DE2853959A1 - Gasdichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Gasdichtung und verfahren zu deren herstellung

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DE2853959A1 DE19782853959 DE2853959A DE2853959A1 DE 2853959 A1 DE2853959 A1 DE 2853959A1 DE 19782853959 DE19782853959 DE 19782853959 DE 2853959 A DE2853959 A DE 2853959A DE 2853959 A1 DE2853959 A1 DE 2853959A1
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Description

Beschre ibung
Die Erfindung bezieht sich auf Gasdichtungen zwischen stationären und bewegten Teilen, wie Rotationsdichtungen in Gasturbinen und mehr im besonderen bezieht sie sich auf die Art Gasdichtung zwischen der Spitze einer Gasturbinenschaufei und einem damit zusammenarbeitenden UmhUllungsring.
Kurz gesagt wird durch die vorliegende Erfindung eine Gasdichtung mit einem stationären Teil und einem rotierenden Teil verbessert, die so angeordnet sind, daß sie eine Gasdichtung dazwischen begrenzen, wobei eines der Teile einen abreibbaren zugespitzten Vorsprung aufweist, der gegen das andere Teil gerichtet ist, wobei sich die Verbesserung auf die vorspringende Spitze richtet. Diese Spitze ist ein Verbundteil aus inneren und äußeren Spitzen teilen, wobei der innere Spitzenteil eine Legierung umfaßt, die bei den Betriebstemperaturen beständig ist gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermische: Ermüdung und die mit dem Körper des Vorsprunges verbunden ist. Der äußere Spitzenteil umfaßt eine Metallmatrix, in der eine Vielzalil vorspringender abschleif barer Teilchen enthalten ist.
Mach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der äußert: Spitzenteil hergestellt durch Elektroabscheidung der Meta 1 Irnat r i x, während gleichzeitig die abschleifbaren Teilchen, die in der Elektroplattierungslösung enthalten sind, eingeschlossen werden.In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst der innere Spitzenteil durch Diffusion mit dem Körper des Vorsprunges verbunden, bevor der äußere Spitzenteil aufgebracht wird.
Obwohl das Problem der Undichtigkeit zwischen den einzelnen Stufen sowohl im Kompressor als auch in der Turbine von Axialturbinen von Bedeutung ist, ist das Problem im Turbinenabschnitt kritischer, weil dort die höheren Temperaturen herrschen. Im Gasturbinen betreffenden Stand der Technik ist eine große Vielfalt
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von Turbinenschaufelspitzen beschrieben, die Vorsprünge mit verringerter Querschnittsdicke einschließen, die manchmal auch als "Pfeif"-Spitzen bezeichnet werden. Eine Ausführungsform einer solchen Spitze ist in der US-PS 3 899 267 gezeigt. Diese und andere Arten von Turbinenschaufelspitzen sind im allgemeinen mit einem Überzug zum Schutz gegen Oxidation und Korrosion versehen. Wenn sich die Schaufelspitze jedoch an einer damit zusammenarbeitenden Oberfläche reibt, wie einem Umhüllungsring, dann wird der Schutzüber^' von der Schaufelspitze entfernt und setzt das Schaufelmaterial der oxidierenden und korrodierenden Umgebung aus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Schaufelspitze geschaffen, die eine Matrix einschließt, in der abschleifende Teilchen enthalten sind, die man aus der Matrix hervorstehen läßt, indem man die Dicke der Matrix geringer macht, als die längste Abmessung dieser hervorstehenden Schleifteilchen. Außerdem schafft die vorliegende Erfindung gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Schaufelspitze mit einem Innenteil aus einer Legierung, die beständig ist gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung und die vorzugsweise in einkristalliner Form oder in gerichtet orientierter mit einer Vielzahl langgestreckter Körner vorliegt.
In der Zeichnung sind dargestellt:
In Fig. 1 eine fragmentarische perspektivische Schnittansicht einer flügeiförmigen Turbinenschaufel und
in Fig. 2 eine vergrößerte diagrammartige Schnittansicht der Schaufelspitze der Fig. 1.
Die in Fig. 1 gezeigte flügeiförmige Turbinenschaufel weist einen Schaufelkörper 10 und einen Spitzenvorsprung 12 auf, der sich flügeiförmig radial vom Schaufelkörper 10 nach außen erstreckt.
Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht dieses Vorsprunges 12. Ein flügeiförmiger metallischer Vorsprungskörper 14, der sich über die Peripherie des Schaufelkörpers 10 erstreckt, weist einen
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äußeren Spitzenteil 16 auf, der aus einer Vielzahl von Schleifteilchen 18 eingeschlossen in einer Metallmatrix 20 zusammengesetzt ist. Die radiale Dicke T der Matrix ist, wie auch Figur 2 zeigt,geringer als die längste Abmessung der Schleifteilchen 18 in Richtung ihres Vorstehens aus der Matrix, so daß die Matrix nicht alle Teilchen vollständig einkapselt.
Zwischen dem äußeren Spitzenteil 16 und dem Vorsprungskörper 14 befindet sich ein innerer Spitzenteil 22 in Form eines diskreten Teiles, d.h. es ist anfänglich nicht Teil des Projektionskörpers 14 und dieser innere Spitzenteil besteht aus einer Legierung, die bei den Betriebstemperaturen gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung beständig ist, wie z.B. eine Legierung auf der Grundlage eines ouer mehrerer der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel. Der innere Spitzenteil 22 ist durch Diffusion bei mit dem Projektionskörper 14 verbunden. Es ist bevorzugt, den inneren Spitzenteil 22 in Form eines einkristallinen oder gerichtet erstarr ten,aus langgestreckten Kürnern bestehenden Gußteiles zu haben,wie z.B. für die QuerschnittsKonfiguration des Projektionskörpers 14 im Bereich der Diffusionsverbindung 24. Es gibt eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen, um einkristalle und gerichtet erstarrte Gußkörper herzustellen (siehe z.B. US-PS 3 897 815), die zur Herstellung des inneren Spitzenteiles 22 benutzt werden können. Dieser Innenteil 22 kann dann mit dem Projektionskörper 14 nach einer Reihe von Verfahren verbunden werden, wie sie in den US-PS 3 632 319, 3 700 427 und 3 759 692 beschrieben sind.
Auf diese Weise wird eine verbesserte Spitze eines Vorsprunges geschaffen, der als flügeiförmiger Teil einer Turbinenschaufel oder als andere Art Vorsprung eingesetzt werden kann, der durch Zusammenarbeiten zwischen einem stationären Teil und einem beweglichen Teil eine Gasdichtung bildet. Eine solche verbesserte Spitze wird in einer Form nicht nur mit Abriebseigenschaften versehen, sondern auch mit einem inneren Spitzenteil aus einer Legierung, die bei erhöhten Temperaturen beständig gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung ist, um einen
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Spitzenbruch des Vorsprunges zu vermeiden.
Bei der Herstellung des verbesserten Vorsprunges gemäß der vorliegenden Erfindung kann der äußere Spitzenteil in verschiedener VJeise aufgebracht werden, vorausgesetzt die Matrix 20 ist hinsichtlich ihrer Dicke auf eine solche begrenzt, daß das Hervorstehen der SchleifLeilchen 18 aus der Oberflacln· des äußeren Spitzenteiles 16 möglich ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Schleifleilchen 18 und Metallmatrix 20 gleichzeitig auf den inneren Spilzenteil 22 aufzubringen, nachdem dieser mit dem Projektionskörper 14 verbunden worden ist. Diese gemeinsame Abscheidung von MaLrix und Teilchen wurde durch elektrolytische Abscheidung aus einem Elektroabscheidungsbad bewerkstelligt, in dem SchleifLeilchen 18, z.B. aus Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid oder anderen schleifenden Karbiden, Oxiden, Siliciden oder Nitriden, die bei den beabsichtigten Betriebstemperaturen stabil sind, suspendiert waren. Eine solche Abscheidung ist bekannt und wird bei der herstellung metallgebundener Schleifwerkzeuge benutzt, wie Schleifscheiben und Schneidwerkzeuge.
In Figur 1 ist ein Vorsprung gezeigt, der typisch ist für eine Gasturbinenschaufel mit einer Spitze. Dieser Vorsprung ist hergestellt aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit der folgenden etwaigen Zusammensetzung in Gewichts-%: 0,1 C, 9 Cr, 7-8 (Al + Ti), 0,015 B, 8 - 10 (Mo + Vi), 10 Co, 4 Ta, 1,5 Hf, 0,05 Zr und der Rest sind Nickel und zufällige Verunreinigungen. Dieser Vorsprungskörper wurde mit der verbesserten Vorsprungsspitze nach der vorliegenden Erfindung versehen. Ein innerer Spitzenteil wurde hergestellt aus einer Legierung mit nominell folgenden Bestandteilen in Gewichts-%: 33 Ni, 33 Co, 23 Cr, 3 Ta, 4 Al, 3 W, 0,5 C und 0,75 Si sowie zufälligen Verunreinigungen. Dieser innere Spitzenteil wurde gemäß dem in der US-PS 3 897 beschriebenen Verfahren gegossen und zum Einkristall verfestigt. Nach dem Formen des inneren Spitzenteiles zur Anpassung an die Querschnittskonfiguration des Projektionskörpers wurde er durch
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Diffusion mit dem Projektionskörper,wie in den obengenannten US-PS beschrieben, verbunden. Durch elektrolytisches Abscheiden einer Nickel schicht, in die gleichzeitig im !•HekLrolytljad enthaltene Schleifteilchen eingeschlossen werden, kann ein äußerer Spitzenteil auf den inneren Spitzenteil aufgebracht werden. Daniich können abwechselnde Schichten aus Chrom und Nickel durch Eloktroabscheiden um die vorstehenden Sctileitteilclien herum aufgebracht werden, bis eine Matrix aus abwechselnden Schichten aus Nickel und Chrom bis zu einer Dicke gebildet: ist, die geringer ist als die Dicke der Schleifteilchen, die sich aus dem äußeren Spitzenteil nach außen erstrecken. Dann kann man den äußeren Spitzenteil einer aluminierenden Ueliandlung gemäß dem in der US-PS 3 667 985 beschriebenen Verfahren unterwerten. Auf diese Weise kann man als Matrix eine Legieriing aus Ni, Cr und Al der MCrAl-Art schaffen, worin M für Pe, Co, Ni oder deren Kombinationen steht. Diese Art Legierung ist im Zusammenhang mit Uberzügen auf hoher Temperatur ausgesetzten Gegenstanden iWie Gasturbinenschauf eLn;beschrieben. Der abschleifende äußere Spitzenteil 16 ist auf diese Weise auf die Spitzen von Gasturbinenschaufeln aus einer Legierung aufgebracht worden, die auch als Rene 80-Legierung bezeichnet und im einzelnen in der US-PS J 61 5 376 L>eschrieben wird.
Obwohl in den oberen Beispielen der Vorsprungskörper und der innere Spitzenteil beide auf Nickel beruhen, kann eine Vielfalt bei hohen Temperaturen beständiger Legierungen, die beständig sind gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermiscLier Ermüdung hierfür benutzt werden. Ein Beispiel für diese anderen Legierungen ist eine Legierung auf Kobaltbasis, die auch als HSl88-Legierung bezeichnet wird und die die folgende nominelle Zusammensetzung in Gewichts-% hat: 22 Cr, 22 Ni, 14,5 W, 0,1 C, 0,1 La, und der Rest ist im wesentlichen Kobalt. Diese Legierung ist zu einem inneren Spitzenteil verarbeitet und in einer Gasturbine getestet worden. Die Auswahl eines solchen Materials hängt von den gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften für die beabsichtigte Anwendung ab.
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ΊΟ
L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Pa tentanspr iiclie
    ( 1 .) Gasdichtung zwischen einem stationären und einem beweglichen Teil, die einander so gegenüberstehen, daß sie eine Gasdichtung dazwischen schaffen, wobei eines der Teile einen Vorsprung aufweist, der gegen die Oberfläche des anderen TeiLes gerichtet ist, wobei der Vorsprung einen Metallkörper und eine äußere Abriebsspitze umfaßt, die mit der genannten Oberfläche zusammenarbeitet, um die Gasströmung zwischen den beiden Teilen zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (12) dieses Vorsprunges ein Verbundstoff aus einem inneren Spitzenteil (22) und einem äußeren Spitzenteil (16) ist, wobei der innere Spitzenteil ein geformtes Teil umfaßt, das von dem Vorsprungskörper (14) verschieden ist und es aus einer Legierung besteht, die bei den Betriebstemperaturen gegenüber
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    Ereänzungsblatt zur Offenlegungsschrift 53 95$ r- —■
    Offenlegungstag: #H./$19 |NAO^^rc^] Int. Cl.*: f /i J
    Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung beständig ist
    und mit dem Metallkörper (14) des Vorsprunges verbunden ist,
    » „ „ * ■ -ι , ^ Ά inem Element a.us .Cr1Co,Ni" oder und daß der äußere Spitzenteil (16) eine Matrix (20) ausT/einer"
    Legierung auf der Grundlage eines oder mehrerer der Elemente Chrom, Kobalt und Nickel umfaßt, in der eine Vielzahl von Abriebsteilchen (18) eingeschlossen ist, die von dem äußeren Spitzenteil (16) aus gegen die Oberfläche des anderen Teiles hin vorstehen, wobei die Abriebsteilchen eine Härte aufweisen, die größer ist als die Härte der Oberfläche des anderen Teiles und der äußere Spitzenteil (16) mit dem inneren Spitzenteil (22) verbunden ist und daß die Dicke (T) der Matrix (20) geringer ist als die längste Abmessung der Abriebsteilchen (18) in Richtung ihres Hervorstehens aus dem äußeren Spitzenteil (16).
    Gasdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des inneren Spitzenteiles als Grundelement Eisen, Kobalt und/oder Nickel hat und daß sie in Form eines gerichtet erstarrten Gußkörpers vorliegt.
    Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Spitzenteil (22) ein einkristalliner Gußkörper ist.
    Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (20) des äußeren Spitzenteiles (16) aus einer Legierung aus Nickel, Chrom und Aluminium besteht.
    Turbinenschaufel mit einem Schaufelkörper und einem Schaufelvorsprung um die radial äußere Peripherie des Schaufelkörpers, wobei der Vorsprung einen Metallkörper und eine abreibende äußere Spitze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Spitze des Vorsprunges (12) ein Verbundkörper aus einem inneren Spitzenteil (22) und einem äußeren Spitzenteil (16) ist, wobei der innere Spitzenteil (22) ein geformtes Teil ist, das sich vom Projektionskörper (14) unter-
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    scheidet und aus einer Legierung besteht, die bei den Betriebstemperaturen gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung beständig ist,und der innere Spitzenteil mit dem Metallkörper (14) des Vorsprunges verbunden ist,und daß der äußere Spitzenteil (16) eine Matrix (2ü) auf der Grundlage eines
    Elementes aus Chrom, Kobalt, Nickeltxler einer [A-Xiiuruixj mit Chrom, /oder
    Kobalt und /Nickel umfaßt und wobei in dieser Matrix eine Vielzahl von Schleifteilclien (18) eingeschlossen sind, die radial aus dem äußeren Spitzenteil (22) nach außen vorstehen, wobei die Teilchen (18) eine Härte haben, die größer ist als die Härte der Oberfläche des anderen TeiIes und daß der äußere Spitzenteil (16) mit dem inneren Spitzenteil (22) verbunden ist, wobei die Dicke der Matrix (20) geringer ist, als die längste Abmessung der Schle if teilchen (18) in Richtung ihres Hervorstehens aus dem äußeren Spitzenteil (16).
    6. Schaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des inneren Spitzenteiles (12) auf einem Element aus Eisen, Kobalt und NickeL beruht und dieser Teil in B1Orm eines gerichtet erstarrten Gußkörpers vor-1iegt.
    7. Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere SpitzenteiL (22) ein einkristall i ner Gußkörper ist.
    8. Schaufel nach AnsprucLi 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix des äußeren SpitzenLeiles (16) aus einer Legierung aus Nickel, Chrom und Aluminium besteht.
    9. Verfahren zum Herstellen eines Teiles für eine Gasdichtung mit einem Vorsprung, der einen Metallkörper und eine äußere Reibspitze aufweist, gekennzeichnet durch folgende Stufen:
    Aufbringen eines äußeren Spitzenteiles (16) auf den Vorsprung (14) durch Elektroabscheiden einer Matrix (20), beruhend auf
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    einem Element ausgewählt aus Chrom, Kobalt, Nickel oder einer Legierung auf der Grundlage von Chrom, Kobal1 t'ioder Nickel , wobei in der Matrix eine Vielzahl von Schleif teilchen (18) eingeschlossen sind,
    die Matrix (20) bis zu einer Dicke aufgebracht ist, die geringer ist als die längste Abmessung der Schleifteilchen (18) in Richtung des Vorsprunges, so daß die Schleifteilchen aus der Matrix hervorstehen.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Aufbringen des äußeren Spitzenteiles (16) einen inneren Spitzenteil (22) aus einer Legierung herstellt, die beständig ist gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung und man diesen inneren Spitzenteil (22) durch Diffusion mit dem Projektionskörper (14) verbindet .
    . Verfahren nach Anspruch 9, dad ure Ii gekennzeichnet, daß man eine Turbinenschaufel mit einem Schaufel körper (10) und einem metallischen Schaufelvorsprung (12) um die radiale äußere Peripherie des Schaufelkörpers (10) herum lierstellt und man auf den Vorsprung durch Elektroabscheiden einer Matrix (20) auf der Grundlage eines Elementes aus Chrom, Kobalt, Nickel oder einer Legierung auf der Grundlage von Chrom, KobaTtZ/oder Nickel einen äußeren Spitzenteil (16) aufbringt, in den eine Vielzahl von Schleifteilchen (18) eingeschlossen ist, wobei die Matrix bis zu einer Dicke aufgebracht ist, die geringer ist als die längste Abmessung der Schleifteilchen (18) in Richtung des Vorspringens, so daß die Schleifteilchen aus der Matrix (20) hervorstehen.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Aufbringen des äußeren Spitzenteiles (16) einen diskreten inneren Spitzenteil (22) aus einer Legierung herstellt, die beständig ist gegenüber der Kombination von Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung
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    - sr-
    und man dann diesen inneren Spitzenteil (22) durch Diffusion mit dem Vorsprung (12) verbindet.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des inneren Spitzenteiles (22) auf einem Element aus Fe, Co und Ni beruht, und der innere Spitzenteil ein diskreter Gußkörper mit einer gerichtet orientierten Struktur ist.
    14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Spitzenteil (22) ein Einkristall ist.
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