DE2655929A1

DE2655929A1 - Dichtungsteil sowie pulvermischung zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2655929A1
Application number: DE19762655929
Authority: DE
Inventors: Edward James Bauersfeld; Moses Aaron Levinstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-12
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1977-06-16
Also published as: SG3983G; DE2655929C2; GB1557560A; FR2334897B1; JPS5285031A; JPS601396B2; FR2334897A1; US4023252A

Description

Die Erfindung bezieht sicn auf Dientungsteile und insbesondere auf solche mit einem abreibbaren überzugsteil zur Steuerung des Abstandes, wobei die überzüge bei Temperaturen bis zu etwa ⁰ eingesetzt werden können.

Der Wirkungsgrad eines Axialströmungskompressors in einer Gasturbine ist zumindest teilweise aavon abnängig^ dass Lecks zwiscnen den einzelnen Stufen verhindert werden. Ist zwischen einem Kompressorgehäuse und einer Rotorstufe eines Kompressors ein relativ weiter Abstand vorhanden, dann kann das Strömungsmittel,

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wie Komprimierte Luft, von einem Teil, eier unter nönerem Druck steht, zu einem Teil mit geringerem DrucK entweicnen. uand in iianu mit aer Entwicklung eier Gasturbinen verlief aaner die Entwicklung von überzügen zur Steuerung aes Abstandes zwiscnen Turbinenteilen, um ein Lecken zwischen den einzelnen .Stufen möglichst gering zu nalten.

Üie Lösung ues Problemes der Steuerung aes Abstanues wird durcn uie Tatsache kompliziert, dass sich während aes Betriebes uas Kompressor^enäuse una aie rotierenden Kompressorscnaufeln verscnieaen ausdennen oder zusammenzienen. Eine Lösung bestand daher darin, dass man aie Schaufeln, seien sie rotierend, stationär oder beides, einen Pfad in ein Material schneiden liess, aas neben den Scnaufelspitzen montiert war. nierfür verwendete Materialien scuioßen wabenförmige, arantnetzarti^e, gescnäumte Metalle und anaere poröse Strukturen ein. Ein in Gasturbinen für Flugzeuge in weitem Umfange angewendetes aerartiges Material ist in der US-PS 3 3^2 ^63 besenrieben.

Viele aer vornanaenen Systeme zur Steuerung aes Abstandes arbeiten für die Art Turbine, in aer sie angewendet sind, angemessen. Die weiter entwickelteren Turbinen erfordern jeaocn verbesserte Materialien für nönere Temperaturen sowie mit verringertem Abrieb auf den Spitzen aer Scnaufeln, aie in heibverbindung mit einem abreibbaren Überzug stehen. Ein besonderes Problem existiert ninsichtlicn aes Abriebs von Schaufeln, aie aus Titan oder Titanlegierungen xier_besteilt sinü.

Es ist aaher eine aauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Dicntungsteil mit einem abreibbaren Überzug zur Steuerung aes Abstandes zu scnaffen, das bei Temperaturen bis zu etwa S'-jO C eingesetzt werden kann, wobei der überzug das Zusammenarbeiten mit Teilen wie Schaufeln aus Titan oder Titanlegierungen zum Abreiben αώό Überzuges mit geringem oder gar keinem Abrieb auf

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uen Schaufeln gestattet, wobei aer überzug bestänuig sein soll gegen Erosion durch in Luft mitgerissene Teilcnen.

leiter soll ein verbessertes pulverförmiges Material zur Herstellung eines solcnen Überzuges geschaffen werden.

Das pulverförmig Material geruäss üer vorliegenden Erfindung umfasst eine mechanische Mischung mehrerer Pulver, von denen jeaes Teilchen in einem solcnen Grössenbereich enthält, daß die Pulvermischung durcn ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa OjI min hinaurcngeht, von einem Sieb mit einer licnten Maschenweite von etwa 0,0^ mm jedoch zurückgehalten wird. Diese PulVermischung enthält ein erstes Pulver, aas menr als etwa b'O * bis weniger als etwa 80 % eines Aluminiura-Kupfer-Legierungspulvers umfasst, aas im wesentlichen aus 90 bis 95 /« Kupfer, ois zu etwa 2 % £isen und/oder Silicium und als Rest Aluminium und zufälligen Verunreinigungen bestent. Der Rest der Pulvermiscnung ist ein zweites Pulver aus NicKel-Graphit, das aus einem Graphitkern bestent und eine uülle aus Nickel aufweist, wobei aas Nickel mehr als etwa 50 % und weniger als etwa 7i> % des Nickel-Grapnit-Pulvers ausmacnt.

Eine solcne Mischung kann zur Schaffung eines Überzuges für ein Dicntungsteil benutzt werden, wobei das Aufbringen der Pulvermischung auf ein gereinigtes Grundteil aes Dichtungsteiles mittels einer Flamme unter Verwendung eines Sauerstoff-Kohlenwasserstoff-, wie Sauerstoff-Acetylengases, unter verkohlenden Bedingungen erfolgt, wobei das Pulver auf eine Temperatur im Bereich von IO9O bis 1205 C ernitzt wird.

Bei diesem Aufbringverfahren unter Verwendung der erfindungsgemässen Pul Vermischung erhält man ein Dicntungsteil mit einem Grundteil und einem abreibbaren überzug, der aurch das Schmelzen und die Wechselwirkung der erfindungsgemessen Pulvermiscnung entstanden ist. Der abreibbare überzug umfasst eine Dispersion aer

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Grapnittellchen una vieler blockartiger Teile uer Aluminium-Kupfer-Legierung, wobei Nickelplättchen aas Verbinaen von Teilchen zu Teilcnen unterstützen. Der Überzug weist eine Dichte von etwa 3,6 bis 4 g/cm·⁵ auf. Der Grundteil kann aus irgendeinem verträglichen Material bestenen, wie Eisen-, Kobalt-, Nickel-, Titan-, Aluminium- una Magnesiumlegierungen, wie sie häufig in Gasturbinen verwenaet weraen.

Die Sucne nacn verbesserten Überzügen zur Steuerung des Abstanaes oder nacn Materialien zur Verwendung mit zusammenarbeitenden Teilen und Kompressoren, z.B. den rotierenaen Schaufeln und Gehäusen ebenso wie stationären Scnaufeln und dem rotierenden Teil von Rotoren, schloss die Auswertung einer weiten Vielfalt von Materialien ein, aie im liandel erhältlich sind, einschliesslich Metallpulvern. So ist z.B. eine Vielzahl von Pulvern im Handel erhältlich, die aus einem Graphitkern und einer Nickelhülle in einer Vielzahl von Zusammensetzungen besteht. Die Herstellung und das Aufbringen solcher überzogener Pulver, aie manchmal als Verbühdpulver bezeichnet werden, ist bekannt una unter anderem in der oben genannten US-PS beschrieben. In aer vorliegenden Erfindung ist demgegenüber erkannt worden, aass eine mechanische Mischung mehrerer Pulver, aie aas Pulver aus aer Xupfer-Aluminium-Legierung und das Nickel-Graphit-Pulver einschliesst, beim Aufbringen mittels eines bei relativ geringer Temperatur und mit geringer Teilchengeschwindigkeit arbeitenden Flammenaufbringverfahrens, bei dem die Teilchen unter carbonisierenäen Bedingungen auf eine Temperatur von etwa 1U9Ü bis 12ü^ C und vorzugsweise eine Temperatur von etwa 1100 bis llb5°C ernitzt werden, zu einem verbesserten abreibbaren Überzug zum Aufbringen auf ein Dichtungsteil führt, aas besonders brauenbar ist beim Zusammenarbeiten mit Teilen aus Titan oder Titanlegierungen. Ein solches Verbrannungsverfahren zum Aufbringen steht im Gegensatz zu dem Plasmaaufbringverfaaren in_sofern, als ein merKlich anderes Gefüge erhalten wird, uas

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im Rahmen der vorliegenden .crfinaung angewendete Verfanren ergab beträcntlicn weniger laminare Teilcnen als das Plasmaaufbringverfanren. Bei dem erfinuungsgemässen Verfanren wird ein Sauerstoff-Kohlenwasserstofi^>gas_/wie Sauerstoff-Acetyleri- una Sauerstoff-Propangas , unter carbonisierenden Bedingungen verwendet, um eine Teilchentemperatur im bereich von 10^0 bis 120^⁰C zu schaffen.

Bei Abreib tests, aie mit einer niinaringgeschwindigkeit von 0,02^ nun pro Sekunde für 15 Sekunden unter Verwendung von iO Scnaufeln in einem Testaufbau ausgefünrt wurden, ernielt man einen Schaufelabrieb bei einer Scnaufel aus 6 % Aluminium, 4 % Vanadium und als Rest Titan von 0,0 5 mm oder weniger. Bei aen nacnfolgend ausgeführten strengeren Tests wurde die Zanl der Scnaufeln aus üer Titanlegierung auf 6 verringert und der Scnaufelabrieb erhönte sich gemäss den in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen. Ähnliche Daten bei einer Aoreibgeschwinüigkeit von 0,0025 nim pro Sekunde ergaben einen Scnaufelabrieb von etwa 0,2 75 nun.

709824/0822 ORIGINAL INSPECTED

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TABELLE I

Abreibbarficeit von Schaufeln aus Ti-6# Al-^fr V-Legierung mit einem Überzug aus 70 - 75 % Metco 443-Pulver und 2i> - 30 % Mickel-Grapnit-Pulver (60£ Wickel, 40/i Graphit) und einer Abreib geschwindigkeit von 0,025 nim pro Sekunde für 15 Sekunden '

Beispiel	Zahl der Schaufeln	Zustand des Überzuges	Schaufelabrieb (in mm)
1	30	A	0,025
2	6	A	0,113 - 0,175
3	6	B	0,175 - 0,2

A - wie aufgesprüht

B - aufgesprünt und bei etwa 425°C 5 Std. wärmebehandelt

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Aus den Daten, aus denen die Daten der Tabelle I ausgewählt wurden, ergab sich eier Schluss, aass unter bestimmten bedingungen in Verbindung mit einem Teil aus einer Titanlegierung, wie einer Kompressorschaufel, aie Verwendung der oben bescnriebenen Pulvermischung nachteilig sein könnte.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass eine mechanische Mischung des obigen hickel-Graphit-Pulvers mit einem Pulver aus der obigen Kupfer-Aluminium-Legierung die Schaffung eines abreibbaren Materials gestattet, das sich beträchtlicn weniger abrieberzeugend bei der Titanlegierung der Schaufeln auswirkt. Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass bei einem Anteil von 50 Gew.-* der obigen Kupfer-Aluminiurn-LegierungtLn der Pulvermischung der überzug zu weicn war und keine ausreichende Erosionsbeständigkeit gegenüber den in der Luft vorhandenen Teilchen hatte. Andererseits erwiesen sicn etwa 60 Gew.-% Aluminium-Kupfer-Legierung in der Pulvermischung als einen zu harten überzug ergebend ungeeignet. Die erfindungsgemässe Mischung weist daher mehr als 50 bis weniger als 60 Gew.-% des Pulvers aus der Aluminium-Kupfer-Legierung und vorzugsweise pp bis 75 Gew.- Iq davon und besonders 55 Gew.-/« der Kupför-Aluminium-Legierung auf.

iiinsicntlich der Kupfer-Aluminium-Legierung liegt eine Legierung mit bis zu 10 Gew.-% Aluminium und als Rest Kupfer im dereicn der festen Lösung des Kupfer-Aluminium-Pnasendiagramms. Innerhalb dieses Bereiches erwies sich eine Zusammensetzung von 90 bis 95 i Kupfer, 5 bis 10 # Aluminium und bis zu 2 i Eisen und/oder Silicium sowie zufällige Verunreinigungen wegen der ausgezeichneten Oxydationsbeständigkeit bei den Betriebstemperaturen des Kompressors als besonders vorteilhaft.

Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde jedes der Pulver in der Mischung aus einem Grössenbereich von etwa 0,044 bis etwa 0,1 nan ausgewählt, weil festgestellt wurde, dass ein

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gröberes Pulver zu einem überzug mit unzureichender Festigkeit una kleinere Pulverteilcnen zu einem zu dienten überzug führen. Die verschiedenen mecnanischen Pulverrnischungen wurden dann auf ein Grund- oder Stützteil aus einer Titanlegierung unter Verwendung eines Sauerstoff-Acetylen-Gasgemisches unter einem Druck von etwa 0,7 bis 1,05 Atm. mit Flammsprühen aufgebracht. Die Überzugsdicke lag im Bereich von etwa 0,75 bis 1,25 mm.

Nach der Erzeugung der abreibbaren überzüge mit einer Vielfalt von Pulverkombinationen wurden die überzüge in Reibtests ausgewertet, bei denen Kompressorschaufeln mit etwa 0,065 mm dicken Spitzen benutzt wurden. Die Schaufelspitzen und der abreibbare Überzug wuraen relativ zueinander mit einer Geschwindigkeit von etwa 12 000 Oberflächenmetern pro Minute für 200 Sekunden bei einer Reibgeschwindigkeit von 0,002p mm pro Sekunde rotiert. In der folgenden Tabelle II sind die Scnaufelabriebsdaten für einen überzug aus 65 % Kupfer-Aluminium und 35 % Wickel-Grapnit zusammengefasst. Die Kupfer-Aluminium-Legierung enthielt nominell 90 bis ■ _ . . Eisen

9d % Kupfer, bis zu exnem Prozent/und als Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen una aas Nickel-Graphit-Pulver bestand aus 60 % Nickel und 40 % Graphit (alles in Gew.-#). Die Daten in Tabelle II, zeigen den relativen Schaufelabrieb unter vier Bedingungen: wie aufgesprüht, wie aufgesprüht und zerspanend bearbeitet, wie aufgesprüht und wärmebehandelt unter Simulierung der Kompressortemperaturen und -zeiten sowie den letztgenannten Zustand zerspanend bearbeitet.

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II

Abriebstests mit einem Überzug aus 65 % Kupfer-Aluminium-Legierung und 33 % wickel-Grapnit sowie 6 Schaufeln aus Ti, 6 % Al, 4 % V

	Zustand	Abriebstiefe	Durchschnittlicner
Beispiel	A	(mm)	Scnaufelabrieb (mm)
4	A	0,275	nein
5	A	0,325	nein
6	A	0,40	nein
7	B	0,475	nein
a	B	0,30	nein
9	C	0,35	nein
10	C	0,35	0,045
11	C	0,40	0,013
12	D	0,50	nein
13	D	0,225	0,037
14	D	0,25	0,025
15	D	0,30	nein
16		0,30	0,025
Zustände

A - wie aufgesprüht

B - aufgesprüht una zerspanend bearbeitet

C - aufgesprüht und bei etwa 48p°C 24 Stunden wärmebehandelt D - Zustand C und danach zerspanend bearbeitet.

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λλ

Die Jäten aer Tabelle II zeigen deutlich uie ausgezeichnete Abreibbarkeit ues Überzuges aus o5 ,» Kupfer-Aluminium-Legierung una 35 Gew.-ji riicKel-Graphit in einer Heine von Zuständen bei Wechselwirkung mit Titanteilen. Anuere Auswertungen der erfinaungsgemässen Pulvermischung haben gezeigt, dass unter inrer Verwendung hergestellte Dientungsteile bei Zusammenarbeit mit Teilen aus Eisen- oaer Nickellegierungen wenig oder keinen Schaufelabrieb ergeben, wenn sich der überzug in dem Zustand wie aufgesprüht befindet oder in Zuständen, welcne die Temperaturen und Zeiten simulieren, die im Kompressor vorkommen. Die typiscnen dieser Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle III gezeigt. Die Zahl der verwendeten Scnaufeln und die Abriebsgeschwindigkeit war in der Tabelle III die gleicne wie bei der Tabelle II.

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III

Abriebstests mit einem Überzug aus 05 % Kupfer-Aluminium-Legierung und 35 % Nickel-Graphit bei Verwendung von ö Schaufeln aus Eisen- oder Nickel-Legierung und einer Abriebsgeschwindigkeit von 0,025 mm pro Sekunde für 200 Sekunden

	Legierung	Zustand	Abriebstiefe	Schaufelabrieb
Beispiel	IN718	A	(mm)	(mm)
17	IN 7 Ib	A	0,45	nein
lö	ΙΝ71ύ	ß	0,575	nein
19	In 7 Io	C	0,45	nein
20	IN716	D	0,50	nein
21	IW 7 Ib	J	0,20	0,025
22	IN 716	D	0,35	nein
23	A2öö	A	0,45	nein
24	A£ü6	Algeöxt)		0,013
25				nein
Zustände

A - wie aufgesprünt

B - wie aufgesprüht una zerspanend bearbeitet

G - wie aufgesprüht und für 24 Stunden bei etwa 65O⁰C wärmebehanaelt

D - Zustand G und dann zerspanend bearbeitet

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Die in Tabelle III mit IN7I0 bezeichnete Legierung bestand nominell aus folgenden Bestandteilen in Gew.-ji: 0,05 C, I9 Cr, 18 Pe, 3 Mo, 5 Niob und Tantal zusammen, 1 Ti, 0,5 Al und als Rest im wesentlichen Nickel und zufällige Verunreinigungen. Die als A286 bezeicnnete Legierung in Tabelle III bestand nominell aus folgenden Bestandteilen in Gew.-*': I5 Cr, 25,5 Ni, 1,3 Mo, 2,2 Ti, 0,007 B, 0,3 V und als Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen .

Wird/uer Nickelgenalt des Nickel-Graphit-Pulvers auf 75 Gew.-^ ernöht, dann tritt eine deutliche Zunanme des Schaufelabriebs auf. Ein Nickel-Graphit-Pulver mit nur 50 Gew.-% Nickel enthält dagegen nicnt genügend Nickel, um die erforderlichen Nickelplättchen zu erzeugen, welche das Kupfer-Aluminium-Pulver des Überzuges gemäss der vorliegenden Erfindung zusammenbinden. Das Nickel-Graphit-Pulver enthält daher für aie Zwecke der vorliegenden Erfindung Nickel im Bereich von mehr als 50 Gew.-* bis weniger als 75

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine Ansicht einer Umhüllungsdichtung für einen Gasturbinenkompressor teilweise im Schnitt und

Figur 2 ein Schliffbild in 100-facher Vergrösserung einer Form des abreibbaren Überzuges gemäss der vorliegenden Erfindung.

Der mit der vorliegenden Erfindung verbundene Artikel ist allgemein ein Dicntungsteil der in Figur 1 als Teil einer Gasturbinen-Kompressorumhüllung gezeigten Art. Dieses Dichtungsteil schliesst ein Stütz- oder Grundteil 10 sowie einen abreibbaren Überzug ein, der entweder direkt oder über einen abstreifbaren Zwischenteil oder einen ßindeüberzug I¹J, der hauptsächlich aus Nickel

*) so wurde bei anderen Auswertungen insbesondere hinsichtlich Tabelle II festgestellt,

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bestent, mit aeiu Gruriateil verbunaen ist. Der abreibbare 12 besteht hauptsäcnlich aus Kupfer una ist aas Scnmelz- una .-/ecnselwirkungsprodukt, aas beim Flammenaufbringen aus aem erfindungsgemässen Pulver entstent. Das Scaliffbila des Überzuges der Figur 2 mit 100-facher Vergrösserung zeigt, bevor man den überzug den Betriebstemperaturen ausgesetzt nat, eine Dispersion körnig erscheinender dunklex' Graphitteilcnen und viele heller erscheinende blockartige Teile uer Kupfer-Aluminium-Le^ierung, uie nauptsäcnlich mit Nickelplättcnen verbunden sind. Der Überzug der Figur 2 wurde wie oben bescarieben aus einer Mischung mit 6^ Gew.-,u der Xupfer-Äluminiuiu-Legierung (^O bis 95 % Kupfer, bis zu 1 )Ό Eisen una als Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen) und 35 Gew.-^ rJickel-Graphit-Pulver, worin das Nickel du Gevi.-% ausmacnte, hergestellt.

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Claims

Patentansprüche

1. Mechanische Miscnung von menreren pulverförmigen Materialien mit ^rj.'eilchengrössen in einem nereicn von etwa 0,044 bis etwa 0,1 mm, gekennzeicnnet üurcn menr als 50 bis weniger als bü Gew.-/» eines Kupfer-Aluminium-Legierungspulvers, aas im wesentlichen aus 90 bis 95 Gew.-^ Kupfer, bis zu 2 Gew.-/·» jiisen una/oder uilicium und als Kest Aluminium

der Mischung und zufälligen Verunreinigungen bestent, und aer Rest/ist ein Nickel-Grapnit-Pulver, uas im wesentlichen aus einem Grapnitkern und einer wicKelnülle bestent, wobei aas Nickel mehr als 50 Gew.-* bis weniger als 7i> Gew.-* aes NicKel-Grapnit-Pulvero ausraacnt.

2. !Mischung nach Ansprucn 1, daaurch g e κ e η η zeichne t , dass das Kupfer-Aluminium-Legierungspulver i)5 bis 75 Gew.-^ aer Mischung ausmacht.

3. Mischung nach Anspruch 2, aaaurcn gekennzeicnnet , dass das Kupfer-Alumini um- .uegierungspulver etwa 05 Gew.-}i der Mischung ausmacht.

4. üichtungsteil mit einem Grundteil und einem abreibbaren überzug, aaaurch gekennzeichnet , aas3 aer abreibbare überzug aas Scnmelz- una »iecnselwirkungsprodukc der Miscnung nacn Ansprucn 1 ist, aas mit aem Grundteil verbunden ist, wobei aer Überzug eine Dispersion von Grapnitteilcnen una viele blockartige Teiicnen aus Kupfer-Aluminium-Legierung umfasst, üie hauptsäcnlicn mit Mckelplättcnen verbunden sina und aer überzug eine Dichte von 3₃ύ bis k g/ciii hat.

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