Turbinenschaufel, die mindestens zum Teil aus gesintertem Werkstoff besteht, für Arbeitsmittel hoher Temperatur. Eine Turbinenschaufel für Arbeitsmittel hoher Temperatur, z. B. eine Gasturbinen- Schaufel, sollte wenigstens folgende Eigen schaften besitzen: 1. Hohe Dauerstandfestigkeit bis zu Tem peraturen über 700 C.
2. Kleines. spezifisches Gewicht.
d,. Gute Wärmeleitfähigkeit und Tempe- raturwechselbeständigkeit. 4. Grosse Oberflächenhärte.
5. Einfache und solide Befestigungsmög- lichkeit.
6. Schwere Oxydierbarkeit, das heisst gute Zunderbeständigkeit. _ Es ist bekannt, gesinterte Turbinenschau feln aus homogen gemischten Metall- und Keramikpulvern herzustellen. Solche Schau feln sind spezifisch leichter als Stahlschau feln. Ihre Beanspruchung ist also weniger hoch. Bei gleicher Dauerstandfestigkeit bei der Schaufeln gestattet die gesinterte Bau art eine höhere Betriebstemperatur. Der Fuss muss aber nicht die Festigkeit der Schaufel haben, weil er kälter ist.
Er kann also aus einer bekannter Stahllegierung mit hoher Dauerstandfestigkeit bestehen. Die Verbin dung zwischen Keramikkörpern einerseits und Metallkörpern anderseits hat man bereits bei andern Gegenständen in der Weise voll zogen, dass man vorerst Keramik- und Me tallpulver derart gemischt, übereinanderge- schichtet und gepresst hat, dass der entste hende Pulverpresskörper sich vom einen bis zum andern Ende allmählich oder stufen weise von reiner Keramik zum reinen Metall ändert.
Dieser Pulverpresskörper wird dar auf erhitzt, oder es wird das geschichtete Pul- vergemisch gleichzeitig gepresst und erhitzt, um dem entstehenden Sinterkörper ein beson ders dichtes Gefüge zu geben. An dem aus reinem Metall bestehenden Ende des Sinter- körpers kann ein Metallkörper angelötet oder in sonst geeigneter Weise befestigt werden.
Von diesem Vorschlag wird bei der vorlie genden Erfindung Gebrauch gemacht, die eine Turbinenschaufel für Arbeitsmittel ho her Temperatur betrifft.
Gemäss der Erfindung besitzt die Schau fel einen Fuss aus Metall, an den sich ein Schaft anschliesst, der mindestens an der Oberfläche aus einem gesinterten, metallische und ogydische Stoffe enthaltenden Pulver gemisch mit vom Werkstoff des Fusses weg abnehmendem Metallgehalt besteht.
Eine so geschichtete Schaufel, z: B. mit Stahlfuss, lässt .sich ebensogut befestigen wie eine solche ganz aus Stahl. Der Schaufelfuss kann im Innern des Schaftes in diesen über gehen.
In der Zeichnung sind beispielsweise zwei verschiedene Ausführungsarten solcher Schaufeln gemäss der Erfindung im Längs schnitt dargestellt. In beiden Beispielen ist a der Schaufelfuss, hier beispielsweise in der bekannten Bauart nach de Laval, b der Schaufelschaft.
Der separat hergestellte Fuss besteht nach Fig. 1 aus Stahl, ist also nicht gesintert, und erstreckt sich tief in den Schaft hinein. Dieser ist aus einem metal lische und oxydische Stoffe enthaltenden Pulvergemisch derart zusammengesetzt, dass der Metallgehalt vom Werkstoff des Fusses weg immer mehr abnimmt, so dass eine gifte Verbindung von Schaft und Fuss möglich ist.
Nach dem Beispiel in Fig. 2 bestehen Fuss und Schaft aus gesintertem Werkstoff in der Weise, dass die Mischung vom Fuss zum Kopf der Schaufel vom ungefähr reinen Metall des Fusses allmählich oder stufenweise zu reiner Keramik übergeht.
Der Schaft kann schliesslich auch eine Schaufelgrundform aus Stahl, z. B. Molyb- dän- oder Wolframstahi mit einer Schutz schicht aus metallische und oxydische Stoffe enthaltendem Pulvergemisch besitzen. Molyb- dän und Wolfram oxydieren nämlich bei Glühtemperaturen sehr leicht und brennen ab. Ohne geeignete Deck- oder Schutzschichten sind sie für Gasturbinenschaufeln unbrauch bar. Die Schutzschicht muss genügend dicht und nicht leicht verletzlich sein.
Mit Kera mik allein gemischt, ist der Schutz noch ungenügend, wenn das Metall der Aussen schicht .sich mit Sauerstoff verbinden kann. Günstiger liegt der Fäll bei einem Misch körper aus dauerstandfestem Stahl und Keramik, weil das Metall gleichzeitig meist sehr zunderfest ist. Als Metallpulver können reine Metalle, wie Eisen, Nickel, Chrom, Kobalt, Wolfram, Molybdän, Titan, oder ihre Legierungen, insbesondere solche hoher Dauerstandfestigkeit verwendet werden. Auch Metallpulver aus Hartmetallegierungen, wie Wolframkarbid mit Kobalt- oder Nickel zusatz, sind geeignet.
Den oxydischen Teil des Pulvergemisches wählt man vorteilhaft aus den reinen Oxyden hochschmelzender, hiöchfeüerfester Werkstoffe, insbesondere solchen mit grosser Wärmeleitfähigkeit, wie des Berylliums oder Aluminiums, Zirkons, Magnesiums, Thoriums. Ferner sind Ge mische und Verbindungen dieser Oxyde, wie t Spinell, Zirkonsilikat und andere, sowie Oxyde, die weniger hoch schmelzen, wie Quarz,
Titanoxyd, aber auch Porzellan (Ge misch aus Kaolin, Quarz und Feldspat), oder Stoffe der Steatitgruppe mit Speckstein oder Talk .als Hauptstoff verwendbar, oder man nimmt Glaspulver von Hartgläsern, wie Pyrex und Duran, die man infolge der Sin- terung als keramikähnlich ansprechen kann.
Eine Turbinenschaufel gemäss der Erfin dung kann unter gewissen Bedingungen sämtliche der eingangs erwähnten Eigen schaften vereinigen: Zu 1. Versuche haben ergeben, dass Mo lybdändraht bei 800 C eine Dauerstand- festigkeit von 10 kg/mm' hat. Für Wolfram Jiegt der Wert noch höher. Die Zugfestigkeit von Keramik allein ist, verglichen mit der von Metall, gering (0,3 bis 0,8 kg/mm'). Die ganze Belastung muss also bei einer Metall- Keramikschaufel vom Metallgerüst über nommen werden.
Dieses Metallgerüst kann nun aus den bekannten Legierungen hoher Dauerstandfestigkeit bestehen oder dann aus Molybdän oder Wolfram; oder Gemischen aus beiden.
Zu 2. Wie scheu .erwähnt, ist eine gesin terte Schaufel aus Keramikmetall spezifisch leichter als eine Stahlschaufel.
Zu 3. Es gibt keramische Stoffe, wie Berylliumoxyd oder Aluminiumoxyd., mit einer Wärmeleitfähigkeit ähnlich der des Eisens. Es handelt sich um Oxyde mit Schmelztemperaturen über 2000 C.
Zu 4. Die Oberflächenhärte keramischer Werkstoffe ist bekanntlich grösser - als die gehärteter Stahllegierungen. Ein Mischkör per der beschriebenen Art wird also auch in dieser Hinsicht günstig sein.
Zu 5. -Eine geschichtete Schaufel mit Stahlfuss lässt sich ebensogut befestigen wie eine solche ganz aus Stahl.
Zu G. Ein Mischkörper aus dauerständ- festem-Stahl und Keramik ist schwer oxy- dierbar, das heisst zunderfest.
Turbine blade, which is at least partly made of sintered material, for high-temperature working media. A turbine blade for high temperature working fluids, e.g. B. a gas turbine blade should have at least the following properties: 1. High fatigue strength up to temperatures above 700 C.
2. Little one. specific weight.
d ,. Good thermal conductivity and resistance to temperature changes. 4. Great surface hardness.
5. Simple and solid attachment option.
6. Difficult to oxidize, that means good resistance to scaling. _ It is known to produce sintered turbine blades from homogeneously mixed metal and ceramic powders. Such blades are specifically lighter than steel blades. Your stress is therefore less high. The sintered construction allows a higher operating temperature with the same durability of the blades. The foot does not have to have the strength of the shovel because it is colder.
It can therefore consist of a known steel alloy with high fatigue strength. The connection between ceramic bodies, on the one hand, and metal bodies, on the other, has already been achieved with other objects in such a way that ceramic and metal powders are first mixed, stacked and pressed in such a way that the resulting powder compacts spread from one to the other End gradually or gradually changes from pure ceramic to pure metal.
This compact powder is then heated up, or the layered powder mixture is simultaneously pressed and heated in order to give the resulting sintered body a particularly dense structure. A metal body can be soldered or otherwise suitably attached to the end of the sintered body made of pure metal.
Use is made of this proposal in the present invention, which relates to a turbine blade for working medium high temperature.
According to the invention, the blade has a foot made of metal, to which a shaft is connected, which consists at least on the surface of a sintered, metallic and ogydic powder mixture containing powder with decreasing metal content away from the material of the foot.
A shovel layered in this way, e.g. with a steel base, can be attached just as well as one made entirely of steel. The blade root can pass into the inside of the shaft.
In the drawing, for example, two different embodiments of such blades according to the invention are shown in longitudinal section. In both examples, a is the blade root, here for example in the known de Laval design, b is the blade shaft.
According to FIG. 1, the separately produced foot consists of steel, that is to say it is not sintered, and extends deep into the shaft. This is composed of a powder mixture containing metallic and oxidic substances in such a way that the metal content decreases more and more away from the material of the foot, so that a poisonous connection between shaft and foot is possible.
According to the example in FIG. 2, the foot and shaft are made of sintered material in such a way that the mixture from the foot to the head of the blade gradually changes from the approximately pure metal of the foot to pure ceramic.
Finally, the shaft can also have a basic blade shape made of steel, e.g. B. Molybdenum or tungsten steel with a protective layer of metallic and oxidic substances containing powder mixture. Molybdenum and tungsten oxidize very easily at annealing temperatures and burn off. Without suitable cover or protective layers, they are unusable for gas turbine blades. The protective layer must be sufficiently dense and not easily vulnerable.
Mixed with ceramic alone, the protection is still insufficient if the metal of the outer layer can combine with oxygen. Felling is more favorable with a mixed body made of durable steel and ceramic, because the metal is usually very resistant to scale at the same time. Pure metals such as iron, nickel, chromium, cobalt, tungsten, molybdenum, titanium, or their alloys, in particular those with high fatigue strength, can be used as metal powder. Metal powders made from hard metal alloys, such as tungsten carbide with cobalt or nickel addition, are also suitable.
The oxidic part of the powder mixture is advantageously chosen from the pure oxides of high-melting, high-temperature-resistant materials, in particular those with high thermal conductivity, such as beryllium or aluminum, zirconium, magnesium, thorium. Furthermore, mixtures and compounds of these oxides, such as spinel, zirconium silicate and others, as well as oxides that melt less high, such as quartz,
Titanium oxide, but also porcelain (a mixture of kaolin, quartz and feldspar), or substances from the steatite group with soapstone or talc, can be used as the main substance, or you can use glass powder from hard glasses such as Pyrex and Duran, which are similar to ceramics due to sintering can address.
A turbine blade according to the invention can, under certain conditions, combine all of the properties mentioned at the beginning: To 1. Tests have shown that molybdenum wire at 800 C has a fatigue strength of 10 kg / mm '. For Wolfram Jiegt the value is even higher. The tensile strength of ceramic alone is low compared to that of metal (0.3 to 0.8 kg / mm '). In the case of a metal-ceramic blade, the entire load must therefore be taken over by the metal frame.
This metal framework can now consist of the known alloys with high fatigue strength or then of molybdenum or tungsten; or mixtures of both.
As mentioned above, a sintered shovel made of ceramic metal is specifically lighter than a steel shovel.
To 3. There are ceramic materials, such as beryllium oxide or aluminum oxide, with a thermal conductivity similar to that of iron. These are oxides with melting temperatures above 2000 C.
4. The surface hardness of ceramic materials is known to be greater - than that of hardened steel alloys. A Mischkör by the type described will also be favorable in this regard.
5. -A layered shovel with a steel base can be attached just as well as one made entirely of steel.
G. A mixed body made of permanently stable steel and ceramic is difficult to oxidize, that is, it is resistant to scaling.