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弹性金属密封当初是由宇航工业的需要而发展起来的， 在非常特殊的环境和重量轻的法兰上需要这种密封，这种密封目前正在一般工商业上得到应用。如今，弹性金属密封的种类越来越多，生产加工工艺更加精湛，应用领域逐渐扩大。
1、分类及特点
按照密封的横断面形状可以将弹性金属密封分为O形、E形、C形、U形、Ω形、V形等， 并分别称为空心金属O形环、E密封、C密封等。同时，弹性金属密封的外形除可以加工成传统的圆形外，还可以加工成方形、三角形、椭圆形、跑道形等多种形状，以适应不同密封腔的需要。
1.1、空心金属O形密封环
空心金属O形密封环由空心圆管做成，有普通型、充气型、开孔型三种类型。普通型由空心圆管弯成圆环， 焊上接口加工而成。充气型外观与普通型并无区别，但内部充满惰性气体，如氮气、氦气等。充气压力40~50kg/cm2。这种O形环可以补偿金属在高温下回弹能力降低的缺陷。因为高温能使气体膨胀，从而产生一种外加回弹力， 于是金属O形环可以在高温下继续保持良好的密封效果。充气型金属O形环适用于400~800℃的高温。开孔型与普通型外观上也很相似，不同的是与介质接触的内圆上钻有许多小孔， 这样介质压力就能达到空心管内，产生明显的自紧作用。空心金属O形密封环作为静密封件特别有效，可用于极高的压力，如3500kg/cm2，乃至 7000kg/cm2 以上；也可以用于超真空密封， 解决橡胶密封圈材料本身的透气性和材料本身蒸发或升华成气体的问题。
1.2、C密封
C密封断面形状如C形，如图1 所示，好像是O形环移去一部分，有内压式、外压式、轴向式3 种形式。该密封具有和开孔型O形环同样的自紧作用， 并且允许较大的变形。C 密封具有比较低的泄漏率（10~11scc/sec ofHelium），一般的压缩载荷为100~1000PCI。
C密封
图1 C密封（内压式）
C密封的应用非常广泛：应用于注水阀，可以在压力1000psi、温度600°F 条件下密封水；应用于低压设备，在压力1500psi 下无泄漏密封液氮；应用于燃料注射器，在压力350psi、温度1000°F 条件下密封燃料；应用于真空低温条件下密封氦气等。
在合理的密封腔设计方案及使用方法下，C密封具有耐受高压的能力。一般情况下，C密封在安装时比较宽松，装配后比较紧密。受压后，密封的封闭端紧紧倚靠在密封腔坚硬的表面， 随着压力的升高密封环的应力基本保持不变，因此提高了耐压能力。有试验证明，C密封可以在200 000psi 下成功使用。尽管最初为高压设计，但因为自身具有弹性特性，所以在比较低的压力下使用效果也非常好。在真空环境，由于有比较软的涂镀层材料的帮助， 氦气泄漏率可以达到10~11scc/sec，并可以在高真空（10-10Torr）条件下工作。C 密封受到少量压挤之后就会发生塑性变形。对于任何横断面的产品，推荐的压缩量均是20%。一旦受到压缩，C密封就发生塑性变形，回弹量很小。C 密封产品可以重复使用， 但能否重复使用依赖于重新安装的具体情况。一般可以在原始腔或者与原始腔具有几乎完全相同深度的密封腔内重复使用。具有涂镀层的密封应用于粗糙的腔体（＞63RMS）时不可以重复使用。典型的载荷、变形或者回弹能力，在载荷-变形图（见图2）中可见。通常情况下，C密封可以回弹它原始高度的2%。C密封产品不建议应用于那些在工作过程中持续波动达到这个量的腔体。超过这个数值反复装配或者腔体持续波动，将造成密封因疲劳破坏而失效。
C密封载荷-变形曲线
图2 C密封载荷-变形曲线
1.3、E密封
E密封断面形状如E形，如图3 所示。该产品主要用于高压震动及大体积腔室形变补偿， 由于负载较低不能像C 密封那样适于电镀。一般有内压型和外压型两种基本形式。同时，根据大位移补偿量的需要及耐受高压的需要可以设计成多波及多层的结构。E 密封属于半静密封， 即处于静密封与动密封之间的一种密封形式， 允许有一定的泄漏率。E 密封的泄漏量高于C密封，并且由于E 密封的压缩载荷比较小（一般的压缩载荷为10~50PCI）， 因此对于E 密封依靠电镀或涂覆层来降低泄漏率是无效的。然而，标准的E 密封仍然有相对来说比较低的泄漏量， 通常工作条件下的泄漏率为0.010SCFM（密封腔表面粗糙度值为32RMS）。
E密封背支撑
图3 E密封（内压式）图4 背支撑
E密封的应用场合： 气体涡轮发动机机架密封，在压力400psi、温度1 100°F，0.06″轴向热变形工况下密封空气；高温水压元件，在3 000psi 压力波动，500°F 温度变化，0.03″轴向腔体位移工况下工作； 燃料喷嘴，压力50psi，温度700°F 工况下密封空气；涡轮发动机，直径60″，单波结构，在压力50psi，温度900°F 下密封空气，0.03″轴向腔体变形，两个180°圆弧段，Tribaloy 涂覆。
E密封的耐压能力是断面形状、材料种类、密封直径的综合因素。像C密封一样，在耐受高压时需要加强环或者背支撑（Back Support）结构的辅助。如图4 所示为E密封在高压下有背支撑的工作状态。
E密封设计为弹性范围内使用，尽管有时候表现出少量的永久变形。典型的轴向变形能力如图5 载荷-变形曲线所示。该值可用于估计产品的重复使用能力。E密封的通用规则为产品在轴向自由高度至少大于腔体运行时高度0.005″时可以重复使用。
密封载荷-变形曲线
图5 密封载荷-变形曲线
应用显示： 在腔体和密封面间有明显的径向热膨胀（一般大于0.025″），或者在运行过程中过多的径向位移时可以涂覆耐磨材料Tribaloy T-800。涂层材料可以避免密封因径向滑动、粗糙的腔体表面（例如区段密封）、粗糙的表面光洁度或者坚硬的腔体材料而造成磨损。图6 所示为涂层的典型应用。涂覆层不作为标准选择， 如果预先知道工况有较大的径向热位移或者腔体表面形状需要使用涂覆层时，应与生产厂家联系确定。
耐磨涂层
图6 耐磨涂层
1.4、其他密封
弹性金属密封还包括U形、V形、Ω 形等其他形状，如图7所示。不同形状的密封有着不同的回弹性及形变能力，适应不同密封腔及密封特性的要求。
形状各异的弹性金属密封
图7 形状各异的弹性金属密封
2、材料
作为弹性金属密封的材料必须能够同时耐受高温和低温并在高压下具有一定的强度及弹性。奥氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢都可以用作制造弹性金属密封的材料。Inconel718 在它允许的温度范围内体现出了很好的工程特性，是理想的材料。同时，InconelX750、Waspaloy 都是很好的选择，Haynes214 曾经在870℃下成功使用。
3、电镀和涂覆
弹性金属密封的密封面部分可以电镀和涂覆相对密封基体较软的材料， 使密封接触面间的凹凸完全填满，紧密贴合，以提高密封性能。经常使用到的电镀和涂覆材料如表1 所示。
表1 因素水平表
注：(1) 电镀或涂覆层厚度0.001～0.002 英寸之间。
(2) 密封面以外无需电镀或涂覆。
4、典型的腔体及关键腔体尺寸
弹性金属密封的密封腔有如下几种常见类型如图8 所示。
(1) 标准的封闭腔（Standard Closed Cavity）：这种腔是完全的封闭腔，有时用U 形腔形容，如图8a所示。
(2) 标准的开放腔（Standard Open Cavity）：这种腔是径向开放的，用L 形腔来形容，如图8b所示。
(3) 角形腔（Corner Cavity）：常用于涡轮发动机，如图8c所示。
(4) 区段（Segmented）：常用于涡轮叶片的涡轮发动机或喷嘴密封处，如图8d所示。
典型的腔体
图8 典型的腔体
关键的腔体尺寸包括最小外径、最大内径、角半径、倒角、腔体高，如图9 所示，这些尺寸的大小及公差可根据所选择的密封查阅生产厂家的选型样本。
关键的腔体尺寸
图9 关键的腔体尺寸
5、生产工艺
弹性金属密封不像其他金属密封垫片那样采用车削等加工方法。国外资料显示，弹性金属密封（不包括金属O形圈）是采用挤压法制成的。采用这种加工方法的优点在于生产效率高、价格便宜，而且几何形状更一致、具有最佳的晶粒方向，宜于承受最大压力。同时，弹性金属密封的制造还包括焊接、研磨、清洗、热处理、电镀和涂覆等众多工艺。
在国内， 对于形状相对简单的V 形金属密封圈可以采用两种生产工艺方法：外压旋压成型，是将拉制好的管坯套装在特制的旋压芯棒上，并装夹在车床上，在管坯的外侧通过滚轮与芯棒的相对旋转挤压管坯，在管坯上成型出一定波纹和形状；内压塑压成型，就是将管坯拉制好后将管坯放在成型模具内腔， 用聚胺脂棒从管坯内腔加压，随着聚胺脂棒的变形推动管坯材料向模具型腔内流动实现成型。生产过程中，外压旋压方法存在一定困难，实际应用的是内压塑压成型。该方法和国外资料中提到的挤压法比较相似，一般要经3~4次成型过程才能达到图纸的尺寸要求， 中间要辅以热处理（固溶处理）工序。
6、结束语
弹性金属密封在国外已经有近50 年的发展历史，产品广泛应用于航空、航天、兵器、核工业，以及石油化工、化纤、化肥、医药等行业。美国、英国、日本在弹性金属密封的制造上走在了世界的前列， 取得了多项专利技术。我国科研工作者为了适应和满足航空工业的发展和需要，在国外拒绝转让其制造技术专利的情况下，自行研制了金属圈的专用焊机，建成了O 形圈生产线，空心金属O 形圈质量达到了国外同类产品的技术水平， 精密空心金属O 形圈质量达到了世界第一流公司生产的同类产品水平，并且可以生产加工难度更大的C密封。对于其他形式的弹性金属密封，例如E密封，在国内很难发现相关资料，估计在国内是一项空白技术，需要我国的科研工作者作进一步的探索。
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