert wurde, kann es auch mit gleichermaßen gutem Erfolg bei jeglicher Oberfläche eingesetzt werden, bei der ein Schutz gegen erodierendes, teilchenförmiges Material erforderlich ist.A recent analysis by the National Bureau of Standards has shown that about 20% of the failures that occur in coal conversion equipment are caused by the erosion of equipment by particulate matter carried in liquids. Investigations by the applicant have shown that the use of composite materials can lead to a significantly improved resistance to erosion. While this composite material has been specifically designed for coal slurry handling facilities, it can also be used with equally good success on any surface requiring protection from erosive particulate matter.

Die durch Erosion und Abrieb auftretende Schädigung von Pumpenteilen beansprucht seit vielen Jahren dauerndes Interesse. Es sind verschiedene unterschiedliche Lösungsversuche des Problems der Verringerung der Abnutzung gemacht worden, die allgemein in drei Hauptklassen eingeteilt werden können: (1) Verwendung von gehärteten Basismaterialien, (2) Verwendung von harten Beschichtungsmaterialien und (3) Verwendung von weichen, Energie absorbierenden Beschichtungen. Jeder dieser Lösungsversuche weist seine individuellen Vorzüge und Nachteile auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Lösungsversuch entwickelt worden, bei dem eine Grenzschicht erzeugt wird.The damage to pump parts caused by erosion and abrasion has been a constant strain for many years Interest. Various different attempts have been made to solve the problem of reducing wear which can generally be divided into three main classes: (1) use of hardened base materials, (2) use of hard coating materials and (3) use of soft, energy absorbing coatings. Each of these attempts at a solution points its individual advantages and disadvantages. In accordance with the present invention, an attempt at a solution has been developed at which a boundary layer is created.

oder Strömungsmedienor flow media

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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz von Oberflächen geschaffen, die erodierenden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Das Verfahren umfaßt folgende Verfahrensstufen: das Einbetten einer Vielzahl von Fasern in das Stützmatrixmaterial, das Erodieren des Stützmatrixmaterials, indem man dasselbe einer orodiorenden Flüssigkeit aussetzt, und das Einfangen der erodierenden Flüssigkeit zwischen den Fasern und dem Stützmatrixmaterial in der Weise, daß eine sich selbst ausbildende Schutzschicht gebildet wird, wobei diese Schicht ein Verbundmaterial umfaßt, welches kurze, hochfeste, dünne Fasern in integrierter, einstückiger Beziehung mit einem Stützmatrixmaterial aufweist. Feste Teilchen der Kohleaufschlämmung schlagen auf das Verbundmaterial auf und verursachen dabei eine geringfügige, anfängliche Abnutzung. Danach werden die Teilchen entweder durch die Fasern zurückgeworfen oder innerhalb der hochdichten Faserschicht eingefangen und verdichtet. Daraus resultiert eine sich regenerierende Zwischenschicht zwischen den Pumpenoberflächen und dem Aufschlämmungsstrom. Auf ähnliche Weise kann Hochtemperaturerosion verringert werden, indem man das gleiche Basisverbundniaterial einsetzt, um eine thermische Zwischenschicht zu erzeugen.The present invention provides a method for protecting surfaces, the erosive environmental conditions are exposed. The process comprises the following process steps: embedding a plurality of fibers into the support matrix material, the erosion of the Support matrix material by adding the same to an orodiorenden Exposing fluid, and trapping the erosive fluid between the fibers and the support matrix material in such a way that a self-forming protective layer is formed, this layer being a composite material which comprises short, high strength, thin fibers in integral, one-piece relationship with a support matrix material having. Solid particles of the coal slurry impact the composite material and cause with a slight initial wear. After that will be the particles are either thrown back by the fibers or trapped within the high density fiber layer and condensed. This results in a regenerating intermediate layer between the pump surfaces and the Slurry stream. Similarly, high temperature erosion can can be reduced by using the same basic composite material as a thermal interlayer to create.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sich selbst ausbildende Zwischenschicht zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zum Schutz von Oberflächen zu schaffen, die erodierenden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Schutz von Kohleaufschlämmungspumpen vor erodierendem, teilchenförmigen! Material zu schaffen. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schutz gegen durch hohe Temperatur verursachte Abnutzung zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to create a self-forming intermediate layer. Another The object of the invention is to create a device for protecting surfaces that are eroding Are exposed to environmental conditions. Another object of the present invention is to provide an apparatus to protect coal slurry pumps from erosive, particulate! To create material. It is also an object of the present invention to provide protection against high temperature caused wear and tear.

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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Schutz von Oberflächen gemäß den Patentansprüchen gelöst. These objects are achieved according to the invention by a method solved for the protection of surfaces according to the claims.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind jeweils gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. The drawings are the same in each case Parts are denoted by the same reference numerals. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der hochfesten Faser, des Stützmatrixmaterials und des Substrats; Figure 1 is a schematic representation of the high strength fiber, support matrix material, and substrate;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verbundmaterials ;Fig. 2 is a schematic representation of the composite material ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Abnutzungsmechanismus auf einer longitudinalen Fläche (Fläche in Längsrichtung der Faser);3 shows a schematic representation of the wear mechanism on a longitudinal surface (surface in the longitudinal direction of the fiber);

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Oberflächengeometrie der transversalen Fläche des Verbundmaterials (der Fläche quer zur Faserrichtung);Figure 4 is a schematic representation of the surface geometry of the transverse surface of the composite material (the area across the grain);

Fig. 5 eine schematische Darstellung des postulierten Matrixschutzmechanismus;5 shows a schematic representation of the postulated matrix protection mechanism;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Energieabsorption durch abgelenkte Fasern; und6 is a schematic representation of the energy absorption by deflected fibers; and

Fig. 7 eine schematische Darstellung des thermischen Abnutzungsmechanismus und der schützenden Grenzschicht. Figure 7 is a schematic representation of the thermal wear mechanism and protective boundary layer.

Erfindungsgemäß wird eine sich selbst ausbildende Zwischenschicht geschaffen, die ein Verbundmaterial 10 umfaßt, das aus einer Vielzahl von kurzen, dichtgepackten Fasern 14 in integrierter Beziehung mit der Matrixschicht 16 besieht. Die Fasern 14 sind vorzugsweise in der Matrixschicht 16 eingebettet. Die Fasern 14 können sich unter Bildung einer Oberflächenschicht über die Oberfläche der Matrixschicht hinaus erstrecken. Die whiskerartigen Fasern 14 können aus irgendeinem hochfesten und/oder hochtemperaturbeständigen, faserartigen Material bestehen und können in der Matrix-According to the invention, a self-forming intermediate layer is provided which comprises a composite material 10 which is comprised of a plurality of short, closely packed fibers 14 in integral relationship with matrix layer 16. The fibers 14 are preferably embedded in the matrix layer 16. The fibers 14 can form a Surface layer extend beyond the surface of the matrix layer. The whisker-like fibers 14 can be made of any high-strength and / or high-temperature-resistant, fibrous material and can be used in the matrix

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schicht 16 auf beliebige, herkömmliche Weise eingebettet sein. Das Verbundmaterial 10 kann dann entweder auf irgendeine herkömmliche Weise, wie durch Hartlöten, Diffusionsverbindung, Warmverformen oder mittels mechanischer Einsätze, an ein zu schützendes Substrat 18 gebunden werden oder das Verbundmaterial 10 kann alternativ als eine sich selbst schützende Oberfläche eingesetzt werden.layer 16 can be embedded in any conventional manner. The composite material 10 can then either on any conventional way, such as by brazing, diffusion bonding, thermoforming or by means of mechanical inserts, may be bonded to a substrate 18 to be protected or, alternatively, the composite material 10 may be used as one self-protective surface can be used.

Wenn auch die Einzelheiten hinsichtlich der Optimierung des Verbundmaterials für spezifische Aufschlämmungen und thermische Umgebungsbedingungen von Fall zu Fall bestimmt werden müssen, so lassen sich doch aus der vorliegenden Erfindung einige allgemeine Richtlinien entnehmen. In der Tabelle 1 sind die Parameter und die zur Zeit als am besten angesehenen Werte und Trends zusammengestellt. Die in dieser Tabelle zum Ausdruck kommenden Prinzipien wurden allgemein angewendet, um Bor/Aluminium (B/Al) als das am meisten bevorzugte Verbundmaterial für Umgebungsbedingungen auszuwählen, wie sie bei der Behandlung von Kohleaufs chlämmungen auftreten. Die Verwendung dieses Materials hing jedoch teilweise auch von seiner leichten Verfügbarkeit bei einem Zulieferer ab. Die in der Tabelle gelehrten Prinzipien können jedoch dazu verwendet werden, ein für individuelle Bedürfnisse geeignetes Material auszuwählen .Albeit the details regarding the optimization of the composite material for specific slurries and thermal ambient conditions must be determined from case to case, so can be from the present Invention take some general guidelines. In Table 1 are the parameters and which are currently considered to be the best respected values and trends. The principles expressed in this table were commonly applied to boron / aluminum (B / Al) as the most preferred composite material for environmental conditions select how they occur in the treatment of coal slurries. The use of this material however, partly also depended on its easy availability from a supplier. Those taught in the table However, principles can be used to select a material suitable for individual needs .

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— 7 — Tabelle 1 30221- 7 - Table 1 30221

Parameterparameter

Faserhärte und/
oder Hochtemperaturkompatibi-
litätFiber hardness and /
or high temperature compatible
lity

FasermodulFiber module

FaserdurchmesserFiber diameter

FaserabstandFiber spacing

Bester Wert groß Best value great

FaserabstandFiber spacing

abhängig von der kinetischen Energie der Schlammteilchen - ob sich die Fasern zur temporären Speicherung von Energie biegen sollendepending on the kinetic energy of the sludge particles - whether to bend the fibers to temporarily store energy

abhängig vom Durchmesser der Schlammteilchen depending on the diameter of the sludge particles

mechanische Eigenschaften der
Matrixmechanical properties of
matrix

Matrix/Faser-Grenzfläche Matrix / fiber interface

Reason

inhärente Beständigkeit gegenüber Aufprallbeschädigung
und/oder Hochtemperaturbetrieb inherent resistance to impact damage
and / or high temperature operation

Verbiegen der Faser unter Aufschlag auf transversale Fläche absorbiert Energie
und dämpft den Aufschlag. Faser darf
bei Aufschlag nicht brechenBending of the fiber with impact on the transverse surface absorbs energy
and cushions the impact. Fiber is allowed
do not break on impact

muß gegenüber allen Teilchen groß genug sein, um das Ausbilden einer Schicht an der Grenzfläche zwischen Matrix und
Aufschlämmung auf
der transversalen
Fläche zu ermöglichen, muß jedoch
klein genug sein,um ein Eindringen der
Teilchen zwischen
die Fasern bei Aufprall auf die longitudinale Fläche zu
verhindernmust be large enough with respect to all particles to allow the formation of a layer at the interface between matrix and
Slurry on
the transversal
However, it must be possible to make space possible
be small enough to allow ingress of the
Particles between
the fibers towards the longitudinal surface upon impact
impede

ergibt gute strukturelle Eigenschaften bei dem Verbundmaterial und Beständigkeit gegenüber Erosion der longitudinalen Flächegives good structural properties in the composite material and durability versus erosion of the longitudinal surface

hohe Zug- und Seher-verhindert die Abkraft.Beständigkeit trennung von Fasern gegenüber Abbau in auf der longitudi-Gegenwart von Auf- nalen Fläche schlämmungsflüssigkeit high tensile and seer-prevents the Abkraft.Resistance separation of fibers versus degradation in on the longitudinal presence of on- al surface slurry liquid

große Härte, gute Bruchdehnunggreat hardness, good elongation at break

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Tabelle 1 (Fortsetzung) Table 1 (continued)

Parameter Best Value Reason

thermische gering Verbundmaterialienthermal low composite materials

Leitfähigkeit haben eine großeConductivity have a great

von Matrix/ . thermische Bestän-from matrix /. thermal resistance

Faser digkeit gegenüberFiber toughness

Wärmeaustaus chHeat exchange ch

Wärmediffusion gering geringe thermischeHeat diffusion low low thermal

von Matrix/Fa- Leitfähigkeit derof matrix / Fa conductivity of the

ser/Kohle Verbundmaterialienser / carbon composite materials

und geringe Wärmekapazität der eingebetteten, festen Teilchen ergeben zusammen einen großen Widerstand gegenüber Wärmeaustausch durch Übertragung.and low heat capacity of the embedded solid particles together result a great resistance to heat exchange by transfer.

Die Untersuchung der Verbundmaterialschicht 10 wurde an Proben aus Bor/Aluminium-Verbundmaterial durchgeführt, das etwa 40 Vol-% Bormonofilamente mit einem Durchmesser von 5,6 mil (etwa 0,14 mm) in einer Matrix aus hitzebehandelter 6O61 Aluminiumlegierung enthält. Das Verbundmaterial wird 1 Stunde bei einem Aufschlagwinkel von 20° einer Kohle-Öl-Aufschlämmung ausgesetzt, die eine Geschwindigkeit von 375 Fuß/see (etwa 114 m/sec) aufweist. Dabei wird keine signifikante Erosion der harten Borfilamente beobachtet. Bei dem Aluminium war die Erosion lediglich bis zu einer Tiefe von 0,026 Zoll (etwa 0,66 mm) fortgeschritten. Offensichtlich hatten die Borfilamente ihre Schutzfunktion für die darunterliegende Matrix erfüllt. Bei anderen Untersuchungen wurden ähnlich ermutigende Ergebnisse erhalten. Nach einer Gesamtexpositionszeit von 450 Stunden in einer Kohleaufschlämmungspumpe betrug die Erosion der Aluminiummatrix an der Anlaufseite des Probekörpers etwa 0,06 Zoll (etwa 1,5 mm). Die Enden der Borfilamente waren bis zu einer Tiefe von geschätzten 0,06 Zoll (etwa 1,5 mm) freigelegt, wobei sich in einigen Bereichen zwischen den Filamenten Kohleflecken abgela-The examination of the composite material layer 10 was carried out on samples of boron / aluminum composite material, the about 40% by volume of boron filaments with a diameter of 5.6 mils (about 0.14 mm) in a matrix of heat treated 6O61 aluminum alloy. The composite material is exposed to a coal-oil slurry at an angle of impact of 20 ° for 1 hour at a speed of of 375 feet / see (about 114 m / sec). Included no significant erosion of the hard boron filaments is observed. In the case of the aluminum, the erosion was only advanced to a depth of 0.026 inches (about 0.66 mm). Obviously the boron filaments had theirs Protective function for the underlying matrix fulfilled. Other studies have had similar encouraging results obtain. After a total exposure time of 450 hours in a coal slurry pump, the Erosion of the aluminum matrix on the run-up side of the specimen about 0.06 inches (about 1.5 mm). The ends of the boron filaments were exposed to an estimated 0.06 inches (about 1.5 mm) deep with some Areas between the filaments of carbon stains

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gert hatten. Auf den longitudinalen Oberflächen der Probe war die Erosion des Aluminiums offensichtlich zum Stillstand gekommen, sobald die harten Filamente freigelegt ^ waren, wenn auch in diesem Fall keine Kohleablagerung beobachtet wurde. Die transversale Erosion der Oberflächenlinie betrug etwa 0,016 Zoll (etwa 0,4 mm) während 450 h, wobei der Großteil (0,010 Zoll; 0,25 mm) dem anfänglichen Verlust der äußeren Aluminiumhaut zugerechnet wird.had gert. On the longitudinal surfaces of the sample, the erosion of the aluminum was apparently stalled came as soon as the hard filaments were exposed, although in this case no carbon deposition was observed became. The transverse erosion of the surface line was about 0.016 inches (about 0.4 mm) over 450 hours, the majority (0.010 in; 0.25 mm) attributed to the initial loss of the aluminum outer skin.

Es kann jegliches hochfestes, temperaturbeständiges, faserartiges Material einer beinahe beliebigen Stützmatrixstruktur einverleibt werden. Bevorzugte faserartige Materialien sind jedoch Borsic, Wolfram, Stahl, Stahlsieb, AIpCU, SiC und Bor, wobei Bor am meisten bevorzugt wird. Bevorzugte Stützmatrixmaterialien sind Aluminium, Titan, Bronze, Gummi, Stahl, Keramik- und Epoxymaterialien, wobei das am meisten bevorzugte Stützmatrixmaterial Aluminium darstellt.It can be any high strength, temperature resistant, fibrous material of almost any support matrix structure be incorporated. However, preferred fibrous materials are Borsic, tungsten, steel, steel sieve, AIpCU, SiC and boron, with boron being the most preferred. Preferred support matrix materials are aluminum, titanium, bronze, rubber, steel, ceramic and epoxy materials, the most preferred support matrix material being aluminum.

Faserraumdichte und Faserdurchmesser müssen für jede Gegebenheit sowie für jegliche Faser und Matrixkombination bestimmt werden. Vorzugsweise liegt jedoch die Faserdichte im Bereich von etwa 20 bis etwa 70 Vol-% und am meisten bevorzugt bei etwa 40 Vol-%. Der Faserdurchmesser sollte in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 20 mil (etwa 0,05 bis etwa 0,5 mm) liegen, wobei etwa 5,6 mil (0,14 mm) besonders bevorzugt sind.Fiber density and fiber diameter must be for every situation and for every fiber and matrix combination to be determined. Preferably, however, the fiber density is in the range from about 20 to about 70 percent by volume and am most preferably at about 40% by volume. The fiber diameter should be in a range of about 2 to about 20 mils (about 0.05 to about 0.5 mm), with about 5.6 mils (0.14 mm) are particularly preferred.

Wegen der inhärenten Anisotropie von Verbundmaterialien, wie der sich selbst entwickelnden Verbundschicht 10, müssen Abnutzungsmechanismen für die unterschiedlichen Richtungen gesondert betrachtet werden. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines einseitig gerichteten Faserverbundmaterials, für das das erfindungsgemäß untersuchte B/Al ein Beispiel darstellt. Dabei sind die Hauptrichtungen und dieBecause of the inherent anisotropy of composite materials, such as the self-developing composite layer 10, must Wear mechanisms for the different directions are considered separately. Fig. 2 shows a schematic Representation of a unidirectional fiber composite material for which the B / Al examined according to the invention is a Example represents. Thereby are the main directions and the

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verwendete Terminologie angedeutet. Bei dem B/Al-Untersuchungsprogramm hat sich gezeigt, daß dieses Material in beiden Hauptrichtungen in hohem Maße gegen Abnutzung beständig ist.terminology used indicated. In the B / Al investigation program It has been shown that this material is highly resistant to wear and tear in both main directions is constant.

Der postulierte Abnutzungsmechanismus auf den longitudinalen Flächen basiert auf der anfänglichen Erosion der exponierten Matrix 16, wobei lediglich die harten, verstärkenden Fasern 14 freigelegt werden. In Fig. 3 ist dieser Mechanismus verdeutlicht. Um bei diesem Mechanismus eine erfolgreiche Verzögerung der Abnutzung zu erreichen, müssen die Faserverstärkungen 14 selbst hart sein. Außerdem sollte ihr Abstand so gering sein, daß die größten (und daher die größte Schädigung verursachenden) Aufschlämmungsteilchen nicht zwischen die Fasern eindringen können. Die Matrix sollte so hart sein, wie es praktisch möglich ist, und die Faser/Matrix-Bindung sollte sowohl bei normaler Beanspruchung und Scherbeanspruchung fest sein. Die Grenzflächenfestigkeit ist von besonderer Wichtigkeit, da im anderen Fall die harte Faser 14 unterschnitten werden könnte und leicht von der Oberfläche entfernt würde. Das bedeutet unter Bezugnahme auf Fig. 3, daß die Faser 14 gegenüber der Matrix 16 eine so hohe Bindungsfestigkeit wie möglich aufweisen sollte. Anderenfalls wird sie von der Oberfläche 16 abgetrennt, sobald der Umfangsbereich der Faser/Matrix-Bindung weniger als 180° beträgt. Die Bindung darf sich außerdem im wesentlichen während des Kontakts mit dem flüssigen Anteil der Aufschlämmung nicht schwächen.The postulated mechanism of wear on the longitudinal Area is based on the initial erosion of the exposed matrix 16, with only the hard, reinforcing Fibers 14 are exposed. This mechanism is illustrated in FIG. 3. To get a To achieve successful wear retardation, the fiber reinforcements 14 themselves must be hard. aside from that their spacing should be so small that the largest (and therefore most damaging) slurry particles cannot penetrate between the fibers. The matrix should be as hard as practically possible and the fiber / matrix bond should both be normal Be resistant to stress and shear stress. The interface strength is of particular importance because im otherwise the hard fiber 14 could be undercut and easily removed from the surface. That With reference to FIG. 3, means that the fiber 14 has such a high bond strength to the matrix 16 should have as possible. Otherwise it will be separated from the surface 16 as soon as the peripheral area the fiber / matrix bond is less than 180 °. the Bonding must also be substantially non-existent during contact with the liquid portion of the slurry weaknesses.

Der Mechanismus des Abriebs auf longitudinalen Flächen (Flächen in Längsrichtung der Faser) basiert daher auf einer geringen, kontrollierten Erosion des oberflächlichen Matrixmaterials. Obwohl daraus eine geringfügig unregelmäßige Oberflächenstruktur resultiert, sollten dieThe mechanism of abrasion on longitudinal surfaces (surfaces in the longitudinal direction of the fiber) is therefore based on low, controlled erosion of the superficial matrix material. Although it is a slightly irregular one Surface structure should result in the

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Unregelmäßigkeiten nicht großer als ein Faserdurchmesser sein. Wenn dieses Stadium erreicht ist, sollte weitere Erosion auf dieser¹ Fläche ganz gering sein,- solange keine Fasern abgetrennt werden.Irregularities should not be larger than a fiber diameter. When this stage is reached, further erosion on this ¹ area should be very little - as long as no fibers are separated.

Die Erosion· auf.den transversalen Flächen (Flächen quer zur Faserrichtung) ist komplexer, da verschiedene anschauliche Mechanismen identifiziert worden sind. Als Ausgangspunkt ist es wichtig, das Konzept der Erosion für ein Verbundmaterial zu definieren. Wie bei dem für die longitudinalen Flächen behandelten Fall,wird durch das Auftreffen der Aufschlämmungsteilchen zunächst das relativ weiche Matrixmaterial erodiert. Anschließend hängt es für eine Steuerung und Vermeidung des Abriebs davon ab, den Erosionsprozeß in der Weise zu stabilisieren, daß die Matrix 16 nicht unbegrenzt abgetragen wird (d.h·. "Sättigung" der Matrixerosion) und daß ein Erodieren der Fasern 14 verhindert wird. Die Ausbildung einer abriebbeständigen Oberfläche ist daher ein Problem von Ausnützen der Gegenwart der Fasern 14,um die Matrixerosion zu limitieren und gleichzeitig eine Schädigung der Fasern zu vermeiden. In Fig. 4 ist die maßgebende transversale Oberflächengeometrie des Verbundmaterials dargestellt.The erosion on the transversal surfaces (surfaces across fiber direction) is more complex, as various clear mechanisms have been identified. as a starting point it is important to define the concept of erosion for a composite material. As with the one for the longitudinal Areas treated case, is made by the impact of the slurry particles first erodes the relatively soft matrix material. Then it hangs for a Control and avoidance of abrasion depend on stabilizing the erosion process in such a way that the matrix 16 is not eroded indefinitely (i.e. "saturation" of the matrix erosion) and that the fibers 14 are prevented from eroding will. The formation of an abrasion-resistant surface is therefore a problem of exploiting the present of fibers 14 to limit matrix erosion and at the same time to avoid damaging the fibers. In Fig. 4 is the governing transverse surface geometry of the composite material shown.

Fig. 5 zeigt die drei fundamentalen Abriebbeständigkeitsmechanismen, mittels derer die Fasern ein Abtragen der Matrix inhibieren können, nachdem die Matrix geringfügig abgebaut worden ist. Gemäß Mechanismus 20 kann ein Teilchen wegen des geringen Zwischenfaserabstands die Matrixoberfläche 16 nicht erreichen. Folglich ist durch die geometrische Anordnung der Fasern der Durchmesser von Teilchen limitiert, die die Matrixoberfläche erreichen können. Ein Ergebnis der vorliegenden Untersuchungen kann als Lebensdauervoraussage in Form folgender Gleichung dargestellt werden:Fig. 5 shows the three fundamental mechanisms of abrasion resistance, by means of which the fibers can inhibit erosion of the matrix after the matrix is slightly removed has been dismantled. According to mechanism 20, a particle can cross the matrix surface because of the small inter-fiber spacing 16 did not reach. Consequently, due to the geometric arrangement of the fibers, the diameter of the particles is that can reach the matrix surface. A result of the present investigations can be considered as Service life prediction can be represented in the form of the following equation:

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(1)(1)

Cd^ V_T ⁿ Cd ^ V _T ⁿ

L = LebensdauerL = lifetime

rf = Brinell-Härte des Materials c = Feststoffkonzentration der Aufschlämmung rf = Brinell hardness of the material c = solids concentration of the slurry

d = Teilchendurchmesser
V_T = Fließgeschwindigkeit an der Oberfläched = particle diameter
V _T = flow velocity on the surface

η = Geschwindigkeitsexponent (10,9 < η < 2,1 für Kohle/Öl-Aufschlämmung).η = velocity exponent (10.9 < η <2.1 for coal / oil slurry).

Aufgrund des Mechanismus 20 wird erwartet, daß die Lebensdauer der Matrix durch eine Verringerung der Teilchendurchmesser, die die Oberfläche erreichen können, verlängert wird.On the basis of the mechanism 20, it is expected that the life of the matrix will be increased by a reduction in the particle diameter, that can reach the surface is extended.

Mechanismus 22 beruht auf einem zweiten geometrischen Effekt, und zwar auf der Verringerung des Aufpralls in Sichtlinie. Ein Schlammteilchen 26 kann in den Wald von Fasern 12 nicht leicht eindringen, insbesondere falls der Teilchendurchmesser mit dem Zwischenfaserabstand vergleichbar ist und der Aufprallwinkel θ klein ist. Um die Matrixoberfläche zu erreichen, muß das Teilchen mit den Fasern mehrere Male in Kontakt kommen. Bei jedem Aufprall gibt das Teilchen dabei Energie an die Fasern ab, und zwar, wie weiter unten näher erläutert, durch Umwandlung in Deformationsenergie. Das bedeutet unter Bezugnahme auf Gleichung (1), daß L durch eine Zunahme von V_T vergrößert wird.Mechanism 22 relies on a second geometrical effect, namely reducing the impact in line of sight. A sludge particle 26 cannot easily penetrate the forest of fibers 12, especially if the particle diameter is comparable to the inter-fiber spacing and the angle of impact θ is small. In order to reach the matrix surface, the particle must come into contact with the fibers several times. With each impact, the particle gives off energy to the fibers, as explained in more detail below, by converting it into deformation energy. Referring to equation (1), this means that L is increased by increasing V _T.

Der Mechanismus 24 beruht auf dem Einfangen und Zurückhalten eines geringen Anteils von festen Teilchen 26 zwischen den Fasern 14 an der Aufschlämmurig/Matrix-Grenzflache. Die resultierende, dünne Beschichtungslage aus teilchenförmigen! Material schafft eine sich selbst erneuernde, schützendeThe mechanism 24 relies on the trapping and retention of a small proportion of solid particles 26 between the fibers 14 at the slurry / matrix interface. the resulting thin coating layer of particulate! Material creates a self-renewing, protective one

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Barriere gegen Erosion der Matrix. Unter den Bedingungen von Gleichung (1) bedeutet das eine Zunahme von L bei Verringerung der effektiven V_T auf Null.Barrier against erosion of the matrix. Under the conditions of equation (1), this means an increase in L as the effective V _T decreases to zero.

Für dieses Konzept können zwei Einfangmechanismen postuliert werden: (a) ein "Pinzetten"-Mechanismus", bei dem die Fasern zunächst gespreizt werden und anschließend zurückschnappen und dabei die Teilchen einfangen, und (b) ein "fester Pfosten"-Mechanismus, bei dem die Fasern im wesentlichen nicht durch die auftreffenden Teilchen ausgelenkt oder umgebogen werden, aber andererseits als eine feste Anordnung von Fallen für Teilchen dienen.Two capture mechanisms can be postulated for this concept: (a) a "tweezers" mechanism "in which the fibers are first spread and then snap back, trapping the particles, and (b) a "fixed post" mechanism in which the fibers are not substantially deflected by the impacting particles or bent over, but on the other hand serve as a fixed array of traps for particles.

Der Pinzetten-Mechanismus würde eine Anordnung von starken, flexiblen Elementen erfordern, die sich wie elastische, freitragend vorspringende Balken verhalten und aus einem Material bestehen, das von sich aus eine annehmbar gute Erosionsbeständigkeit aufweist. Die Mechanik der Faserbalken-Ablenkung wird durch folgende Gleichung beschrieben:The forceps mechanism would require an arrangement of strong, flexible elements that act like elastic, cantilevered beams behave and are made of a material that inherently is acceptably good Has resistance to erosion. The mechanics of the fiber beam deflection is described by the following equation:

r, ,3r,, 3

8= Ablenkung 8 = distraction

P = im rechten Winkel zur Faserachse wirkende KraftP = force acting at right angles to the fiber axis

X - exponierte Länge der Fasern E = elastisches Modul der Fasern X - exposed length of the fibers E = elastic modulus of the fibers

I = Trägheitsmoment der Fasern. (Bei einer Faser von kreisförmigem Querschnitt ist I dem Quadrat des Durchmessers proportional.)I = moment of inertia of the fibers. (For a fiber of circular cross-section, I is the square of the diameter proportional.)

Aus dem oben Erwähnten geht hervor, daß das ideale Filament oder Faser 14 für den Pinzetten-Mechanismus eine mit mäßigem bis kleinem Elastizitätsmodul, großer Festigkeit und geringem Durchmesser sein sollte; das heißt, die FaserFrom the above, it can be seen that the ideal filament or fiber 14 for the forceps mechanism is one with should be moderate to small modulus of elasticity, great strength and small diameter; that is, the fiber

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sollte sich leicht umbiegen lassen und elastisch zurückschnappen, um die Teilchen einzufangen.should bend easily and snap back elastically to capture the particles.

Bei dem "fester Pfosten"-Mechanismus wären Filamente mit hohem Elastizitätsmodul, großer Festigkeit und hoher Erosionsbeständigkeit (ein guter anfanglicher Index der letzteren Eigenschaft ist Härte) erforderlich.The "solid post" mechanism would be filaments with high modulus of elasticity, great strength, and high erosion resistance (a good initial index of the latter property is hardness) is required.

Jeder der postulierten Mechanismen zur Verringerung des Abriebs bei der Matrix 16 hängt von der Erhaltung der verstärkenden Fasern ab, die sich oberhalb der momentanen Matrixoberfläche 16 erstrecken. Es liegt auf der Hand, daß in dieser Hinsicht die Verbesserung von 6^ in Gleichung (1) die gegebene Maßnahme ist. Die Fasern sollten also so hart (beständig gegen Auszacken und Schädigung durch Aufprall) wie möglich sein.Each of the postulated mechanisms for reducing wear in the matrix 16 depends on the preservation of the reinforcing material Fibers extending above the current matrix surface 16. It is obvious, that in this respect the improvement of 6 ^ in equation (1) the given measure is. The fibers should be so hard (resistant to jagging and damage from impact) be as possible.

Ein zweiter, signifikanter Mechanismus zur Verringerung der Faserabnutzung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Fasern 14 sind fest in der Matrix 16 verankert und können sich wie freitragende Balken verbiegen, wenn sie durch Teilchen in dem Schlammstrom getroffen werden. Gleichung (2) beschreibt die Auslenkung ο der Faser. Wenn sich die Faser 14 verbiegt, absorbiert sie Energie vom auftreffenden Teilchen 26, und zwar unter Umwandlung von kinetischer Energie des Teilchens in potentielle Energie aufgrund der elastischen Formänderung des ausgelenkten Balkens. Die Energie wird später während des Zurückschnappens unschädlich abgegeben. Quantitativ muß die gespeicherte Formänderungsenergie aus den dynamischen Eigenschaften des abgebremsten Teilchens berechnet werden. Falls das Teilchen zum Stillstand gebracht wird, wird seine gesamte kinetische Energie als elastische Energie der ausgelenkten Faser gespeichert.A second significant mechanism for reducing fiber wear is shown in FIG. The fibers 14 are firmly anchored in the matrix 16 and can bend like cantilevered beams when struck by particles in the mud stream. Equation (2) describes the deflection ο of the fiber. When the fiber 14 bends, it absorbs energy from the impacting particle 26, converting the kinetic energy of the particle into potential energy due to the elastic deformation of the deflected beam. The energy is later released safely during the snap back. The stored deformation energy must be calculated quantitatively from the dynamic properties of the braked particle. If the particle is brought to a standstill, all of its kinetic energy is stored as elastic energy of the deflected fiber.

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Dieser Mechanismus stellt ein potentielles Hochtemperatur-, Hochgeschwindigkeits-Analogon zu dem Einsatz von Gummi bei zur Zeit verwendeten Pumpen dar, die bei tieferen Temperaturen betrieben werden. Gummi widersteht der Schädigung in Schlammströmen, da die kinetische Energie der auftreffenden Teilchen in Deformationsenergie des Gummis umgewandelt und anschließend bei Entspannung des Gummis in seine ursprüngliche Lage abgegeben wird. Die Fasern 14, die sich über die Oberflächen des Verbundmaterials erstrecken, wirken auf ähnliche V/eise. Ihr Vorteil gegenüber Gummi liegt Jedoch darin, daß das Verbundmaterialsystem wirkungsvoll bis zu Temperaturen von 2000⁰F (etwa ⁰C) oder mehr eingesetzt werden kann, falls eine sorgfältige Auswahl der Materialbestandteile vorgenommen wird. Es ist außerdem zu erwarten, daß die Verbundmaterialien bei mit höherer Geschwindigkeit fließenden Schlammströmen eingesetzt werden können, als dies bei Gummi möglich ist. Die Optimierung dieses LösungsVersuchs des Problems der Abriebbeständigkeit von Fasern wird eine Dynamikanalyse des Mechanismus erforderlich machen.This mechanism represents a potential high temperature, high speed analogue to the use of rubber in currently used pumps that operate at lower temperatures. Rubber resists damage in mud flows, as the kinetic energy of the impacting particles is converted into deformation energy of the rubber and then released into its original position when the rubber is relaxed. The fibers 14, which extend across the surfaces of the composite material, act in a similar manner. Their advantage over rubber, however, is that the composite material system can be used effectively up to temperatures of 2000 ^° F (about ⁰ C) or more if careful selection of the material components is made. It is also expected that the composites can be used with higher velocity streams of mud than is possible with rubber. Optimizing this approach to the problem of abrasion resistance of fibers will require a dynamic analysis of the mechanism.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des thermischen Grenzschicht-Schutzmechanismus. Dabei findet eine Hochtemperaturerosion des Stützmatrixmaterials 16 statt, bis eine Schicht von hochtemperaturbeständigen Fasern freigelegt ist. Die hochtemperaturbeständige Faser fängt einen Teil der bei hoher Temperatur erodierend wirkenden Flüssigkeit ein, ermöglicht der Flüssigkeit das Erreichen des thermischen Gleichgewichts und erzeugt auf diese Weise eine thermische Schutzgrenzschicht 28.Fig. 7 shows a schematic representation of the thermal Boundary layer protection mechanism. A high-temperature erosion of the support matrix material 16 takes place, to a layer of high temperature resistant fibers is exposed. The high temperature resistant fiber catches you Part of the liquid, which has an erosive effect at high temperature, enables the liquid to reach the thermal equilibrium and in this way creates a thermal protective boundary layer 28.

Es liegt auf der Hand, daß eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die oben gegegebenen Lehren möglich ist. Das bedeutet, daß im Rahmen der Patentansprüche die Erfindung anders als gemäß der spezifizierten Beschreibung praktisch ausgeführt werden kann.It will be understood that numerous modifications and variations of the present invention can be made with regard to the teachings given above is possible. This means that within the scope of the claims, the invention differs from that according to the specified description can be practically carried out.

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Claims

1A-3187
77R17

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Anti-erosion layer

Claims

ΛΧ Process for the protection of surfaces that are exposed to eroding environmental conditions, characterized by the process steps

Embedding a plurality of fibers in a support matrix material;

Eroding the support matrix material by exposing it to an erosive liquid; and

Trapping the eroding liquid between the fibers and the support matrix material underneath Formation of a self-building protective layer.

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2. The method according to claim 1, characterized in that the support matrix material from the group consisting of
aluminum, titanium, bronze, rubber, steel, epoxy plastics and ceramic materials.

3. Method according to claim 2, characterized in that the support matrix material is aluminum.

4. The method according to claim 1, characterized in that that the fibers are selected from the group consisting of boron, boron, tungsten, steel, steel sieve, Al ^ CU and SiC.

5. The method according to claim 4, characterized in that the fibers consist of boron.

6. The method according to claim 1, characterized in that the bulk density of the fibers. about 20 to about 70%
amounts to.

7. The method according to claim 6, characterized in that the bulk density of the fibers is about kO% .

8. The method according to claim 1, characterized in that the fiber diameter in the range of about 0.05 mm to
about 0.5 mm.

9. The method according to claim 8, characterized in that the fiber diameter is about 0.14 mm.

10. The method according to claim 1, characterized in that the eroding liquid is also particulate
Material includes.

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