DE69705149T2 - Verschleissfeste Siegelbeschichtungen - Google Patents

Verschleissfeste Siegelbeschichtungen

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DE69705149T2
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ceramic matrix
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Timothy A. Twigg
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Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Dichtungen, die in rotierenden Maschinen verwendet werden, um eine Leckströmung von Fluiden zu verhindern. Die Erfindung betrifft insbesondere die abrasiven Komponenten, die in abrasiven/abradierbaren Dichtungen verwendet werden, die Störeffekte zwischen sich bewegenden Bauteilen in der genannten rotierenden Maschine verhindern.
  • Der Turbinen- und Verdichterabschnitt in einer Axialströmungsturbinenmaschine beinhaltet generell eine oder mehrere Rotoranordnungen, von denen jede eine Mehrzahl von Rotorlaufschaufeln aufweist, die umfangsmäßig um eine Scheibe angeordnet sind, die in einem zylinderförmigen Gehäuse rotiert. Aus Effizienzgründen beinhaltet jede Rotoranordnung Dichtungen zum Abdichten zwischen den rotierenden Elementen und den stationären Elementen. Die Dichtungen erhöhen die Effizienz der Maschine, indem sie eine Leckströmung der Luft verhindern, wobei wenig oder keine Arbeit entweder aufgebracht werden kann oder entzogen werden kann. Abradierbare Dichtungen, welche ein "hartes" abrasives Element enthalten, das so ausgelegt ist, daß es einen "weiches" abradierbares Element berührt, sind eine verbreitete Wahl für derartige Dichtungen. Das abradierbare Element besteht generell aus einem brüchigen, zerbrechlichen Material, das theoretisch sauber wegbricht, wenn es von einem abrasiven Element berührt wird. Das abrasive Element andererseits besteht aus einem harten, zähen Material, das theoretisch bei einem Kontakt mit dem abradierbaren Element nicht nachgeben wird. Im Fall einer äußeren Luftdichtung einer Laufschaufel ist das abrasive Element typischerweise an den Laufschaufelspitzen angebracht und das abradierbare Element ist auf dem Innenumfang des Gehäuses angebracht. Ungleiche thermische und/oder dynamische Ausdehnung zwischen der Rotoranordnung und dem Gehäuse bewirkt, daß das abrasive Element das abradierbare Element berührt und dadurch zwischen den beiden Elementen abdichtet. Das weichere, abradierbare Element gibt dem abrasiven Element nach und verhindert so eine mechanische Beschädigung sowohl an den Laufschaufelspitzen als auch an dem Gehäuse. Ein Nachteil von abradierbaren Dichtungen ist, daß einige kompatible abrasive und abradierbare Elemente die beste Leistung bei hohen Eindringgeschwindigkeiten erbringen, während andere die beste Leistung bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten erbringen. Die Eindringgeschwindigkeit zwischen einem rotierenden Element und einer Struktur radial außerhalb des rotierenden Elements spiegelt die Häufigkeit wieder, mit der das rotierende Element an die Struktur stößt und die Größe der Überlappung zwischen den beiden bei jedem Umlauf. Sehr wenige abrasive und abradierbare Elemente liefern eine optimale Leistung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten. So ist es beispielsweise bekannt, daß keramische Teilchen, die in einer Metallmatrix verteilt sind, als ein abrasives Element verwendet werden können. Bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten wirken die Teilchen vorteilhaft als eine Vielzahl von winzigen Messern, um einen Weg in das abradierbare Element "einzuarbeiten". Bei hohen Eindringgeschwindigkeiten -können die erhöhten Temperaturen jedoch die Metallmatrix beeinträchtigen und sie veranlassen, die keramischen Teilchen freizugeben. Die Alterung des abrasiven Elements führt zu einem größeren Spalt zwischen dem Rotor und dem Gehäuse, als optimal wäre, und verschlechtert somit den Wirkungsgrad der Maschine.
  • Benötigt wird ein abrasives Element für eine abradierbare Dichtung für eine Gasturbinenmaschine, welches sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten vorteilhafte Leistung zeigt. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine zusammengesetzte keramische Beschichtung mit abrasiven Eigenschaften in oder für eine Anwendung auf einem Metallsubstrat bereitgestellt, welche eine keramische Matrix und eine Mehrzahl von abrasiven Keramikteilchen aufweist, die in der Keramikmatrix angeordnet sind. Die abrasiven Teilchen haben eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die der keramischen Matrix, und sie besitzen eine Winkelgeometrie.
  • Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen Gegenstand zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschinen-Rotoranordnung, der einen Körper aus Metallmaterial und eine zusammengesetzte keramische Beschichtung gemäß der Erfindung hat, die mit einer Oberfläche des Körpers verbunden ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung auch ein Verfahren zum Bereitstellen einer abrasiven Beschichtung auf einem Metallgegenstand, aufweisend die folgenden Schritte:
  • Bereitstellen eines Keramikmatrixmaterials in Pulverform;
  • Bereitstellen abrasiver Keramikteilchen, wobei die Teilchen eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die des Keramikmatrixmaterials, und eine Winkelgeometrie besitzen;
  • Reinigen einer Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstands; und
  • Ausbilden einer Beschichtung auf dem Gegenstand mittels Aufbringen des Keramikmatrixmaterials und der abrasiven Teilchen auf den Gegenstand im Plasmasprühverfahren.
  • Nach einem noch weiteren Aspekt liefert die Erfindung eine Pulvermischung zum Plasmasprühen einer abrasiven Beschichtung, aufweisend:
  • ein widerstandsfähiges keramisches Oxidpulver; und
  • eine Mehrzahl von abrasiven Teilchen, wobei die abrasiven Teilchen eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die des keramischen Pulvers, und eine Winkelgeometrie besitzen;
  • wobei die Pulvermischung aus annähernd gleichen Volumenmengen des keramischen Pulvers und der abrasiven Teilchen bestehen; und
  • wobei die Maschengröße des Keramikpulvers und der abrasiven Teilchen annähernd gleich ist.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die abrasive Beschichtung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten gute Leistung zeigt. Bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten arbeiten die abrasiven Teilchen, die in der Keramikmatrix angeordnet sind, wie "Messer", welche das abradierbare Material des Gegenstücks bearbeiten. Die abrasiven Teilchen minimieren die Störung zwischen der Keramikmatrix und dem abrasiven Material bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten und minimieren so die Spannung, die in die Keramikmatrix induziert wird. Bei hohen Eindringgeschwindigkeiten ermöglicht die Haltbarkeit der Keramikmatrix es, die abrasiven Teilchen festzuhalten.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
  • Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Gasturbinen- Rotoranordnung mit abradierbaren Dichtungen; und
  • Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen abrasiven Beschichtung, die auf einem Substrat aufgebracht ist.
  • Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Gemäß der Erfindung ist eine abradierbare Dichtung 10 vorgesehen, die in einer Rotoranordnung 12 einer Gasturbinenmaschine (nicht gezeigt) verwendet werden kann. Die Rotoranordnung 12 weist eine Mehrzahl von Strömungsprofilen 14 auf, die an einer Nabe 16 befestigt sind und welche gemeinsam um eine Mittelachse rotieren. Ein stationäres Gehäuse 18 ist radial außerhalb der rotationsfähigen Strömungsprofile 14 angeordnet. Das Gehäuse 18 weist eine Mehrzahl von Statorleitschaufeln 20 auf, die zwischen den rotationsfähigen Strömungsprofilen 14 angeordnet sind. Messerschneidendichtungen 22, die an den rotierenden Naben 16 befestigt sind, dichten zwischen den Statorleitschaufeln 20 und den Naben 16 ab.
  • Die abradierbare Dichtung weist ein abradierbares Element 24 und ein abrasives Element 26 auf. Das abradierbare Element 24 kann eines aus einer Vielzahl von abradierbaren Materialien sein, die in dem Technikgebiet bekannt sind, beispielsweise eine im Plasmasprühverfahren aufgebrachte Beschichtung mit einem hohen Maß an Porosität. Die Porosität kann man erzielen mit einer Vielzahl von Techniken, aufweisend aber nicht beschränkt auf, Variieren der Plasmasprühparameter, das Verwenden von relativ großen Teilchen oder das gleichzeitige Versprühen eines Materials wie beispielsweise Polyester oder Salz, das nachfolgend ausgespült werden kann. Es wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Das abrasive Element 26 besteht aus einer zusammengesetzten Beschichtung zum Aufbringen auf ein Metallsubstrat. Das Metallsubstrat, welches in den oben genannten Beispielen die Messerschneiden 30 der Messerschneidendichtung 22 und die Spitzen 32 (Fig. 2) des Strömungsprofils 14 sind, besteht generell aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, welche gegossen und zu einer bestimmten Geometrie bearbeitet ist. Andere Metallsubstratmaterialien können alternativ verwendet werden. Die abrasive Beschichtung 26 umfaßt eine Keramikmatrix 34 und eine Mehrzahl von abrasiven Keramikteilchen 36. Die Keramikmatrix 34 ist aus einem widerstandsfähigen Oxid gebildet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zirkoniumoxid, einschließlich Zirkoniumoxid, welches mit Y&sub2;O&sub3;, CrO, MgO oder Ähnlichem stabilisiert ist, oder irgendeiner Kombination daraus. Die Teilchengröße des Matrixmaterials ist vorzugsweise zwischen 3 und 150 um (microns). Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die abrasiven Keramikteilchen 36 aus Karbiden gebildet, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, Titankarbid, Borkarbid oder Siliziumkarbid oder Kombinationen daraus. Bei der weiteren bevorzugten Ausführungsform können die abrasiven Keramikteilchen 36 aus Nitriden gebildet sein, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Bornitrid, Titannitrid oder Siliziumnitrid oder irgendwelche Kombinationen daraus. Die Größe der abrasiven Teilchen 36 ist vorzugsweise die gleiche wie die des Matrixmaterials 34, zwischen 3 und 150 um (microns). Bei allen Ausführungsformen besitzen die abrasiven Teilchen 36 eine Winkelgeometrie, die als eine Geometrie mit scharfen Kanten und mehreren Oberflächen definiert sein kann.
  • Die Keramikmatrix 34 macht vorzugsweise mindestens 50% und insbesondere etwa 60% der zusammengesetzten Beschichtung 26 aus. Bei dem bevorzugten Beschichtungsverfahren wird das zu beschichtende Metallsubstrat erst gereinigt, um irgendwelche Oxidationen oder Verschmutzungen zu entfernen, die möglicherweise vorhanden sind. Sandstrahlen (oder eine anderes Strahlverfahren) ist das bevorzugte Verfahren zum Reinigen, weil es auch die Oberflächengüte der Oberfläche zur besseren Anhaftung der Beschichtung aufrauht. Andere Oberflächenreinigungsverfahren, wie Säureätzen, können jedoch alternativ verwendet werden. Bei der bevorzugtesten Ausführungsform wird die abrasive Beschichtung 26 mittels eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens aufgebracht. Andere Beschichtungsverfahren, beispielsweise ein Vakuumplasmasprühverfahren oder high velocity oxyfuel (HVOF) können alternativ, verwendet werden. Zum Zweck der kompletten Ausführbarkeit werden zwei spezielle Beispiele von Beschichtungsauftrageabläufe nachfolgend angegeben. Diese sind Beispiele und repräsentieren als solche nicht all die möglichen Ausführungsformen unter Verwendung der vorliegenden Erfindung.
    • Beispiel 1:
  • Bei diesem Beispiel wird die Beschichtung 26 auf eine Superlegierung auf Nickelbasis aufgebracht, die gegossen ist, in eine spezielle Geometrie bearbeitet ist und wie vorangehend beschrieben gereinigt wurde. Aluminiumoxidpulver, dessen Teilchengröße vorzugsweise zwischen 3 und 150 um (microns) liegt, wird als ein Bestandteil für die Keramikmatrix verwendet. Das Aluminiumoxid kann Spuren von Siliziumdioxid, Eisenoxid und Titanoxid enthalten. Die abrasiven Teilchen werden als Titankarbidpulver mit einer Partikelgröße vorzugsweise zwischen 3 und 150 um (microns) vorgesehen. Eine Doppelpulverport- Plasmasprüheinrichtung, beispielsweise eine Kanone des Modells "Metco 7M" wie sie von der Sulzer Metco Corporation vermarktet wird, wird verwendet, um die Beschichtung unter atmosphärischen Bedingungen im Plasmasprühverfahren aufzubringen. Die Pulver werden aus Behältern unter Verwendung von Stickstoff (N&sub2;) als Trägergas zugeführt. Beide Pulver werden der Kanone mit einer Förderrate von etwa zehn (10) Gramm pro Minute zugeführt, wobei das Trägergas auf eine Rate zwischen zweieinhalb (2,5) und dreieinhalb (3,5) Standardliter pro Minute (SLMP) eingestellt ist. Das Primärgas für das Plasmasprühverfahren, Stickstoff (N&sub2;) ist eingestellt, daß es durch die Kanone mit etwa fünfzehn (15,0) SLPM strömt, und das Sekundärgas, Wasserstoff (H&sub2;), wird auf etwa sieben (7,0) SLPM eingestellt. Die Spannungseinstellung der Kanone ist auf zwischen fünfundsechzig (65) und fünfundachtzig (85) Volt eingestellt und die Stromeinstellung liegt zwischen fünfhundert (500) und sechshundertfünfzig (650) Ampere. Die Düse der Kanone ist etwa 50,8 bis 63,5 mm (2-2,5 Inch) von dem Substrat entfernt positioniert. Die Kanone ist eingestellt auf eine Geschwindigkeit von etwa 0,3 m pro Minute (zwölf (12) Inch pro Minute). Die oben angegebenen Bedingungen und Einstellungen ergeben eine abrasive Beschichtung mit einem Profil von etwa 60% Aluminiumoxidmatrix und 40% abrasiver Titankarbidteilchen.
  • In diesem Beispiel wird die Beschichtung 26 auf eine Superlegierung auf Nickelbasis aufgebracht, die gegossen, zu einer speziellen Geometrie bearbeitet und wie vorangehend beschrieben gereinigt wurde.
  • Aluminiumoxidpulver mit einer Partikelgröße von vorzugsweise zwischen 3 und 150 um (microns) wird als ein Bestandteil für die Keramikmatrix verwendet. Das Aluminiumoxid kann Spurenmengen von Siliziumdioxid, Eisenoxid und Titanoxid beinhalten. Die abrasiven Teilchen sind als Siliziumkarbidpulver mit einer Partikelgröße von vorzugsweise zwischen 3 und 150 um (microns) vorgesehen. Die obengenannte Doppel-Pulver- Port-Plasmasprüheinrichtung wird verwendet, um die Beschichtung unter atmosphärischen Bedingungen im Plasmasprühverfahren aufzubringen. Die Pulver werden aus Behältern unter Verwendung von Stickstoff (N&sub2;) als Trägergas zugeführt. Beide Pulver werden der Kanone mit einer Förderrate zwischen einhalb (0,5) und eineinhalb (1,5) Gramm pro Minute zugeführt, wobei das Trägergas (N2) auf eine Rate zwischen eineinhalb (1,5) und drei (3) SLPM eingestellt ist. Das Primärgas (N&sub2;) wird eingestellt, daß es durch die Kanone bei etwa fünfzehn (15) SLPM strömt, und das Sekundärgas (H&sub2;) wird eingestellt auf etwa sieben (7) SLPM. Die Spannungseinstellung der Kanone ist auf zwischen fünfundsechzig (65) und fünfundachtzig (85) Volt eingestellt, und die Stromeinstellung ist auf zwischen dreihundertfünfzig (350) und vierhundertfünfzig (450) Ampere eingestellt. Die Kanonendüse ist etwa 0,1 m (vier (4) Inch) von dem Substrat entfernt positioniert. Die Kanone ist auf eine Geschwindigkeit von etwa 0,3 m pro Minute (zwölf (12) Inch pro Minute) eingestellt. Die oben angegebenen Bedingungen und Einstellungen ergeben eine abrasive Beschichtung mit einem Profil von etwa 60% Aluminiumoxidmatrix und 40% abrasiver Siliziumkarbidteilchen.
  • In allen Beispielen enthält die Beschichtung 26 eine grob symmetrische Verteilung von abrasiven Teilchen, die über die Keramikmatrix verteilt sind. Die abrasiven Teilchen behalten im Wesentlichen die gleiche Winkelgeometrie bei, welche sie in Pulverform besitzen, und einige dieser Winkelgeometrien ragen aus der Keramikmatrix.
  • Aus dem Vorangegangenen erkennt man, daß die vorliegende Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine abrasive Beschichtung bereitstellt, die dauerhaft ist, die sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Eindringgeschwindigkeiten gute Leistung zeigt und die einfach aufgebracht werden kann.
  • Obwohl die Erfindung mit Bezugnahme auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise verwenden beide Beispiele abrasive Teilchen 36 vom Karbidtyp und Aluminiummatrixe 34. Es wurde bereits erwähnt, daß andere abrasive Teilchen (z. B. Nitride) und widerstandsfähige Oxide (Titanoxid, Zirkoniumoxid, etc.) alternativ verwendet werden können. Außerdem sind spezielle Mengenangaben in den zwei Beispielen für die veränderbaren Sprühwerte angegeben. Die Größe dieser Werte kann nicht alle möglichen Einstellungen für diese Variablen umfassen und sollte deshalb nicht als Beschränkungen ausgelegt werden. Statt dessen sind sie nur angegeben, um zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in zwei speziellen Beispielen zu spezifizieren, die den Erfindern bekannt sind.

Claims (14)

1. Zusammengesetzte Beschichtung (26) mit abrasiven Eigenschaften in oder zur Anwendung auf einem Metallsubstrat, aufweisend:
eine Keramikmatrix (34) zum Verbinden mit dem Metallsubstrat; und
eine Mehrzahl von abrasiven Keramikteilchen (36), die in der Keramikmatrix (34) angeordnet sind, wobei die abrasiven Teilchen (36) eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die der Keramikmatrix (34), und eine Winkelgeometrie besitzen.
2. Gegenstand (14) zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschinen- Rotoranordnung, aufweisend:
einen Körper aus einem Metallmaterial; und
eine zusammengesetzte Beschichtung (26), die mit einer Oberfläche des Körpers verbunden ist, wobei die Beschichtung eine Keramikmatrix (34) und eine Mehrzahl von abrasiven Keramikteilchen (36) aufweist, die in der Keramikmatrix (34) angeordnet sind, wobei die abrasiven Teilchen (36) eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die der Keramikmatrix (34), und eine Winkelgeometrie besitzen.
3. Zusammengesetzte Beschichtung oder Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei die abrasiven Keramikteilchen (36) aus der Gruppe gewählt sind, die aus Carbiden und Nitriden besteht.
4. Zusammengesetzte Beschichtung oder Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Keramikmatrix (34) ein widerstandsfähiges Oxid ist.
5. Zusammengesetzte Beschichtung oder Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramikmatrix (34) mehr als 50% der zusammengesetzten Beschichtung (26) umfaßt.
6. Zusammengesetzte Beschichtung oder Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Keramikmatrix (34) im Wesentlichen 60% der zusammengesetzten Beschichtung umfaßt.
7. Zusammengesetzte Beschichtung oder Gegenstand nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung auf das Substrat oder die Oberfläche (32) durch ein Plasmasprühverfahren aufgebracht wird.
8. Verfahren zum Schaffen einer abrasiven Beschichtung (26) auf einem Metallgegenstand (14) aufweisend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Keramikmatrixmaterials (34) in Pulverform;
Bereitstellen von abrasiven Keramikteilchen (36), wobei die Teilchen (36) eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die des keramischen Matrixmaterials (34), und eine Winkelgeometrie besitzen;
Reinigen einer Oberfläche (32) des zu beschichteten Gegenstands; und
Ausbilden einer Beschichtung auf dem Gegenstand (14) mittels Aufbringen des Keramikmatrixmaterials (34) und der abrasiven Teilchen (36) auf den Gegenstand im Plasmasprühverfahren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Beschichtung (26) unter Verwendung einer Doppelport-Plasmasprüheinrichtung gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Keramikmatrixmaterial ein widerstandsfähiges Oxid ist.
11. Pulvermischung zum Plasmasprühen einer abrasiven Beschichtung, aufweisend:
ein widerstandsfähiges keramisches Oxidpulver; und
eine Mehrzahl von abrasiven Teilchen, wobei die abrasiven Teilchen eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die des keramischen Pulvers, und eine Winkelgeometrie besitzen;
wobei die Pulvermischung aus annähernd gleichen Volumenmengen des keramischen Pulvers und der abrasiven Teilchen besteht; und
wobei die Maschengröße des keramischen Pulvers und der abrasiven Teilchen annähernd gleich ist.
12. Verfahren oder Pulvermischung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei die abrasiven Keramikteilchen aus der Gruppe gewählt sind, die aus Karbiden und Nitriden besteht.
13. Verfahren oder Pulvermischung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Keramikmatrixpulver (34) und die abrasiven Teilchen (36) im Wesentlichen eine Größe zwischen 3 und 150 um (microns) haben.
14. Pulvermischung zum Plasmasprühen einer abrasiven Beschichtung, aufweisend:
ein widerstandsfähiges keramisches Oxidpulver; und
eine Mehrzahl von abrasiven Teilchen, wobei die abrasiven Teilchen eine Scherfestigkeit, die wesentlich größer ist als die des keramischer Pulvers, und eine Winkelgeometrie haben.
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