DE2853959C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasdichtung und ein Ver­ fahren zu ihrer Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 bzw. 6.

Obwohl das Problem der Undichtigkeit zwischen den einzelnen Stufen sowohl im Kompressor als auch in der Turbine von Axial­ turbinen von Bedeutung ist, ist das Problem im Turbinenabschnitt kritischer, weil dort die höheren Temperaturen herrschen. Im Gas­ turbinen betreffenden Stand der Technik ist eine große Vielfalt von Turbinenschaufelspitzen beschrieben, die Vorsprünge mit ver­ ringerter Querschnittsdicke einschließen, die manchmal auch als "Pfeif"-Spitzen bezeichnet werden. Eine derartige Spitze ist in der US-PS 38 99 267 beschrieben. Diese und andere Arten von Tur­ binenschaufelspitzen sind im allgemeinen mit einem Überzug zum Schutz gegen Oxidation und Korrosion versehen. Wenn sich die Schaufelspitze jedoch an einer damit zusammenarbeitenden Ober­ fläche reibt, wie einem Mantelring, dann wird der Schutzüberzug von der Schaufelspitze entfernt und setzt das Schaufelmaterial der oxidierenden und korrodierenden Umgebung aus.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Gasdichtung und ein Verfah­ ren der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß der Metallkörper, beispielsweise eine Turbinenschaufel, eine Spitze hat, die gegen Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung beständig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. 6 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entspre­ chenden Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Gasdichtung einen Metallkörper mit einem Vor­ sprung aufweist, dessen Spitze ein Verbundteil aus inneren und äußeren Spitzenteilen ist, wobei der innere Spitzenteil eine Legierung umfaßt, die bei den Betriebstemperaturen beständig ist gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung und die mit dem Körper des Vorsprunges verbunden ist. Der äuße­ re Spitzenteil umfaßt eine Metallmatrix, in der eine Vielzahl vor­ springender abschleifbarer Teilchen enthalten ist.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der äußere Spitzen­ teil hergestellt durch Elektroabscheidung der Metallmatrix, wäh­ rend gleichzeitig die abschleifbaren Teilchen, die in der Elek­ troplattierungslösung enthalten sind, eingeschlossen werden. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zuerst der innere Spitzenteil durch Diffusion mit dem Kör­ per des Vorsprunges verbunden, bevor der äußere Spitzenteil auf­ gebracht wird.

Vorteilhafterweise wird eine Turbinenschaufel mit einer Schau­ felspitze erhalten, die eine Matrix einschließt, in der abschlei­ fende Teilchen enthalten sind, die man aus der Matrix hervor­ stehen läßt, indem man die Dicke der Matrix geringer macht, als die längste Abmessung dieser hervorstehenden Schleifteilchen. Die Schaufelspitze ist mit einem Innenteil aus einer Legierung ver­ sehen, die beständig ist gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung und die vorzugsweise in einkristalliner Form oder in gerichtet orientierter mit einer Vielzahl langge­ streckter Körper vorliegt.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen nähe erläutert. Es zeigt

Fig. 1- eine perspektivische Teilschnittansicht einer Tur­ binenschaufel und

Fig. 2 - eine vergrößerte diagrammartige Schnittansicht der Schaufelspitze gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbinenschaufel weist einen Schaufel­ körper 10 und einen Spitzenvorsprung 12 auf, der sich vom Schaufelkörper 10 radial nach außen erstreckt.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht dieses Vorsprunges 12. Ein stromlinienförmiger metallischer Vorsprungkörper 14, der sich über den Umfang des Schaufelkörpers 10 erstreckt, weist einen äußeren Spitzenteil 16 auf, der aus einer Vielzahl von Schleif­ teilchen 18 eingeschlossen in einer Metallmatrix 20 zusammenge­ setzt ist. Die radiale Dicke T der Matrix ist, wie auch Fig. 2 zeigt, kleiner als die längste Abmessung der Schleifteilchen 18 in Richtung ihres Vorstehens aus der Matrix, so daß die Matrix nicht alle Teilchen vollständig einkapselt.

Zwichen dem äußeren Spitzenteil 16 und dem Vorsprungskörper 14 befindet sich ein innerer Spitzenteil 22 in Form eines diskreten Bauteiles, d. h. es ist zunächst nicht Teil des Vorsprungkörpers 14. Der innere Spitzenteil 22 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 oder mehrerer der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel. Der innere Spitzenteil 22 ist durch Diffusion bei 24 mit dem Projektionskörper 14 verbunden. Vorzugsweise wird der innere Spitzenteil 22 in Form eines einkristallinen oder gerich­ tet erstarrten, aus langgestreckten Körnern bestehenden Gußteiles hergestellt, wie z. B. für die Querschnittskonfiguration des Vor­ sprungkörpers 14 im Bereich der Diffusionsverbindung 24. Es gibt eine Reihe von Verfahren und Vorrichtung, um einkristalle und gerichtet erstarrte Gußkörper herzustellen (siehe z. B. US-PS 38 97 815), die zur Herstellung des inneren Spitzenteiles 22 be­ nutzt werden können. Der Spitzenteil 22 kann dann mit dem Vor­ sprungkörper 14 nach einer Reihe von Verfahren verbunden werden, wie sie in den US-PS 36 32 319, 37 00 427 und 37 59 692 beschrie­ ben sind.

Auf diese Weise wird eine verbesserte Spitze eines Vorsprunges ge­ schaffen, der als stromlinienförmiger Teil einer Turbinenschaufel oder als andere Art Vorsprung eingesetzt werden kann, der durch Zu­ sammenarbeiten zwischen einem stationären Teil und einem beweg­ lichen Teil eine Gasdichtung bildet. Eine solche verbesserte Spitze wird nicht nur mit Abriebeigenschaften versehen, sondern auch mit einem inneren Spitzenteil aus einer Legierung, die bei erhöhten Temperaturen beständig gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung ist, um Rißbildung im Spitzenvorsprung 12 zu vermeiden.

Bei der Herstellung des verbesserten Vorsprunges gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der äußere Spitzenteil in verschiedener Weise aufgebracht werden, vorausgesetzt die Matrix 20 ist hinsichtlich ihrer Dicke derart begrenzt, daß das Hervorstehen der Schleifteilchen 18 aus der Oberfläche des äußeren Spitzenteiles 16 möglich ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Schleifteilchen 18 und Metallmatrix 20 gleichzeitig auf den inneren Spitzenteil 22 auf­ zubringen, nachdem dieser mit dem Vorsprungkörper 14 verbun­ den worden ist. Diese gemeinsame Abscheidung von Matrix und Teil­ chen wurde durch elektrolytische Abscheidung aus einem Elektro­ abscheidungsbad durchgeführt, in dem Schleifteilchen 18, z. B. aus Aluminiumoxid, kubischem Bornitrid oder anderen schleifen­ den Karbiden, Oxiden, Siliciden oder Nitriden, die bei den be­ absichtigten Betriebstemperaturen stabil sind, suspendiert wa­ ren. Eine solche Abscheidung ist bekannt und wird bei der Her­ stellung metallgebundener Schleifwerkzeuge benutzt, wie Schleif­ scheiben und Schneidwerkzeuge.

In Fig. 1 ist ein Vorsprung gezeigt, der typisch ist für eine Gasturbinenschaufel mit einer Spitze. Dieser Vorsprung ist her­ gestellt aus einer Superlegierung auf Nickelbasis mit der folgen­ den etwaigen Zusammensetzung in Gewichts-%: 0,1 C, 9 Cr, 7-8 (Al + Ti), 0,015 B, 8-10 (Mo + W), 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 Erfindung versehen. Ein innerer Spitzen­ teil wurde hergestellt aus einer Legierung mit nominell folgen­ den Bestandteilen in Gewicht-%: 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 38 97 815 beschriebenen Verfahren gegossen und zum Einkristall verfestigt. Nach dem Formen des inneren Spitzenteiles zur Anpassung an die Querschnittskonfiguration des Projektionskörpers wurde er durch Diffusion mit dem Projektionskörper verbunden. Durch elektrolytisches Abscheiden einer Nickelschicht, in die gleichzeitig im Elektrolytbad ent­ haltene Schleifteilchen eingeschlossen werden, kann ein äußerer Spitzenteil auf den inneren Spitzenteil aufgebracht werden. Da­ nach können abwechselnde Schichten aus Chrom und Nickel durch Elektroabscheiden um die vorstehenden Schleifteilchen herum auf­ gebracht werden, bis eine Matrix aus abwechselnden Schichten aus Nickel und Chrom bis zu einer Dicke gebildet ist, die gerin­ ger ist als die Dicke der Schleifteilchen, die sich aus dem äußeren Spitzenteil nach außen erstrecken. Dann kann der äußere Spitzenteil einer aluminierenden Behandlung gemäß dem in der US-PS 36 67 985 beschriebenen Verfahren unterworfen werden. Auf diese Weise kann als Matrix eine Legierung aus Ni, Cr und Al der MCrAl-Art erhalten werden, worin M für Fe, Co, Ni oder deren Kombi­ nationen steht. Diese Art Legierung ist im Zusammenhang mit Über­ zügen auf hoher Temperatur ausgesetzten Gegenständen, wie Gastur­ binenschaufeln, beschrieben. Der abschleifende äußere Spitzenteil 16 ist auf diese Weise auf die Spitzen von Gasturbinenschaufeln aus einer Legierung aufgebracht worden, die auch als Ren´ 80- Legierung bezeichnet und im einzelnen in der US-PS 36 15 376 be­ schrieben ist.

Obwohl in den obigen 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 thermischer Ermüdung, hierfür benutzt werden. Ein Beispiel für diese anderen Legierun­ gen ist eine Legierung auf Kobaltbasis, die auch als HS 188-Le­ gierung bezeichnet wird und die die folgende nominelle Zusammen­ setzung 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 ge­ testet worden. Die Auswahl eines solchen Materials hängt von den gewünschten physikalischen und mechanischen Eigenschaften für die beabsichtigte Anwendung ab.

Claims (11)

1. Gasdichtung zwischen einem stationären und einem be­ weglichen Teil, die einander gegenüberstehen zur Bil­ dung einer Gasdichtung dazwischen, wobei eines der Tei­ le einen Vorsprung aufweist, der gegen die Oberfläche des anderen Teiles gerichtet ist und einen Metallkörper und eine äußere Abriebspitze aufweist, die mit der gegenüberstehenden 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) aufgebaut ist, wobei der innere Spitzenteil (22) ein diskretes Formteil ist, das aus einer Legierung besteht, die bei den Betriebstemperatu­ ren gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung beständig ist und mit dem Metallkörper (14) des Vorsprunges verbunden ist, daß der äußere Spitzen­ teil (16) eine Matrix (20) auf der Basis von Cr, Co, Ni oder einer Legierung auf der Grundlage eines oder mehrerer der Elemente Chrom, Kobalt und Nickel auf­ weist, in der eine Vielzahl von Schleifteilchen (18) eingeschlossen ist, die von dem äußeren Spitzenteil (16) aus gegen die Oberfläche des anderen Teiles hin vor­ stehen, wobei die Schleifteilchen (18) eine Härte auf­ weisen, die größer ist als die Härte der Oberfläche des anderen Teiles, und daß der äußere Spitzenteil (16) mit dem inneren Spitzenteil (22) verbunden ist, wobei die Dicke (T) der Matrix (20) kleiner ist als die längste Abmessung der Schleifteilchen (18) in Richtung ihres Hervorstehens aus dem äußeren Spitzen­ teil (16).

2. Gasdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des inneren Spitzenteils (22) als Grundelement Eisen, Kobalt und/oder Nickel hat und daß sie in Form eines gerichtet erstarrten Gußkörpers vor­ liegt.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Spitzenteil (22) ein einkristalliner Gußkörper ist.

4. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (20) des äußeren Spitzenteils (16) aus einer Legierung aus Nickel, Chrom und Aluminium be­ steht.

5. Gasdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper eine Turbinenschaufel (10) ist, die von einem Mantelring umgeben ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Teiles für eine Gasdich­ tung mit einem Vorsprung, der einen Metallkörper und eine äußere Reibspitze aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Aufbringen eines äußeren Spitzenteiles (16) auf den Vorsprung (14) durch Elektroabscheiden einer Matrix (20) auf der Basis von Chrom, Kobalt, Nickel oder einer Legierung auf der Grundlage von Chrom, Kobalt und/oder Nickel, wobei in der Matrix eine Vielzahl von Schleif­ teilchen (18) eingeschlossen sind, die Matrix (20) bis zu einer Dicke aufgebracht ist, die kleiner ist als die längste Abmessung der Schleif­ teilchen (18) in Richtung des Vorsprunges derart, daß die Schleifteilchen aus der Matrix hervorstehen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzechnet, daß vor dem Aufbringen des äußeren Spitzenteils (16) ein innerer Spitzenteil (22) aus einer Legierung her­ gestellt wird, die beständig ist gegenüber Oxidation, Sulfidierung und thermischer Ermüdung, und dieser inne­ re Spitzenteil (22) durch Diffusion mit dem Vorsprung (14) verbunden wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelkörper (10) und einem metallischen Schaufelvorsprung (12) um die radiale äußere Peripherie des Schaufelkörpers (10) her­ um hergestellt und auf den Vorsprung durch Elektroab­ scheiden eine Matrix (20) auf der Basis von Chrom, Ko­ balt, Nickel oder eine Legierung auf der Grundlage von Chrom, Kobalt und/oder Nickel auf einen äußeren Spitzen­ teil (16) aufgebracht wird, in der eine Vielzahl von Schleifteilchen (18) eingeschlossen ist, wobei die Ma­ trix bis zu einer Dicke aufgebracht ist, die kleiner ist als die längste Abmessung der Schleifteilchen (18) in Richtung des Vorspringens derart, daß die Schleif­ teilchen aus der Matrix (20) hervorstehen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des äußeren Spitzenteils (16) ein diskretes inneres Spitzenteil (22) aus einer Le­ gierung hergestellt wird, die beständig ist gegenüber der Kombination von Oxidation, Sulfidierung und ther­ mischer Ermüdung, und daß dann dieser innere Spitzen­ teil (22) durch Diffusion mit dem Vorsprung (12) ver­ bunden wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung des inneren Spitzenteils (22) auf einem Element aus Fe, Co und Ni beruht, und der innere Spitzenteil ein diskreter Gußkörper mit einer gerich­ tet orientierten Struktur ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den inneren Spitzenteil (22) ein Einkristall verwendet wird.