DE2637443A1

DE2637443A1 - Poroeses dichtungsteil fuer hohe temperatur

Info

Publication number: DE2637443A1
Application number: DE19762637443
Authority: DE
Inventors: Irwin Isaac Bessen; Robert Keith Betts; Robert Victor Hillery
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-08-22
Filing date: 1976-08-20
Publication date: 1977-03-03
Also published as: DE2637443C2; JPS6014091B2; FR2321359A1; FR2321359B1; JPS5231911A; GB1552327A; US3964877A

Description

Poröses Dichtungsteil für hohe Temperatur

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungsteile für hohe Temperatur und mehr im besonderen auf ein Dichtungsmaterial für hohe Temperaturen, das besonders brauchbar ist in den eine hohe Temperatur aufweisenden Bereichen von Gasturbinen und das eine verbesserte Kombination von Oxydationsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Gaserosion, eine verringerte thermische Leitfähigkeit und eine geringe Pließspannung aufweist, das aber nicht leicht abschleifbar ist.

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Ein bedeutender Paktor bei der Entwicklung von Gasturbinen ist die Entwicklung einer neuen Technologie für Turbinenmaterialien gewesen. Die dauernde Anforderung nach erhöhten Turbineneinlaßtemperaturen führte zur Entwicklung verbesserter Materialien für Turbinenblätter bzw. -flügel und -schaufeln, damit diese strengeren Bedingungen widerstehen konnten. Gleichzeitig sind Verbesserungen der Materialien von Ummantelungsringen für Turbinen erforderlich, damit diese Ringe nicht nur den höheren Temperaturen widerstehen, sondern auch den aggressiveren Bedingungen der Oxydation und Gaser_osion, wobei sie gleichzeitig die Wirksamkeit der Turbine unterstützen und verbessern sollen.

Frühe Formen von Ummantelungsringen von Turbinen waren relativ einfache Metallringe _t welche die äußere Gasumhüllung begrenzten bzw. bildeten. Verbesserte Formen schlossen offenflächige, zellenartige, aufgrund der Luftdurchlässigkeit transpirationsgekühlte Materialien ein sowie Ummantelungsringe, die mit verschiedenen Arten abreibbaren, brüchigen Materials gefüllt waren. Ein solcher Ummantelungsring, der derzeit in Gasturbinen eingesetzt wird, ist mit einem Material gefüllt, das als Bradelloy bezeichnet wird und in der US-PS 3 3^2 563 beschrieben ist. Dieses Material hat zu einer verläßlichen Struktur der Turbinenummantelungsringe für die derzeitigen Betriebstemperaturen geführt. Es ist jedoch erkannt worden, daß die höheren Temperaturen und die ernsteren Betriebsbedingungen in moderneren Gasturbinen einen verbesserten Ummantelungsring für hohe Temperaturen erfordern, der noch beständiger gegen Erosion und Oxydation ist und der bei den beabsichtigten Betriebstemperaturen im wesentlichen nicht brüchig bzw. zerreibbar ist. Es kann daher bei erhöhten Temperaturen an der Grenzfläche mit einem reibenden Element, wie einer Turbinenblattspitze, fließen oder schmieren und so eine glatte, eine ausgezeichnete Güte aufweisende, aerodynamisch erwünschte Oberfläche ergeben.

Die vorliegende Erfindung schafft in einer Form ein verbessertes poröses Dichtungsteil für hohe Temperatur aus einem Material, das durch eine verbesserte Kombination von Oxydations- und Gaserosionsbeständigekeit und geringe Fließspannung bei hoher Temperatur aus-

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gezeichnet ist, so daß das Material bei diesen hohen Temperatu·= ren im wesentlichen nicht brüchig ist. Das Teil weist als Ergebnis seiner Porosität auch eine verringerte thermische Leitfähigkeit auf. Es besteht aus einer Vielzahl metallurgisch verbundener Metallegierungspulver-Teilehen, wie man es z. B. beim Pressen und Sintern erhalten kann, wobei die Teilchen in einem Größenbereich liegen, der im wesentlichen von etwa 53 - 105 .,um (entspr, 140 - 270 Maschen/Zoll nach US-Standard) reicht_a und die Teilchen metallografisch als Metallteilchen unterscheidbar sind. Die Teilchen bestehen in Gewichtsprozent (wie bei allen nachfolgenden Zusammensetzungsangaben auch) im wesentlichen aus etwa 15 - 35 Chrom, etwa 8-20 Aluminium und bis zu 5 eines oder mehrerer Elemente, ausgewählt aus Yttrium, Hafnium und den Seltenen Erdmetallen, und der Rest ist ausgewählt aus Eisen, Kobalt und Nickel mit den üblichen Verunreinigungen. Das Teil weist eine Dichte im Bereich von etwa 65 - 90 % der theoretischen Dichte auf. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Metallteilchen im wesentlichen aus 20 - 23 Chrom, 9-13 Aluminium, 0,1-5 Yttrium und/oder Hafnium, und der Rest ist Nickel mit zufälligen Verunreinigungen, und das Teil weist eine Dichte im Bereich von etwa 65 - 83 % der theoretischen Dichte auf. Eine spezifisch bevorzugte Teilchenzusammensetzung besteht im wesentlichen aus 21-23 Chrom, 9 - 11 Aluminium,0,8 - 1,2 Yttrium und/ oder Hafnium, und der Rest ist im wesentlichen Nickel mit zufälligen Verunreinigungen, und die Dichte beträgt 70 - 83 % der theoretis chen.

In der Zeichnung ist folgendes dargestellt:

Figuren la und Ib: grafische Vergleiche der Ergebnisse der dynamischen Oxydation bei etwa 1205 bzw..1315 ⁰C (entsprechend 2200 bzw. 2^00 ⁰P);

Figuren 2a und 2b: fotografische Aufnahmen mit 50-fächer Vergrößerung, die Bradelloy und ein Ni-22Cr-10Al-lY-Legierungsteil, das in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt, miteinander vergleichen ;

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Figur 3: einen grafischen Vergleich von Volumenverlust

und Dichte;

Figur 4: eine fotografische Aufnahme in 100-facher Vergrößerung eines Teiles gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem es einem Oberflächenabrieb unterlegen hat, und

Figur 5: grafisch die thermische Leitfähigkeit als Funktion der Temperatur für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, verglichen mit einem bekannten Teil.

Eine wesentliche Funktion von Dichtungsmaterialien und Materialien für Umhüllungsringe ist es, in Gasturbinen beim Aufrechterhalten der Wirksamkeit mitzuhelfen. Dies kann bewerkstelligt werden, indem der Zwischenstufen-Leckverlust sowohl im Kompressor als auch im Turbinenteil der Maschine durch einen möglichst geringen Abstand zwischen rotierenden und stationären Komponenten kontrolliert wird, z. B. zwischen einer rotierenden Blattspitze und einem damit zusammenarbeitenden ümmantelungsring. In der Turbine ist das Steuern eines solchen Abstandes wegen des weiten Temperaturbereiches, in dem der Turbinenteil während eines Maschinenzyklus vom Starten bis zum Abstellen arbeitet, besonders schwierig. Der Einsatz von abreibbaren ümhiJllungsringmaterialien, wie zellenartigen oder abreibbaren Einsät.ϊη oder von Kombinationen beider, läßt eine rotierende Komponente, wie eine Blattspitze, in dem abreibbaren Material einen Pfad erzeugen, vorausgesetzt, die Abstände und die relativen Ausdehnungskoeffizienten sind richtig eingestellt. Die bekannten festen oder porösen abreibbaren Materialien erhalten ihre Abreibbarkeit oder Brüchigkeit bzw. Zerreibbarkeit durch den Einschluß einer Vielzahl von füllstoffartigen oder spanartigen Materialien, durch die Schaffung einer spröden Struktur, durch das Einstellen der Porosität oder eine Kombination der vorgenannten Möglichkeiten.

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Ein Hauptproblem bei der Verwendung eines abreibbaren Materials für den Umhüllungsring bei den im Turbinenabschnitt auftretenden Temperaturen und in der oxydierenden Atmosphäre, in der sie normalerweise arbeitet, ist, daß die Oxydation des Materials für den Umhüllungsring zu einer Volumenzunähme, zum Abspalten oder Zerbrechen und zu einem noch rascheren Verlust an Umhüllungsringmaterial führen kann. Dies ergibt unerwünscht große Abstände und Gasturbulenzen. Andere Probleme betreffen den Erosions- und Abriebs widerst and eines solchen oxydierten Umhüllungsringmaterials im Vergleich zu dem des Reibteiles, wie eines rotierenden Blattes, seine sehr geringe thermische Leitfähigkeit im oxydierten Zustand, die zu höheren Oberflächentemperaturen führt, und seine Beständigkeit gegenüber thermischer Schockbelastung. Außerdem ergibt die oxydierte abgespaltene, abgeriebene poröse Struktur einen groben Strömungspfad für das Gas, und dies führt zu einer unerwünschten Gasturbulenz.

Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes, poröses, im wesentlichen nicht brüchiges Dichtungsteil für hohe Temperatur durch den Einsatz einer oxydationsbeständigen Legierung mit einem besonders ausgewählten Zusammensetzungsbereich in Form eines hinsichtlich der Teilchengröße besonders ausgewählten Pulvers, das metallurgisch zu einem Dichtungsteil kritischer Dichte verarbeitet ist. Eine solche Legierungszusammensetzung ist ausgewählt, um eine Duktilität zu gewährleisten, die eine geringe Belastung zum Fließen, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, erfordert, so daß die Legierung von einem Teil, wie einem damit zusammenarbeitenden rotierenden Turbinenblatt, gerieben werden kann und dabei bei der beabsichtigten Betriebstemperatur eher fließt oder schmiert als krümelt. Das Dichtungsteil, das aus der Legierung gebildet wird, weist eine Porosität auf, um die beim Abreiben entstehenden Teilchen aufzunehmen und so zu verhindern, daß die Blattspitzen das Dichtungsmaterial tiefer abschleifen, als wenn das Material brüchig wäre. Auf diese Weise wird an der Grenzfläche zwischen Blatt und Dichtung eine glatte, aerodynamisch annehmbare Oberfläche erzeugt. Weiter beeinflußt die Porosität die thermische Leitfähigkeit der Dichtung derart, daß bei einem Umhüllungsring,

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der von der Rückseite aus luftgekühlt ist, die dem Abrieb unterliegende Oberfläche zwar heißer wird als wäre sie vollkommen dicht j aber nicht so heiß, daß die Oxydation beschleunigt wird. Auch führt die Porosität zu einer Nachgiebigkeit, welche die Reibungskräfte auf die Turbinenblattspitze beschränkt.

Im besonderen ergibt die Kombination von Nickel mit Chrom, Aluminium und vorzugsweise mindestens einem Element aus Yttrium, Hafnium und den Seltenen Ercimetallen eine oxydationsbeständigere Legierung, aus der das erfindungsgemäße Teil hergestellt werden kann. Pur solche allgemeinen Kombinationen von Elementen, die auf einem oder mehreren der Übergangselemente Eisen, Kobalt und Nickel beruhen, ist eine verbesserte Oxydationsbeständigkeit beschrieben worden, und zwar in Form von Legierungen für Bauzwecke, wie in der US-PS 3 027 252, als Überzugsmaterial, wie in der US-PS 3 542 530 und der US-PS 3 676 085, und in Verbindung mit einem abreibbaren Material für hohe Temperatur, wie in der US-PS 3 817 719. Jede der Anwendungen der Kombination solcher Elemente bedingt unterschiedliche Bereiche mit wahlweise zu verwendenden anderen Legierungselementen, um einen besonderen Artikel zu erhalten, der von dem der vorliegenden Erfindung verschieden ist. Das Teil der vorliegenden Erfindung ist, obwohl es die gleiche allgemeine Gruppe von Elementen enthält, durch Porosität gekennzeichnet und dadurch, daß es bei erhöhten Temperaturen im wesentlichen nicht brüchig ist. Dies wird durch die Kombination eines besonderen Zusammensetzungsbereiches zusammen mit einer Struktur bewerkstelligt, die durch die Größe der Pulverteilchen definiert ist, aus denen man die Struktur herstellt, sowie durch den Dichte-Bereich in Prozent der theoretischen Dichte. Diese Kombination ergibt ein verbessertes Dichtungsteil, das als Umhüllungsring in einer- Gasturbine verwendet werden kann und das eine beträchtlich verbesserte Oxydations- und Gaserosionsbeständigkeit aufweist, zusammen mit guter Beständigkeit gegenüber thermischer Schockbelastung, größerer Nachgiebigkeit und geringerer thermischer Leitfähigkeit als ein vollkommen dichtes Teil.

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Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielzahl von Proben hergestellt. Die in der folgenden Tabelle zusammengefaßten Legierungspulver-Zusammensetzungen sind typische Beispiele dafür.

Tabelle

	Cr	Gewichts-#	Y Hf	3	Res
Beispiel	25	Al	1		Pe
1	19,4	10	0,90	Ni
2	19,6	8,0	1,45	Ni
3	22,2	10	0,95	Ni
4	23,0	10,1	0,64	Ni
5	20	12,7	Ni
6	10

Zur Auswertung der Teile gemäß der vorliegenden Erfindung wurden die Teile zubereitet durch Auswählen vorlegierter Pulver oder Teilchen im Teilchengrößenbereich von etwa 53 - 105.um, Anordnen des Legierungspulvers in einer Form für einen Umhüllungsring mit einem Rückenteil und Seitenteilen, um das Pulver darin festzuhalten, und Ausüben von ausreichend Druck und Wärme in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, um die Legierungsteilchen miteinander so zu verbinden oder zu sintern, daß die metallografische Unterscheidbarkeit der Teilchen beibehalten wird. Bei dieser Versuchsreihe wurde bei einer Temperatur von etwa 980 bis etwa 1200 ⁰C

ein Druck im Bereich von etwa 7 bis etwa 175 kg/cm angewandt_? je nach der gewünschten Dichte. Obwohl in der vorliegenden Erfindung erkannt worden ist, daß eine Dichte im Bereich von etwa 65 bis 90 % und insbesondere von 65 - 83 % der theoretischen Dichte besonders vorteilhaft ist, wurden auch Dichten von etwa 60 bis etwa 90 % der theoretischen Dichte ausgewertet. Die Auswahl der Pulvergröße gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet das Aufrechterhalten einer erwünschten Porosität zur Steuerung der

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thermischen Leitfähigkeit und zur Aufnahme der abgeriebenen Teilchen. Verbunden mit der Duktilität des Legierungspulvers weist das erfindungsgemäße Teil eine Nachgiebigkeit auf, die eine glatte Oberfläche durch ein Reiben entstehen läßt, wie dies in einer Gasturbine von einem gegenüberliegenden Turbinenblatt auftreten kann. Ist die Größe des Pulvers zu groß, dann ist auch die Porosität zu groß. Außerdem ist dann die für das Zusammenpressen des Teiles erforderliche Belastung außerordentlich hoch. Ist dagegen die Größe des Pulvers zu klein, dann ist der erhaltene Preßling zu dicht, um die Zwecke der vorliegenden Erfindung zu erfüllen, und er wird außerdem leichter oxydieren.

Freistehende Preßlinge der Legierungszusammensetzungen der Beispiele 1 und 2 der Tabelle, die nominell in Gewichtsprozent aus vorlegierten Pe-25Cr-10Al-lY- und Ni-2OCr-8Al-lY-Pulvern bestanden, wurden heiß gepreßt und in zyklischen, dynamischen und Oxydationstests (0,05 Mach) bei etwa 1205 ⁰C und etwa 1315 °C ausgewertet. Für diese Zusammensetzungen wurden parabolische Geschwindigkeitskurven für die Gewichtszunahme gegen die Zeit erhalten. Ein Vergleich zu dem oben erwähnten Bradelloy-Material (mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung von ΝΪ-12Α1) ist in den Figuren la und Ib gezeigt. Mikrostrukturen der untersuchten Probekörper zeigten, daß das Bradelloy-Material in 110 Stunden bei etwa 1205 ⁰C und in 30 Stunden bei etwa 1315 °C im wesentlichen vollkommen in das Oxyd umgewandelt worden war, während die aus den vorgenannten FeCrAlY- und NiCrAlY-Legierungen bestehenden Strukturen gesinterte Metallteilchen, eingeschlossen von einer dünnen schützenden Oxydschicht, waren.

Die Gewichtszunahmen wurden durch eine Volumenausdehnung aufgrund der Umwandlung des Materials vom Metall ins Oxyd offenbar. Die Volumenzunahme beim Bradelloy-Material war groß, verglichen mit dem der Preßlinge aus FeCrAlY und NiCrAlY. In tatsächlichen Umhüllungsringsegmenten in Gasturbinen, die von der Rückseite luftgekühlt werden, sind jedoch die Oxydation und die Volumenausdehnung auf die Oberflächenbereiche beschränkt, die im heißeren Gaspfad liegen. Metallografische Studien zeigten, daß in der Dicke

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des schützenden Oxyds in NiCrAlY-Teilchen bei einem in der Gasturbine eingesetzten Umhüllungsring von dem luftgekühlten rückwärtigen Teil zur dem Gaspfad zugewandten Oberfläche eine Veränderung auftritt. Nahe der Gaspfad-Oberfläche betrug die Oxyddicke

-Ii -ix

etwa 7,6 χ IO cm und nahe dem rückwärtigen Teil etwa 1,27 x 10 cm. Die Verzerrung war gering. Ein Umhüllungsring aus Bradelloy-Material zeigte in der gleichen Testturbine abgespaltene Bereiche und eine exzessive Volumenzunahme oberhalb der Hohlraum-Seitenwände. In den Figuren 2a und 2b sind das Bradelloy-Material (Figur 2a) und ein Teil gemäß der vorliegenden Erfindung (Fig.2b) aus NiCrAlY-Legierung des Beispiels 4, die nominell in Gewichtsprozent aus Ni-22Cr-10Al-lY bestand, verglichen.

Aus diesem Vergleich wird deutlich, daß eine Rolle der kontrollierten Porosität in solchen Umhüllungsringen die ist, einen geeigneten Temperaturabfall zwischen der dem Gaspfad zugewandten Ooerflache und dem luftgekühlten rückwärtigen Teil einzustellen. Ein geeigneter Zustand ist der, der eine zu hohe Temperatur an der Oberfläche des Gaspfades vermeidet, die die Oberflächenoxydation beschleunigen könnte und die eine zu hohe Temperatur an dem Superlegierungs-Stützsegment verursachen könnte, da sonst zuviel Kühlluft erforderlich wäre, um ein Kriechen des Stützsegments zu verhindern. Zuviel Kühlluft verringert die Leistungsfähigkeit der Maschine.

NiCrAlY-Legierungspulver-Teilchen im wesentlichen in einem Größenbereich von etwa 53 bis etwa 105/um aus der Legierung des Beispiels 4 in der Tabelle, die nominell aus 22 Cr, 10 Al, 1 Y und als Rest Nickel bestand, wurden heiß in aus einer Nickelsuperlegierung bestehende Stützsegmente für einen Umhüllungsring gepreßt, wobei die Superlegierung aus der im Handel erhältlichen Form bestand, die als Rene-77-Legierung bezeichnet wird. Die Segmente wurden dann zu der geeigneten Größe geschnitten und in einem bei Mach 0,8 zyklisch arbeitenden Gasbrenner mit einem Aufprallwinkel von 30° getestet. Die Tests wurden bei etwa II50 ⁰C und etwa 1205 ⁰C ausgeführt, und zu Vergleichszwecken ebenfalls mit Probekörpern aus Bradelloy-Material. Die Probekörper wurden einmal pro

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Stunde plötzlich auf etwa 93 ⁰C abgekühlt und dann plötzlich zur Testtemperatur erhitzt. Die Probekörper aus dem erfindungsgemäßen NiCrAlY-Material zeigten eine vernachlässigbare Gaserosion, während die Probekörper aus Bradelloy-Material oberflächlich oxydiert und erodiert waren, wie metallografisch festgestellt wurde.

Für eine quantitativere Auswertung der Erosionsbeständigkeit von Dichtungsteilen der vorliegenden Erfindung wurden ähnlich heißgepreßte Probekörper in einem Teilchen-Erosionstest in Abhängigkeit von der Dichte ausgewertet. Dieser Test war zu Erosionsverlusten von Bradelloy-Material in Gasturbinen in Beziehung gebracht worden. Er zeigte auch die Wirkungen der Erosion durch angesaugte Teilchen oder die Abriebteilchen. Bei dem Test wurden 750 g Al₂O-?ieilchen mit einer Größe von 50 ,um mit einem Druckabfall von etwa 4,2 kg/cm durch eine ringförmige Düse mit einem Durchmesser von etwa 5 mm geleitet. Der Abstand von Düse zu Probekörper wurde bei etwa 15 cm gehalten. Die Variation des Erosionsvolumenverlustes, verglichen mit der Dichte für heißgepreßte Probekörper und für heißgepreßte und oxydierte Probekörper, ist in der grafischen Darstellung der Figur 3 zusammengefaßt, bei der das FeCrAlY-Material des Beispiels 1 und das NiCrAlY-Material des Beispiels 4 der Tabelle verwendet wurde. Es ergibt sich daraus, daß der beste Erosionswiderstand im Bereich von etwa 65 % oder mehr der theoretischen Dichte für das aus der NiCrAlY-Legierung hergestellte Teil und für etwa 73 % oder mehr der theoretischen Dichte für das aus der FeCrAlY-Legierung hergestellte Material liegt. Einzelne Punkte, aus denen die grafische Darstellung der Figur 3 besteht, zeigen, daß Erwärmen die Erosionsbeständigkeit der aus beiden vorgenannten erfindungsgemäßen Materialien hergestellten Teile verbessert.

Superlegierungssegmente für Umhüllungsringe aus der obengenannten Rene-77-Legierung wurden mit der FeCrAlY-Legierung des Beispiels und der NiCrAlY-Legierung des Beispiels 4 durch Heißpressen bis zu einer durchschnittlichen Dichte von etwa 75 % der theoretischen gefüllt. Die Proben wurden dann 16 Stunden einer Temperatur von etwa 982 ⁰C ausgesetzt und danach in einer die volle Größe auf-

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weisenden Umhüllungsring-Stützstruktur montiert, auf den richtigen Durchmesser bearbeitet und die Abstände relativ zu einem Turbinenrotor voller Größe eingestellt. Die Rotorblätter aus einer im Handel erhältlichen Nickelsuperlegierung, die unter der Bezeichnung Rene-80-Legierung bekannt ist, wurden zu einer Spitzengeschwindigkeit von etwa 432 m/sek angetrieben, und dann erzeugte man ein Reiben durch hydraulische Betätigung der gesamten Umhüllungsringabstützung in radialer Richtung. In der Testreihe wurde das Eindringen für Tiefen von 0,127 - 0,380 mm auf Eindring-Geschwindigkeiten von 0,025 mm/sek und 0,51 mm/sek eingestellt. In diesen Tests trat der gesamte Abrieb auf den Umhüllungsringen auf, während die Turbinenblätter keinen Abrieb erlitten. Die geriebene Oberfläche des Umhüllungsringes war verschmiert, d. h. sie war plastisch geflossen. Die Poren nahe der geriebenen Oberfläche nahmen das deformierte Metall auf und ließen so die Oberfläche glatt und aerodynamisch vorteilhaft, wie in der Aufnahme der Figur 4 in 100-facher Vergrößerung gezeigt.

Ähnliche Umhüllungsringsegmente, gefüllt mit dem NiCrAlY-Material des Beispiels 4, wurden in einer handelsüblichen Gasturbine für Flugzeuge angeordnet, die für 500 schwere Testzyklen betrieben wurde, die man als beschleunigte Maschinenverschlechterung relativ zum normalen Luftlinienbetrieb bezeichnet. Der bei diesem Test gebildete leichte Abrieb verschmierte die Oberfläche der Umhüllungsringe durch plastisches Verformen. Das Abriebsmaterial wurde in den Poren nahe der Oberfläche aufgefangen, und die Nachgiebigkeit des erfindungsgemäßen Materials gestattete ein Zusammenpressen oder Verdichten der Oberflächenregionen zur Anpassung an die rotierenden Turbinenblätter. Die spektrografieehe Analyse zeigte, daß kein Material der Turbinenblätter auf den Umhüllungsring übertragen worden war. Bei einer solchen übertragung bildet sich normalerweise in anderen Materialien für Umhüllungsringe eine dicke Kruste oder Klumpen durch die fortgesetzte Metallübertragung von den Blättern, wenn sie über die Kruste laufen. Das Härten beim Betrieb und die Oxydation erzeugen aus der Kruste wirksam ein "Überzugswerkzeug", das dann sich in die Blattspitzen einarbeitet. In der Testturbine mit Umhüllungsringen aus NiCrAlY-

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Legierung waren Krusten und eine Metallübertragung von den Blattspitzen deutlich abwesend.

Das Merkmal der Nachgiebigkeit bei den Dichtungsteilen der vorliegenden Erfindung, wodurch eine Anpassung an die rotierenden Blätter mit einem "weichen" Abrieb erfolgt, ergibt sich aus einem geringen Elastizitätsmodul, verglichen mit vollkommen dichten Materialien. Der Elastizitätsmodul für die porösen Umhüllungsringe aus NiCrAlY-Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich von etwa 1400 bis etwa 2500 kg/mm (entsprechend 2-3,5 Millionen psi) und damit eine Größenordnung unter dem vollständig dichter Legierungen.

Die gesteuerte thermische Leitfähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung wird dazu benutzt, die Temperaturen der Gaspfadoberfläche mit den Temperaturen der Abstützung des ümhüllungsringes durch eine ausgewählte Porenstruktur auszugleichen, die einen beträchtlichen Temperaturabfall aufrechterhält. Die grafische Darstellung der Figur 5 zeigt die gemessene thermische Leitfähigkeit als Funktion der Temperatur für ein 75 % dichtes gesintertes Teil gemäß der vorliegenden Erfindung aus der Zusammensetzung des Beispiels ¹J der Tabelle, nachdem einige Oxydation in Luft stattgefunden hat und verglichen mit einem Teil aus dem Bradelloy-Material. Das Teil aus der NiCrAlY-Legierung hat, verglichen mit dem Bradelloy-Material, die Fähigkeit, durch die höhere Leitfähigkeit die Oberfläche am Gaspfad bei höheren Temperaturen kühler zu halten, und dies begrenzt die Oxydationsgeschwindigkeit an dieser Oberfläche und hält seine Beständigkeit gegenüber Gaserosion aufrecht.

Aus diesen beispielhaften Ergebnissen kann entnommen werden, daß die vorliegende Erfindung ein verbessertes poröses Teil zur Verwendung als Dichtungsteil bei hohen Temperaturen mit überraschend einzigartigen Eigenschaften schafft, obwohl die allgemeine Gruppierung der Elemente, die in der Legierung des Teiles verwendet wird, bekannt ist. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist zusammen mit dem kritischen Bereich der Zusammensetzung der

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Größenbereich für die Metallegierungs-Teilchen, um die Dichte zu steuern. Zur Steuerung der thermischen Leitfähigkeit ist der angegebene Dichtebereich mit Bezug auf die theoretische Dichte wichtig ebenso wie für die Fähigkeit, Abriebsteilchen aufzunehmen und eine Nachgiebigkeit zu gewährleisten, welche die Reibkräfte auf die Turbinenblattspitze beschränkt. Die Auswahl der Legierungszusammensetzung führt zu der gewünschten Duktilität und ergibt eine geringe Fließbelastung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, und dies gestattet ein Abreiben des Teiles gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein damit zusammenarbeitendes gegenüberliegendes Teil, wie ein rotierendes Turbinenblatt einer Gasturbine, was zu einer glatten, aerodynamisch annehmbaren Oberfläche führt.

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Claims

P at entansprüche

Verbessertes poröses Teil zum Einsatz bei hohen Temperaturen mit einer verbesserten Kombination von Oxydations- und Erosions-Beständigkeit, gesteuerter thermischer Leitfähigkeit und geringer Fließbelastung bei erhöhten Temperaturen, das bei reibendem Kontakt mit einem anderen Teil eine nachgiebige Basis und eine verschmierte, im wesentlichen zusammenhängende Oberfläche ergibt, wobei das Teil eine Vielzahl metallurgisch verbundener, metallografisch unterscheidbarer Metallegierungspulver-Teilchen umfaßt, die hauptsächlich im Größenbereich von etwa 53 bi¥TIÖ5/Um liegen, die Legierung der Metallteilchen im wesentlichen aus 15 - 35 Gew.-% Chrom, 8-20 Gew.-% Aluminium, bis zu 5 Gew.~% eines oder mehrerer Elemente, ausgewählt aus Yttrium, Hafnium und den Seltenen Erdmetallen, besteht, und der Rest ist ausgewählt aus Eisen, Kobalt und Nickel mit zufälligen Verunreinigungen, und das Teil durch das Einschließen von Poren eine Dichte im Bereich von etwa 65 - SO % der theoretischen Dichte hat.
2. Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß axe Legierung der Metallteilchen im wesentlichen aus 20 - 23 Gew.-% Chrom, 9-13 Gew.-? Aluminium, 0,1 - 5 Gew.-? Yttrium und/oder Hafnium und als Rest im wesentlichen Nickel besteht und das Teil eine Dichte im Bereich von et.wa 65 - 83 % der theoretischen Dichte hat.
3. Teil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung der Metallteilchen im wesentlichen aus 21-23 Gew.-% Chrom, 9 - 11 Gew.-? Aluminium, 0,8 - 1,2 Gew.-? Yttrium und/oder Hafnium besteht und der Rest im wesentlichen Nickel ist und das Teil eine Dichte im Bereich von etwa 70 - 83 % der theoretischen Dichte hat.

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Teil nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung der Metallteilchen nominell aus 22 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Aluminium., 1 Gew.-# Yttrium und als Rest im wesentlichen Nickel besteht.

Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung der Metallteilchen nominell aus 25 Gew.-% Chrom, 10 Gew.-% Aluminium, 1 Gew.-? Yttrium und als Rest im wesentlichen Eisen besteht und das Teil eine Dichte im Bereich von etwa 75 - 90 % der theoretischen Dichte hat.

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