DE2640741C2

DE2640741C2 - Dichtungsteil in Gasturbinen

Info

Publication number: DE2640741C2
Application number: DE2640741A
Authority: DE
Inventors: Moses Aaron Cincinnati Ohio Levinstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-12
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1985-09-26
Also published as: JPS5272335A; JPS6018746B2; DE2640741A1; IT1068270B; US4039296A; FR2334725A1; FR2334725B1; GB1553865A

Description

vorteilhaft eine mechanische Mischung aus pulverförmigen Materialien mit Teilchengrößen, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 100 μΐη hindurchgehen, die jedoch von einem Sieb .iiit einer lichten Maschenweite von 44 μιυ zurückgehalten werden. Der Einfachheit halber werden diese Teilchen im folgenden als in einem Teilchengrößenbereich von 44 bis 100 um fallend bezeichnet

Das Legierungspulver auf Nickel-Chrom-Grundlage kann ggf. in Form eines pulverförmigen Verbundstoffes vorliegen, bei dem die Umhüllir.ig oder Oberfläche aus einem anderen Element besteht. Es kann somit auch Mengen anderer Elemente enthalten, von denen einige Aluminium und Eisen sind.

Zum Aufbringen des Überzugsteils auf das Basisteil wird vorteilhaft zuerst das Basisteil gereinigt, dann vorzugsweise eine Zwischenschicht, die hauptsächlich aus Nickel besteht, aufgetragen und <iann durch Flammspritzen unter Verwendung eines Sauerstoff-haltigen Gases aus aliphatischen Kohlenwasserstoff, wie eines Sauerstoff/Acetylen-Gases, unter aufkohlenden Bedingungen die pulverförmige Mischung in einem Temperaturbereich von etwa 1150 bis etwa 1260⁰C aufgebracht

Dabei erhall man ein Dichtungsmaterial, das ein Basisteil und ein abreibbares Überzugsteil einschließt, das das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt der oben eingesetzten Pulvermischung ist

Das abreibbare Überzugsteil umfaßt eine Dispersion von Graphitteilchen und eine Vielzahl kompakter Teile aus der Legierung auf Chrom-Nickel-Basis, wobei Nickelplättchen die Verbindung von Teilchen zu Teilchen unterstützen. Das Überzugsteil hat eine Dichte von etwa 3,7 bis 4,2 g/cm³.

Das Basisteil kann aus irgendeinem verträglichen Material bestehen, wie den Legierungen auf Eisen-, Kobalt-, N ickel-, Titan-, Aluminium- und Magnesiumgrundlage, die häufig in Gasturbinen verwendet werden.

Die Suche nach verbesserten Überzügen oder Materialien zur Steuerung der Spaltweite zur Verwendung bei den zusammenarbeitenden Teilen in Kompressoren, z. B. den rotierenden Blättern und Gehäusen ebenso wie den stationären Blättern und dem rotierenden Teil von Rotoren, schloß die Auswertung einer weiten Vielfalt von Materialien ein, die aus im Handel erhältlichen Metallpulvern erhalten wurden. So ist z. B. eine Vielfalt von Pulvern im Handel erhältlich, die aus einem Graphitkern und einer Nickelumhüllung in einer Vielfalt von Zusammensetzungen bestehen. Das Zubereiten und Aufbringen solcher überzogener Pulver, die manchmal als Verbundpulver bezeichnet werden, ist bekannt und in der Literatur beschrieben, wie z. B. in Spalte 2 der US-PS 33 42 563.

In der Erfindung ist erkannt worden, daß eine mechanische Mischung von Pulvern, die das Legierungspulver auf Nickel-Chrom-Basis und das Nickel-überzogene Graphitpulver einschließen, beim Aufbringen mittels eines thermischen Verbrennungsverfahrens bei relativ tiefer Temperatur und geringer Teilchengeschwiridigkeit, das auch als Flammspritzen bezeichnet wird, bei dem die Teilchen unter aufkohlenden Bedingungen bis zu einer Temperatur im Bereich von etwa 1150 bis 1260^cC erhitzt werden, einen verbesserten abreibbaren Überzugsteil zum Aufbringen auf ein Dichtungsteil ergibt Ein solches Verfahren, das mit einer Verbrennung arbeitet, steht im Gegensatz zu dem thermischen Aufbringverfahren unter Verwendung eines Plasmas, da das erfindungsgemäße Überzugsteil ein deutlich anderes Gefüge hat Das erfindungsgemäße Überzugsteil weist beträchtlich weniger laminare Teilchen, insbesondere im Hinblick auf die Nickelteilchen, auf.

In einer Auswertungsserie wurde ein Verbundpulver mit einer Legierung auf Chrom-Nickel-Basis eingesetzt, das eine Zusammensetzung von 4 bis 8 Gew.-% Aluminium, 16—20 Gew.-% Chrom und als Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen aufwies, wobei die Nickel-Chrom-Legierung den Kern bildete und Aluminium den Überzug auf dem Kern. Dieses Verbundpulver mit der Nickel-Chrom-Legierung wurde in verschiedenen Anteilen mit einem Verbundpulver vermischt, das einen Graphitkern und eine Umhüllung aus Nickel aufwies, wobei Nickel in einer Menge von 60 Gew.-% und Graphit in einer Menge von 40 Gew.-% vorlag. In dieser Beispielsreihe wies jedes Pulver Teilchengrößen im Bereich von 44 bis 100 μπι auf, da festgestellt wurde, daß ein größerteiliges Pulver zu einem Überzug unzureichender kohäsiver Festigkeit und ein kleinerteiliges Pulver zu einem zu dichten Überzug führt Die verschiedenen mechanischen Pulvermischungen wurden durch Flammspritzen auf ein Basisteil aus einer Titanlegierung unter Verwendung einer Sauerstoff/Acetylen-Gasmischung bei einem Druck von etwa 0,7 bis 1,05 bar aufgebracht. Die Überzugsteildicke lag im Bereich von etwa 0,75 bis 1 mm.

Nach der Erzeugung abreibbarer Überzüge mit einer Vielzahl von Kombinationen solcher Pulver wurden die Überzüge Reibtests unter Verwendung von Kompressorblättern mit etwa 0,63 mm dicken Spitzen unterworfen. Die Blattspitzen und das abreibbare Überzugsteil wurden relativ zueinander mit einer Geschwindigkeit von etwa 1200 m/min mit einer festgelegten maximalen Reibtiefe von etwa 0,5 mm rotiert. In der folgenden Tabelle I sind die Blattabriebsdaten für zwei Kombinationen der Pulvermischung aus dem obengenannten Chrom-Nickel-Legierungspulver (in der Tabelle 443 genannt) und dein Nickel/Graphit-Pulver (in der Tabelle NiC (g) genannt) angegeben. ■

Tabelle I Kompressorblatt aus Nickellegierung Pulvermischung (Gew.-%) Blattabrieb

443 6ON1/4OC (e). (mm)

Beispiel 1 70 30 0,0025-0,020

Vergleichsbeispiel 1 60 40 0,088-0,105

Die Nickellegierung für die Kompressorblätter enthält in Gew.-°/o folgende Bestandteile: 0,05 C, 19 Cr, 18 Fe, 3 Mo, 5 Nb und Ta zusammen, 1 Ti, 0,5 Al und der Rest sind im wesentlichen Nickel und übliche Verunreinigungen.

Die bei der Auswertung gemäß Tabelle I eingesetzten Probekörper wurden fünf Stunden bei 425° C vorgealtert, wobei das in der folgenden Tabelle II genannte Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel III einer zusätzlichen Alterung von 5 Stunden bei etwa 620°C unterworfen wurden.

Aus den Blattabriebsdaten der Tabelle I ist leicht ersichtlich, daß dieser Abrieb außerordentlich groß war bei Verwendung einer Mischung von 40 Gew.-% des 60% Nickel und 40% Graphit umfassenden Pulvers mit 60% des 443-Pulvers gemäß dem Vergleichsbeispiel I. Der damit erhältliche Überzug wies nur eine geringe Erosionsbeständigkeit auf, nachdem man ihn 620° C ausgesetzt hatte.

Bei einer anderen nicht in Tabelle I aufgeführten Auswertung wurde außerdem festgestellt, daß ein Überzug mit etwa 80 Gew.-% des 443-Pulvers zu hart war und daher zuviel Abrieb auf dem Blatt erfolgte.
Das Pulver zur Herstellung des Überzugsteils gemäß der Erfindung umaßt daher eine mechanische Mischung eines Nickel/Graphit-Pulvers und eines Legierungspulvers auf Chrom-Nickel-Basis, in dem das Nickel/Graphii-Pulver 20 Gew.-% bis 40 Gew.-% der Mischung umfaßt und das Nickel, wie im folgenden noch gezeigt wird, mehr als 50% aber weniger als 75% des Nickel/Graphit-Pulvers umfaßt.

In dem fertigen Überzugsteil, das das Produkt des Schmelzens und der Wechselwirkung der mechanischen Pulvermischung beim Flammspritzen darstellt, sorgt das Nickel/Graphit-Pulver für die Porosität und das Nickel-Chrom-Legierungspulver für die Oxidationsbeständigkeit. Beim anfänglichen Reiben kann der Graphil als Schmiermittel wirken. Nachdem man das Überzugsteil jedoch einer relativ kurzen Zeit den Betriebsbedingungen ausgesetzt hat, wird der Graphit zu einem Gas oxidiert, und dies führt zur Entstehung weiterer Hohlräume oder Porosität in dem Überzugsteil. So ist der Graphit z. B. bei etwa 650°C nach etwa 2 Stunden und bei etwa 480° C nach etwa 24 Stunden oxidiert.

Eine andere Auswertungsreihe wurde unter Verwendung einer mechanischen Mischung aus 65 bis 75 Gew.-% 443-Pulver und 25 bis 35 Gew.-% des aus 60% Nickel und 40% Graphit bestehenden Pulvers ausgeführt. Das Überzugsteil wurde, wie oben beschrieben, in einer Dicke von etwa 1 mm unter Verwendung von Sauerstoff/ Acetylen-Gas aufgebracht. Der oben beschriebene Reibtest wurde unter Verwendung von Blättern aus der obengenannten Nickel-Legierung ausgeführt, wobei die Eindringgeschwindigkeit 0,025 mm/sec betrug und ein Gesamtabrieb von 0,37 mm erfolgte. Der Blattabrieb war dabei sehr gering und betrug nicht mehr als etwa 0,025 mm.

Das Nickel/Graphit-Pulver wurde noch in einer anderen Testreihe ausgewertet, in der eine Mischung von 70% 443-Pulver und 30% zweier verschiedener Arten von Nickel/Graphit-Pulver verwendet wurden.
In der folgenden Tabelle 11 sind Ergebnisse der oben beschriebenen Reibversuche aufgeführt.

Die Eisenlegierung für die Kompressorblätter bestand in Gew.-% aus folgenden Bestandteilen: 15 Cr, 25,5 Ni, 1,3 Mo, 2,2 Ti, 0,007 B, 0,3 V und der Rest waren Eisen und übliche Verunreinigungen.
Aus den Blattabriebsdaten in der Tabelle II ergibt sich eine deutliche Zunahme im Blattabrieb unter variieren-

den Bedingungen des aufgebrachten Überzugsteils, wenn der Nickelgehalt des Nickel/Graphit-Pulvers auf 75 Gew.-% erhöht wird. Weiter wurde erkannt, daß nur 50 Gew.-% Nickel nicht ausreichen, den erforderlichen Nickelfilm zu bilden, der die Chrom-Nickel-Legierungspulver-Teilchen in dem Überzugsteil gemäß der Erfindung zusammenbindet Das eingesetzte Nickel/Graphit-Pulver enthält daher Nickel in einer Menge im Bereich von mehr als 50 bis weniger als 75 Gew.-%.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Teilschnittansicht eines Umhüllungsdichtungsteiles für einen Gasturbinenkompressor und

F i g. 2 ein Schliffbild in lOOfacher Vergrößerung einer Ausführungsform des abreibbaren Überzugsteils nach der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Dichtungsteil, von dem eine Art in Fig. 1 als Teil eines Umhüllungsringes für einen Gasturbinenkompressor dargestellt ist, hat ein Basisteil 10 und ein abreibbares Überzugsteil 12, das mittels einer Zwischenschicht 14, die aus Nickel besteht, mit dem Basisteil verbunden ist Das abreibbare Überzugsteil 12 besteht auch hauptsächlich aus Nickel und ist das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt der erfindungsgemä-. ßen Pulverrnischung nach dem Flammspritzen.

In dem Überzugsteil, von dem das Schliffbild der Fig.2 in lOOfacher Vergrößerung gemacht worden ist, umfaßt der Überzug, bevor man ihn den Betriebsbedingungen aussetzt, eine Dispersion körnig erscheinender dunkler Graphitteilchen und einer Vielzahl heller erscheinender kompakter Teile aus der Nickel-Chrom-Legierung, die mit einem Nickelfilm verbunden sind. Das Überzugsteil der F i g. 2 wurde, wie oben beschrieben, aus einer Mischung von 67,5% 443-Pulver und 32^5% Nickel/Graphit-Pulver hergestellt wobei das Nickel etwa 60% des Nickel/Graphit-Pulvers umfaßte.

Eine andere Auswertungsreihe benutzte ein Nickel-Chrom-Legierungspulver mit einer Zusammensetzung von etwa 15 bis 22 Gew.-% Chrom, bis zu 14 Gew.-% Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel. Eine Form einer solchen Legierung, die im Handel erhältlich ist hat eine nominelle Zusammensetzung von 15,5 Gew.-% Chrom,

Tabelle II Kompressorblatt aus Eisenlegierung	NiCg %Ni	%C(g)	Blattabrieb (mm)	Überzug gealtert unter folgenden Bedingungen
	60 75	40 25	0 0,150-0,175	650°C/5h 650° C/5 h

Beispiel 2 Vergleichsbeispiel II

8 Gew.-% Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel. Die oben beschriebenen Blattabriebs-Tests wurden mit etwas mehr Blattabrieb ausgeführt.

Wie oben in bezug auf Fig. 1 erwähnt, kann das Dichtungsteil nach der Erfindung eine Zwischenschicht 14 zwischen dem Basisteil 10 und dem abreibbaren Überzugsteil 12 einschließen, wobei diese Zwischenschicht mit einer chemischen Lösung, die im wesentlichen keine nachteilige Wirkung auf das Material des Basisteiles ausübt, ablösbar ist. In einer Reihe von Beispielen bestand eine solche ablösbare Zwischenschicht aus Nickel, das durch Flammspritzen vor und in der gleichen Weise wie das abreibbare Überzugsteil aufgebracht worden war. Eine Zwischenschicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis 0,2 mm ist für den beabsichtigten Zweck, die Entfernung des abreibbaren Überzugsteils zu gestatten, im allgemeinen angemessen, z. B. für die Reparatur einer Dichtung oder das Ersetzen des abreibbaren überzugsieüs. So wurde z. B. das oben beschriebene abreibbare Überzugsteil der F i g. 1 von dem Basisteil durch Auflösen der flammgespritzten Zwischenschicht aus Nickel in einer wäßrigen Lösung aus etwa der Hälfte HNO3 in V2 bis 1 Stunde bei etwa 80 bis 95°C abgelöst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dichtungsteil in Gasturbinen mit einem Basisteü und einem abreibbaren Oberzugsteü,-der das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt einer Nickel-überzogenes Graphit-Pulver und ein Pulver aus einer Legierung auf Nickel-Chrom-Grundlage enthaltenden Mischung ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Nikkei-überzogene Graphit-Pulver mehr als 50 bis weniger als 75 Gew.-% Nickel enthält, die Oberzugsmischung aus mehr als 60 bis weniger als 80 Gew.-% des Legierungspulvers auf Nickel-Chrnm-Grundlage und aus Nickel-überzogenem Graphit-Pulver als Rest besteht,

der Überzugsteil durch Flammspritzen aufgebracht ist und eine Dichte von 3,7 bis 4,2 g/cm³ aufweist 2. Dichtungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nickel-überzogene Graphit-Pulver aus 55 bis 65% Nickel und Graphit als Rest besteht

3. Dichtungsteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver auf Chrom-Nickel-Grundlage ein Verbundpulver ist, das einen Kern aus Nickel-Chrom-Legierung und eine Hülle aus Aluminium umfaßt, wobei die Hülle bis zu 8 Gew.-% ausmacht

4. Dichtungsteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundpulver aus 4 bis 8% Aluminium, 16 bis 20% Chrom und Nickel und üblichen Verunreinigungen als Rest besteht

5. Dichtungsteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver auf Nickel-Chrom-Grundlage ein Nickel-Chrom-Eisen-Legierungspulver ist, das aus 15 bis 23% Chrom, bis zu 14% Eisen und Nickel und üblichen Verunreinigungen als Rest besteht

6. Dichtungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich eine Zwischenschicht aufweist, die sowohl mit dem Basisteil als auch mit dem abreibbaren Oberzugsteil verbunden ist wobei die Zwischenschicht aus einem Material besteht, das mit einer chemischen Lösung, die im wesentlichen keine nachteilige Wirkung auf das Basisteil ausübt, ablösbar ist

7. Dichtungsteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Nickel besteht 8. Dichtungsteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil aus einer Legierung auf der

Grundlage von Eisen, Kobalt, Nickel, Titan, Aluminium und Magnesium besteht

Die Erfindung betrifft ein Dichtungsteil in Gasturbinen mit einem Basisteil und einem abreibbaren Überzugsteil, der das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt einer Nickel-überzogenes Graphit-Pulver und ein Pulver aus einer Legierung auf Nickel-Chrom-Grundlage enthaltenden Mischung ist

Die Wirksamkeit eines Axialströmungs- Kompressors in einer Gasturbine ist zumindest teilweise abhängig von der Verhinderung von Leckbildung zwischen den einzelnen Turbinenstufen. Ist ein relativ weiter Abstand zwischen einem Kompressorgehäuse und einer Kompressorrotorstufe vorhanden, dann kann ein Strömungsmittel, wie Luft die unter Druck steht aus einem Teil des Kompressors, in dem ein höherer Druck herrscht, zu einem Teil mit einem geringeren Druck entweichen. Zusammen mit der Gasturbinen-Entwicklung erfolgte daher die Entwicklung von Überzügen zur Steuerung der Spaltweite, um die Leckverluste zwischen den einzelnen Stufen möglichst gering zu halten.

Die Lösung des Problems, die Spaltweite zu steuern, wird durch die Tatsache kompliziert, daß sich während des Betriebes das Kompressorgehäuse und die rotierenden Kompressorblätter während eines Turbinenzyklus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen oder zusammenziehen. Eine Lösung dieses Problems bestand darin, daß man die Blätter rotierend, stationär oder unter beiden Umständen einen Pfad in ein Material schneiden ließ, das in jeder Stufe mit den Blattspitzen nebeneinander gestellt war. Die dazu eingesetzten Materialien schlossen Bienenwaben, Drahtnetze, geschäumte Metalle und andere poröse Strukturen ein. Ein solches in weiter Anwendung in Gasturbinen für Flugzeuge befindliches Material ist in der US-PS 33 42 563 beschrieben.

Viele der vorhandenen Systeme zur Steuerung der Spaltbreite arbeiten für die Art Turbine, in der sie

angewendet werden, in angemessener Weise. Die weiterentwickelteren Turbinen erfordern jedoch verbesserte

Materialien mit Eigenschaften, die ihren Einsatz bei höheren Temperaturen gestatten und die einen geringeren

Abrieb an den Blattspitzen verursachen, die mit dem abreibbaren Überzug oder Material in reibende Berührung

kommen.

Ein Dichtungsteil der eingangs genannten Art ist in der DE-OS 22 39 840 beschrieben. Dieses Dichtungsteil

besteht jedoch aus einem gesinterten Gemisch von 10 bis 40 Gew.-% Nickel-Chrom-Legierungspulver, 3 bis 20

Gew.-% Kobalt-Aluminium-Yttrium-Legierungspulver und 35 bis 65 Gew.-% neutralem Pulvermaterial, wie

Bornitrid, SiOrGlas, Glimmer, Graphit, CoO, ZnO und M0S2, das mit Nickel oder seinen Legierungen umhüllt

In der DE-AS 20 43 424 ist zwar ein Nickel-überzogenes Graphit-Pulver beschrieben, dies aber im Zusammenhang mit der Herstellung nickellegierter Stähle durch Pressen einer Mischung aus Metallpulver und dem Nickel-überzogenen Graphit und anschließendes Sintern des Preßkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungsteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen verminderten Blattabricb verursacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Nickel-überzogene Graphit-Pulver mehr als 50 bis weniger als 75 Gew.-°/o Nicke! enthält, die Überzugsmischung aus mehr als 60 bis weniger als 80 Gew.-°/o des Legierungspulvers auf Nickel-Chrom-Grundlage und aus Nickel-überzogenem Graphit-Pulver als Rest besteht, der Überzugsteil durch Flammspritzen aufgebracht ist und eine Dichte von 3,7 bis 4,2 g/cm³ aufweist.

Die pulverförmige Ausgangsmischung für das Überzugsteil des Dichtungsteiles gemäß der Erfindung umfaßt