DE3030341C2

DE3030341C2 - Pulver zum Flammspritzen und Verfahren zum Überziehen einer Oberfläche

Info

Publication number: DE3030341C2
Application number: DE3030341A
Authority: DE
Inventors: John Travis South Normanton Derby Gent; James Anthony Stuart Borrowash Derby Graham; William Barry Toton Notts Litchfield
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1979-08-21
Filing date: 1980-08-11
Publication date: 1983-01-13
Also published as: FR2463752A1; GB2056502B; FR2463752B1; US4303737A; DE3030341A1; CA1143508A; JPS5810987B2; JPS5633469A; GB2056502A

Description

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem des Überziehens von Materialien mit dem Ziel, diese Materialien höheren Temperaturen aussetzen zu können.

Die moderne Entwicklung im Gasturbinenbau zielt darauf ab, durch Anwendung höherer Betriebstemperaturen den Wirkungsgrad zu erhöhen. Insbesondere im Turbinenabschnitt von Gasturbinentriebwerken ergibt sich die Notwendigkeit, hochtemperaturfeste Materialien insbesondere für die Düsenleitschaufeln zur Verfügung zu haben. Die zur Verfugung stehenden hochtemperaturfesten Werkstoffe sind ihrer Seltenheit wegen teuer und sie erfordern eine schwierige Bearbeitung insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Kühlsysteme.

Zur Vermeidung der Verwendung derart teurer Werkstoffe ist es bekannt, einfacher zu bearbeitende Materialien mit einer Schutzschicht aus Keramikmaterial zu überziehen, um eine thermische Barriere zu schaffen, die gewährleistet, daß die Temperaturen des gefertigten Werkstücks selbst innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden. Derartige Keramiküberzüge können beispielsweise durch Flammspritzen aufgetragen werden. Keramikmaterialien sind jedoch sehr spröde und haben die Neigung, stückweise abzubrechen, wenn sie einer Schlagbeanspruchung ausgesetzt werden.

Es sind auch bereits Flammspritzpulver bekannt, die diesen Nachteil nicht aufweisen, jedoch auch eine gegenüber Keramumaterial vielfach verringerte Wärmebarriere bilden. Die Erfindung geht aus von einem derartigen Flammspritzpulver. welches Partikel enthält, die aus Glas und einem Metall zusammengesetzt sind. Ein solches Flammspritzpulver ist aus der GB-PS 11 46 781 bekannt. Dieses bekannte Flammspritzpulver besteht aus Kupfer oder Silber oder einer Mischung hiervon mit Anteilen von 4 bis 50% Glas. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Glaskern mit einem Kupferüberzug versehen.

Es ist weiter aus der GB-PS 13 08 603 bekannt, zur Herstellung lichtreflektierender Oberflächen Glaspartikel mit Metall zu überziehen. Hie» handelt es sich um massive Glaspartikel oder um Kunstharz-Mikrohohlkörper.die mit Aluminiumpartikeln betupft sind.

Diese bekannten Flammspritzpulver sind jedoch für den Einsatz hochwärmebeanspruchter Teile von Gasturbinentriebwerken nicht geeignet.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Flammspritzpulver zu schaffen, das nach dem Aufbringen auf einer Oberfläche eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, so daß eine wirksame thermische Barriere geschaffen wird, die jedoch genügend ausdehnbar ist. um ein Abbrechen aus der Oberflächenschicht zu vermeiden, wenn das Werkstück einer unterschiedlichen thermischen Beanspruchung und Expansion /wischen Oberfläche und Überzug ausgesetzt wird.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Dieses Flammspritzpulver wird bei einer Spritztemperatur eingesetzt, die eine Erweichung des Metallüberzugs ermöglicht, so daß eine Bindung zwischen benachbarten abgelagerten Partikeln erhalten wird. Dies gewährleistet, daß von den abgelagerten Partikeln ein Großteil der Glaskügelchen hohl verbleibt, so daß infolge der zahlreichen erhaltenen Hohlkörper der abgelagerte Überzug eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzt, durch die metallische Zusammenschmelzung

wird andererseits gewährleistet, daß der Überzug in sich stabil ist und sich dehnen und schrumpfen kann, ohne daß eine Risscbildung zu befürchten wäre.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des Flamm-

spritzpulver* ergeben iich aus den Untcransprüchen 2 bis 8.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überziehen einer Oberfläche unter Verwendung eines Flanimspritzpulvers gemäß den Ansprüchen 1 bis 8. Zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 9 bis 13.

Um die Wärmeleitfähigkeit eines gemäß der Erfindung hergestellten Übemies festzustellen, wurden Vergleichsversuche durchgeführt. Dabei wurde die thermische Wärmeleitfähigkeit eines Nickelbleches geprüft, auf dem durch Flammspritzen ein Pulver gemäß der Erfindung aufgebracht war und diese Wärmeleitfähigkeit wurde verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit von zwei ähnlichen Prüfstücken, von denen das eine ohne Überzug war und das andere einen bekannten Keramiküberzug trug.

Das Pulver gemäß der Erfindung besteht aus einem hohlen Aluminium-Silikatglas in Kugelform, überzogen mit einer Legierung bestehend aus 80% Nickel, 2.5% Aluminium, 15,7% Chrom und 1,8% Silizium (in Gewichtsprozent). Das Glas enthieU 31,97% Al₂Oj, 60.75% SiO₂. 4,18% Fe₂O₁,1.91% K₂O und 0,81 % Na (in Gewichtsprozent). Die Kugeln hatten ohne Überzug einen Durchmesser zwischen etwa 30 und 300 μιη und eine Manteldicke von 2 bis 10 μιη.

Das Glas bei diesem speziellen Pulver bildet 10 Gew.-% eines jeden Partikels. Das Glas kann jedoch zwischen 5 und 90 Gew.-% eines jeden Partikels betragen.

Eine Schirmanalyse zeigte, daß die Partikelgröße des Pulvers wie folgt war:

Maschermette (mm)
durcheelassen

nicht durchgelassen

0.0116	0.0058
0.O058	0.0041
0.0041	0.0029
0.0029

Das Pulver hat eine Dichte von 1.28 g/cm'.

Das Pulver kann jedoch Partikel in einem Durchmesserbereich zwischen 20 und 52 μιη aufweisen.

Das Pulver wurde durch Verbrennungsflammspritzen auf eine 2 cm dicke Nickelplatte aufgebracht, wobei eine Acetylen-Sauerstoff- Verbrennungsmischung benutzt wurde und der Prüfling 20 cm von der Düse der Spritzpistole entfernt angeordnet wurde. Der sich ergebende Überzug war 2 mm dick und hatte eine Dichte von 2.7 g/cm¹.

Dann wurde ein ähnlicher Prüfling mit einer 0.15 min dicken Verbindungsschicht überzogen, die 80% Nickel und 20% Chrom enthielt, bevor durch Flammspritzen ein Überzug aus Zirkoniumoxid aufgebracht wurde, wozu eine Acetylen-Sauerstoff-Verbrennungsmischung benutzt wurde. Die Gesamtdicke des sich ergebenden Überzugs betrug 075 'nm. Dies ist die maximale Dicke, die für Überzüge <hese^r Art empfohlen wird.

Der dritte Pi't'flini-' war eine Nickdplatte ohne Überzug ähnlich Jens'¹, die für die Vorbereitung der obigen Prüflinge fteni'i/i wurde und die Dicke dieser Platte betrug 2 mnl

Die Wärmeleitfiihij'keit der drei Prüflinge wurde unter Benutzung eiOeh Apparates bestimmt, der schematisch in der beiliegenden Zeichnung beschrieben ist. Dieser Apparat 1(> weist einen isolierten Kupfer-Stahlbehälter 11 auf. ai' dem ein U-Rohr 12 befestigt ist.

Der Prüfling 13 wird in der Mitte des Rohres 12 so angeordnet, daß er ein Ziel für die Sauerstoff-Acetylen-Flamme eines geeigneten nicht dargestellten Brenners bildet. Der 3ehälter 11 und das Rohr 12 enthalten 8,2 k£ Wasser, dessen Temperatur durch ein Thermometer 14 angezeigt wird.

Der Apparat 10 ist so angeordnet, daß der Prüfling 13 durch die Sauerstoff-Acetylen-Flamme erhitzt wird und dadurch die Temperatur des Wassers innerhalb des Rohrs 12 und demgemäß innerhalb des Behälters 11 anhebt. Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings 13, desto schneller steigt daher die Temperatur des Wassers.

Eine Fläche von 8 cm- eines jeden Prüflings 13 wurde aus einer Entfernung von 20 cm mit einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme erwärmt und der Temperaturanstieg des Wassers von Raumtemperatur wurde festgestellt. Die Durchschnitts-Flammtemperatur am Prüfling wurde unter Benutzung eines optischen Pyrometers mit 775° C festgestellt.

Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse erlangt.

Pruning Γ C h

Nickel ohne Überzug Γ0
Nickel mit Überzug aus Zirkoniumoxid 21
Nickel mit einem Überzug aus metallbeschichteten Glasperlen 12.8

Bei der konstant gehaltenen Oberfläche von 8 cm² des Prüflings wurden die folgenden Werte für den Wärmestrom festgestellt.

Prüfling Wärmestrom

cm²

Nickel ohne Überzug <t0.7

Nickel mit Überzug aus Zirkoniumoxid 30.2
Nickel mit einem Überzug aus metall-

bescnichteten Glaskugeln 18.6

Bei der Berechnung der Wärmeleitfähigkeit k eines jeden Prüflings wurden die folgenden Annahmen getroffen:

a) Die Temperatur auf der heißen Seite eines jeden Prüflings wurde konstant auf 775" gehalten.

b) Die Wassertemperatur betrug konstant 20⁰C + die Hälfte des Temperaturanstiegs.

c) Freie Konvektionsbedingungen waren an der Grenzschicht der kalten Oberfläche des Prüflings tr. t Wasser vorhanden.

Die Berechnungei, führten zu den folgenden Werten:

Prüfltne 60	Wärmeleitfähigkeit >
	W
	*in ■ k*
Nickel ohne Überzug	2849
65 Nickel mit Überzug aus
Zirkoniumoxid	I 3.46
Nickel mit einem Überzug aus
mctallbeschiclitclen Glaskugeln	1 2.68

Demgemäß ist die Wärmeleitfähigkeit dos Prüflings, der mil einem Überzug gctn.il.1 der Erfindung überzogen war, niedriger als die Wärmeleitfähigkeit des mit Zirkoniumoxid überzogenen Prüflings. Die Dicke des Überzugs aus Zirkoniumoxid ist kleiner als die des Überzugs gemäß der Erfindung. Hierbei muß man jedoch berücksichtigen, daß die Dicke von 0,75 mm des Zirkoniumoxidüberziigs als maximal empfohlene Dicke gilt, während der 2-mm-Überztig gemäß der F-lrfindung nicht die maximale Dicke darstellt. Tatsächlich wird angenommen, daß Überzüge gemäß der Firfindting bis zu einer Dicke von etwa 7 mm aufgebaut werden können und dennoch eine wirksame l^;unktion sichergestellt ist. ohne daß eine Tendenz zum Bruch und zum Ausbrechen der Teile vorhanden ist. Andererseits könnten Überzüge gemäß der Erfindung mit einer Dicke von nur 0.2mm hergestellt werden und dann dennoch bereits eine wirksame thermische Barriere bilden.

Die Wärmeleitfähigkeit der Oberflächen kann in hohem Maße durch ihre Absorptions- oder Reflexionscharakteristik beeinflußt werden. Der Überzug gemäß vorliegender Erfindung ist dunkel und besitz! eine niedrige Dichte. Es kann daher unter gewissen Umständen erwünscht sein, einen weiteren Überzug aufzubringen, um die Reflexionsfähigkeit zu erhöhen. Ein geeigneter weiterer Überzug kann beispielsweise aus einem dichten, dünnen, durch Flammspritzen aufgebrachten Überzug aus Zirkoniumoxid bestehen, der allgemein etwas gefärbt ist. Es können weitere Überzüge auf den erfindungsgemäßen Überzug aufgebracht werden, um seinen Erosionswiderstand und den Korrosionswiderstand zu erhöhen. Diese weiteren Überzüge können entweder aus Keramikmaterial bestehen oder metallisch ausgebildet sein, je nach der speziellen Anwendung. Außerdem können Überzüge gemäß der Erfindung auf bestehende Überzüge aufgebracht werden, um z. B. die Verbindung zwischen dem Überzug gemäß der Erfindung und dem Überzugssubstrat zu verbessern.

Unter gewissen Umständen kann es erwünscht sein, das Pulver mit einem weiteren metallischen Pulver oder

einem Keramikpuher zu mischen, bevor die ( lammspril/iing erfolgt.

Das erfindiingsgem.iße PuKer ist nicht nur zum Verbrcnnungs-I himmspntzen. sondern auch zum Plasmaspritzen auf eine Oberfläche geeignet oder es kann auf die Oberflächen in lorm eines Schlamms mit einem geeigneten flüssigen Binder aufgebracht werden. Wenn das Pulver in F-'orni eines Schlamms aufgebracht wird, dann ist eine nachfolgende Erhitzung notwendig, um den Binder auszubrennen und die Partikel zu sintern. Ein geeigneter Hin.ler ist z. B. ein organisches Kunstharz, welches mit wenig Rückständen \ erbrennt, beispielsweise ein Poly met Ii ac ry I- list er- Kunst ha rz.

Es hat sich gezeigt, daß durch da- Aufbringen mittels der .Schlammtechnik eine w irksame thermische Barriere erhalten werden kann. Das Ausmaß der Porosität macht sie geeignet zur Benutzung für die Herstellung von Verschleißdichtungen. Demgemäß können die Überzüge auf die radial inneren Oberflächen eines Kompressors eines axial durchströmten Gasturbinentriebwerks so aufgebracht werden, c'aß die radial inneren Oberflächen des Strömungskanals im Betrieb durch die Spitzen der sich drehenden Konipressorschaufeln abgeschliffen werden.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit Partikeln beschrieben, die aus hohlen Aluminium-Silikatglaskugeln bestehen, die mit einer l.egieiung aus Nickel. Aluminium. Chrom und Silizium überzogen waren. Es können jedoch auch andere geeignete Legierungen und Glaser benutzt werden. So kann die Legierung beispielsweise eine Legierung auf Nickelbasis oder auf Kobaltbasis sein und Aluminium und Chrom enthalten und ggf. können Metalle seltener Erden und/oder Silizium beigemischt sein.

Da das Pulver gemäß der Erfindung einen Metallgehalt besitzt, ist der sich ergebende Überzug, wenn dieser im Flammspritzverfahren auf eine Unterlage aufgebracht wird, sehr viel dehnbarer als ein Keramiküberz.ug. Infolgedessen besitzt der Überzug einen verbesserten Widerstand gegen Rissebildung und Ausbrechen infolge von Temperaturschwankungen in der Unterlage und zwischen Unterlage und Überzug.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flammspritzpulver, welches Partikel enthält, die aus Glas und einem Metall zusammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Glashohlkörpern bestehen, die mit dem Metall überzogen sind.

2. Pulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Nickel- oder Kobaltlegierung ist

3. Pulver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich Aluminium und Chrom enthält.

4. Pulver nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich eine oder mehrere seltene Erden und/oder Silizium enthält.

5. Pulver nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Glas 5 bis 90 Gew.-% eines jeden Parlikeis ausmacht.

6. Pulver nach einem der vorhergehenden Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas ein Aluminium-Silikatglus ist.

7. Pulver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Partikel in einem Bereich zwischen 20 und 250 μπι liegt.

8. Pulver nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch ge· jnnzeichnet. daß das Pulver Partikel aus einem Glas aufweist und jed^¹· Partikel hohl und mit einer Legierung überzogen ist. die folgende Bestandteile in Gew.-% aufweist: 80% Nickel, 2.5% Aluminium. 15.7% Chrom und 1.8% Silizium, wobei das Glas in Gewichtsprozenten aus folgender Zusammensetzung besteht: 31.97% AI₂Oi. 60,75% SiO₂. 4.18% Fe₂O₁. 1.91% K₂O und 0.81% Na₂O. wobei dieses Glas 10 Gew.-% der Partikel ausmacht.

9. Verfahren zum Überziehen einer Oberfläche unter Verwendung eines Pulvers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dis Pulver im Flammspritzverfahren bis zu einer Tiefe zwischen 0.2 und 7 mm aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Überzug, entweder Metallcharakter oder Keramikcharakter besitzt, danach auf den ersten Überzug aufgebracht wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10. dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver mit einem weiteren MetaPpulver oder einem Keramikpulver vermischt wird, bevor der Flammspritzvorgang durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen das Pulver auf eine Temperatur erhitzt wird, die «usreicht. um eine Sinterung durchzuführen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver in einem flüssigen Binder suspendiert wird,