DE3331919C1

DE3331919C1 - Gleitwerkstoff fuer Dichtungen an rotierenden Regenerativwaermeaustauschern mit Keramikkern

Info

Publication number: DE3331919C1
Application number: DE3331919A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz 7310 Plochingen Kinast; Wolfgang Dipl.-Ing. Dr. 7076 Waldstetten Kleinekathöfer; Eggert 7314 Wernau Tank; Klaus 7300 Esslingen Wiegard
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-09-03
Filing date: 1983-09-03
Publication date: 1984-03-29
Also published as: JPS6089538A; US4551396A

Description

Ni Rest

als Gleitwerkstoff für Dichtungen an rotierenden Regeneratlv-Wärmetauschern mit Keramik-Kern.

Si	0,3 bis 10 Gew.-%	Gew.-96
Fe	< 10	Gew.-96
Al	<4,5	Gew.-96
Ti	<4,5

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Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Kraftfahrzeuggasturbinen ist es üblich, einen Teil der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie durch regenerativ arbeitende Wärmeübertrager zurückzugewinnen. Die Wärmeübertrager bestehen aus Keramik und sind als Scheiben ausgebildet, die rotierend angetrieben werden. Die Scheiben drehen sich zwischen offenen Stutzen der Abgasleitung und. offenen Stutzen der Leitung für die komprimierte Verbrennungsluft hindurch, so daß abwechselnd eine Aufheizung und Abkühlung der Scheiben in Aufheizzone und Abkühlzone entsprechenden sektoriellen Bereichen erfolgt. Einzelheiten dazu sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise folgenden Schriften entnommen werden: DE-OS 22 42 113, DE-OS 23 01 222, DE-OS 2313165, US-PS 32 73 904, US-PS 34 56 518, US-PS 33 51 129. Das Abdichten der rotierenden Wärmeübertrager bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Die Gleitwerkstoffe der Dichtung müssen nicht nur rasche und hohe Temperaturwechsel vertragen können, sondern auch widerstandsfähig gegenüber oxidativem Angriff bei hohen Temperaturen sein und einen geringen Abrieb haben. Es sind für diesen Zweck keramische Gleitwerkstoffe bekannt, die üblicherweise ein oder mehrere Metalloxide sowie ein oder mehrere Fluoride von Erdalkall- oder Alkalimetallen enthalten. Sie können grob in drei Gruppen eingeteilt werden:

a) Gleitwerkstoffe auf der Basis von Nickeloxid mit Calciumfluorld bzw. einem Gemisch aus Calclumfluorid und Erdalkalihalogeniden (z. B. DE-PS 22 02 180, US-PS 34 81 715, US-PS 37 46 352);

b) Gleitwerkstoffe' auf der Basis von Kupfer bzw. von Kupferoxid, Erdalkali und Alkalifluorid (US-PS 37 46 352, US-PS 38 87 201);

c) Gleitwerkstoffe auf der Basis Zinkoxid und Calciumfluorid, wobei ein Teil des Zinkoxids durch Zinndioxid oder Manganoxide ersetzt werden kann (US-PS 36 79 459, DE-OS 24 54 654, DE-OS 25 14005).'

Nachteilig bei diesen Gleitwerkstoffen ist es jedoch, daß sie für Temperaturen oberhalb 900⁰C nicht mehr unumschränkt geeignet sind. Alle genannten Gleitwerkstoffe haben bei diesen Temperaturen mindestens einen der folgenden Nachteile: Hoher Reibungsbeiwert, mangelhafte Oxidationsbeständigkeit, schlechte Übereinstimmung des Wärmedehnwerts mit dem Wärmedehnwert der Unterlage, starker Abrieb, Nachsinterung und dadurch Schrumpfung und Ablösung im Betrieb,

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55 schlechte Haftung auf dem Grundwerkstoff, Verschlechterung der Haftung während des Betriebs durch Temperaturwechsel und Vibrationen, aufwendige Vorbereitung der Dichtungen (Auflöten einer Grundschicht, Aufspritzen einer Haftschicht), schwierige Bearbeitung (äußerst vorsichtiges Schleifen), schwierige Handhabung (spröde Keramikschichten), teuere und umständliche Herstellung des Spritzpulvers aus zum Teil toxischen Stoffen (Nickeloxid, Fluoride der Erdalkalimetalle), keine Reparierbarkeit bei lokal beschädigter oder abgenutzter Gleitwerkstoffschicht, sofortige Zerstörung bei Überbeanspruchung im Betrieb, große Bauhöhe der Dichtungen durch große Schichtdicken.

Da der Wirkungsgrad von Gasturbinen durch Anhebung der Gastemperatur erheblich gesteigert werden kann, besteht die Aufgabe, Gleitwerkstoffe für möglichst hohe Betriebstemperaturen zu finden.

Diese Aufgabe wird durch den in dem Patentanspruch beschriebenen Gleitwerkstoff gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß in dem hohen Temperaturbereich bis etwa 1200⁰C Gastemperatur bzw. etwa 1100° C Bauteiltemperatur ein metallischer Werkstoff wesentlich bessere Gleiteigenschaften und eine höhere Standfestigkeit besitzt, als die bisher für diesen Zweck verwandten oxidisch-fluoridisch aufgebauten Materialien. Der metallische Werkstoff, der als Gleitwerkstoff benutzt wird, ist eine an sich bekannte Nickellegierung mit 15 bis 19 Gew.-9& Chrom, 5 bis 32,5 Gew.-°6 Molybdän, 0,3 bis 10 Gew.-?6 Silicium und bis zu 10 Gew.-9o Eisen, wobei in dem Eisen auch geringere Mengen Kobald anwesend sein können, bis zu 4,5 Gew.-96 Aluminium, bis zu 196 Titan, Rest Nickel.

Die guten Eigenschaften dieser Legierung als Hochtemperaturgleitwerkstoff beruhen wahrscheinlich auf der Ausbildung einer stabilen gleitfähigen Oxidschicht, die gleichzeitig das darunter liegende Metall vor weiterer Oxidation schützt; dabei soll der Chromgehalt der Legierung um so höher sein, je höher die geplante Einsatztemperatur liegt. Der Verarbeitungszustand der Legierungen - Guß, Blechhalbzeug oder als Spritzschicht auf einem Substrat - ist für Herstellung und Funktion des Gleitmaterials von untergeordneter Bedeutung. So kann beispielsweise eine Dichtleiste als Verbundkonstruktion aus einer hochwarmfesten Legierung als Substrat mit darauf aufgespritzter Schicht aus der angegebenen Legierung bestehen. Durch eine nachfolgende oder zwischengeschaltete Wärmebehandlung läßt sich die Haftfähigkeit einer plasmagespritzten Legierung steigern und gleichzeitig der Reibkoeffizient in der Einlaufphase senken. Durch die Abriebfestigkeit und gleichzeitig gute Gleitfähigkeit der erfindungsgemäßen Gleitschicht sowie die Härte der darunter liegenden Metallmatrix ist nur eine geringe Schichtdicke für den Gleitwerkstoff erforderlich. Durch lokalen Verschleiß abgenutzte Gleitschichten können in den betreffenden Bereichen durch eine erneute Beschichtung wieder funktionsfähig gemacht werden.

Es ist jedoch auch möglich, die gesamte Dichtung aus dem massiven Gleitwerkstoff herzustellen, der dann gleichzeitig als konstruktives Element wirkt, was eine geringe Bauteilhöhe zuläßt.

Eine Gleitschicht aus dem erfindungsgemäßen Gleitwerkstoff zeigt gegenüber den bisher verwendeten keramischen Gleitwerkstoffen auch bei niedrigen Temperaturen eine größere Laufruhe. Ebenso verursachen plötzlich auftretende Lastspitzen keine Beschädigung und damit eventuelle Zerstörung der Gleitschicht, da die Legierung genügend duktil ist. Ein weiterer-Vorteil ist die den metallischen Werkstoffen eigene bessere Wärmeleitung.

Diese bessere Wärmeleitung führt auf der Dichtleiste zu einer besseren Verteilung der durch den Betrieb vorgegebenen örtlich unterschiedlichen Temperaturbeaufschlagung und führt damit zum Abbau von Temperaturspitzen. Weiterhin kann die Wärme unter Umständen besser -, abgeführt werden. Der Verschleiß der keramischen Matrix, auf der der Gleitwerkstoff geleitet, ist nur sehr gering, so beträgt bei Temperaturen von 950° C der mittlere Verschleiß einer Matrix aus der unter dem Namen Cercor Im Handel befindlichen Keramik bei einer Lauf- ι η zeit von 500 Std. nur ungefähr 1 mm. Der Verschleiß des metallischen Gleitwerkstoffs ist minimal und beträgt durchschnittlich etwa 0,5 μm/Std.

Beispiel

Auf eine Dichtleiste aus der hochwarmfesten Legierung Nlmonic wird eine 0,2 mm starke Schicht des metallischen Gleitwerkstoffs durch Plasmaspritzen aufgebracht. Anschließend wurde der Reibungskoeffizient des Gleitwerkstoffs gegenüber einer Keramikmatrix unter dem Handelsnamen Cercor bei verschiedenen Temperaturen und Belastungen ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Abbildung dargestellt. Es kamen zwei verschiedene Legierungen als Gleitwerkstoff zur Anwendung: Legierung a) mit einer Zusammensetzung (Gew.-96): 15,6 Cr, 32,0 Mo, 3,5 Si, 3,0 Fe, Rest Nickel sowie Gleitwerkstoff b) 32,0 Mo, 15,0 Cr, 3,0 Si, Rest Ni. Gemessen wurde jeweils bei einer Belastung von 1,3 N/cm²; 2,7 N/cm² und 4,1 N/cm². Die Kurven 1, 2, 3 zeigen die mit dem Gleitwerkstoff a) erhaltenen Reibungskoeffizienten bei einer Belastung von 1,3; 2,7 und 4,1 N/cm²; die Kurven 4, 5 und 6 zeigen die Reibungskoeffizienten der Legierung b) ebenfalls bei einer Belastung von 1,3; 2,7; und 4,1 N/cm².

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung

Cr 15 bis 19 Gew.-96
Mo5 bis 32,5 Gew.-96

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