DE3785424T2

DE3785424T2 - Verschleisskörper und Pulver sowie Verfahren zur Herstellung.

Info

Publication number: DE3785424T2
Application number: DE87115432T
Authority: DE
Inventors: Roger Johnson Perkins; Smith, Jr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-11-28
Filing date: 1987-10-21
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2007-10-22
Also published as: AU604796B2; IL84405A; NO874974L; DK626287D0; NO874974D0; US4842953A; DK626287A; EP0270785B1; JPS63171801A; DE3785424D1; AU8195287A; NO172653B; NO172653C; IL84405A0; EP0270785A2; EP0270785A3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Gegenstände mit einem abschleifbaren Oberflächenteil und mehr im besonderen auf Gegenstände für Turbinen aus bei hoher Temperatur einsetzbarer Superlegierung mit einem abschleifbaren Oberflächenabschnitt.
Die Wirksamkeit einer Gasturbine hängt zumindest teilweise von der Verringerung und vorzugsweise der Beseitigung eines Gasstromlecks zwischen stationären und rotierenden Teilen ab. So dehnt sich z. B. in den heiß betriebenen Turbinenteilen der Maschine ein gasförmiger Strom von Verbrennungsprodukten durch rotierende Turbinenschaufeln aus, die mit einem gegenüberliegenden stationären Umhüllungsring in einer abdichtenden Beziehung zusammenarbeiten.
Ein Lecken bzw. Austreten um eine solche Dichtung herum, kann die wirksame Gewinnung von Energie aus dem Gastrom verringern. Eine abschleifbare Abdichtungseinrichtung für eine solche Anwendung hat den Einsatz verschiedener poröser oder faserförmiger metallischer oder nicht metallischer abschleifbarer Materialien auf dein Umhüllungsring eingeschlossen. Während des Betriebes nähern sich die Spitzen der rotierenden Turbinenschaufeln und die abschleifbare Dichtungseinrichtung im allgemeinen einander bis zu einem Eingreifen, um ein Austreten des Gasstromes nach außen zu vermeiden.
Da die Betriebstemperaturen und Bedingungen in einer Gasturbine stärkere Beanspruchungen mit sich brachten, waren die bekannten porösen oder faserförmigen abschleifbaren Materialien einer außerordentlich starken Oxidation oder Erosion oder beiden unterworfen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gegenstand mit einem verbesserten abschleifbaren Oberflächenabschnitt für ein Abdichten bei hoher Temperatur zu schaffen.
Eine andere Aufgabe ist es, eine Mischung pulverisierter Legierungen zu schaffen, die bei der Herstellung eines solchen Oberflächenabschnittes eines Gegenstandes eingesetzt werden kann.
Noch eine andere Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen Gegenstandes.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine verbesserte pulverisierte Legierung zu schaffen, die brauchbar ist zum Hartlöten sowie in der Mischung dieser Erfindung.
Diese und andere Aufgaben und Vorteile werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der: bevorzugten Ausführungsformen und der Zeichnung, die typisch für den Umfang der vorliegenden Erfindung sind, diesen aber in keiner Weise einschränken sollen.
Kurz gesagt, schafft eine Form der vorliegenden Erfindung eine Mischung von zwei pulverisierten Legierungen, die jeweils eine Basis von Elementen M, Cr und Al umfassen, wobei M mindestens ein Element ist, ausgewählt aus Co und Ni. Manchmal werden diese Arten von Legierungen als "MCrAl"- oder "McrAl"-Legierungen bezeichnet. Die Mischung hat eine Gesamtmischungs-Zusammensetzung von im wesentlichen 10-35 Gew.-% Cr, 4-10 Gew.-% Al, bis zu 0,09 Gew.-%, 2-6 Gew.-% Si, Rest M und übliche Verunreinigungen, und sie ist weiter gekennzeichnet durch die Abwesenheit von B. Eine erste der beiden pulverisierten Legierungen macht 50-70 Gew.-% der Mischung aus und hat einen Schmelzbereich, der höher ist als der einer zweiten der pulverisierten Legierungen. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung bedeutet höherer Schmelzbereich eine höhere Liquidustemperatur aufweisend und umgekehrt bedeutet tieferer Schmelzbereich eine geringere Liquidustemperatur aufweisend. Die erste Legierung ist gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Si und die Anwesenheit von Y in einer Menge von bis zu 0,15 Gew.-%, die den angegebenen Y-Gehalt in der Gesamtmischungs-Zusammensetzung ergibt. Die zweite der beiden pulverisierten Legierungen, die den Rest der Mischung bildet, ist gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Y, und sie besteht im wesentlichen, in Gew.-%, aus 8-12 Si, 1,5-4 Al, 10-30 Cr, Rest M und üblichen Verunreinigungen.
In einer zusätzlichen Form schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Hartlotlegierung, gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Y und bestehend aus, in Gew.-%, 8-12 Si, 1,5-4 Al, 10-30 Cr, Rest mindestens ein Element, ausgewählt aus Co und Ni, zusammen mit üblichen Verunreinigungen.
In einer anderen Form der vorliegenden Erfindung wird .ein Gegenstand geschaffen, der einen gegenüber der Umgebung beständigen, abschleifbaren Oberflächenabschnitt einschließt, umfassend einen inneren Abschnitt aus einer Superlegierung, ausgewählt aus Superlegierungen auf Kobaltbasis und Nickelbasis und einen äußeren Abschnitt, der metallurgisch mit dem inneren Abschnitt verbunden ist und aus der Mischung der beiden pulverisierten Legierungen der vorliegenden Erfindung verdichtet und schmelzgesintert ist. Der äußere Abschnitt hat eine Dicke im Bereich von mindestens 1,27 mm (0,05 Zoll) bis zu 5,08 mm (0,2 Zoll) vorzugsweise von 2,032 bis 3,81 mm (0,08 bis 0,15 Zoll).
Die Erfindung schafft in noch einer anderen Form ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Gegenstandes, einschließlich der Stufen des Anordnens der Pulvermischung auf einer Oberfläche des Gegenstandes, z. B. als ein Pulver oder als eine zusammengepreßte Vorform und Erhitzen der Pulvermischung und der Oberfläche in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur oberhalb der Liguidustemperatur des tiefer schmelzenden Legierungspulvers der Mischung und unterhalb der Liquidustemperatur des höher schmelzenden Legierungspulvers und der beginnenden Schmelztemperatur des Gegenstandes.
Die Zeichnung ist ein graphischer Vergleich der Abschleifdaten der vorliegenden Erfindung mit denen anderer Systeme in der Hitze.
Die US-A-3,073,269 und 3,155,491 sind repräsentativ für das im Stand der Technik vorhandene Wissen, daß eine Komponente einer Pulvermischung, die bei einer relativ hohen Temperatur schmilzt, mit einer Komponente, die bei einer tieferen Temperatur schmilzt, zur Schaffung einer gesinterten Struktur kombiniert werden kann. In den Beispielen der genannten US-A war die Struktur in der Form einer Hartlotmischung für einen weiten Spalt. Zusätzlich wurden im Verlauf der Jahre Verbesserungen hinsichtlich der Beständigkeit bei hoher Temperatur einsetzbar er Legierungen gegenüber der Umgebung vorgenommen, die hauptsächlich als Überzug? eingesetzt wurden und manchmal als MCrAlY-Legierungen bezeichnet werden.
Frühere Information hinsichtlich abschleifbarer Dichtungen für hohe Temperatur zum Einsatz im bei hoher Temperatur arbeitenden Abschnitt einer Gasturbine bringt den Bedarf eines Materials geringer Dichte zur Schaffung einer verbesserter Abschleifbarkeit zum Ausdruck. Materialien hoher Dichte waren jedoch wegen ihrer Oxidations- und Erosionsbeständigkeit bei einem solchen Einsatz erforderlich. Die vorliegende Erfindung schafft jedoch, anders als die Materialien und Strukturen nach dem Stand der Technik, ein verbessertes Produkt, das sowohl eine hohe Dichte als auch eine hohe Oxidations- und Erosionsbeständigkeit und doch eine gute Abschleifbarkeit hat. Darüber hinaus ist es auf die Oberfläche der derzeit benutzten Turbinenlegierungen aufbringbar und kann mit dieser verbunden werden.
Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielfalt pulverisierter Legierungen und ihrer Mischungen untersucht. Die folgenden Tabellen sind repräsentativ für solche Pulver und Mischungen. Tabelle I Legierungen mit höherem Schmelzbereich (Gew.-% plus übliche Verunreinigungen) Beispiel Temperatur Solidus Liquidus Rest Tabelle II Legierungen mit tieferem Schmelzbereich (Gew.-% plus übliche Verunreinigungen) Beispiel Temperatur Solidus Liquidus Rest Tabelle III Pulvermischungen (Gesamt-% plus übliche Verunreinigungen) Beispiel 67% hochschmelzend 33% tieferschmelzend Rest Tabelle IV Mischung Beispiel Mischung/Verarbeitung Solidus Liquidus
Die Solidus- und Liquidus-Temperaturen in den Tabellen wurden durch Differential-Thermoanalyse (DTA) bestimmt.
Die Legierungen der Tabelle I sind typisch für solche pulverisierten Legierungen, die in der Mischung der vorliegenden Erfindung brauchbar sind und die charakterisiert sind als einen Schmelzbereich aufweisend, der höher ist als der der anderen pulversisierten Legierung der vorliegenden Erfindung. Eine solche Legierung mit höherem Schmelzbereich wird manchmal als eine erste Legierung der Mischung der beiden pulverisierten Legierungen der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Weiter ist sie gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Si und die Anwesenheit von Y in einer Menge, die den spezifizierten Y-Gehalt in der Gesamtmischungs-Zusammensetzung ergibt.
Die Tabelle II gibt typische Legierungen an, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ausgewertet wurden. Die Tabelle II schließt solche )Legierungen ein, die als die zweite der pulverisierten Legierungen der Mischung der vorliegenden Erfindung identifiziert wird, die manchmal als die Legierungen mit tieferem Schmelzbereich bezeichnet werden. Die zweite der pulverisierten Legierungen der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch die Abwesenheit von Y und die Anwesenheit von Si innerhalb des Bereiches von 8-12 Gew.-% zusammen mit 1,5-4 Gew.-% Al, 16-30 Gew.-% Cr, Rest sind Elemente ausgewählt aus Co und Ni, zusammen mit üblichen Verunreinigungen.
Die Tabellen III und IV identifizieren pulverisierte Mischungen gewisser Legierungen der Tabellen I und II und geben eine Gesamtmischungs- Zusammensetzung innerhalb des Bereiches der Mischung der vorliegenden Erfindung sowie die Liquidus- und Solidus-Temperaturen an. Sie bestehen aus, in Gew.-%, 10-35 Cr, 4-10 Al, bis zu 0,1 Y, 2-6 Si, Rest mindestens ein Element, ausgewählt aus Co und Ni, zusammen mit üblichen Verunreinigungen. Die Mischung ist weiter gekennzeichnet durch die Abwesenheit von B. In der Mischung der vorliegenden Erfindung und in den beiden pulverisierten Legierungen, die eine solche Mischung umfassen, wird B spezifisch vermieden und nicht absichtlich zu einer der Legierungen der Mischung der vorliegenden Erfindung hinzugegeben, weil es sich erwiesen hat, daß es zu nachteilig für die Oxidationsbeständigkeit der vorliegenden Erfindung ist, obwohl es üblicherweise zur Verringerung des Schmelzpunktes in Hartlot- und Überzugs-Legierungen benutzt wird.
Die Mischung der vorliegenden Erfindung ,definiert einen sorgfältigen, kritischen Ausgleich zwischen den Elementen Al, Si und Y. Dieser Ausgleich berücksichtigt und anerkennt die Forderungen der Aufrechterhaltung eines Unterschiedes in den Liquidustemperaturen der höher und tiefer schmelzenden Pulver der Mischung, um die Verarbeitung zu dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu gestatten. Gleichzeitig schafft der Ausgleich aller Elemente in der Gesamtmischungs-Zusammensetzung in dem abschleifbaren Oberflächenabschnitt des Gegenstandes eine bevorzugte Kombination mechanischer Eigenschaften, Abschleifbarkeit und Beständigkeit gegenüber Erosion, Korrosion und Oxidation.
Bevorzugte Bereiche der Komponenten für Mischungen der beiden Legierungen der vorliegenden Erfindung sind unten angegeben (Gew.-% plus übliche Verunreinigungen): Gesamtzusammensetzung Legierung mit höherem Schmelzbereich Legierung mit tieferem Schmelzbereich Rest Gesamtzusammensetzung Legierung mit höherem Schmelzbereich Legierung mit tieferem Schmelzbereich Rest Gesamtzusammensetzung Legierung mit höherem Schmelzbereich Legierung mit tieferem Schmelzbereich Rest
In den zweiten Legierungen mit tieferem Schmelzbereich ist Al in einer Menge von 1 , 5-4 Gew.-% vorhanden, um die Kontrolle des Schmelzpunktes zu unterstützen und die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, indem es zusammen mit Y als ein Getter wirkt. Es wurde festgestellt, daß die Einbeziehung von Al oberhalb und unterhalb dieses Bereiches zu einem ungenügenden Schmelzen der tiefer schmelzenden Legierung in der Mischung der vorliegenden Erfindung führt. Zusätzlich machen mehr als 4 Gew.-% Al die flüssige Legierung unangemessen empfindlich gegenüber Sauerstoff in der Ofen/Verarbeitungs-Atmosphäre, verspröden die resultierende Legierung und ergeben eine Legierung, die während der Verarbeitung schwierig zu schmelzen und zum Fließen zu bringen ist.
Si wirkt in erster Linie als ein Mittel zur Herabsetzung des Schmelzpunktes und wird nur in der Legierung der Mischung der vorliegenden Erfindung mit tieferen Schmelzbereich benutzt. Zu viel Si, oberhalb von 12 Gew.-% in der tiefer schmelzenden Legierung und oberhalb von 6 % in der fertigen Mischung, führt zu einem zu geringen Schmelzpunkt im fertigen Material und erhöht die Sprödheit. Si wird daher in das Pulver mit dem geringeren Schmelzpunkt im Bereich von 8-12 Gew.-% verwendet, um 2-6 Gew.-% in der fertigen Mischung zu ergeben.
Y, das nur in der Legierung der Mischung der vorliegenden Erfindung mit höherem Schmelzbereich vorhanden ist, ist ein kritisches Element, um die Menge von Y im Endprodukt in einer Menge bis zu 0,1 Gew.-% zu kontrollieren. Es ist gut bekannt, daß Y zur Korrosion und Oxidation von MCrAlY-Legierungen beiträgt, und die Anwesenheit von Y im Endprodukt der vorliegenden Erfindung erfüllt diese Aufgaben. Wenn jedoch die Menge von Y in der höher schmelzenden Legierung 0,15 Gew.-% übersteigt, wird die Verdichtung weniger zuverlässig, weil das Benetzen der höher schmelzenden Pulverteilchen durch die tiefer schmelzende Flüssigkeit schwieriger wird. Darüber hinaus macht überschüssiges Y das Endprodukt empfänglich für ein beginnendes Schmelzen, und reaktiver gegenüber der Umgebung während der Handhabung und Verarbeitung.
In der bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung sind Cr und sowohl Co als auch Ni als eine Grundlage eingeschlossen. Das Element Cr ist sowohl in der Legierung mit höherem Schmelzbereich als auch in der mit tieferem Schmelzbereich vorhanden, um die pulverisierte Mischung mit einer Zusammensetzung im Bereich von 10-35 Gew.-% zu ergeben. Cr, das sich in die Gamma-Phase abtrennt - der zusammenhängenden Phase des Gamma-Beta-Systems - wird für die, Oxidationsbeständigkeit verwendet. Mehr als 35 Gew.-% Cr führen zu einer spröden Struktur, die eine dürftige Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung hat. Weniger als 10 Gew.-% Cr sind zur Schaffung der erwünschten Oxidationsbeständigkeit ungenügend. Die Gesamtmischungs-Zusammensetzung weist Cr daher in einem Bereich von 10 bis 35 Gew.-% auf, wobei 10-30% in der tiefer schmelzenden Komponente und vorzugsweise 20-25% Cr in der höher schmelzenden Legierung vorhanden sind.
Die Oxidationsbeständigkeit des abschleifbaren Oberflächenteiles des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung wurde im Vergleich mit einer NiCoCrAlY-Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung, in Gew.-%&sub1; von 31-33 Ni, 20-22 Cr, 7-9 Al, 0,035-0,065 Y, Rest Co und übliche Verunreinigungen bei 1093,3ºC (2000ºF) und 1148,9ºC (2100ºF) bestimmt. Der abschleifbare Abschnitt der vorliegenden Erfindung wurde aufgrund visueller Beobachtung als vergleichbar eingeschätzt. Eine solche NiCoCrAlY- Legierung wird als eine gute Oxidationsbeständigkeit aufweisend angesehen. Zusätzlich wurde ein solcher Oberflächenabschnitt in einem zyklischen thermischen Ermüdungstest zwischen 1093,3ºC (2000&sup0;F) und einem Abschrecken in Wasser für 30 Zyklen untersucht. Die metallurgische Auswertung ergab keine Risse. Auf der Grundlage der Tests wies die abschleifbare Oberfläche des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung die Eigenschaften eines ausgezeichneten Abdichtungsmaterials für den Umhüllungsring einer Turbine bei hohem Druck auf.
Durch die Mischung der Legierungen mit hohem Temperaturbereich und geringem Temperaturbereich schafft die vorliegende Erfindung die Möglichkeit ein etwa zu 100 % dichtes Material zu erhalten, ohne daß während der Verarbeitung im Ofen Druck ausgeübt wird. Dies wird ermöglicht durch die Auswahl der Zusammensetzung der Pulver der Mischung und der Verarbeitungstemperatur. Ein einzigartiges Kennzeichen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung des Flüssigphasensinterns statt der Schaffung einer vorgesinterten Struktur.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden das Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Legierungspulver, die unter Anwendung bekannter kommerzieller Techniken hergestellt wurden, vermischt, wobei das erste oder bei höherer Temperatur schmelzende Pulver 50-70 Gew.-% der Mischung ausmacht. Vorzugsweise ist die Pulvergröße im Bereich von 106-45 um (-140, +325 Maschengröße), obwohl für spezielle Anwendungen andere Größen benutzt werden können. Eine solche Mischung wird bei einer Verdichtungstemperatur zur Schaffung einer starren Vorform zusammengepreßt. Ein Vorsintern in einer nicht oxidierenden Umgebung kann bei einer Vorsintertemperatur unterhalb der Solidustemperatur der einen geringeren Schmelzbereich aufweisenden Legierung ausgeführt werden, um die Integrität der Vorform zu verbessern. Die Dicke der Vorform wird als eine Funktion der letztendlich erwünschten Abscheidung des Materials ausgewählt, und sie hat eine scheinbare Dichte von bis 80 % in Abhängigkeit von der Pulvergröße und dem während des Verdichtens angewendeten Druck. Der bevorzugte Bereich für die fertige abschleifbare Oberfläche ist der von 1,27 mm (0,05 Zoll) bis 5,08 mm (0,2 Zoll). Soll der Oberflächenabschnitt des endgültigen erwünschten Produktes oder Gegenstandes im Bereich von 1,524-2,032 mm (0,06-0,08 Zoll) liegen, dann ist eine etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) dicke, kalt verdichtete oder starre Vorform erwünscht.
Eine solche Vorform wird zuerst auf einer sauberen Oberfläche eines Stützteiles oder Gegenstandes angeordnet, z. B. einem Umhüllungsring einer Turbine. Dann wird sie einer hohen Temperatur unter nicht oxidierenden Bedingungen ausgesetzt, wie einem Vakuum-Ofenzyklus, allgemein bei einer Verarbeitungs-Temperatur von weniger als 1315,5ºC (2400&sup0;F) und weniger als der beginnenden Schmelztemperatur des Stützteiles oder Gegenstandes. Üblicherweise liegt die Verarbeitungstemperatur im Bereich von 980-1100ºC. Die Vorform kann durch irgendeine geeignete Einrichtung, wie Heftschweißen, Schwerkraft usw., an Ort und Stelle auf dem Gegenstand gehalten werden. Der Gegenstand wird bis zur Verarbeitungstemperatur im Bereich oberhalb der Liquidustemperatur der niedriger schmelzenden Komponente, aber unterhalb der Liquidustemperatur des höher schmelzenden Pulvers der Mischung erhitzt. Dies führt dazu, daß die niedriger schmelzende Komponente in der Vorform schmilzt und die Pulverteilchen in der höher schmelzenden Legierung benetzt werden, wodurch die Vorform verdichtet und an der Gegenstandsoberfläche befestigt wird. Eine zusätzliche Zeit bei der Verarbeitungstemperatur fördert die gegenseitige Diffusion der Pulverteilchen und die Homogenität in der Pulvermischung sowie eine Bindung mit dem Substrat des Gegenstandes. Zusätzlich führt die Verarbeitung zu einer wesentlichen Zunahme der Temperatur zum erneuten Schmelzen der pulverisierten Mischung. Diese Wirkung wird durch die Daten der Tabellen III und IV veranschaulicht. Das Ergebnis ist ein Produkt mit einer scheinbaren Dichte von mindestens etwa 99 %, die sich 100 % nähert. Im allgemeinen wird die Ofen- oder Verarbeitungstemperatur mindestens etwa 50ºC oberhalb der Liquidustemperatur der tiefer schmelzenden Komponente der Mischung gehalten. Es ist daher erwünscht, die Liquidustemperatur der bei tieferer Temperatur schmelzenden Komponente der Mischung gering zu halten, um eine tiefe Verarbeitungstemperatur zu erhalten. Doch liegt die Verarbeitungstemperatur unterhalb der Liquidustemperatur des höher schmelzenden Pulvers und unterhalb der beginnenden Schmelztemperatur des Stützteiles oder Gegenstandes. Zusätzlich wird die Mischung der beiden pulverisierten Legierungen so ausgewählt, daß die Solidustemperatur des fertigen abschleifbaren Oberflächenteiles des Gegenstandes oberhalb der beabsichtigten Betriebstemperatur der Oberfläche liegt.
Nach dem Halten des Materials im Vakuumofen bei der Verarbeitungstemperatur für eine Zeit, die zum Erzielen der gegenseitigen Diffusion der Pulverteilchen genügt, wird das Produkt abgekühlt und kann dann zu einer erwünschten Endkonfiguration maschinell bearbeitet werden. Entsprechend wird die Größe des anfänglichen Kaltpreßlings ausgewählt, wozu man die Größenverringerung durch das Flüssigphasensintern in Rechnung stellt, um genügend überschüssiges Material zu schaffen, das durch maschinelles Bearbeiten zur Schaffung der Endkonfiguration entfernt wird.
In einer anderen Form der vorliegenden Erfindung hat die tiefer schmelzende Legierung vom MCrAlSi-Typ verschiedene Eigenschaften, die sie brauchbar machen als Hartlotlegierung für Gegenstände aus Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis. Diese Legierung benetzt wirksam solche Superlegierungen, was für Hartlotlegierungen wesentlich ist. Ihr Schmelzbereich liegt in einem brauchbaren Temperaturbereich. Noch wichtiger ist es, daß die Legierungen der MCrAlSi-Familie von den Legierungen dieseßr Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aufweisen, die die entsprechenden Eigenschaften vieler üblicherweise benutzten Hartlotlegierungen weit übersteigt.
Bevorzugte Zusammensetzbereiche für die tiefer schmelzende Legierung, die als Hartlotlegierung brauchbar ist, sind im folgenden angegeben (Gew.-% plus übliche Verunreinigungen): Rest
Die Mischung der vorliegenden Erfindung kann zur Reparatur eines Gegenstandes benutzt werden, der einen beschädigten oder fehlerhaften äußeren Teil bzw. Abschnitt aufweist. Bei einem solchen Reparaturverfahren wird zumindest der beschädigte oder fehlerhafte Abschnitt entfernt, wie durch mechanische, chemische, elektrische usw. Mittel, die auf dem Gebiet der Reparatur von Umhüllungsringen von Turbinen üblich sind, um eine der Reparatur zugängliche Oberfläche zu schaffen.
Eine Mischung der beiden Pulver der vorliegenden Erfindung wird als eine Ersatzpulver-Mischung ausgewählt, so daß ein äußerer Ersatzabschnitt eine Solidustemperatur oberhalb der beginnenden Schmelztemperatur des Gegenstandes hat, der z. B. ein Turbinen-Umhüllungsring aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis ist. Die Mischung wird dann auf der Reparaturaufnahme-Oberfläche angeordnet.
Das Aufbringen der Mischung auf einer solchen Oberfläche kann in einer Vielfalt von Wegen erfolgen. Ein Weg besteht darin, eine Vorform, wie vorher beschrieben, zu schaffen. Eine solche Vorform kann eine relativ dicke Gestalt haben oder als ein Band oder eine relativ dünne Vorform vorliegen, die als ein Band bezeichnet wird, wie dies im Stand der Technik gut bekannt ist. Auch kann die Mischung mit einer Aufschlämmung, wie unter Verwendung eines acrylartigen Binders, als eines Beispiels eines Binders, der sich beim Erhitzen ohne Hinterlassung eines wesentlichen Rückstandes zersetzen kann, gebunden werden. Diese Verbindungsverfahren sind gut bekannt und werden im Stand der Technik weit benutzt.
Nach dem Aufbringen der Ersatzmischung, in welcher Form auch immer, auf der Reparaturaufnahme- Oberfläche wird die Mischung, wie oben beschrieben, in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf eine Verarbeitungstemperatur oberhalb der Liquidustemperatur der zweiten pulversisierten Legierung und unterhalb der Liquidustemperatur der ersten pulverisierten Legierung der Ersatzmischung erhitzt. Dann werden die Mischung und die Reparaturaufnahme-Oberfläche bei der Verarbeitungstemperatur gehalten, um eine Flüssigphasensinterung der Pulvermischung zu erreichen, um die Pulver ineinander zu diffundieren und die Ersatzmischung an die Reparaturaufnahme-Oberfläche zu binden.
Die Zeichnung veranschaulicht graphisch die Ergebnisse von Vergleichstests des Abschleifens in der Hitze, die bei 1093,3ºC (2000ºF) in Luft ausgeführt wurden. Die Daten wurden auf ein Eindringen von 0,508 mm (0,020 Zoll) normalisiert, um das Verhalten verschiedener Kombinationen von Umhüllungsmaterialien von Gasturbinen und die Behandlung der Schaufelspitzen von Gasturbinen unter ähnlichen Testbedingungen zu repräsentieren.
Wie diskutiert schließt der Betrieb einer Gasturbine insbesondere im Turbinenabschnitt die enge relative Bewegung der Schaufelspitzen der Turbine mit einem umgebenden Umhüllungsring unter den Bedingungen hoher Temperatur ein. Andere relative, potentiell eingreifende Rotationsbedingungen existieren in einer solchen Vorrichtung. Bei der Auswertung potentieller Materialien und Systeme zum Gebrauch bei solchen Anwendungen sind Abriebstests in der Hitze häufig dazu benutzt worden, den Abrieb zu simulieren, der auftritt, wenn eine Turbinenschaufel gegen einen Umhüllungsring reibt. Diese Tests wurden unter standardisierten Laboratoriumsbedingungen ausgeführt, und ergeben dadurch ein Mittel für einen aussagefähigen Vergleich des Abriebsverhaltens zwischen verschiedenen Kombinationen von Umhüllungsring-Materialien und Schaufelspitzen-Behandlung.
In diesen Tests werden verschiedene flache Probekörper des Schaufelmaterials (in radialer Orientierung) an der Peripherie eines Rades befestigt, das sich mit der erforderlichen Geschwindigkeit drehen läßt, um die erwünschte Spitzengeschwindigkeit zu erzielen. Ein gekrümmter Probekörper, der den Umhüllungsring repräsentiert, wird in einer solchen Position gehalten, daß der sich drehende Schaufel- Probekörper den Umhüllungsring-Probekörper fast berührt. Während des Tests werden die Schaufel-Probekörper und Umhüllungsring-Probekörper zusammengedrückt, was zu einer Entfernung von Material von den Spitzen der Schaufel-Probekörper, von der gekrümmten Oberfläche des Umhüllungsring-Probekörpers oder von beiden führt. Unter einigen Bedingungen kann die Übertragung von Material von den Schaufel-Probekörpern zu dem Umhüllungsring-Probekörper erfolgen.
Die Zeichnung ist ein Säulendiagramm, das die Ergebnisse einer Reihe von Abriebstests in der Hitze repräsentiert, bei denen das Verhalten von Umhüllungsringen, die die vorliegende Erfindung verkörpern, mit Umhüllungsringen verglichen wurden, die mit anderen Materialien oder Systemen hergestellt wurden. Die Wirkungen der Schaufelspitzen-Behandlung auf das Abriebsverhalten sind auch veranschaulicht. Die in diesen Tests benutzten Bedingungen waren: Temperatur 1093,3ºC, (2000ºF) Geschwindigkeit der Schaufelspitze 426,72 m/s (1400 ft/sec); Eindringrate 0,0508 mm/s (0,002 Zoll/sec); Atmosphäre - Luft. Alle Ergebnisse wurden auf ein Gesamteindringen von 0,508 mm (0,020 Zoll) normalisiert, um den Vergleich zu erleichtern.
Jede Gruppe von Säulen repräsentiert das Verhalten eines bestimmten Umhüllungsring-Materials. Die erste Gruppe, auf der linken Seite der Zeichnung, repräsentiert das Verhalten von Umhüllungsringen, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Die anderen Gruppen geben das Verhalten von Umhüllungsringen wieder, die nach anderen Verfahren hergestellt wurden: mit Vakuumplasma gesprühter (VPS) metallischer CoNiCrAlY- Überzug mit einer nominellen Zusammensetzung, in Gew.-%, von 31-33 Ni, 20-22 Cr, 7-9 Al, 0,035-0,065 Y, Rest Co und übliche Verunreinigungen; massiv gegossene Superlegierung auf Nickelbasis, manchmal als N-5-Legierung bezeichnet und ein Überzug aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid, abgeschieden mit einer Vorrichtung, die kommerziell von Union Carbid Co. erhältlich und als D-Gun-Vorrichtung bekannt ist. Innerhalb jeder Gruppe gibt es Gruppen von ein oder zwei Säulen zur Veranschaulichung der Wirkung verschiedener Schaufelspitzen- Behandlungen auf das Abriebsverhalten. Die Spitzenbehandlungen, die bei diesen Tests benutzt wurden, schlossen bloße Schaufeln; Teilchen aus kubischem Bornitrid, kommerziell als BORAZON®-Material erhältlich, die durch eine Nickelplattierung festgelegt waren und Teilchen aus Tantalkarbid in einer NiCoCrAlY-Matrix ein. In dieser Art der Präsentation der Daten muß die Menge des Umhüllungsring-Abriebs (offene Säulen) und die Menge des Schaufelspitzen- Abriebs (schattierte Säulen) notwendigerweise 0,508 mm (0,020 Zoll) ergeben, was die normalisierte Menge des Eindringens ist. Für solche Tests, bei denen Schaufelmaterial zum Umhüllungsring übertragen wurde, was zur Bildung einer sogenannten Umhüllungs- Kruste führt, muß der Unterschied zwischen der Menge des Schaufelspitzen-Abriebs (schraffierte Säulen) und der Dicke der Umhüllungsring-Kruste (kreuzweise schraffierte Säulen) notwendigerweise 0,508 mm (0,020 Zoll) sein. Innerhalb des Kontextes der Leistungsfähigkeit von Gasturbinen für Flugzeuge ist der Abrieb des Umhüllungsringes gegenüber dem Abrieb der Schaufeln bevorzugt, und die Ausbildung von Umhüllungsring-Krusten ist am wenigsten erwünscht. Es ist zu bemerken, daß bei allen Tests, die nicht überzogene oder bloße Probekörperspitzen und bekannte Umhüllungsring-Probekörper einschlossen, ein deutliches Ausmaß der Krustenbildung auftrat. Die Entfernung von einigem Umhüllungs-Material und keine Krustenbildung wurde in Tests an Probenkörpern beobachtet, die die vorliegende Erfindung verkörpern. Wo die probekörperspitzen mit Überzügen, die Borazon®-Teilchen oder Tantalkarbid-Teilchen enthielten, trat mindestens die Hälfte des Abriebs auf dem Umhüllungsring-Probekörper auf. Die vorliegende Erfindung schafft somit eine deutliche Verbesserung und eine Sicherheitsgrenze gegen die Möglichkeit, daß Überzüge während des Betriebes entfernt werden können. Darüber hinaus erleichtert die vorliegende Erfindung den Einsatz von Schaufelspitzen ohne Überzüge.

Claims

1. Eine Mischung von zwei pulverisierten Legierungen, die jeweils Elemente M, Cr und Al umfassen, wobei M mindestens ein Element ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Co und Ni, die Mischung eine Gesamtmischungs-Zusammensetzung aufweist, die, in Gew.-%, besteht aus 10-35 Cr, 4-10 Al, bis zu 0,09 Y, 2-6 Si, Rest M und üblichen Verunreinigungen und weiter charakterisiert durch die Abwesenheit von B;

wobei eine erste der pulverisierten Legierungen, die eine Soliduslinie und eine Liquiduslinie aufweist, 50-70 Gew.-% der Mischung bildet und einen Schmelzbereich hat, der höher ist als der einer zweiten der pulverisierten Legierungen;

die erste Legierung durch die Abwesenheit von Si und die Anwesenheit von Y in einer Menge von bis zu 0,15 Gew.-% charakterisiert ist, die den Y-Gehalt in der gesamten Mischungs-Zusammensetzung schaffen;

die zweite der pulverisierten Legierungen, die eine Soliduslinie und eine Liquiduslinie aufweist, den Rest der Mischung bildet und durch die Abwesenheit von Y charakterisiert ist und aus, in Gew.-%, 8-12 Si, 1,5-4 Al, 10-30 Cr, Rest M und üblichen Verunreinigungen besteht.

2. Die Mischung nach Anspruch 1, bei der die Gesamtmischungs-Zusammensetzung aus, in Gew.-%, 20-25 Cr, 6-8 Al, 0,02-0,09 Y, 2-4 Si, Rest M besteht; wobei die erste der pulverisierten Legierungen aus, in Gew.-%, 20-25 Cr, 8-10 Al, 0,05-0,15 Y, Rest M besteht und weiter durch die Abwesenheit von Si charakterisiert ist und

die zweite der pulverisierten Legierungen aus, in Gew.-%, 15-20 Cr, 2-4 Al, 8-11 Si, Rest M und üblichen Verunreinigungen besteht und weiter durch die Abwesenheit von Y charakterisiert ist.

3. Die Mischung nach Anspruch 2, bei der die Gesamtmischungs-Zusammensetzung aus, in Gew.-%, 20-35 Ni, 20-25 Cr, 6,5-8 Al, 0,04-0,09 Y, 2,5-3,5 Si, Rest Kobalt und üblichen Verunreinigungen besteht;

wobei die erste der pulverisierten Legierungen aus, in Gew.-%, 15-35 Ni, 20-25 Cr, 8-10 Al, 0,05-0,15 Y, Rest Kobalt und üblichen Verunreinigungen besteht und weiter durch die Abwesenheit von Si charakterisiert ist und die zweite der pulverisierten Legierungen aus, in Gew.-%, 13-30 Co, 18-20 Cr, 2-4 Al, 8-12 Si, Rest Nickel und üblichen Verunreinigungen besteht und weiter durch die Abwesenheit von Y charakterisiert ist.

4. Die Mischung nach Anspruch 3, bei der die Gesamtmischungs-Zusammensetzung aus, in Gew.-%, 25-35 Ni, 20-25 Cr, 7-8 Al, 0,05-0,09 Y, 3-3,5 Si, Rest Co und üblichen Verunreinigungen besteht;

wobei die erste der pulverisierten Legierungen aus, in Gew.-%, 15-35 Ni, 20-25 Cr, 8-10 Al, 0,05-0,15 Y, Rest Co und üblichen Verunreinigungen besteht und weiter durch die Abwesenheit von Si charakterisiert ist und die zweite der pulverisierten Legierungen aus, in Gew.-%, 25-30 Co, 18-20 Cr, 3-4 Al, 9,5-10,5 Si, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen bei Abwesenheit von Y besteht.

5. Eine verbesserte pulverisierte Hartlot-Legierung, charakterisiert durch die Abwesenheit von Y und B und bestehend aus, in Gew.-%, 8-12 Si, 1,5-4 Al, 10-30 Cr, Rest mindestens 1 Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Co und Ni und üblichen Verunreinigungen.

6. Legierung nach Anspruch 5, bei der Cr 15-20%, Al 2- 4% und Si 8-11% betragen.

7. Die Legierung nach Anspruch 6, bestehend im wesentlichen aus, in Gew.-%, 18-20 Cr, 2-4 Al, 8-11 Si, 13-30 Co, Rest Ni und üblichen Verunreinigungen.

8. Die Legierung nach Anspruch 7, bei der Cr 18-20%, Al 3-4%, Si 9,5-10,5%, Co 25-30% betragen, Rest Ni und übliche Verunreinigungen.

9. Ein Gegenstand mit einem der Umgebung gegenüber beständigen, abschleifbaren Oberflächenteil, umfassend: einen inneren Abschnitt aus einer Superlegierung, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Co-Basis- und Ni- Basis-Superlegierungen mit einer Schmelzeinsatztemperatur (incipient melting temperature) und

einem äußeren Abschnitt, der metallurgisch mit dem inneren Abschnitt verbunden ist und aus der Mischung nach Anspruch 1 verdichtet und schmelzgesintert (liquid phase sintered) ist;

wobei der äußere Abschnitt eine Dicke im Bereich von mindestens 1,27 mm bis 5,08 mm (0,05-0,2 Zoll) aufweist.

10. Der Gegenstand nach Anspruch 9 in Form eines Turbinen-Umhüllungsringes, bei dem der äußere Abschnitt aus der Mischung nach Anspruch 2 verdichtet und schmelzgesintert ist und

der äußere Abschnitt eine Dicke im Bereich von 2,032-3,91 mm (0,08-0,15 Zoll) aufweist.

11. Der Gegenstand nach Anspruch 10, bei dem der äußere Abschnitt eine scheinbare Dichte (apparent density) von mindestens 99% hat.

12. Ein Verfahren zum Herstellen des Gegenstandes nach Anspruch 9, umfassend die Stufen:

Schaffen einer Pulvermischung nach Anspruch 1; Zusammenpressen der Mischung bei einer Preßtemperatur unterhalb der Soliduslinie(solidus) der zweiten der pulverisierten Legierungen zur Schaffung einer Vorform;

Anordnen der Vorform auf einer Oberfläche des Gegenstandes;

Erhitzen von Vorform und Oberfläche in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Verarbeitungstemperatur oberhalb der Liquidustemperatur der zweiten pulverisierten Legierung und unterhalb der Liquidustemperatur der ersten pulverisierten Legierung der Mischung und der Schmelzeinsatztemperatur des Gegenstandes und

Halten von Vorform und Oberfläche bei der Verarbeitungstemperatur für eine Zeitdauer, die zur Schmelzsinterung der Pulvermischung, zur Interdiffusion von Elementen des ersten und zweiten Pulvers und zum Verbinden der Vorform mit der Oberfläche des Gegenstandes ausreicht.

13. Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Pulvermischung geschaffen wird, um eine Vorform zu erzeugen, die nach dem Zusammenpressen eine Dicke von etwa 2,54 mm (0,1 Zoll) hat und wobei die Verarbeitungstemperatur im Bereich von 980-1100ºC liegt.

14. Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Verarbeitungstemperatur mindestens 50ºC oberhalb der Liquiduslinie der zweiten pulverisierten Legierung und unterhalb der Schmelzeinsatztemperatur des inneren Abschnittes des Gegenstandes liegt.

15. Das Verfahren nach Anspruch 12, bei dem nach dem Zusammenpressen der Mischung zur Schaffung einer Vorform und vor dem Anordnen der Vorform auf der Oberfläche, die Vorform in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Vorsintertemperatur unterhalb der Soliduslinie der zweiten pulverisierten Legierung vorgesintert wird.

16. Ein Verfahren zum Reparieren eines äußeren Abschnittes eines Gegenstandes, umfassend die Stufen:

Entfernen mindestens eines Teiles des äußeren Abschnittes des Gegenstandes-zur Schaffung einer Reparaturoberfläche; Auswählen aus der Pulvermischung des Anspruchs 1 eine Ersatz-Pulvermischung, die einen äußeren Ersatzabschnitt mit einer Soliduslinie oberhalb der Schmelzeinsatztemperatur des Gegenstandes schafft;

Anordnen der Ersatzmischung auf der Reparaturoberfläche; Erhitzen der Ersatzmischung und der Reparaturoberfläche in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Verarbeitungstemperatur oberhalb der Liquidustemperatur der zweiten pulverisierten Legierung und unterhalb der Liquidustemperatur der ersten pulverisierten Legierung der Mischung und der Schmelzeinsatztemperatur des Gegenstandes und

Halten der Ersatzmischung und der Reparaturoberfläche bei der Verarbeitungstemperatur für eine Zeit, die zum Schmelzsintern der Pulvermischung, zur Interdiffusion von Elementen des ersten und zweiten Pulvers und zum Verbinden der Ersatzmischung mit der Reparaturoberfläche genügt.

17. Das Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Ersatz- Pulvermischung bei einer Preßtemperatur unterhalb der Soliduslinie der zweiten der pulverisierten Legierungen zusammengepreßt wird, um eine Vorform zu schaffen, bevor man die Ersatzmischung auf der Reparaturoberfläche anordnet.

18. Das Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Ersatz- Pulvermischung mit einer Bindemischung, die sich ohne wesentlichen Rest bei der Verarbeitungstemperatur zersetzt, vorläufig in Bandform gebunden wird.