DE2713721A1

DE2713721A1 - Eisen-nickel-chrom-aluminium- yttrium-legierung und daraus hergestellte abtragbare dichtungen

Info

Publication number: DE2713721A1
Application number: DE19772713721
Authority: DE
Inventors: Carlino Panzera
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Technetics Corp
Priority date: 1976-03-29
Filing date: 1977-03-28
Publication date: 1977-10-06
Also published as: US4080204A; CA1084309A; JPS57185955A; JPS52117826A; JPS57191326A; DE2713721C2; JPS6014093B2; FR2346461A1; JPS6153443B2; FR2346461B3; IT1077846B; GB1575038A; NL7703351A; JPS5745820B2; BE851935A

Description

Eisen-Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung und daraus hergestellte abtregbare Dichtungen

Abtragbare Dichtungen (Abradable seals) werden in Kompressoren und Turbinen als Dichtung zwischen rotierenden und ortsfesten Teilen verwendet. Diese Dichtungen bestehen aus Metallfasern und -Pulvern, die gegen hohe Temperaturen beständig sind und den oxydierenden und sulfidierenden Atmosphären im Kompressor oder in der Turbine gewachsen sind. Die bekannten Dichtungen können jedoch lediglich in Kompressoroder Turbinenabschnitten verwendet werden, wo die Temperaturen nicht über 65O⁰C ansteigen.

Die Erfindung verfolgt deshalb das Ziel, für Dichtungen geeignete Legierungen zu schaffen, die Temperaturen von bis zu 1038⁰C ertragen.

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TELEX O6-29 880

TELEKOPItRER

Vom Erfinder ist eine neue Legierung gefunden worden, welche Eisen, Nickel, Chrom, Aluminium, und ein aus der Gruppe IIIB cks periodischen Systems der Elemente ausgewähltes He tall· enthält. Von den Metallen der Gruppe IIIB ist Yttrium bevorz\igt. Die bevorzugte Legierung ist vom Erfinder mit der Bezeichnung "FeNiCrAlY" bezeichnet. Diese Legierung widersteht der Hochtemperatur-Oxyde.tion und Sulfidatioia und kann für ßichtungszwecke bei hohen Temperaturen von 1O38°G verwendet werden.

Die FeNiCrAlY-Legierung kann andere Beetandteile enthalten. So entählt die Legierung bevorzugterweise Kobalt, Magnesium, Silicium, Kohlenstoff, Tantal oder Wolfram, wenn sie nicht für abtragbare Dichtungen, sondern für Schaufeln, Flügeln und andere Teile von Strahltriebwerken vorgesehen ist., die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Da Yttrium nur schwer von den Seltenerdmetallen abzutrennen ist, sind üblicherweise einige Seltenerdelemente in Spuren in dem FeNiCrAlY-Legierungen vorhanden. Die Gehaltsbereiche der Metalle in der Legierung sind von großer Bedeutung. Die -Aluminiumkonztentration betrag 2 bis 15%· Die Nickelkonzentration beträgt 15 bis 55%· Wenigstens 12% Chrom müssen vorhanden sein. Die Konzentration des Metalls aus der Gruppe IIIB des periodischen Systems der Elemente (PSE). beträgt O,OOO5 bis 0,5 %· Eisen bildet den Rest und ist in einer Menge vorhanden, die die Menge jedes anderen Metalls übersteigt. Der Gehalt an Aluminium und Chrom übersteigt nicht 35% und der Gestamtgehalt an Nickel und Chrom liegt nicht oberhalb von 50%. Die bevorzugteste Legierung besteht im wesentlichen aus 22 bis 27% Nickel, 18 bis 22% Chrom, 9 bis 15% Aluminium und 0,0005 bis 0,05% Yttrium, Rest Eisen (Legierungstyp A).
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Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, beziehen sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozent.

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Der Legierungstyp A wird bevorzugt zur Herstellung von abtragbaren Dichtungen verwendet. Ein Block der Legierung vom Typ A ist im Gußzustand sehr hart und schwer zu bearbeiten. Nach einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 1150 bis 125O^CC ist die Härte der Legierung jedoch verringert, was die Bearbeitbarkeit beachtlich verbessert. Die Wärmebehandlung der Legierung führt zur Ausscheidung einer aluminiumreichen Phase, die gleichförmig durch die gesarate Legierung dispergiert ist. Diese aluminiumreiche Phase enthält Nickelaluminid und Eisenaluminid, welches etwas gelöstes Chrom und Yttrium enthält. Sie ist inform mikroskopischer Teilchen durch die ganze Legierung verteilt , wobei diese Teilchen typischerweise einen Durchmesser von etwa 1 bis 4um besitzen.

Aus der Legierung vom Typ A hergestellte Fasern besitzen eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Oxydations und-Sulfidationsbeständigkeit. Eine derartige Faser hat ein Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser) von mehr als 10. Vorzugsweise liegt das Aspektverhältnis der Faser im Bereich von 20 bis 75· Sie Faserlänge beträgt mehr als 40um und beispielsweise 200 bis 4-OOum. Der Faserdurchmesser beträgt weniger als 200um und liegt beispielsweise bei 10 bis

Aluminium erteilt der Faser die Oxydationsbeständigkeit. Aluminium weist diese Eigenschaft auf, weil es sich besser als die anderen Metalle in der Legierung mit Sauerstoff unter Bildung von Aluminiumoxyd umsetzt, welches die Oberfläche der Faser bedeckt. Die Geschwindigkeit der Aluminiumoxydation ist relativ gering. Demzufolge oxydiert die Legierung nur relativ langsam. Werden weniger als 4% Aluminium verwendet, so be- " sitzt die Legierung eine schlechte Oxydationsbeständigkeit.

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Werden mehr als 15% Aluminium "benutzt, so wird die Legierung zu bat.

Der Faserdurchmesser beeinflußt die Beständigkeit gegen Oxydation und Sulfidation. Fasern mit kleinem Durchmesser neigen schneller zum Oxydieren als Fasern mit großem Durchmesser. Dieses wird daruch kompensiert, daß Fasern mit kleinem Durchmesser höhere Aluminiumgehalte besitzen. Üblicherweise enthält die Faser ein Minimum von 6% Aluminium. Unter oxydierenden Bedingungen wird freies Aluminium kontinuiei\Lich aus dem Inneren der Faser zur Faseroberfläche transportiert, um dort die Aluminiumoxydbeschichtung zu bilden. Nähert sich der Gehalt an nicht oxydiertem Aluminium in der Faser 3%> so bilden sich Chrom- und Eisenoxyde und verliert die Faser rasch ihre Oxydationsbeständigkeit, wodurch sie zu Bruch geht.

Die Sulfidationsbeständigkeit der Legierung wird in erster Linie durch Chrom hervorgerufen. Es ist bekannt, daß sieb Chrom mit Schwefel umsetzt und das Chrom den Schwefel daran hindert, sich mit dem Aluminium umzusetzen. Das Aluminium ist dadruch frei zur Umsetzung mit dem Sauerstoff, damit die schützende Aluminiumoxydschicht gebildet werden kann.

Vom Erfinder wird angenommen, daß Nickel der FeNiCrAlY-Legierung die Fähigkeit erteilt, Temperaturen von mehr als 816⁰C zu widerstehen. Der Erfinder hat eine I27um dicke Folie aus der Legierung bei Temperaturen von 1038⁰C 1600 Stunden lang an Luft getestet und eine lediglich geringfügige Oxydation festgestellt.

Yttrium oder ein anderes Metall aus der Gruppe HIB des PSE hat in der Legierung die Aufgabe, die Aluminiumoxydbeεchichtung

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an die Oberfläche der Legierung zu binden, überschreitet der Yttriunigehalt etwa 0,05%, so scheidet sich eine Eisen-Yttrium-PLase (Y^1?e9) aus. Bei Gehalten von weniger als et v/a 0,05% bildet sich diese Eicen-Yttrium-Piiaye nicht. Die Siosn-Yttrium-Phaso wird trotz des Vorliegens von Aluminium rasch oxydiert. Demzufolge ist es vorteilhaft, die Ausbildung dieser Eisen-Yttrium-Phase zu vermeiden. Dieses gilt insbesondere für die Herstollung von Teilen mit großen Oberflächenbereichen, wie Fasern, Pulvern, Folien und Drahte-n. Ein Teil mit großem Überflächenbereich ist definiert als ein Teil mit einem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, welches größer ist al .5Oc¹Ii" '. Bei aus dem Legierungstyp A hergestellten Fasern ist die vorhandene Yttriummenge unzureichend, un die Eisen-Yttrium-Phase auszubilden. Die verwendete Yt trimmen ge ist jedoch ausreichend, um ein Haften der Aluminiumoxyci.bfc— schichtung an der Oberfläche des Teiles zu gewährleisten. Typischerweise werden 0,0005 bis 0,05% Yttrium verwendet.

Eine aus Fasern oder Pulvern der obengenannten Legierungen hergestellte Dichtung ist im wesentlichen eine aus Fasern oder Pulverteilchen zusammengesinnterte poröse Masse. Üblicherweise besitzen derartige Dichtungen eine fraktionierte Dichte im Bereich von 0,1 bis 0,5. Die fraktionierte Dichte D wird dadurch berechnet, daß das Gesamtvolumen (V.) der Dichte abzüglich des Leervolumens (V ) in der Dichtung durch das Gesamtvolumen der Dichtung dividiert wird, wie nachstehender Gleichung zu entnehmen:

D - ^Vt - ^Vo

^Vt

Grundsätzlich aus Fasern hergestellte Dichtungen sind bevorzugt.

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Em bevorzugter Gedanke liegt in abtragbaren Dichtungen für Kompressoren und Turbinen, wobei diese Dichtungen aus Fasern und Pulvern einer Legierung hergestellt sind, die im wesentlichen exiii Eisen, Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium besteht. Die Legierung enthält bevorzugterweise 22 bis 27% Nickel, 18 bis 22% Chrom, 9 bis Λ% Aluminium, 0,0005 bis 0,05/ό Yttrium, Rest Eisen. Durch Wärmebehandlung der Legierung wird eine aluminiumreiche Phase erhalten, welche gleichförmig durch die gesamte Legierung dispergiert ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. In dieser zeigt:

Figur 1 eine photographische Ausnahme einer unbehandelten FeNiCrAlY-Legierung bei 500-fächer Vergrößerung,

Figur 2 eine pliotographische Aufnahme einer wärm ebehar del ten FeiiiCrAlY-Legierung bei 1000-facher Vergrößerung,

Figur 3 eine photographische Aufnahme einer FeNiCrAlY-Faser bei 500-facher Vergrößerung,

Figur 4 eine photographische Aufnahme einer wärmebenandelten FeNiCrAlY-Faser bei 500-fächer Vergrößerung,

Figur 5 eine photographische Aufnahme einer unbehandelten (nicht wärmebehandelten) Kobaltlegierung bsi 500-facher Vergrößerung,

Figur 6 eine photographische Aufnahme der in Figur 5 dargestellten Legierung nach der Wärmebehandlung bei 500-facher Vergrößerung,

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Figur 7 eine p];oto£;raphische raifnahrne einer v.'ärmebehandelten FeNiCrAIY-Faser "bei 500-facher Vergrößerung nach Einwirken des Abgases eines ölbrenners auf dieselbe,

Figur 8 eine photographische Aufnahme einer FeNiCrAlY-Fasor bei 500-facher Vergrößerung nach Einwirken des Abgases eines ölbrenners auf dieselbe, und

Figur 9 eine photographische Aufnahme einer Faser (Eisenlegierung) bei 500-fächer Vergrößerung nach Einwirken des Abgases eines ölbrenners auf dieselbe.

Die erfindungsgemäße Legierung wird dadurch hergestellt, daß Eisen-, Nickel-, Chrom-, Aluminium- und Yttrium-Pulver miteinander vermischt werden, wobei beispielsweise die folgende prozentuale Zusammensetzung gewählt ist: 46,99% Eisen, 25_?ΟΟ% Nickel, 19,0096 Chrom, 9,00% Aluminium und 0,01% Yttrium.

Die Pulvermischung wird sodann in einem induktivbeheitzten Vakuumofen geschmolzen. Die Schmelze wird mit Hilfe einer Gußform zu einem Block vergossen, dem das Abkühlen gestattet wird. Der Schmelzpunkt dieser FeNiCrAlY-Legierung liegt bei etwa °C.

Die nicht wärmebehandelte Legierung dieses Beispieles enthält lediglich eine einzige Phase. Dieses ist in Figur 1 dargestellt. Nach 8-stündiger Wärmebehandlung dieses als Beispiel beschriebenen Blockes bei einer Temperatur von 119O°C tritt eine Phasen-Trennung ein, wie Figur 2 zu entnehmen. Die Dunkelgrauenteilchen sind die aluminiumreiche Phase. Diese Teilchen sind gleichförmig durch die ganze FeNiCrAlY-Legierung verteilt, die den hellen Hintergrund bildet.

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Die FeNiCrAlY-Fasern werden mit Fasern verglichen, die aus einer Klasse von Legierungen hergestellt sind, die in der US-Patentanmeldung 444 79^ beschrieben sind. Auf den Inhalt dieser Patentanmeldung wird Bezug genommen. Eine der vielversprechendsten Legierungen dieser Legierungsklasse, nämlich eine Legierung aus Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium (NiCrAlY) wurde zu einer Faser verarbeitet. Wie Figur 3 zu entnehmen, besitzt diese NiCrAlY-Faser einige relativ große aluminiumreiche Teilchen, welche als größere Dunkelzonen erscheinen. Der Großteil der Faser bzw. die hellen Zonen in der Photographie sind aluminiumarm . Wegen der ungleichförmigen Aluminiumverteilung verarmt die NiCrAlY-Faser während der Oxydation rasch an Aluminium, wodurch ihre Oxydationsbeständigkeit verlorengeht. Wie Figur 4 zu entnehmen, besitzt die FiNiCrAlY-Faser eine gleichmäßig durch die gesamte Faser dispergierte aluminiumreiche Phase. Aus diesem Grunde oxydiert die Oberfläche dieser Faser gleichmäßig.Das wiederum hat zur Folge, daß die FeNiCrAlY-Faser eine längere Lebensdauer besitzt als die NiCrAlY-Faser, sofern Hochtemperatur- Oxydations- bzw. Sulfidationsbedingungenbetrachtet werden.

Die Ausbildung von kleinen durch die gesamte Legierung vom Typ A dispergieren aluminiumreichen Teilchen war völlig unterwartet. Eine Kobaltlegierung aus Kobalt, Nickel, Chrom, Aluminium und Yttrium wurde hergestellt und darauf untersucht, ob eine vergleichbare gleichmäßige Verteilung aluminiumreicher Teilchen erzielt werden konnte. In Figur 5 ist diese CoNiCrAlY-Legierung im gegossenem Zustand. Diese Legierung weist bereits zwei Phasen auf. Die dunkleren Flächenbereiche sind die aluminiumreiche Phase. Figur 6 zeigt die CoNiCrAlY-Legierung nach einer 6-stündigen Wärmebehandlung

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bei 119O⁰C. Durch Erhitzen oder Glühen konnte bei dieser Legierung keine gleichmäßige Verteilung der aluniiniuinreichen Phase herbeigeführt werden. Zur Prüfung der verbesserten Oxydations- und Sulfidationsbeständiglceit der erfindungsgemäßen FeNiCrAlY-Faser vom Typ A wurde eine NiCrAlY-Faser sowie eine aus einer herkömmlichen Legierung hergestellte Faser in den Einwirkbereich des Abgases eines ölbrenners gebracht. Proben dieser drei Fasern wurden gleichzeitig 89 Stunden lang bei 843°C getestet. Wie den Figuren 7 bis 9 ^z1->- entnehmen, bildete sich auf der erfindungsgemäßen Faser vom Legierungstyp A keine merkliche Zunderschicht, während die anderen Fasern Zunderschichten oder allgemein gesagt Eorrosionsschichten ausbildeten.

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Claims

¹ 1c ί Lec-erong mit 2 bis ΊΙτ-% Λΐυτηάηίιιτα, 15 "bir; 35^ Nickel, wenigstens 12;,' Chror., C,0005 bis 0,5% eines Met all κ aus der Gruppe IIT.B des periodischen Systems der Elemente sowie Eisen in einer die Menge jedes anderen Metalls übersteigenden Menge, wobei der Gehalt an Aluminium + Chrom nicht mehr als 35% und der Gehalt an Nickel + Chrom nicht mehr als 50% betragen.

2. Legierung nach Anspruch 1, d a d υ r c h gekennzeichnet , daß als Metall der Gruppe IIJB Yttrium dient.

Legierung nach Anspruch 2, mit im wesentlichen 22 bis 27% liickel, 10 bis 22% Chrom, 9 bis 15% Aluminium, 0,0005 bis 0,05 Yttrium,Rest Eisen.

Legierung nach Anspruch 3> gekennzeichnet , d u r c ii eine gleichförmig durch die gesamte Legierung dispergierte eiluminiumreiche Phase.

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ιπ.γκ'>;

5. Legierung nach Anspruch '+, d a d u τ c h gekennzeichnet , daß die aluiiriniumreiche Phase durch Halten dev Legierung; auf einer Temperatur im Bereiche von 1150 bis 1205°C ausgebildet ist.

6. Metallfaser, hergestellt aus einer Legierung mit

im wesentlichen 22 bis 27% Nickel, 18 bis 2296 Chrom, 9 bis 15% Aluminium, 0,0005 bis 0,05% Yttrium. Rest Eisen, wobei die Legierung eine aluminiumreiche Phase besitzt, die gleichförmig durch die gesamte Legierung dispergiert ist.

7. Faser nach Anpsruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die aluminiumreiche Phase durch Halten der Legierung auf einer Temperatur im Bereich von 1150 bis 12O5°C gebildet ist.

8. Faser nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Aspektverhältnis von mehr als 10 und einem Durchmesser von weniger als 200um.

9. Abtragbare Dichtung, hergestellt aus Fasern, Pulvern oder Kompositen aus Fasern und Pulvern, wobei die Fasern und Pulvern 2 bis 15% Aluminium, "15 bis 35% Nickel, wenigstens 12% Chrom, 0,0005 bis 0,5% eines Metalls der Gruppe IIIB des periodischen Systems der Elemente sowie Eisen in einer Menge enthalten, die größer ist als die Menge an jedem anderen Metall, wobei die Menge an Aluminium + Chrom nicht mehr als 35% und die Menge an Nickel + Chrom nicht mehr als 50%

: betragen.

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10. Dichtunε nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß Yttrium das Net all der Gruppe IHB bildet.

11. Dichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Dichte von 0,1 bi.s 0,5.

12. Dichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Legierung im wesentlichen aus 22 bis 27% Nickel, 18 bin 22# Chrom, 9 bis 1% Aluminium, 0,0005 bis 0,05% Yttrium, Rest Eisen, besteht.

13. Dichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung eines aluminiumreiche Phase besitzt, welche gleichförmig durch die gesamte Legiezaing dispergiert ist.

14. Dichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die aluminiumreiche Phase durch Halten der Legierung in einem Temperaturbereich von 1150 bin 1205⁰C gebildet ist.

15· Dichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet. durch einen vorherrschenden Gehalt an Fasern.

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