DE69407811T2

DE69407811T2 - Abreibbare plasma gespritzte dichtungen für gasturbinen

Info

Publication number: DE69407811T2
Application number: DE69407811T
Authority: DE
Inventors: Francis X Alent; John W Appleby; Charles G Davis; Stephen T Narsavage; Gerard A Sileo
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: EP0725842B1; DE69407811D1; US5536022A; JP3142003B2; JPH09504340A; WO1995012004A1; US5780116A; EP0725842A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbunddichtung für Gasturbinentriebwerke und ein Verfahren zum Herstellen einer abschleifbaren Dichtvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf plasmagespritzte, abschleifbare Dichtungen zur Verwendung in Gasturbinentriebwerken und, mehr insbesondere, auf plasmagespritzte, abschleifbare Metallmatrixdichtungen, die Bornitrid enthalten.
Große Gasturbinentriebwerke werden umfangreich für den Vortrieb von Flugzeugen und zur Stromerzeugung am Boden benutzt. Diese großen Gasturbinentriebwerke sind vom Axialtyp und haben einen Verdichterabschnitt, einen Brennerabschnitt und einen Turbinenabschnitt, wobei dem Verdichterabschnitt normalerweise ein Fanabschnitt vorgeschaltet ist. Der Fan-, der Verdichterund der Turbinenabschnitt weisen mehrere auf einer Welle befestigte Scheiben auf, von denen eine Vielzahl von flügelprofilförmigen Laufschaufeln radial vorsteht. Ein hohles Gehäuse umgibt die verschiedenen Triebwerksabschnitte. Zwischen den Scheiben und von der Gehäusebaugruppe aus, welche die Scheiben umgibt, nach innen vorstehend ist eine Vielzahl von stationären Leitschaufeln angeordnet. Während des Betriebes des Fandes Verdichter- und des Turbinenabschnitts berühren axial strömende Gase abwechselnd die sich bewegenden Laufschaufeln und die stationären Leitschaufeln. In dem Fan- und in dem Verdichterabschnitt wird Luft verdichtet, und die verdichtete Luft wird mit Brennstoff vereinigt und in dem Verbrennungsabschnitt verbrannt, um hohen Druck und hohe Temperatur aufweisende Gase zu erzeugen, die durch den Turbinenabschnitt strömen, wo ihnen Energie dadurch entzogen wird, daß die beschaufelten Turbinenscheiben in Drehung versetzt werden. Ein Teil dieser Energie wird benutzt, um den Verdichterabschnitt und den Fanabschnitt anzutreiben.
Der Triebwerkswirkungsgrad hängt in einem beträchtlichen Ausmaß davon ab, daß Leckage minimiert wird durch Steuerung der Gasströmung derart, daß die Wechselwirkung zwischen dem Gasstrom und den sich bewegenden und den stationären Schaufeln maximiert wird. Eine Hauptquelle von Ineffizienz ist eine Leckage von Gas an den Spitzen der Verdichterlaufschaufeln zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Triebwerksgehäuse. Demgemäß werden Einrichtungen zum Verbessern des Wirkungsgrades durch Reduktion der Leckage zunehmend wichtig. Eine enge Toleranzanpassung kann zwar erzielt werden, indem die zusammenpassenden Teile bis zu einem sehr engen Toleranzbereich hergestellt werden, dieser Herstellungsprozeß ist jedoch extrem teuer und zeitraubend. Wenn die zusammengesetzte Baugruppe einer Hochtemperaturumgebung und hoher Beanspruchung ausgesetzt wird, wie z.B. im Gebrauch, können weiter die Ausdehnungskoeffzienten der zusammenpassenden Teile differieren, was zur Folge hat, daß der Spielraum entweder vergrößert oder verkleinert wird. Der letztgenannte Zustand würde zu einem Reibkontakt zwischen Laufschaufeln und Gehäuse führen und eine Erhöhung der Temperaturen und eine mögliche Beschädigung an einem oder beiden Teilen verursachen. Andererseits würde ein vergrößerter Spielraum Gas gestatten, zwischen der Verdichterlaufschaufel und dem Gehäuse zu entweichen und so den Wirkungsgrad zu verringern.
Eine Maßnahme zum Steigern des Wirkungsgrades besteht darin, einen Überzug aus geeignetem Werkstoff auf die innere Oberfläche des Verdichtergehäuses aufzubringen, um die Leckage zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse zu reduzieren. Verschiedene Überzugstechniken sind benutzt worden, um den inneren Umfang des Verdichtergehäuses mit einem abschleifbaren Überzug zu überziehen, der durch den Reibkontakt der Verdichterlaufschaufel abgeschliffen werden kann, um einen Kanal mit enger Passung zu schaffen, in welchem sich die Laufschaufeispitze bewegen kann. Wenn die überzogene Baugruppe einer Umgebung mit hoher Temperatur und Beanspruchung ausgesetzt wird, können sich daher die Laufschaufel und das Gehäuse ausdehnen oder zusammenziehen, ohne daß es zu einer nennenswerten Gasleckage zwischen der Laufschaufelspitze und dem Gehäuse kommt. Diese Technik mit abschleifbarem Überzug ist nicht nur verwendet worden, um den Wirkungsgrad des Verdichters zu steigern, sondern auch, um ein relativ schnelles und billiges Verfahren zu schaffen, um übermäßig verschlissene Turbinentriebwerksteile wieder in einen betriebsfähigen Zustand zu versetzen.
Gemäß den allgemeinen Ausführungen in der US-A-3 879 831 von Rigney et al. und in der US-A-3 084 064 von Cowden et al. müssen abschleifbare Dichtungen eine besondere Kombination von Eigenschaften haben. Sie müssen beständig sein gegen Erosion aufgrund der hohe Geschwindigkeit und hohe Temperatur aufweisenden Gasströme, die manchmal feine Partikel mit sich führen. Sie müssen jedoch auch abgetragen (d.h. abgeschliffen) werden, wenn sie durch die Spitze einer Hochgeschwindigkeitslaufschaufel berührt werden, so daß die Spitze der Laufschaufel nicht beschädigt wird. Es ist kritisch, daß der Gehäuseüberzug schneller abgeschliffen wird als die Laufschaufelspitze verschleißt, da eine Verkleinerung der Laufschaufelspitzengröße das Spiel zwischen der Laufschaufelspitze und dem Gehäuse am gesamten Umfang vergrößern wird und zu einer größeren Zunahme der Gasleckage führen wird als in dem Fall, in welchem nur ein kleiner Bogen des Überzugs am Umfang des Gehäuses abgeschliffen wird. Üblicherweise ist die Spitze der Laufschaufel mit einem äußerst erosionsbeständigen Werkstoff überzogen.
Der abschleifbare Überzug muß auch baulich fest sein, um nicht in den Punkten zu versagen, wo er nicht durch die Laufschaufelspitze berührt wird, er muß die Schwingungs- und thermischen Beanspruchungen aushalten, die im Gebrauch auf ihn einwirken, und er muß sich auf reproduzierbare und kostengünstige Weise leicht herstellen lassen. Beträchtliche Anstrengungen sind für die Entwicklung von abschleifbaren Dichtungen gemacht worden, die die gewünschte Kombination von Eigenschaften haben. Die vorliegende Erfindung spiegelt diese fortgesetzte Anstrengung wider.
Eine Form einer abschleifbaren Dichtung, die in der Vergangenheit entwickelt worden ist, war ein poröses Gebilde, das durch die Verwendung eines flüchtigen Materials in dem Ausgangsgegenstand erzielt wurde. Im Stand der Technik sind Preß und Sinter- sowie andere metallurgische Techniken zusammen mit thermischem Spritzen benutzt worden, um poröse Gebilde herzustellen. Metallische Niederschläge mit Dichten von bis herunter auf 75 - 85 Prozent können durch Plasmaspritzen aufgebracht werden. Um noch niedrigere Dichten als diese zu erzielen, von denen man früher angenommen hat, daß sie für abschleifbare Dichtungen erwünscht sind, war es notwendig, nichtmetallische Werkstoffe einzusetzen. Am bevorzugtesten wurde ein flüchtiges Material wie ein wasserlösliches Salz oder ein durch Wärme zersetzbares Polymer mit dem Metall gespritzt und dann anschließend entfernt. Zum Beispiel wird eine abschleifbare Dichtvorrichtung gemäß den Lehren von Otfinoski et al., US-A-4 664 973, hergestellt, indem ein Polymethylmethacrylatharz und ein Nichrommetall gespritzt werden und indem dann das Harz durch Erhitzen der resultierenden Vorrichtung auf eine Temperatur von etwa 315 ºC entfernt wird.
Eine weitere Form einer abschleifbaren Dichtung ist diejenige, die nach den Lehren von Rigney et al., US-A-3 879 831, hergestellt wird. Diese Patentschrift beschreibt einen abschleifbaren Werkstoff, der eine Zusammensetzung von 60 - 80 Prozent Nickel, 2 - 12 Prozent Chrom, 1 - 10 Prozent Kobalt, 4 - 20 Prozent Aluminium und 3 - 15 Prozent inertes Material wie Diatomeenerde, Bornitrid, Quarzglas, Glimmer usw. hat. Bis zu 3 Prozent eines Metalls wie Yttrium, Hafnium oder Lanthan können auch präsent sein. Die abschleifbaren Werkstoffe, die gemäß dieser Druckschrift hergestellt werden, sind durch einen hohen Grad an Porosität, Oxidationsbestätigkeit und niedrige thermische Leitfähigkeit sowie durch die Fähigkeit, in einem örtlich begrenzten Bereich sauber weggeschliffen werden zu können, gekennzeichnet.
Ebenso befaßt sich die US-A-3 084 064 mit der Herstellung von abschleifbaren Überzügen auf Turbinenoberflächen durch Flammspritzen von Nichrom und von 2 - 20 Gewichtsprozent eines fein verteilten Pulvers eines hochschmelzenden Werkstoffes wie Bornitrid, Kohlenstoff, Graphit oder Magnesium-oxid. Es wird angenommen, daß die Abschleifeigenschaften dieses Überzugs auf den dispergierten Werkstoff zurückzuführen sind, der die Bildung einer massiven, dichten, stark kohäsiven Metallphase verhindert. Mit anderen Worten, das hochschmelzende Pulver erlaubt, daß die Oberfläche in relativ gleichförmigen Partikeln leicht abblättert, wenn sie einer Abschleifkraft ausgesetzt wird.
Diese verschiedenen Verfahren ergeben zwar abschleifbare Überzüge, die für Turbinenzwecke und dgl. brauchbar sind, sie haben jedoch Nachteile, nämlich daß sie entweder Überzüge ergeben, die in kleinen diskreten Mengen durch Reibkontakt kaum abschälbar sind, um so einen gut definierten Laufschaufelspitzenkanal zu bilden, der keine großen Hohlräume hat, durch die Gase entweichen können, oder daß sie eine in sich verbundene, poröse Oberflächenschicht ergeben, die selbst das Entweichen von Gasen gestattet und so den Wirkungsgrad verringert.
Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Dichtsystem zu schaffen, das zu dem Triebwerkswirkungsgrad beiträgt, indem es eine Verdichterdichtung schafft, die zwar abschleifbar und glatt ist, jedoch für die Gasströmung undurchlässig ist. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verdichterdichtung zu schaffen, die eine plasmagespritzte Metallmatrix, ein Schmiermittel aus Bornitrid als zweite Phase und Porosität, bei der keine gegenseitige Verbindung besteht, aufweist.
Die Verbunddichtung für Gasturbinentriebwerke nach der vorliegenden Erfindung ist in dem Anspruch 1 beschrieben. Das Verfahren zum Herstellen einer abschleifbaren Dichtvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist in dem Anspruch 14 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte plasmagespritzte abschleifbare Dichtung durch Plasmaspritzen einer ng aus oxidationsbeständigen metallischen Partikeln und Bornitridpartikeln unter Verwendung einer Injektion mit mehreren Öffnungen geschaffen. Das Bornitrid, das unter atmosphärischen Bedingungen nicht schmilzt, sondern bei etwa 2871 ºC (5200 ºF) sublimiert, wird durch den Plasmaspritzprozeß im wesentlichen nicht beeinflußt. Die abschleifbare Mischung aus oxidationsbeständigem Metall und Bornitrid enthält nur etwa 5 bis etwa 15 Volumenprozent Porosität, im Gegensatz zu bekannten abschleifbaren Verdichterdichtungen, die üblicherweise 30 Prozent oder mehr Porosität aufwiesen. Weiter haben die bei dieser Erfindung beschriebenen plasmagespritzten metallischen Dichtungen üblicherweise eine Oberflächenrauhigkeit im aufgebrachten Zustand von etwa 381 µm (150 Mikrozoll) und nach dem Betrieb des Triebwerks eine typische Oberflächenrauhigkeit von etwa 254 µm (100) bis etwa 1524 µm (600 Mikrozoll). Bekannte plasmagespritzte, poröse, abschleifbare Dichtungen haben üblicherweise eine Oberflächenrauhigkeit im aufgebrachten Zustand gehabt, die von etwa 1524 µm (600 Mikrozoll) bis etwa 2032 µm (800 Mikrozoll) reichte, mit einer oberflächenrauhigkeit von üblicherweise (1000) 2540 µm bis (1200) 3048 µm (Mikrozoll) nach dem Triebwerksbetrieb. Diese bedeutsame Verbesserung in der Oberflächenrauhigkeit und die Eliminierung von untereinander verbundener Porosität verbessert sehr den Verdichterwirkungsgrad um bis zu 1,0% oder mehr. Bei der vorliegenden Erfindung kann das Bornitrid so betrachtet werden, daß es die meiste Porosität ausfüllt, die sich in früher benutzten porösen metallischen, gespritzten, abschleifbaren Dichtungen fand, und daß es als ein Schmiermittel wirkt. Somit werden eine Permeation durch die Dichtung und eine Rückleckage von Gas eliminiert. Diese Eliminierung der Permeation steigert auch die Dauerhaftigkeit der Dichtung und verringert die innere Oberflächenoxidation der Dichtung, insbesondere bei erhöhten Temperaturen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet nicht nur ein abschleifres Dichtungsprodukt, sondern auch den Prozeß zum Herstellen desselben und umfaßt, mehr insbesondere, ein Verfahren, bei eine Haftschicht auf die Oberfläche einer Baugruppe wie das innere Gehäuse durch Plasmaspritzen einer dichten Schicht mit geringer Porosität einer oxidationsbeständigen Superlegierung aufgebracht wird, gefolgt von einem Überziehen des Haftüberzugs mit einer plasmagespritzten Schicht geringer Porosität aus einer Mischung aus derselben oxidationsbeständigen Superlegierung und ausreichend hexagonalem Bornitridschmierstoffpulver zum Schaffen einer abschleifbaren Dichtung, die 20 bis 45 Volumenprozent Bornitrid hat. Der Plasmaspritzauftrag sowohl der Haftschicht als auch der abschleifbaren Schicht erfolgt durch eine Plasmakanone mit mehreren öffnungen, die so gesteuert wird, daß sich eine abschleifbare Dichtungsschicht ergibt, die weniger als 15 Volumenprozent Porosität hat.
Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden.
Damit die Erfindung besser verständlich wird, wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen
Fig. 1 einen Querschnitt eines typischen Gasturbinentriebwerks zeigt,
Fig. 2 auf einem Erosionsprüfstand erzielte Testergebnisse zeigt,
Fig. 3 Ergebnisse von Wirkungsgradtests zeigt und
Fig. 4 die Auswirkung der Permeabilität auf den Wirkungsgrad zeigt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dichtungen, die in Gasturbinentriebwerken besonders brauchbar sind, insbesondere bei Axialgasturbinentriebwerken. Solche Triebwerke enthalten abwechselnde Kränze von stationären Leitschaufeln und sich bewegenden Laufschaufeln, wobei die Laufschaufeln an dem Umfang von rotierenden Scheiben befestigt sind, die auf einer Welle befestigt sind.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Teils eines modernen Gasturbinentriebwerks. Bauteile, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wichtig sind, umfassen mehrere drehbare Scheiben 1, an deren äußerem Umfang eine Vielzahl von Laufschaufeln 2 befestigt ist. Die Laufschaufeln drehen sich innerhalb des inneren Gehäuses 3 und haben engen Abstand vqn diesem. Eine minimale Leckage zwischen den Laufschaufeln und dem inneren Gehäuse wird durch das Vorsehen einer Dichtung 4 (der äußeren Luftdichtung) erzielt, die an dem inneren Gehäuse befestigt ist.
In und an dem inneren Gehäuse 3 ist eine Vielzahl von Leitschaufeln 5 befestigt, an deren inneren, freien Enden 6 eine weitere Dichtung 7 (die innere Luftdichtung) befestigt ist, die engen Abstand von Messerschneiden 8 hat, welche an Fortsätzen der Scheiben 1 befestigt sind. Die Messerschneide 8 und die innere Luftdichtung 7 wirken zusammen, um die Leckage zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu verbessern. Bei einem alternativen Triebwerksschema haben die Scheiben keine angeformten Vorsprünge, sondern sind durch Distanzstücke getrennt, auf denen Messerschneiden befestigt sind.
Die abschleifbaren Dichtungen nach der vorliegenden Erfindung bilden üblicherweise die Dichtung 4, die auf dem inneren Gehäuse 3 benachbart zu den freien Enden der Laufschaufeln 2 angeordnet ist (die äußere Luftdichtung), und die Dichtung 7 an den freien Enden 6 der Leitschaufeln 5 (die innere Luftdichtung). Die Dichtungen nach der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise auf stationären Substraten befestigt und so angeordnet, daß sie mit bewegten Bauteilen in Berührung kommen.
Die Anforderungen an abschleifbare Dichtungen für Gasturbinentriebwerke umfassen Abschleifbarkeit, Abblätterwiderstand und Erosionsbeständigkeit. Darüber hinaus wird wegen der zunehmenden Forderung nach verbesserter Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit von abschleifbaren Dichtungen auch verlangt, daß sie gasundurchlässig sind, eine glatte Oberfläche haben und bei hohen Temperaturen oxidationsbeständig sind. In dem Fall von Abschleifbarkeit ist die Dichtung das Opferelement, und es ist erwünscht, den Laufschaufelverschleiß zu minimieren. Ein Abblätterwiderstand ist erwünscht, um eine Beschädigung durch Eigenobjekte zu eliminieren, d.h. eine Beschädigung an den Laufschaufeln oder anderen Triebwerksbauteilen durch Materialien, die sich von inneren Oberflächen gelöst haben. Eine Erosionsbeständigkeit ist erforderlich, um Spiel während der gesamten Lebensdauer des Triebwerks aufrechtzuerhalten und so die Leistungskenndaten aufrechtzuerhalten. Herkömmliche kommerzielle Turbinentriebwerke zeigten eine zweiprozentige Zunahme der Luftströmung um die Laufschaufelspitzen als ein Resultat von Dichtungserosion nach ungefähr 3000 Flügen. Viel davon kann auf Erosion der abschleifbaren Dichtung und der Schaufelblattoberfläche zurückzuführen sein sowie auf gegenseitige Reibvorgänge zwischen den Laufschaufelspitzen und der Dichtung. Darüber hinaus ist eine Gasundurchlässigkeit erforderlich, um eine Strömung durch die Dichtung selbst hindurch zu minimieren. Es hat sich gezeigt, daß undurchlässige Dichtungen mit einem glatten Oberflächenfinish den gesamten Verdichterwirkungsgrad um etwa ein Prozent im Vergleich zu herkömmlichen permeablen Dichtungen verbessern. Darüber hinaus verhindert die Undurchlässigkeit der Dichtung, daß feine Partikeln, z.B. Staub oder Hartstoffteilchen, eingefangen werden, die als ein Schleifmittel an den Laufschaufelspitzen wirken können, so daß diese ungleichmäßig verschleißen. Glatte Oberflächenzustände in dem Gasweg verbessern die gesamte Luftströmung, was auch zum Wirkungsgrad beiträgt. Schließlich ist eine Oxidationsbeständigkeit aufgrund von Erhöhungen der Verdichterbetriebstemperaturen erforderlich, von denen erwartet wird, daß sie in der vorhersehbaren Zukunft 760 ºC (1400 ºF) bis 871 ºC (1600 ºF) erreichen. Eine langfristige Oxidationsbeständigkeit verbessert auch die Erosionsrate von abschleifbaren Werkstoffen.
Die abschleifbare Dichtung nach der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung eines Plasmaspritzprozesses aufgebracht, wobei die Plasmaspritzbedingungen vorzugsweise so gewählt werden, daß das Plasmaspritzen mit hoher Energie erfolgt, um die Porosität zu minimieren und die Dichte zu steuern und dadurch eine Permeabilität im wesentlichen zu eliminieren. Vorzugsweise wird eine Plasmakanone mit mehreren Öffnungen benutzt wie die in der US-A-4 696 855 gezeigte. Diese Kanone gestattet die Injektion des Matrixmetallpulvers und des Bornitridpulvers in verschiedenen Punkten, was ermöglicht, daß sich das Metall für eine kürzere Zeitspanne in dem Plasma befindet, während mehr feuerfestes Bornitrid für eine längere Zeitspanne in dem Plasma ist. Die Verwendung einer Hochenergieplasmakanone reduziert die Überzugsporosität auf einen Wert von vorzugsweise weniger als fünfzehn Prozent und steigert die Erosionsbeständigkeit und die Homogenität wesentlich. Der Flammspritzprozeß, der benutzt worden ist, um abschleifbare Überzüge im Stand der Technik aufzubringen, ist ein Prozeß mit niedriger Energie, der üblicherweise Überzüge mit dreißig bis sechzig Volumenprozent Porosität erzeugt. Im Gegensatz dazu reicht der Metallgehalt des Überzugs, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, von etwa 50 bis etwa 65 Volumenprozent, und der Überzug hat eine Fülldichte von mehr als etwa 3,6 g/cm³ und vorzugsweise von etwa 3,7 bis etwa 5,3 g/cm³ und am bevorzugtesten von etwa 3,8 bis 5,8 g/cm³.
Die Verwendung einer Plasmaspritzkanone mit mehreren Injektionsöffnungen gestattet das Vermischen der Bestandteile der abschleifbaren Dichtungen in situ und erlaubt, das Dichtungsmaterial maßzuschneidern, um es dem Einsatz im Triebwerk und der Umgebung anzupassen. Zum Beispiel ist bei militärischen Triebwerken, wo die Gasweggeschwindigkeiten relativ hoch sind, die Erosionsbeständigkeit von hautpsächlicher Bedeutung. Die Dichtungsdichte und somit der Erosionswiderstand und die Abschleifbarkeit können in situ verändert werden, indem das Verhältnis der Bestandteile verändert wird, die dem Plasmaspritzbrenner zugeführt werden. Die dem Plasmabrenner zugeführte Leistung kann ebenfalls in situ verändert werden, um die Dichtungseigenschaften maßzuschneidern. Allgemein kann die Erosionsbeständigkeit erhöht werden, indem die Bindung der Partikeln untereinander durch Erhöhen der Leistungswerte vergrößert wird. Das wird jedoch die Abschleifbarkeit verringern. Die Verwendung von unabhängigen Pulverinjektions- und Trägergasströmen für jeden Bestandteil gestattet, die einzelnen Werkstoffe an optimalen Stellen für ihre physikalischen und thermischen Eigenschaften zu injizieren. Hochtemperaturfeste Werkstoffe können tief in den zentralen Kern des Plasmas injiziert werden, während weniger feuerfeste Werkstoffe in kühlere Gebiete injiziert werden können, wodurch eine übermäßige Erwärmung und ein Aufbau von thermischen Spannungen in dem Überzug minimiert werden.
Ein Schlüsselelement ist bei der Plasmaspritztechnologie die Wechselwirkung zwischen dem injizierten Pulvermaterial und der Plasmawolke hinsichtlich Wärmeübertragung und Verweilzeit. Zum wirksamen Aufbringen von plasmagespritzten Überzügen muß die optimale Wahl der Überzugsparameter und der Injektorkonfiguration getroffen werden. Die Partikelverteilungen innerhalb des Plasmastrahls sind von besonderer Bedeutung wegen ihrer Auswirkung auf die Überzugsdichte, die Überzugsgualität, den Auftragswirkungsgrad und die Reproduzierbarkeit. Es hat sich gezeigt, daß ein Vergrößern der Anzahl der Partikelinjektionspunkte in die Plasmaspritzwolke dazu tendiert, die Verteilung der Partikeln in dem zentralen Kern des Plasmas zu vergrößern und so für eine gleichmäßigere Partikelerhitzung und gleichmäßigere Verweilzeiten zu sorgen. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn relativ feuerfeste Werkstoffe wie Bornitrid aufgebracht werden. Für die vorliegende Erfindung ist die maximale praktische Anzahl von Injektionsöffnungen, drei metallische und drei für Bornitrid, benutzt worden, um diese Erscheinung vorteilhaft auszunutzen.
Die Tatsache, daß die Verhältnisse der einzelnen Werkstoffe in situ verändert werden können, macht diesen Prozeß zur Automation und zur Steuerung durch intelligente Verarbeitung geeignet. Messungen der Überzugsdichte in situ durch Gammarückstreuung oder Strahlungsdämpfung können Computeralgorithmen und einem Prozeßregler zugeführt werden, um eine Verhältnissteuerung zu erreichen. Eine automatisierte Messung der Dicke, wie z.B. durch Kapazitätswirbelstrommessung, in Verbindung mit einer Messung der Strömung der Bestandteile ermöglicht eine automatische Bestimmung der Dichtungsdichte, die als das Akzeptanzkriterium festgelegt werden kann.
Der Plasmaspritzauftrag der Metall- und der Bornitridbestandteile kann unter Verwendung von herkömmlichen, im Handel erhältlichen Plasmaspritzbrennern mit mehreren Injektionsöffnungen vorgenommen werden. Vorzugsweise wird eine Mehrfachinjektionsstirnplatte benutzt, die drei Injektionsöffnungen für das Bornitrid und drei Injektionsöffnungen für den metallischen Bestandteil aufweist. Darüber hinaus ist es hilfreich, für die Stirnplatte automatische Reinigungsöffnungen zum Einleiten von Luft oder eines Inertgases zum periodischen Reinigen der Pulveröffnungen vorzusehen. Auf diese Weise wurde der Prozeß fortgesetzt, bis die gesamte gewünschte Dicke an abschleifbarem Werkstoff aufgebracht worden war. Eine Spritzverarbeitung kann erreicht werden mit der Verwendung von Werkstoff mit mehr als 0,254 cm³ (0,100 Zoll) Dicke unter Verwendung dieser Vorrichtung, bei akzeptablem Aufbau von thermischer Spannung und ohne Dichtungsabblätterung. Wir sind so in der Lage gewesen, dicke, homogene Überzüge zu erzielen, die das geeignete Gefüge und die geeignete Haftfestigkeit aufweisen. Während thermisch gespritzte Dichtungen im Stand der Technik die Anfangsleistung verbessert haben, haben die plasmagespritzten Dichtungen nach der vorliegenden Erfindung ihre Leistungsvorteile über der gesamten Lebensdauer des Triebwerks erbracht. Die Dichtungsdichte kann, wie angegeben, als das Qualitätsakzeptanzkriterium angestrebt werden, da diese Eigenschaft gut mit der Dichtungsleistung korreliert, vorausgesetzt, daß die Plasmaspritzparameter innerhalb von voreingestellten Toleranzbändern gehalten werden. Die beste Methode zum Bestimmen der Dichtungsdichte ist mit Hilfe eines nicht zerstörerischen Meßinstruments, in welchem eine Gammastrahlung durch die abschleifbare Schicht hindurchgeleitet und die Dämpfung der Strahlungsintensität gemessen wird und anschließend zum Berechnen der Dichtungsdichte benutzt wird. Ein solches Meßinstrument ist in der US-A-4 783 341, ausgegeben am 8. November 1988 an Janowsky et al., beschrieben. Zerstörerische Techniken wie ASTM C-20 können auch benutzt werden, um Testlappen auszuwerten, die während eines Plasmaspritzvorganges erzeugt werden. Vorzugsweise wird das Bornitrid in Form eines Pulvers geliefert, das eine Partikelgröße hat, die von etwa 44 bis 177 µm (Mikrometer) reicht, und das oxidationsbeständige metallische Material wird in Form von Partikeln bereitgestellt, die eine Partikelgröße von 44 bis 150 µm (Mikrometer) und vorzugsweise von 44 bis 105 µm (Mikrometer) haben. Das Bornitrid ist ein selbstschmierender, stabiler Füllstoff, der abschleifbar ist, eine relativ weiche kristalline Struktur hat, und ein hexagonales Material ist, das leicht abscherbar ist. In einem permanenten Füllstoff, der gegen die Umgebung beständig ist, die in einem Gasturbinentriebwerk angetroffen wird, und der bei Temperaturen von bis zu etwa 871 ºC (1600 ºF) thermisch stabil ist, liegt Bornitrid in einer Schmiermenge vor, vorzugsweise von etwa 20 bis 45 Volumenprozent der abschleifbaren Schicht.
Das oxidationsbeständige Matrixmaterial muß eine überlegene Kombination von mechanischen Eigenschaften bei erhöhter Temperatur und eine überlegene Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen haben. Die Kriechfestigkeit bei 649 ºC (1200 CF) sollte mit der von Superlegierungen vergleichbar sein, welche in der Industrie als MarM 200, IN 100, Inconel 718, Waspaloy, Astroloy, Udimet 500, Hastaloy X, Inconel 625 bezeichnet werden, und andere Legierungen von gleicher Art und Zusammensetzung.
Geeignete Matrixmetalle beinhalten diejenigen Nickelbasis-Superlegierungen, welche eine hohe Oxidationsbeständigkeit haben, die vorzugsweise die von Nichrom bei 649 ºC (1200 ºF) übersteigt, und insbesondere diejenigen, die eine Oxidationsbeständigkeit infolge des Zusatzes von verschiedenen Kombinationen aus Yttrium und Hafnium aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß Vorteile hinsichtlich der Oxidationsbeständigkeit erzielt werden können, wenn Yttrium in dem Bereich von 0,001 bis 0,8 Gewichtsprozent und Hafnium in einem Bereich von 0,10 bis etwa 1,5 Gewichtsprozent vorhanden ist. Diese Materialien zeigen eine Beständigkeit gegen schnelle Oxidation, d.h. sie zünden nicht, wenn sie starker Reibungseinwirkung ausgesetzt sind. Abschleifbare Dichtungen aus solchem Werkstoff setzen nicht Titan in Brand, wenn sie unter schweren Bedingungen mit Laufschaufeln in Wechselwirkung treten, die aus Titanlegierungen hergestellt sind.
Geeignete Matrixmaterialien, die eine Oxidatiaonsbeständigkeit haben, welche die von Nichrom bei 649 ºC (1200 ºF) übersteigt, umfassen die folgenden Legierungen, die in Tabelle 1 angegeben sind. TABELLE I GEEIGNETE MATRIXWERKSTOFFE
Somit umfassen oxidationsbeständige Nickelbasis-Superle-gierungen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, einen breiten Bereich von Zusammensetzungen einschließlich sowohl Hafnium als auch Yttrium. In einem breiten Bereich können die Legierungen umfassen 5 - 26 Prozent Chrom, 3 - 13,2 Prozent Aluminium, 0,1 - 1,5 Prozent Hafnium, 0,001 - 0,80 Prozent Yttrium, 0 - 5,0 Prozent Titan, 0 - 24,00 Prozent Kobalt, 0 - 15,00 Prozent Wolfram, 0 - 4,0 Prozent Molybdän, 0 - 12,0 Prozent Tantal, 0 - 0,2 Prozent Zirconium, 0 - 0,2 Prozent Bor, 0 - 0,25 Prozent Kohlenstoff, 0 - 0,60 Prozent Silicium, 0 - 7, Prozent Rhenium, 0 - 5,0 Prozent Columbium, 0 - 0,2 Prozent Eisen, 0 - 0,1 Prozent Kupfer, ab 0 - 0,05 Prozent jeweils Phosphor, Schwefel, Blei, Wismuth und Mangan, und der Rest im wesentlichen Nickel und Spurenelemente.
Die Verbesserungen in der Oxidationsbeständigkeit, die durch den Zusatz von koordinierten Mengen an Yttrium und Hafnium zu Nickelbasis-Superlegierungen erzielt worden sind, sind bei einem Werkstoff beobachtet worden, der durch pulvermetallurgische Techniken einschließlich schneller Erstarrung hergestellt worden ist. Durch schnelle Erstarrung ist beabsichtigt, einen Werkstoff zu schaffen, der einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als etwa 10&sup4; ºC pro Sekunde ausgesetzt ist. Die Vorteile der schnellen Erstarrung beinhalten die praktische Eliminierung von Seigerung, was wichtig ist, wenn es sich nur um 50 oder 100 Teile pro Million (0,005 bis 0,010 Prozent) eines Elements handelt, denn es ist kritisch für die Oxidationsbeständigkeit, daß das Element in der gesamten Legierung gleichmäßig verteilt und nicht lokal geseigert ist. Demgemäß sind die bevorzugten Matrixpulver zum Plasmaspritzen schnell erstarrte Nickelbasis-Superlegierungspulver, in denen sowohl Yttrium als auch Hafnium vorhanden sind, und zwar in geeigneten Konzentrationen, damit hohe Oxidationsbeständigkeit erzielt wird. Wir bevorzugen eine Legierung, die 5 - 18 Prozent Cr, 3 - 8 Prozent Al, 0,1 - 1,0 Prozent Hf, 0,001 - 0,09 Prozent Y, 0 - 5 Prozent Ti, 0 - 20 Prozent Co, 0 - 15 Prozent W, 0 - 4 Prozent Mo, 0 - 12 Prozent Ta, 0 - 0,2 Prozent Zr, 0 - 0,2 Prozent B, 0 - 0,2 Prozent C, 0 - 7 Prozent Re, 0 - 5 Prozent Cb, 3 - 9 Prozent (Al + Ti), wobei die Summe von (W + Ta + Mo + Cb + Re) 5 Prozent übersteigt, und Rest im wesentlichen Ni enthält. Das Verhältnis von Matrixmetall zu Bornitrid sollte in der abschleifbaren Dichtung in den Bereich von 50 - 65 Volumenprozent Metall, 20 - 45 Volumenprozent Bornitrid, fallen, bei 5 - 15 Volumenprozent Porositt, wobei die Porosität in sich nichtverbunden ist, um dadurch die Permeabilität zu begrenzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß obigen Darlegungen hat es sich auch gezeigt, daß die Fülldichte der Dichtung größer sein sollte als etwa 3,6 Gramm/cm³, vorzugsweise von etwa 3,7 bis etwa 5,3 Gramm/cm³ und am bevorzugtesten von etwa 3,8 bis etwa 5,2 Gramm/cm³. Die Beziehung dieser Parameter ist in Tabelle II gezeigt, in welcher der Gehalt an Bornitrid in Volumenprozent für entsprechende Fülidichten und Porositäten angegeben ist. TABELLE II BORNITRIDGEHALT DER DICHTUNG
Ein nichtabschleifbarer Haftüberzug, der ein oxidationsbeständiges Metall umfaßt, wird vor dem Auftragen des abschleifbaren Überzugs aufgetragen. Am bevorzugtesten enthält dieser Haftüberzug dasselbe Metall wie das Matrixmetall der abschleifbaren Schicht, wodurch eine galvanische Korosionsaktivität zwischen dem Haftüberzug und der abschleifbaren Überzugsschicht reduziert wird, und er wird durch Plasmaspritzen aufgebracht. Eine typische Haftüberzugsdicke reicht von etwa 0,051 mm (2/1000) bis etwa 0,508 mm (20/1000 Zoll), wobei eine Dicke von 0,178 mm (7/1000) bis 0,305 mm (12/1000 Zoll) bevorzugt wird. Der Haftüberzug hat vorzugsweise eine Dichte, die größer ist als 90 Prozent der theoretischen Dichte, enthält kein Bornitrid und hat eine geringe Abschleifbarkeit relativ zu der Bornitrid enthaltenden abschleifbaren Schicht. Im allgemeinen kann die Partikelgröße des Haftüberzugswerkstoffes dieselbe sein oder ein größerer Größenbruchteil als die der abschleifbaren Schicht sein, so daß eine rauhere Oberfläche und eine Basis für eine stärkere Haftung der abschleifbaren Schicht geschaffen werden. Die kombinierte Verwendung einer nichtabschleifbaren Grundschicht aus oxidationsbeständiger Superlegierung und einem Überzug geringer Porosität, der eine Schmiermenge an Bornitrid aufweist, ergibt eine Dichtung mit Betriebseigenschaften bis zu etwa 871 ºC (1600 ºF), welche die projektierten Maximaltemperaturforderungen von fortschrittlichen Strahlturbinenverdichtern für die nahe Zukunft erfüllt.
Der nichtabschleifbare Haftüberzug wird als äußerst vorteilhaft betrachtet, wenn er auf irgendein Metallsubstrat aufgebracht wird, und ist besonders wichtig und brauchbar in einem Fall, in welchem das Substrat, das überzogen wird, Titan ist, da der Haftüberzug auch als eine Sperrschicht fungiert, die das Durchdringen der Laufschaufel erschwert und eine Inkursion in das Titan verhindert. Es ist kritisch, die Möglichkeit zu reduzieren, daß Titan mit Titan in Berührung kommt, da das bekanntlich ein beträchtliches Verschleißproblem verursacht sowie die Möglichkeit von anhaltender Titanverbrennung. Das metallische Substrat kann für das Auftragen der plasmagespritzten Haftüberzugsschicht auf bekannte herkömmliche Weise hergerichtet werden.
Anschließend an das Auftragen des nichtabschleifbaren Haftüberzugs wird die abschleifbare Schicht aufgetragen, und zwar in einer Dicke von etwa 0,254 mm (10/1000) bis etwa 0,508 mm (20/1000 Zoll) und vorzugsweise von etwa 0,508 mm (20/1000) bis 2,54 mm (100/1000 Zoll). Nach der Vollendung des Plasmaauftragsprozesses kann der Überzug entspannt werden, z.B. bei 578 ºC (1000) bis 760 ºC (1400 ºF) für eine bis zehn Stunden, vorzugsweise bei 649 ºC (1200 ºF) für zwei bis sechs Stunden, und bis zu einer Oberflächenrauhigkeit von weniger als 508 µm (200 Mikrozoll) maschinell bearbeitet werden.

Beispiel 1

Ein Vergleichsbeispiel wurde ausgeführt, um die Porosität eines flammgespritzen Überzugs mit einem plasmagespritzten Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung auszuwerten. Ein Nickel- Chrom-Aluminium-Bornitrid-Verbundstoff hoher Porosität in Form von Metco-301C-NS-Pulver, das überwiegend für abschleifbare Hochtemperaturdichtungen benutzt wird, wurde durch Flammspritzen auf ein Substrat aufgebracht, um einen Metco-T301-Überzug herzustellen, und einer Messung der Porosität unterzogen. Ein ähnlicher Überzug aus einem oxidationsbeständigen Matrixwerkstoff plus Bornitrid gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auf ein ähnliches Substrat plasmagespritzt. Die Parameter und die Porositäten dieser Überzüge sind in Tabelle III angegeben, die die typischen Volumenprozentsätze zeigt. Der Überzug nach der vorliegenden Erfindung war beträchtlich weniger poros. TABELLE III FLAMMGESPRITZTE IM VERGLEICH ZU PLASMAGESPRITZTEN ÜBERZÜGEN
Der Flammspritzverbundstoff wurde hergestellt unter Verwendung eines Metallpulvers, das die folgende Zusammensetzungsspezifikation (in Gewichtsprozent) hatte:
Die Partikelgrößenverteilung (Siebgröße) betrug (+100), 1 Prozent maximal; (+ 120), 10,0 Prozent maximal; und (-325), 15 Prozent maximal.
Die Zusammensetzung des Matrixwerkstoffes, der für den plasmagespritzten Überzug benutzt wurde, war folgende:
Die Partikelgrößenverteilung (Siebgröße) war (+140), 1 Prozent maximal; (+170), 7 Prozent maximal; (-170, +200), 38 - 48 Prozent; (-200, +230), 34 - 44 Prozent; (-230, +270), 10 - 20 Prozent; (-270), 4 Prozent maximal; und (-325), 1 Prozent maximal.
Die Bornitridkomponente des plasmagespritzten Überzugs enthielt (in Gewichtsprozent):
Die Partikelgrößenverteilung (Siebgröße) des Bornitrids war (+80), 2 Prozent maximal; (-80, +200), 80 Prozent minimal; (-200, +325), 16 Prozent maximal; und (-325), 2 Prozent maximal. Das Bornitrid machte 47 Volumenprozent des Plasmaspritzpulvers aus.
Der plasmagespritzte Überzug wurde unter Verwendung einer Plasmaspritzkanone des Typs Metco 7 MB aufgetragen, mit einem Metailpulver durch das von 150 Gramm pro Minute und einem Bornitriddurchsatz von 45 Gramm pro Minute. Der Strom wurde auf 470 A eingestellt, bei einer Spannung von 78 - 80 Volt, unter Verwendung von Stickstoff als einem Priärgas bei 33 ± 3 SLP/M, und Wasserstoff als einem Sekundärgas. Der Überzug wurde bis zu einer Dicke von etwa 2,92 mm (0.115 Zoll) aufgetragen.
Es hat sich gezeigt, daß Plasmaspritzen von Haus aus weniger Porosität erzeugt und daß die Auftragsleistung der Bestandteile beträchtlich größer ist als bei dem Flammspritzprozeß. Man erzielt so einen viel dichteren, weniger porösen Überzug (5 - 15 Volumenprozent oder weniger gegenüber 30 - 60 Volumenprozent) unter Verwendung des Plasmaspritzens, als man durch Flammspritzen derselben Werkstoffe erzielen würde. Es sei außerdem beachtet, daß aufgrund der schwächeren Metall-Metall- Bindung und der größeren Porosität in den flammgespritzten Überzügen flammgespritzte Werkstoffe üblicherweise weniger erosionsbeständig sind als plasmagespritzte Werkstoffe.

Beispiel 2

Bei früheren abschleifbaren Überzügen hat man, wie angegeben, nach hoher Porosität und niedriger Dichte getrachtet, im Gegensatz zu denjenigen nach der vorliegenden Erfindung, die nicht von der Porosität abhängig sind, um wirksame Abschleifbarkeitsraten bereitzustellen.
Tabelle IV veranschaulicht Laufschaufelspitzenreibergebnisse für mit Bornitrid versetzte Dichtungen bei unterschiedlichen Metallgehalten, hergestellt wie in Beispiel 1 angegeben, unter Hinzufügung eines Haftüberzugs des Matrixmetalls. Die angegebene Oberflächenbeschaffenheit ist die der Reibzone. TABELLE IV ABSCHLEIFBARKEITSERGEBNISSE EINES REIBPRÜFSTANDSTESTS
In Tabelle IV repräsentiert der Verschleißindex den mittleren Laufschaufelverschleiß dividiert durch die Summe der Reibtiefe und des Laufschaufelverschleißes, wodurch ein niedrigerer Wert zu bevorzugen ist, und ein Index von weniger als 0,1 ist erwünscht und weniger als 0,05 wird bevorzugt. Im Vergleich zu porösen, abschleifbaren Standarddichtungen hat es sich gezeigt, daß die mit Bornitrid als Schmiermittel versetzten Dichtungen nach der Erfindung die gleiche oder eine bessere Abschleifbarkeit haben, gemessen durch den Verschleißindex, wogegen es sich gezeigt hat, daß die porösen, abschleifbaren Dichtungen sich wegen ihres Mangels an Schmierfähigkeit, der zu hoher Temperatur und zum Reißen der Dichtung aufgrund von Reibung führte, als unakzeptabel erwiesen.
Es ist somit zu erkennen, daß das Börnitridschmiermittel nach der vorliegenden Erfindung starke Reibwechselwirkungen minimiert, die zwischen Laufschaufelspitze und Dichtungsoberfläche auftreten können. Diese Wechselwirkung kann während manchen Triebwerksbetriebsbedingungen die Dichungstemperatur beträchtlich über die Umgebungstemperatur erhöhen, was zu Rißbildung führen kann, zum Glasieren der Dichtungsoberfläche oder zur Materialübertragung auf die Laufschaufelspitze und zu späterem Abblättern der Dichtung. Zum Beispiel haben plasmagespritzte, abschleifbare Dichtungen nach der vorliegenden Erfindung Laufschaufelspitzen- und Dichtungstemperaturen von bis zu 167 ºC (300 ºF) niedriger als getestet gegenüber porösen Dichtungen ergeben, bei denen ein vergleichbarer Volumenprozentsatz derselben Nickellegierung benutzt wird, und zwar infolge von reduzierter Reibung aufgrund des Vorhandenseins von Bornitrid und von erhöhter thermischer Leitfähigkeit aufgrund von höherer Dichtungsdichte
Fig. 2 veranschaulicht die Erosionsbeständigkeit der vorliegenden Erfindung. Feltmetal , ein üblicherweise benutztes poröses Dichtungsmaterial, welches faserige Haynes-188-Kobaltbasis-Legierung aufweist, hat üblicherweise eine Erosionsrate von etwa 0,020 bis etwa 0,065 cm³/Gramm an erodiertem Stoff bei einer Dichte von etwa 1,6 bis etwa 2,0 Gramm/cm³, wobei es sich um Parameter handelt, die außerhalb der Grenzen dieses Diagramms liegen. Eine poröse abschleifbare Dichtung, die mit Lucite als einem flüchtigen Teilchenmaterial in demselben Matrixmetall hergestellt ist, das bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird, hat üblicherweise eine Erosionsrate von etwa 0,020 bis etwa 0,030 cm³/Gramm an erodiertem Stoff bei einer Dichte von etwa 2,8 bis etwa 3,5 Gramm/cm³, wobei es sich wiederum um Parameter handelt, die außerhalb der Grenzen des Diagramms liegen. Die vorliegende Erfindung ergibt jedoch eine Erosionsrate von weniger als 0,020 cm³/Gramm an erodiertem Stoff und vorzugsweise von weniger als 0,010 cm³/Gramm an erodiertem Stoff. Die erhöhte Dichtungsdichte der Dichtungen, welche teilchenförmiges Bornitridschmiermittel enthalten, ergibt, wie dargestellt, eine zusätzliche Erosionsbeständigkeit im Vergleich zu porösen Dichtungen.

Beispiel 3

Beträchtlich reduzierte Porositätswerte bei den vorliegenden Dichtungen tragen zu reduzierter Oberflächenrauhigkeit im Vergleich zu bekannten Dichtungen bei. Darüber hinaus wird durch die verbesserte spanabhebende Bearbeitbarkeit von metallischen Matrizen, die Bonitrid enthalten, die Oberflächenbeschaffenheit der gespritzten Dichtungen weiter verbessert.
Tabelle V zeigt die Oberflächenrauhigkeit einer Anzahl von Dichtungen, die wie im Beispiel 1 hergestellt sind, im Vergleich zu der Oberflächenrauhigkeit des im Handel erhältlichen porösen Dichtungsmaterials. TABELLE V OBERFLÄCHENRAUHIGKEIT µm (MIKROZOLL)

Beispiel 4

Zusätzliche abschleifbare Dichtungen wurden wie im Beispiel 1 hergestellt und Permeabilitätsmessungen unterzogen. Die Permeabilität der Dichtungsschicht wurde gemessen, und es zeigte sich, daß sie null (0) Prozent bei Dichten von mehr als 3,6 Gramm/cm³ beträgt. Das steht im Kontrast zu porösen plasmagespritzten Dichtungen, die eine Permeabilität von etwa 75 Prozent haben, oder zu den kommerziell benutzten Feltmetal -Dichtungen, die etwa 60 Prozent Permeabilität zeigten.

Beispiel 5

Darüber hinaus wurden Verdichterdichtungen, hergerichtet gemäß der Erfindung, hergestellt und in einem Gasturbinentriebwerk getestet, um die Vorteile von glatten, impermeablen Dichtungen zu bestimmen. Rücken-an-Rücken-Motortests zeigten eine beträchtliche Zunahme des Verdichterwirkungsgrades von einem Prozent, was der vorliegenden Erfindung zuzuschreiben ist, im Vergleich zu der Verwendung von rauhen, permeablen Verdichterdichtungen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Fig. 3 veranschaulicht den verbesserten Hochdruckverdichterwirkungsgrad (HPC oder High Pressure Compressor efficiency), der erzielt wird, wenn mit einer glatten, impermeablen Dichtung nach der vorliegenden Erfindung gearbeitet wird, im Vergleich zu einer herkömmlichen porösen abschleifbaren Dichtung nach dem Stand der Technik. Ein klarer Wirkungsgradvorteil von einem vollen Prozentpunkt wird bei einer breiten Vielfalt von Triebwerksbetriebsbedingungen erzielt. Diese Wirkungsgraddifferenz ist ein Hauptresultat dieser Technologie, wo Verbesserungen von 0,1 Prozent als ein beachtliches Ergebnis angesehen werden.

Beispiel 6

Darüber hinaus wurden Verdichterdichtungen, hergerichtet mit variierenden Graden an Permeabilität, auf einem Vollmaßstablaborprüfstand und in Gasturbinentriebwerken variierender Größe getestet, um die Auswirkung der reduzierten Dichtungspermeabilität auf den Triebwerkswirkungsgrad zu bestimmen. Der Hochdruckverdichterwirkungsgrad nimmt zu, was der vorliegenden Erfindung zuzuschreiben ist, im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen mit höherer Permeabilität, was in Rücken-an-Rückenmiriebwerkstests demonstriert wurde, wie in Fig. 4 gezeigt. Diese Figur zeigt Verbesserungen an dem 100% -Scheitel-Adiabate-Triebwerkswirkungsgrad von zwei verschiedenen Triebwerksfamilien. Die Triebwerke A und B belaufen sich auf etwa 0,5 bzw. 0,75 Prozent, wenn sie mit einer Dichtung arbeiten, die gemäß der Erfindung hergestellt ist, und sich die Permeabilität null nähert. Diese Wirkungsgraddifferenz ist wiederum ein Hauptergebnis bei dieser Technologie, wo Verbesserungen von 0,1 Prozent als ein gutes Ergebnis betrachtet werden.
Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf detaillierte und bevorzugte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden, dem Fachmann ist jedoch klar, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen an ihr vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verbunddichtung für Gasturbinentriebwerke, welche umfaßt:

a. ein metallisches Substrat;

b. einen fest haftenden Haftüberzug auf dem Substrat, wobei der Haftüberzug eine niedrige Abschleifbarkeit zeigt und eine oxidationsbeständige Superlegierung umfaßt;

c. eine homogene, abschleifbare Schicht, die über dem Haftüberzug plasmagespritzt ist, wobei die Schicht 50 bis 65 Volumenprozent oxidationsbeständige Superlegierung, 20 bis 45 Volumenprozent hexagonales Bornitrid und weniger als etwa 15 Volumenprozent Porosität aufweist und eine Oberflächenrauhigkeit von weniger als etwa 1524 µm hat.

2. Verbunddichtung nach Anspruch 1, wobei die Superlegierung eine Nickelbasis-Superlegierung umfaßt, die Yttrium und Hafnium enthält, und gekennzeichnet ist durch eine Oxidationsbeständigkeit, die die von Nichrom bei 649 ºC (1200 ºF) übersteigt.

3. Verbunddichtung nach Anspruch 2, wobei der Haftüberzug eine Dicke von 0,051 mm (2/1000) bis 0,508 mm (20/1000 Zoll) hat, auf das Substrat durch Plasmaspritzen aufgebracht ist und im wesentlichen aus derselben Superlegierung besteht, die in der abschleifbaren Schicht vorhanden ist.

4. Verbunddichtung nach Anspruch 3, wobei die oxidationsbeständige Superlegierung uinfaßt 5-26 Prozent Cr, 3-13,2 Prozent Al, 0,1-1,5 Prozent Hf, 0,001-0,80 Prozent Y, 0-5,0 Prozent Ti, 0-24 Prozenzt Co, 0-15 Prozent W, 0-4 Prozent Mo, 0-12 Prozent Ta, 0-0,2 Prozent Zr, 0-0,2 Prozent B, 0-0,25 Prozent C, 0-0,60 Prozent Si, 0-7,0 Prozent Re, 0-5,0 Prozent Nb, 0- 0,2 Prozent Eisen, 0-0,1 Prozent Kupter, 0-0,05 Prozent jeweils von Phosphor, Schwefel, Blei, Wismut und Mangan, Rest im wesentlichen Ni und Spurenelemente.

5. Verbunddichtung nach Anspruch 4, wobei die Partikelgröße des Bornitrids vor dem Plasmaspritzen von 44-177 µm (Mikrometer) reicht.

6. Verbunddichtung nach Anspruch 41 wobei die Partikelgröße der oxidationsbeständigen Legierung vor dem Plasmaspritzen von 44 bis 150 µm (Mikrometer) reicht.

7. Verbunddichtung nach Anspruch 4, wobei die Dicke der abschleifbaren Schicht von 0,254 mm (10/1000) bis 5,08 mm (200/1000 Zoll) reicht.

8. Verbunddichtung nach Anspruch 4, wobei die Porosität der abchleifbaren Schicht von 5-15 Volumenprozent reicht.

9. Verbunddichtung nach Anspruch 8, wobei die Superlegierung umfaßt 5-18 Prozent Cr, 3-8 Prozent Al, 0,1-1,0 Prozent Hf, 0,001-0,09 Prozent Y, 0-5 Prozent Ti, 0-20 Prozent Co, 0-15 Prozent W, 0-4 Prozent Mo, 0-12 Prozent Ta, 0-0,2 Prozent Zr, 0-0,2 Prozent B, 0-0,2 Prozent C, 0-7 Prozent Re, 0-5 Prozent Nb, 3-9 Prozent (Al + Ti), die Summe von (W + Ta + Mo + Nb + Re), die 5 Prozent übersteigt, und Rest Nickel.

10. Verbunddichtung nach Anspruch 8, wobei die Superlegierung umfaßt 8,0-10,0 Prozent Cr, 6,6-7,0 Prozent Al, 9,0-10,0 Prozent W, 2,5-3,5 Prozent Ta, 0,1-1,2 Prozent Mo, 0,1-0,2 Prozent Hf, 0,01-0,08 Prozent Y, weniger als 0,02 Prozent C, weniger als 0,09 Prozent Si, weniger als 0,005 Prozent P, weniger als 0,005 Prozent S, weniger als 2 ppm Pb, weniger als 0,5 ppm Bi, weniger als 0,02 Prozent Mn, weniger als 0,1 Prozent Fe, weniger als 0,05 Prozent Cu, Rest Ni.

11. Abschleifbare Verbunddichtung für Gasturbinentriebwerke nach Anspruch 1, wobei die Dichtung umfaßt:

a. ein metallisches Substrat;

b. einen fest haftenden Haftüberzug auf dem Substrat, der eine Dicke von 0,051 mm (2/1000) bis 0,508 mm (20/1000 Zoll) hat und im wesentlichen aus einer plasmagespritzten Nickelbasis-Superlegierung besteht, die eine Oxidationsbeständigkeit hat&sub1; welche die von Nichrom bei 649 ºC (1200 ºF) übersteigt; und eine plasmagespritzte, abschleifbare Schicht auf dem Haftüberzug, wobei die Schicht von 0,254 mm (10/1000) bis 5,08 mm (200/1000 Zoll) in der Dicke reicht und 50 bis 65 Volumenprozent Nickelbasis-Superlegierung enthält, eine Oxidationsbeständigkeit hat, die größer als die von Nichrom ist, und sowohl Yttrium als auch Hafnium enthält, 20 bis 45 Volumenprozent hexagonales Bornitrid enthält, weniger als etwa 15 Prozent Porosität und eine oberflächenrauhigkeit, wie fabriziert, von weniger als etwa 1524 µm (600 Mikrozoll) hat.

12. Abschleifbare Verbunddichtung für Gasturbinentriebwerke nach den Ansprüchen 1-11, wobei die abschleifbare Schicht einen Verschleißindex von weniger als 0,1 aufweist und durch Erosion eine Schichtabtragung von weniger als 0,020 cm³/g erfolgt.

13c Abschleifbare Verbunddichtung für Gasturbinentriebwerke nach den Ansprüchen 1-11, wobei die abschleifbare Schicht eine Permeabilität von mehr als 20 Prozent und eine Fülldichte von mehr als 3,6 g/cm³ hat.

14. Verfahren zum Herstellen einer abschleifbaren Dichtvorrichtung, wobei das Verfahren beinhaltet

a. Herrichten eines Substrats zum Auftragen eines Plasmaspritzüberzugs;

b. Plasmaspritzen einer Haftüberzugsschicht niedriger Porosität auf das Substrat, die im wesentlichen aus einer Nickelbasis-Superlegierung besteht, welche eine Oxidationsbeständigkeit hat, die größer als die von Nichrom bei 649 ºC (1200 ºF) ist; und

c. Plasmaspritzen einer abschleifbaren Schicht auf die Haftschicht, wobei die abschleifbare Schicht 50-65 Volumenprozent oxidationsbeständige Nickelbasis-Superlegierung und 20-45 Volumenprozent hexagonales Bornitrid umfaßt und weniger als 15 Volumenprozent Porosität aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Plasmaspritzen durch Plasmaspritzen mit mehreren Injektionsöffnungen erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei unabhängige Pulverinjektions- und Trägergasströme für jeden Bestandteil der abschleifbaren Schicht benutzt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Nickelbasis-Superlegierung, die sowohl in der Haftüberzugsschicht als auch in der abschleifbaren Schicht benutzt wird, umfaßt, nach Gewicht, 5- 26 Prozent Cr, 3-13,2 Prozent Al, 0,1-1,5 Prozent Hf, 0,001-0,80 Prozent Y, 0-5,0 Prozent Ti, 0-24 Prozent Co, 0-15 Prozent W, 0-4 Prozent Mo, 0-12 Prozent Ta, 0-0,2 Prozent Zr, 0-0,2 Prozent B, 0-0,25 Prozent C, 0-0,60 Prozent Si, 0-7,0 Prozent Re, 0-5,0 Prozent Nb, 0-0,2 Prozent Eisen, 0-0,1 Prozent Kupfer, 0-0,05 Prozent jeweils von Phosphor, Schwefel, Blei, Wismut und Mangan, Rest im wesentlichen Ni und Spurenelemente.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Haftüberzugsschicht eine Dicke von 0,051 mm (2/1000) bis 0,508 mm (20/1000 Zoll) hat und wobei die abschleifbare Schicht eine Dicke von 0,254 mm (10/1000) bis 5,08 mm (200/1000 Zoll), eine Porosität von weniger als 15 Volumenprozent, eine Dichte von 3,7 bis 5,3 Gramm/cm und eine Oberflächenrauhigkeit, wie fabriziert, von weniger als 1524 µm (600 Mikrozoll) hat.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Dicke der Haftüberzugsschicht und die Dicke der abschleifbaren Schicht durch eine automatische Meßeinrichtung während des Auftragens gesteuert werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Bornitridpartikelgröße, vor dem Spritzen, von 44 bis 177 µm (Mikrometer) reicht, die Partikelgröße der oxidationsbeständigen Superlegierung, vor dem Spritzen, von 44 bis 150 µm (Mikrometer) reicht und drei Injektionsöffnungen für jede benutzt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Superlegierung umfaßt, nach Gewicht, 8,0-10,0 Prozent Cr, 6,6-7,0 Prozent Al; 9,0-10,0 Prozent W, 2,5-3,5 Prozent Ta, 0,1-1,2 Prozent Mo, 0,1-02 Prozent Hf, 0,01-0,08 Prozent Y, weniger als 0,02 Prozent C, weniger als 0,09 Prozent Si, weniger als 0,005 Prozent P, weniger als 0,005 Prozent S, weniger als 2 ppm Pb, weniger als 0,5 ppm Bi, weniger als 0,02 Prozent Mn, weniger als 0,1 Prozent Fe, weniger als 0,05 Prozent Cu, Rest Ni.