DE2239840C3

DE2239840C3 - Poröses, abschleifbares Dichtungsmaterial

Info

Publication number: DE2239840C3
Application number: DE19722239840
Authority: DE
Inventors: Peter William Rockyhill Conn. Schilke
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1972-08-12
Publication date: 1981-04-16
Also published as: FR2160358A1; GB1403211A; DE2239840A1; JPS5644122B2; JPS4857804A; DE2239840B2; FR2160358B3

Description

Die Erfindung betrifft poröses, abschleifbares Dichtungsmaterial der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad einer Gasturbine zum Teil von der Kontrolle der Gasleckage zwischen den Stufen sowohl im Kompressor· als auch im Turbinenabschnitt abhängig ist. Obwohl eine solche Maschine grundsätzlich mit sehr genauen Abmessungstoleranzen hergestellt wird, ist es notwendig, im kalten Zustand einen hinreichenden Spalt zwischen den Enden der rotierenden Elemente und der sie umgebenden Statoranordnung zu schaffen, um eine Anpassung an das unterschiedliche thermische Wachstum zwischen den Teilen zu erreichen, wenn die Maschine ihre normale Betriebstemperatur erreicht. Zu diesem für den kalten Zustand ausgelegten Spalt müssen noch die üblichen Herstellungstoleranzen und ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor addiert werden, um einen begrenzten Maschinenbetrieb bei Temperaturen oberhalb der Entwurfstemperaturen zu ermöglichen. Die so geschaffenen erforderlichen Spalte sind jedoch im allgemeinen nicht hinreichend eng. um die Arbeitsmaschine bei ihrem maximalen theoretischen Wirkungsgrad betreiben zu können.

Es ist bekannt, zur Lösung dieses Problems in Turbomaschinen abtragbare Spaltdichtungen zu verwenden (DE-OS 21 13 588), d.h. den als Schneiden ausgebildeten Enden des Rotorsystems bei dessen Wärmeausdehnung zu gestatten, in eine abschleifbare Oberfläche der umgebenden Anordnung einzudringen und einen Nullspalt herzustellen. Zur Herstellung der Spaltdichtungen wird ein Pulver aus einem nichtmetallischen Kern, wie Diatomeenerde. Graühit oder Bornitrid, mit einem Oberzug aus beispielsweise einer Nickei-Chrom-Legierung benutzt Zur Herstellung der Legierungsschicht wird mit Nickel beschichtetes Pulver mit Chromteilchen unter nichtoxydierenden Bedingungen erhitzt und so eine Legierungsbildung herbeigeführt Die damit erzielbaren abtragbaren Spaltdichtungen sind in der praktischen Anwendung in modernen Hochleistungsstrahltriebwerken hinsichtlich thermischer Stabilität, Grad an Abschleifbarkeit, Wärmestoßeigenschaften, Haftfähigkeit an dem Metallsubstrat und Festigkeit bei erhöhten Umgebungstemperaturen bis zu 1093⁰C aber nicht voll zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein poröses, abachleifbares Dichtungsmaterial dieser Art zu schaffen, das hinsichtlich thermischer Stabilität, Grad an Abschleifbarkeit, Haftfähigkeit an dem Metallsubstrat und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zufriedenstellender ist

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das Dichtungsmaterial nach der Erfindung wird durch Sintern eines Pulvergemisches gewonnen und ist für dauernden Gebrauch bei einer Temperatur von 982° C und für Kurzzeitgebrauch bei einer Temperatur von bis zu 1093⁰C geeignet. Das Dichtungsmaterial nach der Erfindung hat einen niedrigen Reibungswert, ist bei erhöhten Temperaturen oxydationsbeständig und besonders für Gasturbinen geeignet. Es hat außerdem eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und wirkt als Isolator, so daß ein steiler Wärmegradiert zwischen dem Weg heißer Gase und dem äußeren Durchmesser der Dichtungswand aufrechterhalten werden kann und gleichzeitig thermische Verluste verringert werden können.

Das Dichtungsmaterial nach der Erfindung wird vorzugsweise in Verbindung mit einem Halteteil verwendet, wie z. B. konventionellen Metallwaben aus geeignetem Material und geeigneter Struktur. Eine Vielzahl von Metallen kann in Abhängigkeit von den spezifischen Erfordernissen der Arbeitsmaschine verwendet werden, z. B. rostfreier Stahl und Nickel oder Nickel-Kobalt-Basislegierungen. Es ist zweckmäßig, das Halteteil vor Gebrauch mit geeigneten Mitteln, wie Alkalireiniger oder konventionellen Lösungsmitteln, zu reinigen und zu entfetten.

Nach der Reinigung wird ein Material mit folgender Zusammensetzung trocken durchgemischt:

10 bis 40 Gew.-% NiCr (nominal in Gewichtsprozent:

80 Ni, 20 Cr)

5 bis 20 Gew.-% CoAIY (nominal in Gewichtsprozent: 30 Co. 68 Al, 1 Y)

35 bis 65 Ge\v.-% mit Nickel oder mit Nickel-Chrom umhüllte Diatomeenerde-Teilchen typische chemische Analyse von geglühtem Diatomit: 91,0% SiO₂, 4,6% AI₂O₃, 1,9% Fe₂O₃, 1,4% CaO, 0,4% MgO, Rest unbestimmt).

Das trocken durchgemischte Dichtungsmaterial wird mit einem geeigneten Binder, wie z. B. Zellulosenitratlösung, gemischt und in die Waben, z. B. durch Spachteln, eingefüllt. Der Binder kann dann verdampfen und das Gemisch wird dann gemäß einem besonderen Ablaufplan gesintert. Die besten Resultate wurden mit einem Ablaufplan erhaltein, bei dem das Material in einer nichtoxydierenden Atmosohäre, wie z. B. Argon, bei 1010⁰C 2 Stunden lang und bei 1066°C 3 Stunden lang erhitzt wurde.
Das Sintern wird zum Bilden einer Verbindung

zwischen den Teilchen selbst und zwischen den Teilchen und dem Halteteil sowie zum Bilden von oxydationsbeständigen Legierungen durchgeführt. Es hat sich herausgestellt, daß die CoAlY-Legierung als ein aktiver Bestandteil wirkt Mit ihrem Einschluß in dem Verbund ergibt sich eine Sinterung mit flüssiger Phase, wobei das Sintern beschleunigt wird und sich eine bessere Diffusion und Verbindung ergeben.

Das abschleifbare Dichtungsfüllmaterial ist im engeren Sinne ein freistehender Sinter und deshalb ziemlich porös, wobei die Porosität in dem Bereich von ungefähr 40 bis 60% liegt Es ist im weiteren Sinne ein Cermet-Verbundwerkstoff, denn es ist Metall und Oxid vorhanden, die zu den mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Systems beitragen.

Die Teilchengrößen der Komponenten für das Pulvergemisch spielen bei der Herstellung einer zufriedenstellenden Dichtung eine wichtige Rolle, sowohl für die Dichte im unabgebundenen Zustand ais auch für die Sinterkinetik des Gemisches. Wenn die Teilchen zu klein sind, wird ein zu dichtes Material erzielt, welches einen übermäßigen Schaufelverschleiß verursacht, und wenn sie zu groß sind, wird die bauliche Festigkeit der Dichtung verringert, die Zahl der Verbindungen pro Volumeneinheit wird unzureichend und der Erosionswiderstand wird verringert Die folgende Tabelle zeigt die Teilchengrößenverteilungen, die sich als am geeignetsten herausgestellt haben:

Tabelle I

Komponente	Teilchen größe (μηι)	Gew.-% min. max.	1 20
NiCr	größer 88 kleiner 62 größer 53 kleiner 53	95 80	5
CoAlY	größer 44 kleiner 44	95	5
Mit Ni od. NiCr um hüllte Diatomeenerde	größer 104 kleiner 44	-

Es wurden Versuche unter Veränderung der relativen Proportionen von umhüllter Diatomeenerde und NiCr durchgeführt, um die Zusammensetzung zu optimieren. Es hat sich herausgestellt, daß wenn Ni/Diatomeenerde oder NiCr/Diatomeenerdc von 30—85% der gesamten Dichtungszusammensetzung verändert wurde, ein Ansteigen der Menge an umhüllter Diatomeenerde zu einer Erweichung des Sinters führte, während ein Abfall ein Härten desselben verursachte. Versuche haben ebenfalls gezeigt, daß ein Ansteigen der Mengen an NiCr zu einem Ansteigen der Härtewerte für den Sinter führte, während ein Verringern dieser Mengen gleichzeitig ein Vermindern der Härte verursachte. 35—65% des umhüllten Diatomeenerdepulvers und 10—40% NiCr-Pulver sind besonders günstig. Eine Menge in dem Bereich von 45—60% umhüllter Diatomeenerde und 25—35% NiCr wird bevorzugt, wobei eine optimale Menge von 55 ± 1,0% umhüllter Diatomeenerde und von 30 ± 1,0 NiCr auf dynamischen Schaufelspitzenwechselwirkungs- und Erosionstests basiert, durch die Schaufelformen und die Gasgeschwindigkeiten im Turbinenbereich einander angepaßt werden. Andere durchgeführte Versuche mit umhüllten Bornitriden, Siliziumdioxidglas, Glimmer und Graphit ergaben zufriedenstellende Resultate, obwohl sie nicht so gut waren wie diejenigen, die mit umhüllter Diatomeenerde erzielt wurden. Andere inerte, relativ weiche Materialien, welche stabil und mäßig schmierfähig sind, wie z. B. Kobaltoxid, Ceriumoxid, Zinkoxid, Molybdändisulfid, Vermicuütasbest od. dgl, können verwendet werden. Geeignete Umhüllungen für das inerte Pulvermaterial sind Nickel, Chrom oder ihre Legierungen, wie z. B. Nickel-Aluminium oder Nickel-Chrom-Aluminium.

Es hat sich herausgestellt, daß das hier beschriebene abschleifbare Dichtungsmaterial für die Verwendung bei ständigen Arbeitstemperaturen bis zu 982⁰C geeignet ist und im Kurzzeitbetrieb Temperaturen bis zu 1093⁰C aushalten kann. Die Zusammensetzung ist widerstandsfähig gegen Fressen und leicht abschleifbar und die Verwendung der umhüllten inerten Diatomeenerdeteilchen ergibt Isoliereigenschaften und thermische Stabilität.

In einer Versuchsserie wurde ein bevorzugt angewendetes Dichtungsmaterial mit folgender Zusammensetzung in Gewichtsprozent gemischt:

30% NiCr ± 1,0

10% CoAlY ± 0,5

55% Ni/Diatomeenerde ± 1,0

Die Mischung wurde mit einer Zellulosenitratlösung als Binder kombiniert und in eine verstärkte Wabenfolie aus NiCr-Legierung eingebettet. Nachdem der Binder verdampft war, wurde das Material in Agon bei 1010⁰C 2 Stunden lang und bei 1066⁰C 3 Stunden lang gesintert.

Das gesinterte Dichtungsmaterial hatte eine Dichte

von 2,6 g/cm⁵ und wies einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12,06 χ 10~⁶ pro ⁰C bei Raumtemperatur bis 18,38 χ 10"⁶ pro ⁰C bei 1000⁰C auf. Nach ungefähr 600 Teststunden des Triebwerks war die Dichtungszusammensetzung noch in gutem Zustand, bei minimaler Erosion und geringem Abspalten von dem Substrat. Insgesamt hat sich herausgestellt, daß die Verwendung einer mit abschleifbarem Dichtungsmaterial der hier beschriebenen Art gefüllten Wabe im Vergleich mit einer nicht gefüllten Wabe die Lebensdauer der Wabe um einen Faktor von mindestens 3 erhöht. Ferner wird insbesondere wegen der guten Isoliereigenschaften der Ummantelungsring des Gasturbinentriebwerks abmessungsstabiler, was vorteilhaft ist.

Claims

Patentansprüche.

1. Poröses, abschleifbares Dichtungsmaterial mit einem Anteil nichtmetallischer Pulverteilchen mit Nickel- oder Nickel-Chrom-Beschichtung für die Verwendung in Arbeitsmaschinen bei erhöhten Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Zusammensetzung aus 10 bis 40% einer Nickel-Chrom-Legierung, 5 bis 20% einer Kobalt-Aluminium-Yttrium-Legierung und 35 bis 65% mit Nickel-Chrom-Legierung umhülltem Pulver aus Diatomeenerde, Bornitrid, Siliziumdioxid, Glimmer, Graphit, Kobaltoxid, Ceriumoxid, Zinkoxid, Molybdändisulfid und Vermiculitasbest besteht

2. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung ungefähr 85% des nichtmetallischen Pulvers ausmacht.

3. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Zusammensetzung aus einem Gemisch von 25 bis 35% einer Nickel-Chrom-Legierung, 12 bis 20% einer Kobalt-Aluminium-Yttrium-Legierung und 45 bis 60% mit Nickel oder Nickel-Chrom-Legierung umhülltem nichtmetallischem Pulver besteht

4. Dichtungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Zusammensetzung aus 30% einer Nickel-Chrom-Legierung, 15% einer Kobalt-Aluminium-Yttrium-Legierung und 55% mit Nickel oder Nickel-Chrom-Legierung umhüütem nichtmetallischem Pulver besteht.