CH627129A5

CH627129A5 -

Info

Publication number: CH627129A5
Application number: CH1598077A
Authority: CH
Inventors: William Donnelly Marscher
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1981-12-31
Also published as: SE7714642L; NO774394L; FR2375156A1; JPS5382815A; US4109031A; FR2375156B1; GB1566007A; DE2756277A1; NO145007B; NO145007C; BE862116A; IT1089444B; IL53657A; CA1098019A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus Metall- und Keramikteilen bestehenden Verbundgegenstandes, der eine Zwischenschicht mit gemischter Metall-Keramik-Zusammensetzung aufweist, zwecks Verringerung von Wärmespannungen sowie einen nach dem Verfahren behandelten Verbundgegenstand.

Im Stand der Technik ist erkannt worden, dass die Spannungen, die sich aus dem Unterschied in den Wärmeausdehnungszahlen ergeben, das Hauptproblem bei der Herstellung von in sich unlösbar verbundenen Metall-Keramik-Gegenständen darstellen. Dieses Problem ist in dem Ceramic Bulletin, Band 38, Nr. 6, 1959, S. 301-307 sowie in dem Buch «Vacuum Sealing Techniques» von A. Roth, erschienen bei Pergamon Press, erläutert. Eine bekannte Lösung dieses Problems beinhaltet die Verwendung einer abgestuften Schicht zwischen den Metall- und Keramikteilen, wobei die Zwischenschicht ein Gemisch aus Metall und Keramik ist. Die Zwischenschicht kann eine abgestufte Schicht sein, in welcher sich die relativen Mengen von Metall und Keramik von 100% Metall an der Metallgrenzfläche bis 100% Keramik an der Keramikgrenzfläche ändern. Durch die Verwendung einer solchen Schicht werden die Spannungen,

die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung erzeugt werden, in einem Materialvolumen verteilt. Die Verwendung von abgestuften Metall-Keramik-Dichtungen, welche durch Pulvermetallurgieverfahren hergestellt sind, ist in Ceramic Age, Februar 1954, S. 12-13 beschrieben. Aus der US-PS 3 091 548 ist ein ■Hochtemperaturkeramiküberzug bekannt, der mit einem metallischen Gegenstand über mehrere gemischte Keramik-Metall-Zwischenschichten unlösbar verbunden ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aus.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Metallkeramik-Dichtung,

Fig. 2 die Wärmeausdehnungszahl einer typischen Superlegierung, MAR-M509, und einer Keramik, Zirkonoxid, in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 3 die Spannungen, die sich in einer typischen Gasturbinendichtung während verschiedener Teile eines Triebwerkszyklus ergeben können,

Fig. 4 die spezifische Druckfestigkeit einer typischen gemischten Metall-Keramik-Zwischenschicht in Abhängigkeit von der Temperatur, und

Fig. 5 die tatsächlichen berechneten Druckspannungen in einer Gasturbinendichtung.

Die Erfindung wurde zwar speziell für die Verwendung bei der Herstellung von Luftdichtungen für Gasturbinentriebwerke entwickelt, sie kann jedoch auch bei der Herstellung von verschiedenen anderen Verbundgegenständen mit Me-tall-Keramik-Struktur angewendet werden. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf den besonderen Anwendungsfall bei Gasturbinendichtungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Gasturbinenluftdichtung. Die Luftdichtung besteht aus einer Metallträgerplatte 1 und einem Keramikdichtungsteil 6, die durch eine Zwischenschicht 7 aus gemischter Metallkeramik getrennt sind. Die Trägerplatte 1 ist an dem Turbinentriebwerksgehäuse befestigt, während der innere Keramikteil sich in unmittelbarer Nähe der rotierenden Schaufel befindet. Die Dichtung hat die Aufgabe, Gasleckverluste an den Schaufeln zu minimieren. In einer besonderen Ausführungsform kann die Trägerschicht eine Kobaltsuperlegierung, wie MAR-M509, sein und der Keramikteil kann auf Zirkonoxid basieren. Die Zwischenschicht kann aus mehreren Schichten 2, 3, 4 und 5 bestehen, die unterschiedliche Zusammensetzungen haben können. Wenn beispielsweise die Zwischenschicht 7 aus vier Schichten besteht, wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Schicht 5 aus 80% Keramik und 20% Metall, die Schicht 4 aus 60% Keramik und 40% Metall, die Schicht 3 aus 40% Keramik und 60% Metall und die Schicht 2 aus 20% Keramik und 80% Metall bestehen. Selbstverständlich sind andere Kombinationen von Metall-und Keramikschichten sowie mehr oder weniger als vier Schichten oder eine kontinuierlich abgestufte Anordnung verwendbar. Die Dichtungen sind zwar unter Verwendung von MAR-M509 und Zirkonoxid hergestellt worden, diese könnten jedoch selbstverständlich durch andere Materialien ersetzt werden. MAR-M509 ist eine Superlegierung auf Kobaltbasis mit folgender Nennzusammensetzung: 0,6% C, 24% Cr, 10% Ni, 7% W, 7,5% Ta, 0,2% Ti, 1% Fe, Rest im wesentlichen Kobalt. Weitere Nickel- und Kobaltbasissuperlegierungen könnten anstelle der Legierung MAR-M509 benutzt werden. Ebenso andere Keramiken, wie Aluminiumoxid, anstelle des Zirkonoxids benutzt werden. Diese Keramiken können modifiziert werden. Beispielsweise können dem Zirkonoxid Zusätze beigemischt werden, um das Kri-stallgefüge zu stabilisieren. Das Metallpulver in der Zwi5

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schenschicht braucht nicht dieselbe Zusammensetzung wie die Trägerschicht zu haben. Wenn andere Materialien benutzt werden, müssen selbstverständlich ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften in Betracht gezogen werden.

Metalle und Keramiken haben unterschiedliche Wärmeausdehnungszahlen. Kurven, die die Wärmeausdehnungszahl von MAR-M509 und Zirkonoxid zeigen, sind in Fig. 2 angegeben. Die Ausdehnungseigenschaften der gemischten Metall-Keramikschichten würden insgesamt zwischen den beiden Kurven in Fig. 2 liegen. Es ist zu erkennen, dass die Wärmeausdehnungszahl des Metallteils viel grösser ist als die des Keramikteils, was praktisch für sämtliche Kombinationen von Metallen und Keramiken gilt. Die Unterschiede in der Wärmeausdehnungszahl führen zu Spannungen in einem Verbundgegenstand der in Fig. 1 gezeigten Art, wenn der Gegenstand erhitzt wird. Innerhalb einer Gasturbine kann der Keramikteil einem Gasstrom ausgesetzt sein, dessen Temperatur bis zu 1427°C betragen kann. Da das Metaliträgermaterial bei so hohen Temperaturen weich wird und sogar schmelzen kann, wird es gleichzeitig an der Rückseite mit Luft gekühlt. Das Ergebnis dieser Temperaturdifferenzen, welchen die Dichtung im Betrieb ausgesetzt ist,

sind Wärmespannungen, die das Zerspringen des Keramikteils verursachen können. Dieses Problem wird weiter durch die Tatsache kompliziert, dass sich die Spannungen ändern, wenn das Triebwerk verschiedene Betriebszustände durchläuft. Das ist in schematischer Form in Fig. 3 dargestellt, in welcher die Spannungen in dem Keramikteil der oben beschriebenen Dichtung, die während des Flugzeuggasturbinentriebwerksbetriebes auftreten, dargestellt sind. Da es sehr schwierig ist, solche Spannungen im tatsächlichen Betrieb zu messen, sind die Daten, auf denen diese Kurve basiert, das Ergebnis einer Computersimulation, die die Materialeigenschaften und (gemessene) Temperaturen berücksichtigt. Tatsächliche Triebwerkstests haben dieses Computermodell bestätigt. Die Spannung, die auf der Ordinate von Fig. 3 dargestellt ist, ist diejenige, die in dem Keramikteil beobachtet wird, und es ist zu erkennen, dass die Druckstreckspannung achtmal so gross ist wie die Zugstreckspannung, was für Keramiken typisch ist. Die Änderungen in dem Spannungswert der Keramik, die in Fig. 3 gezeigt sind, sind weitgehend das Ergebnis von Temperaturunterschieden während verschiedener Teile des Triebwerkszyklus. Aus diesem Grund ist Fig. 3 lediglich ein Schema, da sich sowohl die Zug- als auch die Druckstreckspannung mit der Temperatur etwas ändern wird. Wird jedoch angenommen, dass die Zug- und Druckstreckspannungen die in Fig. 3 gezeigten sind, so ist zu erkennen, dass die Spannung in dem Keramikteil die Druckstreckspannung für wenigstens einen Teil des Zyklus übersteigt und deshalb das Keramikteil versagen wird. Die weitere Betrachtung von Fig. 3 zeigt, dass, wenn die gesamte Kurve in der Zug-Richtung verschoben werden könnte, dieses Problem beseitigt werden könnte, ohne dass Probleme aufgrund von übermässigen Zugbelastungen auftreten.

Das Verfahren nach der Erfindung ändert den Wert der mechanischen Vorspannung in dem Verbundgegenstand und verschiebt dadurch die Kurve in Fig. 3 effektiv aufwärts. Die gestrichelte Kurve in Fig. 3 gibt einen verringerten Vorspannungswert wieder. Die Vorspannung ist in dem Verbundgegenstand infolge der Eigenschaften der Teile und der Art des zur Herstellung der Teile benutzten Verfahrens vorhanden. Ein Verfahren zum Erzeugen des Gegenstands ist das Heisspressen von Metall- und Keramikpulvern in einer Presse. Die in Fig. 1 dargestellten Pulverschichten, bei welchen es sich um die Schichten 2, 3, 4 und 5 handelt, und der Keramikteil 6 würden in der Presse heissgepresst (beispielsweise bei 1288°C) und der sich ergebende Presskörper würde mit der Metallträgerschicht unlösbar verbunden, beispielsweise durch einen Hartlötprozess. Die mechanischen Eigenschaften der gemischten Metall-Keramik-Zwischenschicht sind stark temperaturabhängig, was in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Temperatur zeigt die Streckspannung eines Gemisches aus einer Nickel-Chrom-Legierung und Zirkonoxid, die typisch für eine in einer Dichtung benutzte Mischung ist, in Abhängigkeit von der Temperatur. Es ist zu erkennen, dass die Streckfestigkeit bei einer Temperatur von etwa 871°C steil abfällt. Eine spezifische Erweichungstemperatur könnte als diejenige Temperatur definiert werden, bei welcher die Keramik 50% ihrer Festigkeit bei Raumtemperatur verloren hätte. Der Pulverpresskörper wird mit der Metallträgerschicht bei einer Temperatur von etwa 1177°C, die deutlich oberhalb von 871°C liegt, unlösbar verbunden. Da die Streckfestigkeit der Zwischenschicht oberhalb von 871°C sehr niedrig ist, ist die Spannung zwischen den Me-tall- und Keramikteilen bei Temperaturen oberhalb von 871°C vernachlässigbar. Die Temperatur von 871°C kann als die Spannungsfreitemperatur betrachtet werden, d.h. als diejenige Temperatur, bei welcher keine Spannungen in der Dichtung vorhanden sind (unter der Annahme einer in der gesamten Dichtung gleichmässig auftretenden Temperatur von 871°C im folgenden als gleichmässige Spannungsfrei-temperatur bezeichnet). Bei dem Abkühlen unter 871°C wird jedoch die Zwischenschicht fest genug, um eine Spannung auszuhalten, und der Spannungswert in der Keramik wird infolge der Differenz der Wärmeausdehnungszahlen zwischen den Metall- und Keramikteilen ansteigen. Für eine bestimmte Kombination von Metall- und Keramikteilen, die durch eine Zwischenschicht miteinander verbunden sind, welche eine bestimmte Erweichungstemperatur hat, wird die Spannungsfreitemperatur an jeder Stelle in der Struktur bei jeder Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur eine Konstante sein, die aus den relativen Wärmeausdehnungszahlen ermittel werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht auf Gegenstände beschränkt, die durch Pulvermetallurgieverfahren hergestellt worden sind. Gegenstände, die durch andere Verfahren hergestellt worden sind, beispielsweise durch Plasmaspritzauftrag, können die erfindungsgemässe Wärmebehandlung erhalten.

Im Betrieb des Gasturbinentriebwerks sind die Dichtungen gezwungen, unter Bedingungen zu arbeiten, bei denen sich die Zwischenschicht immer unterhalb ihrer Erweichungstemperatur befindet, trotz der Tatsache, dass die Oberfläche des Keramikteils eine Temperatur von mehr als 1093°C haben kann. Ausreichend Kühlluft wird dem Metallträgerteil zugeführt, um die Zwischenschicht auf einer Temperatur unterhalb ihres Erweichungspunktes zu halten. Infolgedessen ist immer ein Grad an Vorspannung in in herkömmlicher Weise hergestellten Metall-Keramik-Dichtungen während des Betriebes vorhanden. Diese Vorspannung in der Keramik wird eine Druckspannung sein, da das Metall stärker kontraktiert als Keramik, wenn die Temperatur der Dichtung unter 871°C absinkt. Dieser Grad an Druckspannung ist schematisch in Fig. 3 gezeigt (in dem mit Raumtemperatur bezeichneten Teil der Kurve).

Das Verfahren nach der Erfindung beinhaltet die unterschiedliche Abkühlung, so dass der Grad an Vorspannung in der Dichtung so modifiziert werden kann, dass er anders ist als derjenige, der in einer Gleichgewichtssituation anzutreffen wäre. Insbesondere durch bevorzugtes Abkühlen des Metallträgerteils, gegenüber den anderen Teilen, in dem die Zwischenschicht und der Keramikteil auf einer erhöhten Temperatur gehalten werden, und durch anschliessendes gleichmässiges Abkühlenlassen der vollständigen Dichtung kann die Druckvorspannung in dem Keramikteil der Dichtung reduziert werden. Das ist in Fig. 3 durch die verschobene

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Kurve (gestrichelte Linie) dargestellt. In anderer Betrachtung des erfindungsgemässen Verfahrens lässt sich sagen, dass die Spannungsfreitemperatur reduziert worden ist. Die Reduzierung der Spannungsfreitemperatur ist eine Folge dieser bevorzugten Abkühlung des Metallteils, da die Zwischenschicht bei derselben Temperatur noch hart wird.

Bei den Dichtungen, die nach bekannten Verfahren (gleichmässige Abkühlung) hergestellt worden sind, ist die Spannungsfreitemperatur diejenige Temperatur, bei welcher die Zwischenschicht während des Abkühlens zuerst eine beträchtliche Festigkeit erreicht. Diese Temperatur könnte genauer als gleichmässige Spannungsfreitemperatur bezeichnet werden, da das Erzielen des Spannungsfreizustandes im wesentlichen eine gleichmässige Temperatur in dem gesamten Gegenstand erfordert. Das Verfahren nach der Erfindung benutzt die bevorzugte Abkühlung nur des Metallteils, so dass der Spannungsfreizustand am genauesten mit der mittleren Metalltemperatur und der mittleren Keramiktempera-tur bei derjenigen Temperatur, bei der die Zwischenschicht zuerst eine beträchtliche Festigkeit erreicht, beschrieben werden kann. Beispielsweise würde bei einem Metall-Keramik-Verbundgegenstand mit einer Zwischenschicht, deren Erweichungstemperatur 871°C beträgt, die gleichmässige Spannungsfreitemperatur 871°C betragen, wenn die gleichmässige Abkühlung des ganzen Verbundgegenstandes angewandt würde. Wenn jedoch die bevorzugte Abkühlung des Metalls angewandt wird, so dass die mittlere Metalltemperatur 649°C und die mittlere Keramiktemperatur 871°C beträgt, wenn die Zwischenschichttemperatur 871°C beträgt, würde der Verbundgegenstand zwei Spannungsfreitempera-turzustände haben. Der erste Zustand würde ein Zustand sein, in welchem die mittlere Metalltemperatur 649°C und die mittlere Keramiktemperatur 871°C beträgt (was den Herstellungsbedingungen entspricht), während der zweite Spannungsfreizustand eine gleichmässige Temperatur von etwa 427°C sein würde, was eine Folge der Tatsache ist, dass die Wärmeausdehnungszahl der Keramik etwa halb so gross ist wie die Wärmeausdehnungszahl des Metalls. Die Keramik" und Metallteile würden daher in einem gleichen Aus-mass kontraktieren, wenn sie aus dem oben erwähnten 871°C/649°C Temperaturzustand auf eine gleichmässige Temperatur von 427°C abgekühlt würden, und es würde sich ein Spannungsfreizustand ergeben.

Die folgende Beschreibung einer Modelldichtungssituation macht die Erfindung noch verständlicher. Die Metallträgerplatte von Fig. 1 hat eine Steifigkeit, die gleich derjenigen ist, welche durch eine gleichmässige Metalldicke von 5,1 mm erzeugt würde. Das Metall der Trägerplatte ist 5 MAR-M509. Die Zwischenschicht hat eine Dicke von etwa 2,5 mm und besteht aus mehreren abgestuften Schichten, die ein Gemisch aus einer Nickel-Chrom-Legierung und stabilisiertem Zirkonoxid sind. Die äussere Keramikschicht hat eine Dicke von etwa 2,5 mm und besteht im wesentlichen io aus stabilisiertem Zirkonoxid. Diese Modelldichtung ist nach einer Dichtung geformt, die für das Turbinentriebwerk JT9D der Fa. Pratt & Whitney Aircraft entwickelt worden ist. Diese Modelldichtungsanordnung ist hinsichtlich der Bedingungen analysiert worden, die sie beim Gebrauch in 15 einem kommerziellen Gasturbinentriebwerk des Typs JT9D antreffen würde. Die besonderen Punkte, wo die Spannungen ausgewertet wurden, sind mit den in Fig. 3 gezeigten identisch. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 angegeben.

In Fig. 5 zeigt die gestrichelte Kurve die Grenzdruck-20 festigkeit der Keramik unter den verschiedenen Triebwerkszyklusbedingungen. Die ausgezogene Kurve zeigt die Spannungswerte, die in der Keramikschicht des Modellsystems unter den verschiedenen Triebwerkszyklusbedingungen vorhanden sein würden. Die durch die ausgezogene Kurve dar-25 gestellten Werte wurden für das bekannte Herstellungsverfahren, bei welchem mit gleichmässiger Kühlung gearbeitet wird, und für eine sich ergebende gleichmässige Spannungsfreitemperatur von etwa 871°C berechnet. Ein Vergleich der gestrichelten Kurve mit der ausgezogenen Kurve zeigt, dass 30 die Spannungen an der Keramik die Festigkeit der Keramik für die beiden Bedingungen übersteigen. Die schraffierten Gebiete bezeichnen Bereiche des Triebwerksgebietes, wo ein Dichtungsversagen wahrscheinlich ist. Die endgültige Kurve (strichpunktiert) zeigt die Spannungen, die in der Keramik-35 Schicht vorhanden sein würden, wenn die Keramikschicht unter bevorzugter Abkühlung derart verarbeitet würde, dass die mittlere Metalltemperatur 668°C und die mittlere Keramiktemperatur 871°C zu der Zeit beträgt, zu der die Zwischenschicht fest würde. Wie oben erwähnt, ist die Genauig-40 keit dieses Modells durch Triebwerkstests überprüft worden. Es ist zu erkennen, dass die Spannungen die Festigkeit der Keramikschicht unter keiner der angegebenen Triebwerksbedingungen übersteigen. Diese Kurve veranschaulicht die Auswirkung der Behandlung mit Abkühlung des Metallteils.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus Metall-und Keramikteilen bestehenden Verbundgegenstandes, der eine Zwischenschicht mit gemischter Metall-Keramik-Zusammensetzung aufweist, zwecks Verringerung von Wärmespannungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Erhitzen des Gegenstandes auf eine Temperatur, die über dem Erweichungspunkt der Zwischenschicht liegt,

b) Abkühlen nur des Metallteils auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der Zwischenschicht, während der Keramikteil und die Zwischenschicht auf einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes der Zwischenschicht bleiben, und c) Abkühlenlassen des Gegenstands mit praktisch konstanter Geschwindigkeit, bis die Temperatur des gesamten Gegenstands unterhalb des Erweichungspunktes der Zwischenschicht liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen des Metallteils unter Verwendung eines Gasstrahls ausgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallteil aus einer Superlegierung besteht.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikteil überwiegend aus Zirkonoxid besteht.
5. Verbundgegenstand, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 behandelt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem unlösbar mit einem Metallteil verbundenen Keramikteil und einer Zwischenschicht mit gemischter Metall-Keramik-Zusammensetzung besteht, und dass der Verbundgegenstand eine gleichmässige Span-nungsfreitemperatur hat, die wesentlich niedriger als die Zwischenschichterweichungstemperatur ist.
6. Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallteil aus einer Superlegierung besteht.
7. Gegenstand nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikteil überwiegend aus Zirkonoxid besteht.
8. Gegenstand nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichmässige Spannungsfreitemperatur wenigstens 55°C niedriger ist als die Erweichungstemperatur der Zwischenschicht.