DE3447469A1 - METHOD FOR PRODUCING POROUS METAL STRUCTURES BY THERMAL SPRAYING WITH A METAL AND A VOLATILE MATERIAL - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING POROUS METAL STRUCTURES BY THERMAL SPRAYING WITH A METAL AND A VOLATILE MATERIALInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung poröser Metallstrukturen durch thermisches Spritzen mit einem Metall und einem flüchtigenProcess for the production of porous metal structures by thermal spraying with a metal and a volatile one
Materialmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Metallstrukturen durch thermisches Spritzen wie beispielsweise Plasma-Lichtbogenspritzen.The present invention relates to a method for producing porous metal structures by thermal Syringes such as plasma arc sprayers.
Poröse Metallstrukturen werden in einer Vielzahl von Verfahren hergestellt und für verschiedene Situationen angewendet. Es wurde gefunden, daß poröse Metallstrukturen ganz besonders für abschleifbare Dichtungen nützlich sind, worunter Strukturen zu verstehen sind, die leicht mit grosser Geschwindigkeit abgetragen werden, wenn sie von einem Hochgeschwindigkeitsteil berührt werden, die jedoch ansonsten ihre Integrität behalten. Sie werden besonders auf dem Gebiet des Triebwerksbaues verwendet. Zum Stand der Technik wird auf die US-PS 4 049 428 (Elbert et al) und US-PS 3 111 396 (Ball) verwiesen.Porous metal structures are made in a variety of processes and used for different situations. It has been found that porous metal structures are particularly useful for abradable seals, by which structures are to be understood that are easily removed at great speed when they are removed by one High-speed part are touched, but otherwise retain their integrity. You become special used in the field of engine construction. For the prior art, reference is made to US Pat. No. 4,049,428 (Elbert et al) and U.S. Patent 3,111,396 (Ball).
Eines der bevorzugten Verfahren zur Herstellung poröser MetallStrukturen besteht darin, einen Preßkörper oder kompakten Körper aus Metall und einem flüchtigen Material zu erzeugen und anschließend das flüchtige Material zu entfernen, so daß eine MetallStruktur mit einer Dichte unterhalb der vollen Dichte zurückbleibt. Es wurden herkömmliche Pulvermetallurgietechniken angewandt, die die Bereitung einer Mischung, das Pressen und Sintern umfassen. Zu diesem Stand der Technik vgl. US-PS 3 864 124 (Breton et al), US-PS 3 897 221 (Salyer et al) sowie die obigen bereits genannten Patente. Ferner ist auf US-PS 3 350 (Miller) zu verweisen.One of the preferred methods of making porous metal structures is to use a compact or to produce compact bodies made of metal and a volatile material and then to produce the volatile material remove so that a metal structure with a density remains below full density. Conventional powder metallurgy techniques have been used which include the Preparation of a mixture that includes pressing and sintering. On this prior art, see US Pat. No. 3,864,124 (Breton et al), U.S. Patent 3,897,221 (Salyer et al) and the patents cited above. Also see U.S. Patent 3,350 (Miller) to refer.
Infolge der wesentlichen Schrumpfung, die bei einem Pulvermetall-Gegenstand durch das Sintern bewirkt wird, haben wir bisher das Plasma-Lichtbogenspritzen zur Her-Due to the substantial shrinkage caused by sintering in a powder metal article, we have so far used plasma arc spraying for
Stellung poröser Metallstrukturen bevorzugt. Während des Plasmaspritzens einer Metall-Polymer-Mischung binden sich die Metallteilchen aneinander. Dadurch ist ein anschließendes Sintern entweder überflüssig oder, wenn es durchgeführt wird, führt es nicht zu einer übermäßigen Schrumpfung. Allgemein gesprochen wurde ein Verbundgegenstand zuerst nach der Lehre von ÜS-PS 3 723 165 (Longo et al) hergestellt, wonach ein Metallpulver wie beispielsweise aus Nichrome zusammen mit einem Hochtemperatur-Poly.esterpulver wie beispielsweise Poly(paraoxybenzoyl), das einen hohen Schmelzpunkt aufweist, verspritzt wird. Der Polyester erweicht, schmilzt jedoch während des Spritzens nicht. Obwohl der spezielle Schritt der Erzeugung einer porösen Struktur durch anschließendes Oxidieren des Polymeren in dem genannten Patent nicht erwähnt ist, haben wir und andere diesen Schritt durchgeführt, um poröse Versuchs-Dichtungsstrukturen für Gasturbinentriebwerke herzustellen. Da der verwendete Polyester ein Hochtemperaturmaterial ist, sind Temperaturen im Bereich von 5400C erforderlich, um den flüchtigen Bestandteil wegzuoxidieren. Obwohl die abschleifbaren Dichtungen, die auf diese Weise hergestellt wurden, für die Gasturbinentriebwerks-Verwendung wirksam sind, sind die Kosten für das teilchenförmige Polyesterharz hoch. Es wurden daher Verbesserungen gesucht, die sowohl die Kosten vermindern als auch das Verhalten der abschleifbaren Dichtungen aus porösen Metallen verbessern, indem deren physikalische und chemische Eigenschaften verändert wurden.Position of porous metal structures preferred. During the plasma spraying of a metal-polymer mixture, the metal particles bind together. This either eliminates the need for subsequent sintering or, if carried out, does not result in excessive shrinkage. Generally speaking, a composite article was first produced according to the teaching of US Pat. No. 3,723,165 (Longo et al), according to which a metal powder such as, for example, nichrome, together with a high-temperature polyester powder such as, for example, poly (paraoxybenzoyl), which has a high melting point is splashed. The polyester softens but does not melt during spraying. Although the specific step of creating a porous structure by subsequently oxidizing the polymer is not mentioned in the referenced patent, we and others have performed this step to produce test porous seal structures for gas turbine engines. As the polyester used is a high temperature material, temperatures in the range of 540 0 C are required to oxidize away the volatile ingredient. Although the abradable seals made in this way are effective for gas turbine engine use, the cost of the particulate polyester resin is high. Improvements have therefore been sought which both reduce cost and improve the performance of abradable porous metal seals by changing their physical and chemical properties.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung poröser Metallstrukturen, insbesondere zur Herstellung einer abschleifbaren Dichtung für ein Turbinentriebwerk; anzugeben, das zu einer Dichtung mit einem verbesserten Verhalten bei niedrigerenIt is an object of the present invention to provide an improved method for making porous metal structures, particularly for making an abradable seal for a turbine engine ; indicate this leads to a seal with improved performance at lower
35 Kosten führt.35 cost leads.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a method according to claim 1 or 10. Advantageous refinements are the to be found in the dependent subclaims.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein schmelzbares Polymeres, das eine niedrige Verflüchtigungstemperatur aus einem aufgespritzten Belag aufweist, thermisch zusammen mit einem Metallpulver auf ein Substrat aufgespritzt. Das Polymere wird aus dem Belag durch Erhitzen auf eine Temperatur verflüchtigt, die unterhalb derjenigen liegt, bei der mehr als 30 Gew.-% an Oxiden in dem zurückbleibenden Metallbelag gebildet werden. Es wurde gefunden, daß ein niedriger Oxidgehalt in einem Material für eine abschleifbare Dichtung deren Verhalten verbessert, insbesondere im Hinblick auf eine Vermeidung eines Glanzschleifens bei einer Wechselwirkung mit einer Kompressor-Laufschaufel. Thus, according to the present invention, there becomes a meltable polymer which has a low volatilization temperature comprises a sprayed-on coating, thermally sprayed onto a substrate together with a metal powder. The polymer is volatilized from the pavement by heating to a temperature below that is at which more than 30 wt .-% of oxides are formed in the remaining metal coating. It was found, that a low oxide content in a material for an abradable seal improves its behavior, in particular with a view to avoiding buffing when interacting with a compressor rotor blade.
Vorzugsweise wird das Plasma-Lichtbogenspritzen oder ein anderes Spritzverfahren, bei dem eine übermäßige Oxidation des teilchenförmigen Materials vermieden wird, dazu verwendet, einen ersten Belag aus einer Mischung des Polymeren mit dem Metall auf einem Substrat auszubilden. Anschließend wird das Polymere durch Erhitzen auf eine relativ niedrige Temperatur entfernt. Das Polymere kann dadurch verschwinden, daß es unter Bildung eines flüchtigen Stoffs depolymerisiert, daß es chemisch unter Bildung eines flüchtigen Stoffs reagiert, daß es sich auflöst oder nach irgendeinem anderen Verfahren, bei dem keine übermäßige Wärmeerzeugung auftritt. Die Depolymerisation ist dabei bevorzugt, da sie ein endothermer Prozeß ist und auf diese Weise einen vorteilhaften Gegensatz zu einem Oxidationsverfahren bildet, bei dem die Temperaturen exotherm erhöht und unerwünschte Oxidationen oder andere Reaktionen bewirkt werden können. Wenn die vorliegende Erfindung auf Nichrome-Legierungen angewandt wird,Preferably, plasma arc spraying or another spraying process that involves excessive oxidation of the particulate material is avoided, is used to make a first coating of a mixture of the Forming polymers with the metal on a substrate. The polymer is then heated to a relatively low temperature removed. The polymer can disappear by forming a volatile one Substance depolymerizes that it is chemically forming of a volatile substance reacts to dissolve or by any other process in which no excessive heat generation occurs. Depolymerization is preferred because it is an endothermic process is and in this way forms an advantageous contrast to an oxidation process in which the temperatures exothermically increased and undesired oxidations or other reactions can be caused. If the present Invention is applied to nichrome alloys,
werden Oxidgehalte von 4-30 Gew.-% in Strukturen erzeugt, deren Dichte 26-40% der Dichte des festen Metalls beträgt. Derartige Zahlen sind mit einem typischen 30-40 Gew.-%igen Oxidgehalt zu vergleichen, der für poröse Nichrome-Metalle charakteristisch ist, die nach der früheren Technik unter Verwendung eines Hochtemperaturpolymeren erzeugt wurden. Vorzugsweise wird der Belag aus Polymerem und Metall zur Kostenverminderung an der Luft erhitzt. Für Nichrome-Legierungen bedeutet das im wesentlichen, daß man den Entfernungsprozeß bei einer niedrigen Temperatur, und zwar bei weniger als 54O0C, vorzugsweise im Bereich von 250-4300C, durchführt.Oxide contents of 4-30% by weight are produced in structures whose density is 26-40% of the density of the solid metal. Such numbers compare to a typical 30-40 weight percent oxide content characteristic of porous nichrome metals made in the prior art using a high temperature polymer. Preferably, the polymer and metal coating is heated in air to reduce cost. For Nichrome alloys consisting essentially, that one performs the removal process at a low temperature, namely at less than 54O 0 C, preferably in the range of 250-430 0 C means.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden 14 Gew.-% Polymethylmethacrylat-Pulver zusammen mit 86 Gew.-% 80Ni-20Cr-Pulver verspritzt. Der auf diese Weise erzeugte Belag wird auf etwa 315°C erhitzt, um das Polymere in ein flüchtiges Monomeres umzuwandeln. Die erhaltene poröse Metallstruktur weist ein scheinbares spezifisches Gewicht von 2,7 g/cm3 oder von etwa 32% des theoretischen Werts für das Metall auf.According to a preferred embodiment of the present invention, 14% by weight of polymethyl methacrylate powder are sprayed together with 86% by weight of 80Ni-20Cr powder. The coating produced in this way is heated to about 315 ° C. in order to convert the polymer into a volatile monomer. The resulting porous metal structure has an apparent specific gravity of 2.7 g / cm 3 or about 32% of the theoretical value for the metal.
Unter Verwendung von Kunststoffen, die schmelzbar sind, wird, verglichen mit Kunststoffen, die während des Spritzens nur erweichen, eine Porenstruktur mit verbessertem Charakter erhalten. Diese Porenstruktur ist mit dem besseren Verhalten der abschleifbaren Dichtungen genauso verknüpft wie der niedrigere Oxidgehalt.Using plastics that are meltable is compared with plastics that are made during injection molding only soften, obtain a pore structure with improved character. This pore structure is with the better The behavior of the abradable seals is just as linked as the lower oxide content.
Die obigen Ausführungen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren noch klarer. The above, as well as other objects, features, and advantages of the present invention are apparent from US Pat the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the figures even more clearly.
35 Es zeigen:35 It show:
Fig. 1 ein Schliffbild eines Querschnitts durchFig. 1 is a micrograph of a cross section through
eine poröse Metallstruktur aus Nichrome, die erfindungsgemäß unter Verwendung von Polymethylmethacrylat erzeugt wurde;a porous metal structure made of nichrome, which was produced according to the invention using polymethyl methacrylate;
Fig. 2 ein Schliffbild ähnlich wie in Fig. 1,FIG. 2 shows a micrograph similar to that in FIG. 1,
wobei jedoch eine Nichrome-Struktur gezeigt wird, die gemäß dem Stand der Technik und Verwendung eines Polyesters hergestellt wurde und die eine gegenüberhowever, a nichrome structure is shown which is in accordance with the prior art and using a polyester and the one opposite
Fig. 1 unterschiedliche Porosität aufweist; Fig. 1 has different porosities;
Fig. 3 eine graphische Darstellung, die zeigt,3 is a diagram showing
wie der Oxidgehalt den Glanzschliff-like the oxide content the gloss finish
Charakter einer 80-20 Nichrome-Struktur beeinflußt, wobei gilt, daß das Fehlen eines Glanzschliffs gut ist;The character of an 80-20 nichrome structure is influenced, the absence of which a gloss finish is good;
Fig. 4 eine Photographie der Form von teilchen-Fig. 4 is a photograph of the shape of particulate
förmigem Polymethylmethacrylat (Lucite) nach dem thermischen Spritzen in die freie Luft; undshaped polymethyl methacrylate (Lucite) after thermal spraying in the free air; and
Fig. 5 ähnlich wie in Fig. 4 die Form einesFIG. 5, similar to FIG. 4, shows the shape of a
teilchenförmigen Poly(paraoxybenzoyls) (Ekonol).particulate poly (paraoxybenzoyls) (Ekonol).
Die vorliegende Erfindung wird am Beispiel der Herstellung einer abschleifbaren Dichtung aus einer Nickel-Chrom-Legierung, 80Ni-20Cr, beschrieben. Das Spritzen einer Mischung aus einem Metall und einem Polymeren ist in den US-PSen 3 179 784 (Johnson) und 3 723 165 (Longo et al) beschrieben, wobei zur Ergänzung der vorliegenden Offenbarung auf diese Patentschriften Bezug genommen wird. Bei der bevorzugten Durchführungsform der vorliegendenThe present invention is illustrated using the example of manufacture a grindable seal made of a nickel-chromium alloy, 80Ni-20Cr, described. Splashing one Mixture of a metal and a polymer is disclosed in U.S. Patents 3,179,784 (Johnson) and 3,723,165 (Longo et al), reference being made to these patents to supplement the present disclosure. In the preferred embodiment of the present
Erfindung wird ein Polymerpulver benutzt, das eine Depolymerisationstemperatur von weniger als 4300C aufweist. Vorzugsweise ist das Pulver ein Polymethylmethacrylat, beispielsweise ein Pulver aus Lucite Grade 4FNC-99 (Dupont Company). Es wird eine Pulvermischung aus 14 Gew.-% Lucite und 86% Nichrome verspritzt. Das Nichrome weist eine Teilchengröße von nominell -250 +500 mesh (Tyler Sieve Series-Maschengröße) auf (nachfolgend einfach bezeichnet als "-250 Nichrome"), während das Lucite eine entsprechende Teilchengröße von -80 +400 mesh aufweist. Etwa 0,2 Gew.-% von Sub-^m-Siliciumoxidteilchen, beispielsweise Cab-o-Sil-Pulver (Cabot Corporation), wird zugesetzt, und zwar in dem Maße, wie zur Verbesserung der Fließeigenschaften der Mischung erforderlich ist. Die Mischung wird durch einen Plasma-Lichtbogenbrenner geleitet und in einer Dicke von etwa 2 mm auf einem in geeigneter Weise vorbereiteten Substrat, beispielsweise einem Werkstück aus einer Nickel-Super legierung, abgeschieden, wobei beim Plasma-Lichtbogenspritzen übliche Bedingungen gewählt werden.Invention is used, a polymer powder having a depolymerization temperature of less than 430 0 C. Preferably the powder is a polymethyl methacrylate such as a Lucite Grade 4FNC-99 powder (Dupont Company). A powder mixture of 14% by weight Lucite and 86% Nichrome is sprayed. The nichrome has a nominally -250 +500 mesh (Tyler Sieve Series mesh size) particle size (hereinafter simply referred to as "-250 nichrome") while the Lucite has a corresponding particle size of -80 +400 mesh. About 0.2% by weight of sub-silica particles, such as Cab-o-Sil powder (Cabot Corporation), is added as necessary to improve the flow properties of the mixture. The mixture is passed through a plasma arc torch and deposited to a thickness of about 2 mm on a suitably prepared substrate, for example a workpiece made of a nickel superalloy, using the usual conditions for plasma arc spraying.
Nachdem die gewünschte Dicke des aufgespritzten Belags erzeugt wurde, wird dieser an der Luft, im Vakuum oder einer Inertatmosphäre erhitzt. Aus Gründen der Vereinfachung wird vorzugsweise Luft verwendet.Der Gegenstand wird etwa 2 h auf eine Temperatur von etwa 315°C erhitzt, um eine Depolymerisation des Polymeren zu bewirken und das Monomere zu erzeugen, das sich aus dem Gegenstand verflüchtigt, wodurch auf dem Substrat eine poröse Metallstruktur zurückbleibt. Fig. 1 ist ein Schliffbild des Querschnitts der erhaltenen Schicht aus Nichrome-Metall, die eine scheinbare Dichte von 2,7 g/cm3 aufweist, was etwa 32% der theoretischen Dichte für Nichrome-Metall entspricht.(Die Strukturen von Fig. 1 und Fig. 2 erscheinen im wesentlichen gleich wie dargestellt, wenn sie senkrecht zu dem Querschnitt betrachtet werden). Die Dichte wird auf herkömmliche Weise dadurch gemessen, daß man dasAfter the desired thickness of the sprayed-on covering has been produced, it is heated in air, in a vacuum or in an inert atmosphere. Air is preferably used for the sake of simplicity. The article is heated to a temperature of about 315 ° C for about 2 hours to cause depolymerization of the polymer and generate the monomer which volatilizes from the article, thereby forming an on the substrate porous metal structure remains. 1 is a micrograph of the cross section of the layer of nichrome metal obtained, which has an apparent density of 2.7 g / cm 3 , which corresponds to about 32% of the theoretical density for nichrome metal and Fig. 2 appear essentially the same as shown when viewed perpendicular to the cross-section). Density is conventionally measured by having the
Gewicht einer Probe durch das Volumen teilt, das von ihrer Außenoberfläche umschlossen wird. Die poröse Nichrome-Struktur, die oben beschrieben wurde, besteht jedoch aus Metall und etwa 25% Metalloxid. Die Ni-Cr-Oxide, die nicht sauber charakterisiert wurden, weisen ein niedrigeres spezifisches Gewicht auf als das Metall. Somit ist die tatsächliche Porosität einer Struktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, geringer als das Verhältnis des spezifischen Gewichts der Struktur zu dem spezifischen Gewicht für das vollständig dichte Metall; z.B. liegt die 2,7 g/cm3-Porenstruktur von 8,4 g/cm3 Nichrome, die einer scheinbaren Dichte von 32% entspricht, im Hinblick auf die Hohlraumstruktur etwas unter 68%.Dividing the weight of a sample by the volume enclosed by its outer surface. However, the porous nichrome structure described above is comprised of metal and about 25% metal oxide. The Ni-Cr oxides, which were not properly characterized, have a lower specific gravity than the metal. Thus, the actual porosity of a structure made in accordance with the present invention is less than the ratio of the specific gravity of the structure to the specific gravity for the fully dense metal; For example, the 2.7 g / cm 3 pore structure of 8.4 g / cm 3 nichrome, which corresponds to an apparent density of 32%, is slightly below 68% with regard to the cavity structure.
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu verstehen, ist zu berücksichtigen, daß die gewünschte Funktion eines abschleifbaren Materials darin besteht, daß es bei einer Erosion durch Teilchen und bei anderen mechanischen Spannungen intakt bleibt. Trotzdem muß es auf brüchige Weise leicht zerfallen, wenn es von einem sich mit Hochgeschwindigkeit bewegenden Teil, wie beispielsweise einer Laufschaufelspitze, berührt wird. Diese Eigenschaft wird "Abschleif barkeit" genannt. Wenn ein derartiges Verhalten eines leichten Zerfalls fehlt, wird die Spitze der Laufschaufel übermäßig erhitzt und selbst zerstört. Bei Verhaltensversuchen, die einen Betrieb in einem Gasturbinentriebwerk simulieren, erwies sich die Struktur, die unter Verwendung des Polymethylmethacrylat-Harzes erzeugt wurde, überraschenderweise als unterschiedlich und überlegen gegenüber solchen, die unter Verwendung von Polyesterharz hergestellt wurden. Besonders bemerkenswert ist, daß das neue abschleifbare Material eine geringere Neigung zeigt, zu verschmieren oder glänzend geschliffen zu werden, wenn es von der Laufschaufelspitze berührt wird, und zwar im Vergleich mit der gleichen Struktur, wenn sie unter Verwendung eines Polyesterharzes hergestellt wurde.To understand the advantages of the present invention, it should be noted that the desired function of a Abrasive material consists in the fact that it is subject to erosion by particles and other mechanical stresses remains intact. Even so, it must easily crumble in a brittle manner if it moves at high speed moving part, such as a blade tip, is touched. This property is called "abrasion When such easy disintegration behavior is absent, the tip of the blade becomes excessively heated and self-destructive. In behavioral tests involving operation in a gas turbine engine simulate, the structure produced using the polymethyl methacrylate resin turned out to be Surprisingly as different and superior to those made using polyester resin were manufactured. It is particularly noteworthy that the new abradable material has a lower tendency shows smudging or being polished to a glossy finish when touched by the blade tip, in comparison with the same structure when it was made using a polyester resin.
Ein Glanzschliff ist symptomatisch für eine unzureichende Abschleifbarkeit. Wir haben einige der diesem verbesserten Verhalten zugrundeliegenden Phänomene aufgedeckt, die der Verwendung von schmelzbaren Niedertemperaturpolymer-Pulvern, wie beispielsweise aus Polymethylmethacrylat, eigen sind.A gloss finish is symptomatic of an inadequate one Abradability. We have improved some of this Behavior uncovered phenomena underlying the use of meltable low-temperature polymer powders, such as, for example, made of polymethyl methacrylate.
Erstens wurde festgestellt, daß der Oxidgehalt der verbesserten abschleifbaren Dichtungen etwa 25 Gew.-% beträgt, wenn man das -250 Nichrome-Pulver verwendet, wobei zu vergleichen ist mit der gleichen Dichtung, die unter Verwendung des Polyesterharzes hergestellt wurde, in welchem Falle der Oxidgehalt etwa 35 Gew.-% beträgt. Obwohl eine entsprechende Erfahrung anscheinend nahelegt, daß höhere Oxidgehalte wünschenswert sind, da sie im allgemeinen mit einer Versprödung von Metallen verknüpft sind, haben wir gefunden, daß Dichtungen mit einem niedrigeren Oxidgehalt ein verbessertes Verhalten zeigen. Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Auftretens von Glanzschliff vom Oxidgehalt für einen besonders nützlichen Dichtebereich von Nichrome.Die erhaltenen Daten beruhen auf der visuellen Untersuchung der abgeriebenen Oberfläche einer porösen Metallstruktur, die bei einer Temperatur von etwa 240C von sechs simulierten AMS 4928-Titanlegierungs-Laufschaufelspitzen mit Abriebgeschwindigkeiten von etwa 290 m/s berührt wurde. Ein Verschmieren oder Glanzschliff (Glasieren; glazing) ist daran zu erkennen, daß die abgeriebene Oberfläche der aufgespritzten Struktur glänzend und metallisch ist, und zwar verglichen mit dem stumpfen Aussehen,nach dem Abrieb-Test. Zusätzlich ist der Glanzschliff auch an einem beträchtlichen Verschleiß der reibenden Laufschaufel zu erkennen, und zwar im Vergleich mit einem nicht-glänzend geschliffenen Zustand, in dem das Aggregat-Volumen an Titan, das von einer Laufschaufel verschwindet, weniger als 0,5-2% des Aggregat-Volumens des Materials beträgt, das während einesFirst, it has been found that the oxide content of the improved abradable seals is about 25% by weight using the -250 nichrome powder, as compared to the same seal made using the polyester resin, in which case the Oxide content is about 35% by weight. Although experience appears to suggest that higher levels of oxide are desirable because they are generally associated with embrittlement of metals, we have found that gaskets with lower levels of oxide perform better. Fig. 3 shows the dependence of the occurrence of polished sections on the oxide content for a particularly useful density range of nichrome. The data obtained are based on the visual examination of the abraded surface of a porous metal structure, which at a temperature of about 24 0 C of six simulated AMS 4928- Titanium alloy blade tips at abrasion velocities of approximately 290 m / s. A smearing or gloss finish (glazing) can be recognized by the fact that the abraded surface of the sprayed-on structure is shiny and metallic, compared with the dull appearance after the abrasion test. In addition, the polished finish can also be recognized by considerable wear on the rubbing rotor blade, in comparison with a non-glossy ground state in which the aggregate volume of titanium that disappears from a rotor blade is less than 0.5-2% of the aggregate volume of the material, which during a
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Abrieb-Testes aus der Dichtungsstruktur entfernt wird. Der Oxidgehalt einer Dichtungsstruktur ist unter Anwendung herköirunlicher Auflöse-Techniken berechenbar. Für Nichrome verwenden wir eine heiße Methanol-5% Brom-Lösung und charakterisieren den unlöslichen Rückstand als Oxid.Abrasion testes is removed from the sealing structure. The oxide content of a gasket structure is under application conventional dissolution techniques calculable. For Nichrome we use a hot methanol-5% bromine solution and characterize the insoluble residue as an oxide.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Entfernung des Polyesterharzes aus einem aufgespritzten Belag müssen die Öfen wegen der Hochtemperatur-Eigenschaften des Harzes auf etwa 5400C eingestellt werden. Es wurde festgestellt, daß die Oxidation des Polymeren während einer solchen Entfernung die Temperatur der porösen Metallstruktur auf exotherme Weise weiter auf etwa 62O0C anhebt. Wegen des hohen Oberflächenbereichs einer porösen Metallstruktur kommt es zu dem relativ hohen Grad an Oxidation, obwohl Nichrome eine oxidationsbeständige Legierung ist. Es wurde somit festgestellt, daß das Verfahren der Entfernung des Polymeren kritisch ist und daß es erforderlich ist, ein flüchtiges Material zu verwenden, das bei einer niedrigen Temperatur depolymerisiert oder sich auf andere Weise verflüchtigt. Das Oxid ist im allgemeinen im Metall der Struktur dispergiert und ist nicht, wie man erwarten könnte, an den Oberflächen konzentriert, die die sichtbaren Poren umgeben. Tabelle zeigt den Oxidgehalt eines 2,7 g/cm3 80-20NiCr-porösen Materials, der bei einem 100 h-Erhitzen auf bestimmte Brenntemperaturen erhalten wird, die zum Austreiben verschiedener flüchtiger Materialien verwendet werden kön-When removing the polyester resin from a sprayed-on covering, known from the prior art, the ovens must be set to about 540 ° C. because of the high-temperature properties of the resin. It has been found that the oxidation of the polymer, the temperature of the porous metal structure further raises to exothermic manner during such a distance to about 62O 0 C. Because of the high surface area of a porous metal structure, the relatively high degree of oxidation occurs even though nichrome is an oxidation-resistant alloy. It has thus been found that the method of removing the polymer is critical and that it is necessary to use a volatile material which will depolymerize or otherwise volatilize at a low temperature. The oxide is generally dispersed in the metal of the structure and is not, as one might expect, concentrated on the surfaces surrounding the visible pores. Table shows the oxide content of a 2.7 g / cm 3 80-20NiCr-porous material, which is obtained with 100 h heating to certain firing temperatures, which can be used to drive off various volatile materials.
go nen. Die Daten zeigen eine unerwartete Überlegenheit im Hinblick auf die Oxidationsbeständigkeit eines Belags, der mit Polymethylmethacrylat (Lucite) hergestellt wurde, wenn man mit dem gleichen Niederschlag vergleicht, der mit Polyester (Ekonol) hergestellt wurde. Das kann eine Folge der günstigeren Porenstruktur sein, die durch das schmelzbare Polymere erzeugt wird. Unser Verfahren machtgo nen. The data show an unexpected superiority in the With regard to the oxidation resistance of a covering made with polymethyl methacrylate (Lucite), when compared to the same precipitate made with polyester (Ekonol). One can do that Be a consequence of the more favorable pore structure that is generated by the meltable polymer. Our process makes
es möglich, einen gewünschten Oxidgehalt von weniger als 3 5% zu erreichen, üblicherweise im Bereich von 20-30%. Mit Metallen mit ähnlichen Oxidationseigenschaften wie 80-20-Nichrome ist es dazu im allgemeinen erforderlich, daß das Polymere bei einer Temperatur von weniger als etwa 5400C sich zersetzt oder in einen flüchtigen Bestandteil wie beispielsweise ein Monomeres oder ein Gas umgewandelt wird. Bei weniger oxidationsbeständigen Metallen sind niedrigere Temperaturen erforderlich.it is possible to achieve a desired oxide content of less than 35%, usually in the range of 20-30%. With metals with similar characteristics such as oxidation 80-20 Nichrome this it is necessary in general that the polymer at a temperature of less than about 540 0 C decomposes or is converted to a volatile component such as a monomer or a gas. Lower temperatures are required for metals that are less resistant to oxidation.
Zweitens wird auch die physikalische Struktur des porösen Metalls, das unter Verwendung eines schmelzbaren Niedertemperatur-Polymeren hergestellt wurde, verbessert, wenn man die Abschleifbarkeit mit der eines entsprechenden Materials vergleicht, das mit einem bei einer höheren Temperatur erweichenden Polymeren erzeugt wurde. Das ist zu erkennen, wenn man Fig. 1 mit Fig. 2 vergleicht, die ein Schliffbild eines Querschnitts zeigt, der durch Spritzen einer Mischung aus 75 Gew.-% NiCr und 25 Gew.-% Poly(paraoxybenzoyl)-Polyesterharz Ekonol (Carborundum Co. und Metco Inc.) mit einer Teilchengröße von -150 +325 mesh erzeugt wurde.Die in Fig. 2 gezeigte Probe weist eine Dichte von 2,8 g/cm3 auf, die im wesentlichen die gleiche ist wie der Probe in Fig. 1. (Ein niedriger Abscheid-Wirkungsgrad macht es erforderlich, einen höheren prozentualen Volumenanteil Ekonol verglichen mit Lucite zu verwenden, um die gleiche Porosität zu erhalten). Trotzdem ist zu erkennen, daß die Struktur in Fig. 1 eine größere Offenheit aufweist. Wir führen dies auf das Verhalten des teilchenförmigen Lucites zurück, da es geschmolzen wird und anscheinend während seiner Überführung auf das Substrat agglomeriert, was das Ekonol nicht tut. Polymere vom schmelzenden Typ erzeugen einen größeren Porengrößenbereich und die größere Menge an großen Poren führt zu dem offe-Second, the physical structure of the porous metal made using a low temperature meltable polymer is also improved when comparing the abradability with that of a corresponding material made using a higher temperature softening polymer. This can be seen if one compares FIG. 1 with FIG. 2, which shows a micrograph of a cross section obtained by spraying a mixture of 75% by weight NiCr and 25% by weight poly (paraoxybenzoyl) polyester resin Ekonol (Carborundum Co. and Metco Inc.) with a particle size of -150 +325 mesh. The sample shown in FIG. 2 has a density of 2.8 g / cm 3 , which is essentially the same as the sample in FIG 1. (A low separation efficiency makes it necessary to use a higher volume percentage of Ekonol compared to Lucite in order to obtain the same porosity). Nevertheless it can be seen that the structure in FIG. 1 has a greater openness. We attribute this to the behavior of the particulate lucite as it melts and appears to agglomerate during its transfer to the substrate, which the ekonol does not. Melting-type polymers create a larger pore size range, and the larger amount of large pores results in the open
35 neren Erscheinungsbild der Struktur.35 ner appearance of the structure.
TABELLE 1. Ungefährer Sauerstoffgehalt des Belags aus dem abschschcLeifbaren Material und seine Beeinflussung durch ein lOOstündiges ErhitzenTABLE 1. Approximate pavement oxygen content from the abrasive material and its influence by a 100 hour Heat
Sauers toffgehaltOxygen content
gespritztes Polymer/Metallinjected polymer / metal
Lucite/-250 mesh 80Ni20Cr Lucite/-325 80Ni20Cr Ekonol/-250 80Ni20Cr Ekonol/-325 80Ni20CrLucite / -250 mesh 80Ni20Cr Lucite / -325 80Ni20Cr Ekonol / -250 80Ni20Cr Ekonol / -325 80Ni20Cr
Lucite/-325 80Ni20Cr Ekonol/-325 80Ni20CrLucite / -325 80Ni20Cr Ekonol / -325 80Ni20Cr
Lucite/-325 CoCrAlY* Lucite/-325 NiCrAlY*Lucite / -325 CoCrAlY * Lucite / -325 NiCrAlY *
15 * vgl. US-PSen3,676,085, 3,754,903 und 3,542,53015 * See U.S. Patents 3,676,085, 3,754,903 and 3,542,530
temperatur.
(0C)Heating
temperature.
( 0 C)
End(% By weight
End
»fc» I»Fc» I
Die Fig. 4 und 5 zeigen den Unterschied des Verhaltens von Lucite- und Ekonol-Harz, wenn diese als solche durch Plasma-Lichtbogenspritzen in die freie Luft verspritzt und gesammelt werden. Das Ekonol-Material gemäß Fig. 5 zeigt kein Zeichen eines Schmelzens und liegt weiter in Form individueller Teilchen vor, während das Lucite zu kugelartigen Körpern geschmolzen und agglomeriert ist.FIGS. 4 and 5 show the difference in behavior of Lucite and Ekonol resins when these through as such Plasma arc syringes are sprayed into the open air and collected. The Ekonol material according to FIG. 5 shows no sign of melting and continues to exist in the form of individual particles while the lucite is closed spherical bodies is melted and agglomerated.
Allgemein gesprochen betrifft die Erfindung die Verwendung eines Polymeren, das schmilzt und das sich bei einer Temperatur verflüchtigt,die unterhalb derjenigen Temperatur liegt, die zu mehr als 30% Oxid im Metall führt. Für Nichrome sind verschiedene Polymere geeignet, wozu diejenigen gehören, die aus der allgemeinen Gruppe ausgewählt sind, die von Polystyrolen, Polyethylenen, PoIypropylenen und Polyacrylaten gebildet wird, da alle diese Polymeren sich bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von weniger als 5400C aus dem Substrat verflüchtigen. Beispielsweise zersetzt sich Polymethylmethacrylat bei etwa 2500C, und aus Bequemlichkeitsgründen und zur Beschleunigung erhitzen wir es auf etwa 3150C. Ein weiterer Grund für die Bevorzugung des zuletzt erwähnten Materials liegt in seiner leichten Verfügbarkeit in Teilchenform bei geringen Kosten.Generally speaking, the invention relates to the use of a polymer which melts and which volatilizes at a temperature below that which results in greater than 30% oxide in the metal. Various polymers are suitable for nichromes, including those selected from the general group formed by polystyrenes, polyethylenes, polypropylenes and polyacrylates, since all of these polymers are removed from the substrate at atmospheric pressure and a temperature of less than 540 ° C. to evaporate. For example, polymethyl methacrylate decomposes at about 250 ° C., and for reasons of convenience and to speed up we heat it to about 315 ° C. Another reason for the preference of the last-mentioned material is its ready availability in particulate form at low cost.
Selbstverständlich ist der primäre Grund für eine Oxidation der porösen Struktur, der von unserem Verfahren berücksichtigt wird, die Stufe der Entfernung des flüchtigen Polymeren. Es sollte jedoch auch dafür gesorgt werden, daß auch während des thermischen Spritzverfahrens eine Oxidation verhindert wird. Für ein Nichrome-Polymer-Gemisch liefert ein Plasma-Lichtbogenspritzen in Luft mit 50-50 Argon-Helium bei einer Enthalpie von etwa 7 kWh/m3 gute Ergebnisse. Das Plasma-Lichtbogenspritzen an der Luft ist im allgemeinen anwendbar, da es die Verwendung nicht-oxidierender Gase einschließt. Es könnenOf course, the primary cause of oxidation of the porous structure which is considered by our process is the step of removing the volatile polymer. However, care should also be taken to prevent oxidation during the thermal spraying process. For a nichrome polymer mixture, plasma arc spraying in air with 50-50 argon-helium at an enthalpy of about 7 kWh / m 3 gives good results. Plasma arc spraying in air is generally applicable since it involves the use of non-oxidizing gases. It can
jedoch auch andere thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise Flammspritzen und Verfahren unter Verwendung einer Detonationsstrahl-Pistole nützlich sein, wenn bekannt ist, daß sie Niederschläge mit relativ niedrigen Oxidgehalten von weniger als etwa 25% erzeugen. Selbstverständlich variiert der Oxidgehalt eines Belags mit der Größe des verwendeten Metallpulvers, wobei gröbere Pulver zu einem niedrigeren Oxidgehalt führen. Die Verwendung von -250 Nichrome führt zu einem Oxidgehalt im Bereich von 4-10%, nachdem das Polymere entfernt wurde. Dabei weist nicht nur der frisch gespritzte Belag aus einem gröberen Metallpulver weniger Oxid auf, sondern wir haben auch festgestellt, daß die Oxidationsgeschwindigkeit bei einer konstanten Temperatur im Bereich von 200-6500C geringer ist, anscheinend aufgrund von Unterschieden des Charakters der aufgespritzten Struktur. Es sei in diesem Zusammenhang wieder auf Tabelle 1 verwiesen, der zu entnehmen ist, daß ein -325 mesh +500 mesh-Pulver (-325 mesh 80Ni 20Cr") zu einem hohen Sauerstoffgehalt im Vergleichhowever, other thermal spray methods, such as flame spraying and methods using a detonation jet gun, are useful if they are known to produce precipitates having relatively low oxide levels of less than about 25 percent. Of course, the oxide content of a covering varies with the size of the metal powder used, with coarser powders leading to a lower oxide content. The use of -250 nichrome results in an oxide content in the range of 4-10% after the polymer has been removed. In this case, not only the freshly sprayed coating of a coarser metal powder less oxide, but we also found that the oxidation rate is lower at a constant temperature in the range of 200 to 650 0 C, apparently due to differences of character of the sprayed structure. In this connection, reference is again made to Table 1, which can be seen that a -325 mesh +500 mesh powder (-325 mesh 80Ni 20Cr ") compared to a high oxygen content
20 mit einem -24 0 mesh 80Ni 20Cr-Pulver führt.20 leads with a -24 0 mesh 80Ni 20Cr powder.
Wenn eine abschleifbare Dichtung für hohe Temperaturen hergestellt wird, wird der Spritzbelag auf ein gekrümmtes Stück aus einer Nickel- oder Eisen-Superlegierung aufgetragen, z.B. auf IN 718 oder AISI 410-Legierungen. Nachdem das flüchtige Material entfernt wurde, ist die poröse Metallstruktur fest an das Superlegierungs-Substrat, durch das sip im Triebwerk befestigt wird, gebunden. Um derartige Strukturen aus Nichrome herzustellen, spritzen wir von 80-90 Gew.-% Nichrome mit 20-10% Polymethylmethacrylat. Diese Mischungen liefern Beläge mit 35-45 Vol.-% Polymeren, vorzugsweise 37-43 Vol.-%. Die erhaltenen Metallbeläge weisen nach der Verflüchtigung des Polymeren Hohlraumgehalte von 50-70 Vol.-% auf, d.h. die ScheindichteIf a high temperature abradable seal is made, the spray coating will be on a curved one Pieces made of a nickel or iron superalloy, e.g. applied to IN 718 or AISI 410 alloys. After this Once the volatile material has been removed, the porous metal structure is firmly attached to the superalloy substrate, through the sip is attached in the engine, tied. In order to produce such structures from nichrome, we inject from 80-90% by weight nichrome with 20-10% polymethyl methacrylate. These mixtures provide coverings with 35-45% by volume of polymers, preferably 37-43% by volume. The metal coatings obtained have void contents after the polymer has volatilized of 50-70% by volume, i.e. the apparent density
35 beträgt etwa 30-50%.35 is about 30-50%.
Als spezifisches Beispiel weist die obenerwähnte Nichrome-Probe, die durch Spritzen von 86% Nichrome mit 14% Polymethylmethacrylat erzeugt wurde, eine Dichte von etwa 2,7 g/cm3 und einen Oxidgehalt von 7% auf. Die Gewichtsverlust-Messung während der Entfernung des flüchtigen Polymeren zeigt, daß der Belag zu 43 Vol.-% aus Polymerem bestand. Die scheinbare Dichte beträgt 32%, so daß ohne die geringfügige Korrektur zur Berücksichtigung des Metalloxidvolumens (verglichen zur reinen Metalllegierung) der scheinbare Hohlraumgehalt 68% beträgt. Somit ist der Hohlraumgehalt eines fertigen Belags größer als der durch das Polymere erzeugte.As a specific example, the above-mentioned nichrome sample, produced by spraying 86% nichrome with 14% polymethyl methacrylate, has a density of about 2.7 g / cm 3 and an oxide content of 7%. The weight loss measurement during the removal of the volatile polymer shows that the covering consisted of 43% by volume of polymer. The apparent density is 32% so that without the slight correction to account for the metal oxide volume (compared to the pure metal alloy) the apparent void content is 68%. Thus, the void content of a finished pavement is greater than that produced by the polymer.
Es ist gut bekannt, daß Plasmabeschichtungen im frisch gespritzten Zustand porös sind, und diese inhärente Hohlraumerzeugung sowie andere Phänomene, die mit dem beschriebenen Verfahren verknüpft sind, tragen scheinbar dazu bei, das fertige Produkt zu schaffen.It is well known that freshly sprayed plasma coatings are porous and this is inherent in voiding as well as other phenomena associated with the process described appear to be wearing help create the finished product.
Um ähnliche Ergebnisse mit den anderen erwähnten Polymeren zu erhalten, ist eine ordnungsgemäße Einregelung der Belagzusammensetzung erforderlich, um die Dichteveränderung für die Erhaltung der gewünschten Porosität zu berücksichtigen. Eine weitere Einstellung der Zusammensetzung der aufgespritzten Mischung erfolgt deshalb, um den Wirkungsgrad der Abscheidung des Polymerbestandteils und des Metallbestandteils zu berücksichtigen.To get similar results with the other polymers mentioned Proper adjustment of the pavement composition is necessary to maintain the change in density to be considered for maintaining the desired porosity. Another setting of the composition of the sprayed mixture is therefore carried out in order to increase the efficiency of the deposition of the polymer component and the Metal component to be considered.
Die vorliegende Erfindung weist besondere Bedeutung für poröse abschleifbare Dichtungsstrukturen generell aus Nichrome-Legierungen auf, wie sie allgemein in diversen Zusammensetzungen bekannt sind, da derartige Materialien bisher in den nach älteren Techniken erzeugten Dichtungen ein gutes Verhalten zeigten. Nichtsdestoweniger ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Materialien anwendbar, die andere Nickellegierungen sowie Legierungen aufThe present invention has particular relevance to porous abradable sealing structures in general Nichrome alloys, as they are generally known in various compositions, as such materials previously showed good behavior in the seals produced according to older techniques. Nonetheless, it is The present invention is applicable to other materials containing other nickel alloys as well as alloys
1 der Basis von Eisen, Kobalt und Aluminium umfassen.1 include the base of iron, cobalt and aluminum.
Obwohl die vorliegende Erfindung in der vorliegenden Beschreibung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, daß zahlreiche Veränderungen der Form und der Einzelheiten
möglich sind, ohne daß der Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die Ansprüche definiert wird, verlassen
wird.
10Although the present invention has been described in the present specification with respect to a preferred embodiment, it will be understood by those skilled in the art that numerous changes in form and details are possible without departing from the scope of the present invention as defined by the claims , is left.
10
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet , daß das Polymerpulver während des Spritzens geschmolzen wird, so daß in der Metallstruktur eine erwünschte Porenform erzeugt wird, und durchA method of making a porous metal structure which comprises thermally spraying a mixture of metal powder and polymer powder onto a substrate to first create a sprayed-on coating and then heating the coating to volatilize the polymer from the coating ,
characterized in that the polymer powder is melted during spraying so that a desired pore shape is created in the metal structure, and through
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |