DE2163068A1

DE2163068A1 - Pudermetall-Honigwaben

Info

Publication number: DE2163068A1
Application number: DE19712163068
Authority: DE
Inventors: Gail Francis Mentor Ohio Davies (V.StA.)
Original assignee: Clevite Corp
Current assignee: Grid Seal Corp Cleveland Ohio Us
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-18
Publication date: 1972-07-13
Also published as: FR2119460A5; CA963497A; JPS553402B1; DE2163068B2; DE2163068C3; GB1361814A

Description

PATIMTANWALf
DlPL-ING.

6 Frar.r.hjM cn /Λαί.ι 70.,
Schneckeniiolsfr. 27 - Tel. 617079

17. Dezember 1971 Gzs/mU

CLEVITE CORPORATION, Cleveland, Ohio 44110, USA

Pudermetall-Honigwaben

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine honigwaben·- artige Struktur, die als eine Abdichtung geeignet für hohe Temperatur und niedrigem Reibungsabrieb dient, insbesondere für Turbinenmaschinen.

In der Vergangenheit wurden bedeutsame Anstrengungen unternommen, eine geeignete Abdichtung zwischen den Flügeln innerhalb eines Turbinenrotors und dem die Flügeü/amgebenden Gehäuse zu schaffen. Die Eigenschaften der zum Antrieb der Turbinenmaschine verwendeten Gase entwickeln gewöhnlich Temperaturen im hohen oder extrem hohen Temperaturbereich. Es wurde als notwendig gefunden, eine Metallabdichtung einer äbreibbaren Art zu schaffen, um das Auslecken von Gasen zwischen den Rotorflügeln und dem kreisförmigen Turbinengehäuse zu unterbinden.

Derartige Versuche konzentrierten sich hauptsächlich auf das Gebiet der Honigwaben, die aus gerollter Folie bestehen, die in einzelne Hexagonzellen deformiert sind, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Die sich ergebende Struktur wird auf eine R'ückenumraantelung auflötet. Bei verbesserten Honigwaben gab es in der letzten Zeit eine Tendenz, die Schichtmetallhonigwabenstruktur mit einem Pudermetall aus oxidationsfesten und abreibbaren Material, wie z.B. eine

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Nickelchromlegierung, zu füllen.

Andere und möglicherweise etwas weniger deutlich angenommene Versuche betrafen Abdichtungen aus verfilzten Fasermatten, die auf ungefähr 20 bis 30% ihrer theoretischen Dichte verdichtet sind, und die entweder an einem Rückenteil befestigt sind, oder die direkt an die ringförmige Ummantelung des Turbinengehäuses aufgelötet sind.

Eine dritte Art einer Abdichtung, die bisher verwendet wurde, betrifft abreibbare Metallpuder, die mittelsheißem Gas oder Plasma auf die Ummantelung gesprüht v/erden. Wiederum sind die Materialien oxidationsfest. Schließlich sind Versuche gemacht worden, eine Dichtung zu verwenden, die aus oxidationsfesten Pudermetallegierungen mit variierender Dichte und Dicke zusammengesetzt sind, und die auf ein/Trägerteil befestigt sind. Diese Pudermetalldichtungen liefern im allgemeinen ausgezeichnete Abreibbarkeit, jedoch mit einer verhältnismäßig geringen Widerstansfähigkeit gegenüber erodierenden Kräften, die durch die heißen Gase und die erodierenden Partikel erzeugt werden, die in der Umgebung der Jetmaschine vorhanden sind.

Die Erfahrungen mit den verschiedenen abreibbaren Abdichtungen der oben beschriebenen Art waren nicht sehr zufriedenstellend und haben daher dazu geführt, daß nach geeignetem oder besser befriedigendem Ersatz gesucht wurde. Z. B. wurde gefunden, daß die Honigwaben aus Metallblech zu Gaslecken bei turbulenter Gasumgebung der Jetmaschine führen, und daß sie ziemlich häufig zu Vjbratiartermüdung an dem gelöteten Verbindungspunkt zwischen der Honigwabe und dem angebrachten Rückenstreifen führt.

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Während derartige nachteilige Effekte dadurch etwas reduziert werden können, daß die einzelne Zellengröße kleiner gemacht wird, ist diese Lösung doch nicht erstrebenswert wegen des unverhältnismäßig hohen Anstiegs im Gewicht und in den Herstellungskosten. Ähnliche Überlegungen treten auf, wenn derartige Honigwabenzellen mit Pudermetallen gefüllt werden, obwohl dadurch die Wirkungsweise bedeutend verbessert v/erden kann.

Die Verwendung von verfilzten Matritzen führte zu Schwierigkeiten im Gebiet der Lötverbindung, d.h. zwischen dem Material und der Rückenummantelung. Neben den Problemen, die aufgrund, der Verbindung sich ergeben, wurden die verfilzten Fasern bisher wegen ihrer niedrigen Abreibbarkeit und ihren hohen Abriebfaktoren nur begrenzt angewendet.

Die Abdichtungen aus gesprühtem Pudermetall sind cbarakteristischer-Weise nachteilig in ihrer Verbindungsfestigkeit zwischen den Partikeln und dem Substrat, auf das sie angebracht wurden. Dies beruht hauptsächlich auf der Unfähigkeit, feinverteilte. Pulver in einer Hochtemperaturumgebung ohne einen gewissen Grad von Oberflächenoxidation aufzubringen.

Die Pudermetallabdichtungen mit oder ohne unisgelmäßig verteilten Fasern ergibt vergleichbare Eigenschaften zu den Eigenschaften, die von Abdichtungen aus gesprüüen Pudermetallen sich ergeben. Während derartige Abdichtungen dazu neigen, einm größere η

halt
strukturelle Zusammen/ als gesprühte Materialien zu haben, ist

doch die mechanische Festigkeit bei den notwendigen Dichtepegeln

keit

nicht ausreichend, um eine gute Abreibbar/und einen guten Widerstand gegen Erosion zu liefern.

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Eine große Anzahl von nachteiligen Effekten des Standes der Technik wurden im wesentlichen beseitigt oder zumindest bedeutsam verkleinert, indem in Übereinstimmung mit der Erfindung eine zelluläre Oberfläche, wie^^B. eine Honigwabe, selbst aus verdichteten, zusammengepoeß/Pudermetallen eines oxidationsfesten Materials zusammengesetzt wird. Die Pudermetallzellstruktur kann entweder in der Form einer offenen " Honigwabe oder in einer Form verwendet werden, bei der die einzelnen Zellen mit einem Pudermetall gefüllt werden, das die gewünschten Eigenschaften besitzt. Das Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung eines Materials, bei dem alle Lötoder Schweißelemente beseitigt sind und bei dem die Struktur

zu einem
vollkommen einheitlich an,/Festkörper verbundenen Komponenten

von hoher struktureller Festigkeit besteht, wobei in der Festkörperverbindung erosionsfeste und abreibbare Metallelemente eingeschlossen sind. Dadurch wird ein großes Maß von Anpaßbarkeit des Füllmittels und des Honigwabenmaterials ermöglicht, die mit herkömmlichen Honigwabenstrukturen iiicht leicht erreicht werden, indem die Dichte des Pudermetall- k materials verändert wird.

Charakteristischerweise beseitigt die Honigwabe gemäß der Erfindung nicht nur das aufwendige Schweißen, das normalerweise angewendet wird, um die Honigwabenelemente miteinander zu verbinden, sondern auch die nachfolgende Verlötung der Honigwabe mit dem Rückenstreifen. Da die Honigwabe in Übereinstimmung mit der Erfindung eine durchgehende Festkörperverbindung besitzt, ist die Festigkeit der Pudermetall-Honigwabe wesentlich besser, verglichen mit den Komponenten des Standes der Technik.

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Ein anderer bedeutender Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, eine Honigwabenstruktur mit einer extrem kleinen Zellenkonfiguration zu schaffen, ohne einen wesentlichen Anstieg bei den Herstellungskosten. Außerdem können derartige kleine Zellenkonfigurationen unter Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen kleinzelligen Honigwaben erreicht werden.

Während die Erfindung primär für die Anwendung für eine Labyrinthabdichtung angepasst ist, ist sie doch nicht auf diese Anwendung begrenzt. Wegen des weiten Bereichs der Materialbehandlung bietet sich die Pudermetall-Honigwabe selbst für die Herstellung von Kupplungsplatten an, wie auch für Lagermaterialien, Scheibenbremsenauflagen und dgl., wie auch für strukturelle Rückenstützen niedriger Dichte für Anwendungen zur akustischen Dämpfung.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine fragmentarische, perspektivische und geschnittene Ansicht eines Umhüllungsteils der Turbinenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht einer Pudermetall-Honigwabe und

Fig. 3 Ansichten ähnlich der Fig. 2, die andere Ausführungs-^υη formen zeigen.

In Fig. 1 ist ein radial sich erstreckender Rotorflügel 10 einer Turbinenmaschine (nicht gezeigt) dargestellt, deren Spitze

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sich in enger Nachbarschaft zu einer ringförmigen Ummantelung befindet, an die eine Abdichtung befestigt ist, die die Form einer honigwabenartigen Struktur 14 besitzt. Die honigwabenartige Struktur 14 bildet einen·-kohärenten und strukturelle zu-

dan preßten

sammenhängen/ Körper aus zusammpnge/ Metallpudern, in die mit Hilfe von selektiv eingedrückten Regionen ein Netzwerk von Kavitäten 16,18 gebildet ist, wobei die Kavitäten gleichmäßig in einer wiederholenden und vorbestimmten Weise im wesentlichen über die ganze Oberfläche der Honigwabe angeordnet und verteilt sind. Diese Kavi täten 16 und 18 können von verschiedener geometrischer Form sein, wie z.B. Rauten, Quadrate, Kreise, sinusförmige Muster, Kreiszweiecke oder gerade Linien, die parallel zu einer einzigen Achse liegen und dgl.

Die besondere Aufmerksamkeit sei auf die F;i.g. 2 gerichtet, in

hängend

der die eingedrückten Regionen 16 zusammen/ sind und sich gegenseitig im rechten Winkel schneiden, verglichen zu den nicht zusammenhänjen/&avitäten 18, die in der Fig. 3 gezeigt sind. In den vorzugsweisen Ausführungsformen der Fig. 2 und 3 liefern die einrückten Regionen eine Bodenoberfläche, siehe 16 und 18, von Metallpuderpartikeln, die zu einem größeren Ausmaß verdichtet sind, als die angrenzenden nicht eingedrückten oder erhobenen Regionen, siehe 20 und 22.

Die Honigwabenstrukturen 14, 14a, 14b, die in den Fig. 1 bis 3 gezeigt sind, können als eine Labyrinthabdichtung verwendet werden, wenn sie aus einem Material bestehen, das ausreichende Oxidationsfestigkeit und eine ausgewählte Abreibbarkeit besitzt. Die Honigwaben können mit oder ohne einen Pudermetallrückenstreifen 24 verwendet werden, der aus einem geeigneten und herkömmlichen hochdichten Material besteht. Gewöhnlich besitzt der Rückenstreifen 24 volle Dichte. Eine verbindende

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Zwischenschicht (nicht gezeigt), die zwischen die Honigwabe 14 und den Streifen 24 gelegt ist, besteht aus einem verhältnismäßig feinen Puderrae-tallmaterial, das gleichartig oder ähnlich oder mindestens metallurgisch verträglich mit dem Material ist, das für die honigwabenartige Struktur verwendet wurde, wobei der Ausdruck "verträglich" hier verwendet wird, um anzuzeigen, daß die zwei Metalle ineinander diffundieren und miteinander sich legieren.

In der vorzugsweisen Ausführunfsform dieser Erfindung werden

den den

die .zusammenhänBn/und nicht zusammenhalten/Kavitäten 16, 18 mit kompaktierten Metallpudern, siehe 26, gefüllt, die mit der honigwabenartigen Grundstruktur 14 verträglichsind, so daß eine Festkörperverbindung zwischen den Pudern in den Öffnungen und den Metallpudern der angrenzenden Regionen leicht hergestellt werden kann.

Das Metallpuderfüllrnaterial, siehe 26, wird auf einen vorherbestimmten Grad verdichtet, der von dem Grad der Verdichtung abweichen kann, der der honigwabenartigen Struktur 14 und insbesondere den erhobenen Regionen 20, 22 und den verdichteten Regionen 16, 18 gegeben wurde. Im Ergebnis kam die Gesamtstruktur, die in diesem Beispiel aus dem füllmaterial und der Honigwabe besteht, drei verschiedene Dichtegrade besitzen. Dieser Körper mit Vielfachdichte kann leicht mit der im folgenden beschriebenen Methode erreicht werden.

Die honigwabenartige Struktur 14, 14aund 14b, der Füller 26 und die Rückenschicht 24 können alle aus einem oxidationsfesten Material bestehen, wie z.B. Nickel, Chrom, Aluminium, Eisen, Molybdän, Kobalt, Wolfram oder spezielle Legierungen daraus. Der Grad der gewünschten Abreibbarkeit kann der Metallpuder-

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Struktur durch Veränderungen in der Dichte oder Zusammensetzung eingegeben werden.

Gewöhnlich ist es wünschenswert, Abreibbarkeit entweder der Honigwabe oder dem Füller zu gßben.

Typischerweiße besteht das abreibbare Pudermetallmaterial,

ι z.B. für den Füller, aus verhältnismäßig groben Partikeln unter SchwerKraft

und wird infolgedessen im nur/ gesinterten Zustand weniger dicht sein, wodurch relativ niedrigere mechanische Eigenschaften erreicht werden, als sie für die honigwabenartige Struktur 10 erforderlich sind, wie es gerade der Fall sein mag. Die honigwabenartige Struktur 14 (oder alternativ der Füller 26) besteht aus verhältnismäßig feinen Metallpuderpartikeln, die in der Lajge sind, sich zu verhältnismäßig hohe Dichte zu sintern. Die Dichte des höher verdichteten Beötandteils reicht von 35 bis 95 % der theoretischen Dichte des Basismaterial. Die Dichte des Abreibfüllmaterials 26 wird im allgemeinen innerhalb des Bereichs von 20 bis 60?έ des theoretischen Wertes liegen.

Für die meisten typischen Anwendungen ergab sich, daß eine

weniger als
Puderpartikelgröße von / 525 mesh für die honigwabenartige Struktur 14 zufriedenstellend ist, während die typische Siebgröße für das verhältnismäßig grobe Füllermaterial 28 weniger

-' 100 mesh beträgt. Die oben beschriebene Erfindung kann gemäß verschiedener Pudermetallurgieverfahren hergestellt werden. Das folgende Verfahren erbrachte zufriedenstellende Ergebnisse.

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Die Materialien für Honigwabe und Füller wurden getrennt

weniger als

zubereitet. Ein /TOu mesn Legierungsmetallpuder von 80. Gewichtsprozent Nickel und 20 Gewichtsprozent Chrom, möglicherweise einschließlich V/> Aluminium und hergestellt durch Wasseratomisierung, wird in einem Zwei-Schalenrnischer mit 2% Kohlenstoffporenbilder einer*bestimmten Größe gemischt, wobei 10 Mikron pro Partikel nicht überschritten werden soll. Zur geeigneten Zeit, vor der Einbringung in die Form, wird eine kontrollierbare Menge von 1 bis 2 % Alkohol der Mischung als ein Suspensionsvehikel zugefügt. Das Material, das die honigwabenartige Struktur 14 bildet, wird auf die gleiche Art

weniger als

hergestellt, indem eine /32? mesh Legierung der gleichen Zusammensetzung verwendet wird, die mit Λ% Kohlenstoffporenbilder vermischt wird. Wiederum wird vor der Einbringung 1 bis 2% Alkohol dem Material zugefügt, um als Suspensionsagens zu wirken. Eine Graphitform mit einem Kanal, der eine ausreichende Weite besitzt, um den gewünschten Streifen plus Grat^;: aufzunehmen, und ausreichende Dicke, um die Sinterschrumpfung zu kompensieren, wird durch Vorbedecken mit einer Aufschwämmung von Magnesiumoxid hergestellt, die nachfolgend getrocknet wird.

Der FolienrÜckenstreifen 24 besitzt eine Dicke von 0,025 bis 0,13 mm (1 ljis 5 mils) und ist aus der gleichen oder einer ähnlichen Legierung zusammengesetzt, die geeignet gesäubert ist, um-sie frei von Oberflächenverunreinigungen zu liefern. Der Streifen 24 wird dann mit einem geeigneten flüchtigen Klebstoff besprüht, woraufhin, während er noch feucht ist, eine Aufstäubung von feinem Metallpuder von /4Ou mesn über dem Streifen 24 aufgebracht, um eine Hochdichtebindungszwischenflache auf dem Streifen 24 zu schaffen. Da3 überschüssige Material wird nach Trocknen des Klebstoffes abgestäubt. Die beschichtete

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FolienstUtze 24 wird dann in die Formöffnung eingelegt. Daraufhin wird das Puder» das die Honigwabe bildet, auf dein Stützstreifen 24 aufgebracht und zusammen werden sie dann in einen Ofen angeordnet und im Vakuum eine Stunde lang bei geeigneter Temperatur gesintert. Nach dem'Abkühlen wird der Streifen zwischen St ahlplatten mit einer hydraulischen Presse um 1 bis 3 % zusammengepreßt, um ihn auf eine gleichförmige Größe abzuflachen. Daraufhin wird das Netzwerk von zusammenhängenden oder nicht zusammenhäriy .TCavitäten, die die Honigwabe bilden, mittels eines Werkzeuges, das in die Struktur gepreßt wird, in die gesinterte Struktur eingebracht. Das Werkzeug besitzt eine Konfiguration, die zum gewünschten Muster komplementär ist. Der Stempel oder das Werkzeug wird über dem gesinterten Material mit einer Belastung gepreßt, die ausreicht, um eine Einbringung bis zurr gewünschten Tiefe zu liefern, gewöhnlich 2 mm (o,o8 inch). Für ein Rautenmuster wird der Stempel gedreht, um die gewünschte Konfiguration zu erhalten. Die Struktur wird dann abgestäubt, um so lockeres Material zu entfernen, und dann in einen Aufspanntisch angeordnet, um das Füllermaterial 28 aufzubringen. Da.s das FUllermaterial ausmachende Metallpuder wird in die Kavitäten mittels eines Rakels eingebracht, und der Überschuss v/ird la üblicher Weise abgestrichen. Die

sich ergebende Honigwabenstruktur, bei der die Kavi täten gefüllt sind, werden dann im Vakuum unter geeigneten Bedingungen erneut gesintert, z.B. eine Stunde lang bei einem maximalen Druck von 1 Mikron und bei einer Temperatur von 1150°C (2100⁰F). Wenn gewünscht, kann das Füllermaterial innerhalb der Kavitäten vor und nach der Sinterung bis zu einem gewünschten Maß zusammengepreßt werden.

Die honigwabenartige Struktur kann mit oder ohne Rückenplatte

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?M und mit (vie in Fig. 3 gezeigt) eingedrückten Regionen ausgefüllt werden, die den Boden der Kavitäten oder einer honigwabenartigen Struktur bilden, bei der diese eingedrückten Regionen vollständig entfernt wurden, siehe Fig. U, Die honigwabenartige Struktur <54c der Fig. 4 ist in allen übrigen Teilen identisch zur Außführungsform, die mit Hinblick auf Fig. 3 beschrieben wurde.

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Claims

Patentansprüche

1. Eine honigv/abenartige Struktur aus Pudermetall, gekenn-

£enden zeichnet durch einen kohärenten und zusainmenhan/ . Körper aus. verdichteten Metallpudern, die ein Netz bilden, mit selektiv eingedrückten Regionen, die ein Netzwerk von nicht zusammenhängenden Kavitäten bilden, angeordnet und verteilt in einer sich wiederholenden und vorherbestimmten Weise gleichförmig über im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Gitters.

2. Honigwabenartige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die eingedrückten Regionen überschneiden.

oder 2

3. Honigwabenartige Struktur nach Anspruch V, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mehrere Dichten besitzt.

4. Honigwabenartige Struktur nach Anspruch 1y£ dadurch gekennzeichnet, daß die eingedrückten Regionen ein Netzwerk von offenen Zellen bilden.

5. Honigwabenartige Struktur nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelle diskontinuierlich ist.

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6. Honigwabenartige Struktur nach Anspruch 1/, dadurch gekennzeichnet, daß ein Material alle Kavitäten im wesentlichen füllt.

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7. Honigv/abenartige Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kavitäten füllende Material aus verdichteten Metallpudern zusammengesetzt ist, wodurch ein Körper gebildet ist, der eine Dichte auf v/ei st, die unterschiedlich ist zur Dichte des gepressten Gitters.

8. Honigv/abenartige Struktur nach Anspruch c/, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Metallpudern zusammengesetzt und diese Zusammensetzung unterschiedlich ist zur Zusammensetzung des Gitterpuders.

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9. Struktur nach Anspruch Λ/, dadurch gekennzeichnet, daß ein

Metallrückenstreifen auf dem Gitter eine Endgesichtsfläche der Kavitäten schließt.

10. Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückenst-reifen eine Diffusionsbindung zum Gitter besitzt.

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11. Struktur nach Anspruch 1/ζ dadurch gekennzeichnet, daß

die Fläche in dem Körper des Gitters unterhalb jeder Kavität eine Dichte aufweist, die im wesentlichen größer als die Dichte der Wandgebiete ist, die die Kavität bilden.

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12. Struktur nach Anspruch V, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einem abreibbaren Material gebildet ist, nämlich Nickel, Chrom, Aluminium, Eisen, Molybdän, Kobalt, Wolfram oder eine**Legierung daraus.

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13. Honigv/abenartige Struktur aus Pudermetall, gekennzeichnet durch einen kohärenten und zusammenhäft/^ncAurper aus verdichtetem Metallpuder, der ein Gitter bildet, das ein Netzwerk von diskontinuierlichen Kavitäten bildet, die gleichmäßig in einer sich wiederholenden und vorherbestimmten V/eise über im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Gitters angeordnet und verteilt sind.

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