DE69826096T3 - Schleifmittelbeschichtung aus stengelförmigem Zirkonoxid für eine Gasturbinendichtung - Google Patents

Schleifmittelbeschichtung aus stengelförmigem Zirkonoxid für eine Gasturbinendichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Abreibeschicht, welche auf Drehelemente in Gasturbinenmaschinen aufgetragen wird, um das Schneiden der Luftdichtung zu verbessern, wodurch Verluste durch lichten Abstand bzw. durch Spiel minimiert und Haltbarkeit der Drehelemente verbessert werden.
  • Gasturbinenmaschinen umfassen typischerweise eine Anzahl unterschiedlicher Dichtungssysteme, um unterschiedliche Arbeitsdrücke aufrechtzuerhalten, welche entscheidend sind für die Maschinenleistung. Ein verbreiteter Typ von Dichtungssystemen umfasst ein drehendes (Dreh-)Element, z. B. eine Turbinenschaufel, welche in reibendem Verhältnis mit einer statischen, abreibbaren Dichtungsfläche ist. Das reibende Verhältnis erzeugt einen kleinen lichten Betriebsabstand zwischen der Turbinenschaufel und der Dichtungsfläche, um die Menge an Arbeitsgas zu begrenzen, welche an der Turbinenschaufel vorbei strömt. Ein zu großer lichter Abstand kann ermöglichen, dass unerwünscht große Mengen an Arbeitsgas zwischen der Turbinenschaufel und der Dichtungsfläche entkommen, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine verringert wird. Ähnliche Dichtungssysteme werden typischerweise als innere un äußere Gasturbinenmaschinen-Luftdichtungen sowohl im Verdichterbereich als auch im Turbinenbereich verwendet.
  • Um einen wünschenswerten kleinen lichten Betriebsabstand zu erhalten, hat das Drehelement, beispielsweise eine Turbinenschaufel, typischerweise eine Abreibespitze, welche in der Lage ist, die Dichtungsfläche, mit der sie gepaart ist, zu schneiden. Wenn eine Gasturbinenmaschine zusammengebaut wird, gibt es einen kleinen lichten Abstand zwischen dem Drehelement und der Dichtungsfläche. Während des Maschinenbetriebs wird das Drehelement länger aufgrund von Zentrifugalkräften und erhöhten Maschinentemperaturen und reibt gegen die Dichtungsfläche. Die Abreibespitze des Drehelements schneidet in die abreibbare Dichtungsfläche, um einen engen lichten Abstand zu bilden. Der beabsichtigte Kontakt zwischen der Abreibespitze und der Dichtungsfläche, kombiniert mit dem für Gasturbinenmaschinen typischen Wärme- und Druckzyklen, erzeugt beanspruchende Gegebenheiten mit hoher Abnutzung für sowohl die Dichtungsfläche als auch die Abreibespitze.
  • Um die Erosion der Dichtungsfläche und Absplittern zu begrenzen, wodurch ein gewünschter lichter Abstand zwischen dem Drehelement und der Dichtungsfläche aufrechterhalten wird, sind Dichtungsflächen typischerweise aus ziemlich harten, wenngleich abreibbaren Materialien gemacht. Beispielsweise sind Filz-Metall, plasmagesprühte Keramik auf einer metallischen Bindungsschicht, plasmagesprühte Nickellegierung, welche Bornitrid (BN) enthält oder ein wabenartiges Material verbreitete Dichtungsflächenmaterialien.
  • Wenn das Drehelement keine entsprechende Abreibespitze hat, verursacht die Dichtungsfläche, mit welcher es gepaart ist, beträchtliche Abnutzung an dem Drehelement. Zusätzlich zur Verschlechterung der Maschinenleistung ist dies unerwünscht, weil Drehelemente, insbesondere Turbinen- und Kompressorschaufeln, teuer zu reparieren oder zu ersetzen sein können. Deswegen sind die zur Bildung der Abreibespitzen verwendeten Materialien typischerweise härter als die Dichtungsflächen, mit welchen sie gepaart sind. Beispielsweise wurden Materialien wie Aluminiumoxid (Al2O3), einschließlich Zirconiumoxid(Zr2O3)-gehärtetes Aluminiumoxid; elektrisch abgeschiedenes kubisches BN (cBN); Wolframcarbid-Cobalt (WC-Co); Siliciumcarbid (SiC); Siliciumnitrid (Si3N4) einschließlich Siliciumnitrid-Körner, welche gemeinsam mit einer Metallmatrix gesprüht wurden; und plasmagesprühtes Zirconiumoxid, stabilisiert mit Yttriumoxid (Y2O3-ZrO2) in manchen Anwendungen für Abreibespitzen verwendet. Drei der weiter verbreiteten Abreibespitzen sind Spitzen-Kappen, gesprühte Abreibespitzen und elektrisch abgeschiedene cBN-Spitzen. Eine Spitzenkappe umfasst typischerweise ein Superlegierungs-”Boot”, welches mit abreibenden Körnern und einer Metallmatrix gefüllt ist. Die abreibenden Körner (bzw. das Streugut) kann Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid (SiAlON) und Mischungen aus diesen Materialien sein. Die Metallmatrix kann eine Ni-, Co- oder Fe-basierte Superlegierung sein, welche ein reaktives Metall, z. B. Y, Hf, Ti, Mo oder Mn enthält, sein. Das ”Boot” wird mit der Spitze eines Drehelements verbunden, z. B. einer Turbinenspitze, unter Verwendung von Verbindungstechniken mit vorübergehender flüssiger Phase. Spitzen-Kappen und die Verbindungstechnik mit vorübergehender flüssiger Phase sind in den von der gleichen Anmelderin gehaltenen US-Patenten 3 678 570 , an Paulonis et al. erteilt, 4 038 041 , an Duval et al. erteilt, 4 122 992 an Duval et al. erteilt, 4 152 488 , an Schilke et al. erteilt, 4 249 913 , an Johnson et al. erteilt, 4 735 656 , an Schaefer et al. erteilt und 4 802 828 , an Rutz et al. erteilt, beschrieben. Obwohl Spitzen-Kappen in vielen kommerziellen Anwendungen verwendet wurden, können sie teuer und kompliziert in der Installation auf die Schaufelspitzen sein.
  • Eine gesprühte Abreibespitze weist typischerweise Aluminiumoxid-beschichtete Abreibe-Körner aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, umgeben von einer Metallmatrix auf, welche abgeschleift wird, um die Körner freizulegen. Solche Spitzen sind beschrieben in den von der gleichen Anmelderin gehaltenen US-Patenten 4 610 698 , an Eaton erteilt, 4 152 488 , an Schilke et al. erteilt, 4 249 913 , an Johnson et al. erteilt, 4 680 199 , an Vontell et al. erteilt, 4 468 242 , an Pike erteilt, 4 741 973 , an Condit et al. erteilt und 4 744 725 , an Matarese et al. erteilt, beschrieben. Gesprühte Abreibespitzen werden oft zusammen gepaart mit plasmagesprühten Keramik- oder metallisch beschichteten Dichtungen. Obwohl gesprühte Abreibespitzen in vielen Maschinen erfolgreich verwendet wurden, können sie in der Herstellung schwierig sein und neue Maschinenausrüstungen können einige Schwankungen in der Verteilung von Abreibe-Körnern von Spitze zu Spitze zeigen. Außerdem kann die Haltbarkeit von gesprühten Abreibespitzen für manche in Erwägung gezogene künftige Verwendungen nicht ausreichend sein.
  • Eine elektrisch abgeschiedene cBN-Abreibeschaufelspitze weist typischerweise eine Mehrzahl von cBN-Körnern, umgeben von einer elektrisch abgeschiedenen Metallmatrix auf. Die Matrix kann Nickel, MCrAlY, wobei M Fe, Ni, Co oder eine Mischung aus Ni und Co ist, oder ein anderes Metall oder eine andere Legierung sein. Kubische Bornitridspitzen sind exzellente Messer, weil cBN härter ist als alle anderen Körnermaterialien außer Diamanten. Elektrisch abgeschiedene cBN-Spitzen sind gut geeignet für Kompressoranwendungen aufgrund der relativ niedrigen Umgebungstemperatur (d. h. weniger als ca. 1500°F (815°C). Ähnliche Spitzen können jedoch eine begrenzte Lebensdauer in Turbinenanwendungen haben, weil die höheren Temperaturen im Turbinenbereich bewirken können, dass die cBN-Körner und vielleicht sogar die Metallmatrix oxidieren bzw. oxidiert. Obwohl elektrisch abgeschiedene cBN-Spitzen typischerweise kostengünstiger in der Produktion sind als gesprühte Abreibespitzen, kann die Technologie zu ihrer Herstellung bei der Implementierung problematisch und teuer sein.
  • Daher benötigt die Industrie eine Abreibespitze für Gasturbinenmaschinen-Dichtungssysteme, welche hoch abreibend ist, haltbarer und in der Produktion günstiger als die gegenwärtig erhältlichen ist.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abreibespitze für Gasturbinenmaschinen-Dichtungssysteme, welche hoch abreibend, haltbarer und in der Produktion günstiger als die gegenwärtig erhältlichen ist und bietet generell gesagt ein Dichtungssystem bzw. ein Drehelement für ein Dichtungssystem, bei welchem das Drehelement eine Abreibespitze aufweist, bei welcher die Abreibespitze eine Zirconoxid-Abreibeschicht mit säulenartiger Struktur aufweist, wobei die Zirconoxid-Abreibeschicht Zirconoxid und ca. 11 Gew.-% bis ca. 13 Gew.-% Yttriumoxid aufweist.
  • Die Erfindung bietet ein Gasturbinenmaschinen-Dichtungssystem mit einem Drehelement mit Abreibespitze in reibendem Verhältnis mit einer stationären abreibbaren Dichtungsfläche. Die Abreibespitze, welche härter ist als die abreibbare Dichtungsfläche, damit die Abreibespitze die abreibbare Dichtungsfläche schneiden kann, weist eine Zirconoxid-Abreibeschicht auf, welche direkt auf eine im wesentlichen Körner-freie Oberfläche auf dem Drehelement aufgebracht werden kann. Die Zirconiumoxid-Abreibeschicht hat eine säulenartige Struktur und weist Zirconoxid und ca. 11 Gew.-% bis ca. 13 Gew.-% Yttriumoxid auf.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Abreibespitze eine metallische Bindungsschicht auf, welche auf eine im wesentlichen Körner-freie Oberfläche des Drehelements aufgebracht ist, eine Aluminiumoxidschicht, welche auf der metallischen Bindungsschicht aufgebracht ist, und eine Zirconiumoxid-Abreibeschicht mit säulenartiger Struktur, welche auf der Aluminiumoxidschicht angeordnet ist. Die Zirconoxid-Abreibeschicht weist Zirconoxid und ca. 11 Gew.-% bis ca. 13 Gew.-% Yttriumoxid auf.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Gasturbinenmaschinenschaufel bzw. eine Messerschneide mit der Abreibespitze ausgestattet.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
  • 1 ist eine Perspektivschnittansicht einer Gasturbinenmaschine.
  • 2 ist eine Schnittansicht von äußeren und inneren Kompressordichtungen der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine Perspektivansicht einer Turbinenschaufel mit einer Abreibespitze der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist eine vergrößerte Ansicht der säulenartigen Struktur der Abreibespitze der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt eine typische Gasturbinenmaschine 2, welche einen Kompressorbereich 4 und einen Turbinenbereich 6 umfasst. Der Kompressorbereich 4 umfasst einen Kompressorrotor 8, angeordnet in einem Kompressorgehäuse 10. Eine Mehrzahl von Kompressorschaufeln 12, eine der Drehelemente in der Maschine, sind auf dem Rotor 8 montiert, und eine Mehrzahl von Kompressorstatoren 14 sind zwischen den Schaufeln 12 angeordnet. in ähnlicher Weise umfasst der Turbinenbereich 6 einen Turbinenrotor 16, welcher in einem Turbinengehäuse 18 angeordnet ist. Eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 20, ein weiteres der Drehelemente in der Maschine, sind auf dem Rotor 16 montiert, und eine Mehrzahl von Turbinenleitschaufeln 22 sind zwischen den Laufschaufeln 20 angeordnet.
  • 2 zeigt eine äußere Kompressorbereich- 4 Luftdichtung 24 und innere Luftdichtung 26. Jede äußere Luftdichtung 24 umfasst eine Abreibespitze 28, angeordnet am Ende einer Kompressorlaufschaufel 12, in reibendem Verhältnis mit einer abreibbaren äußeren Dichtungsfläche 30. Für Zwecke dieser Anmeldung sind zwei Komponenten in reibendem Verhältnis, wenn der lichte Abstand zwischen ihnen direkten Kontakt zwischen den Komponenten zu zumindest einem Zeitpunkt ermöglicht, wenn die Maschine nach dem Zusammenbau betrieben wird. Jede innere Luftdichtung 26 umfasst eine Abreibespitze 32, welche am Ende einer Kompressormesserschneide 34 in reibendem Verhältnis mit einer abreibbaren inneren Dichtungsfläche 36 angeordnet ist, die wiederum auf einem Kompressorstator 14 angeordnet ist. Der Fachmann wird bemerken, dass ähnliche äußere und innere Luftdichtungen wie die oben beschriebenen im Turbinenbereich 6 und anderen Maschinenbereichen außer dem Kompressorbereich 4 verwendet werden können.
  • 3 zeigt eine Turbinenlaufschaufel 20, welche die vorliegende Erfindung verwendet, mit einer Abreibespitze 28, welche eine metallische Bindungsschicht 38 aufweist, die auf dem Ende 40 der Turbinenlaufschaufel 20 angeordnet ist, eine Aluminiumoxid(AlzO3)-Schicht 42 auf der Bindungsschicht 38 und eine Zirconoxid(ZrO2)-Abreibeschicht 44, welche auf der Aluminiumoxidschicht 42 angeordnet ist. Eine Abreibespitze gemäß der vorliegenden Erfindung kann direkt auf einem Drehelement wie gezeigt angeordnet sein oder kann über einer Unterbeschichtung angeordnet sein oder in die Oberfläche des Drehelements diffundiert werden. Beispielsweise kann die Abreibespitze über einer Diffusionsaluminidschicht angeordnet sein, welche in die Oberfläche des Drehelements diffundiert ist. Die Abreibeschicht sollte jedoch vorzugsweise auf eine Oberfläche aufgebracht werden, welche im wesentlichen frei von Abreibe-Körnern ist, um ein Verdoppeln der Abreibefunktion der Körner zu vermeiden und der Komponente zusätzliche Kosten hinzuzufügen. Die Abreibeschicht 32 auf einer Messerschneide 34 kann in ähnlicher Weise konfiguriert werden. In beiden Fällen (d. h. Turbinen- bzw. Kompressor-Laufschaufel 20, 12, Kompressormesserschneide 34 bzw. Turbinenmesserschneide (nicht gezeigt)) weist das Drehelement, auf welches die Abreibespitze 28, 32 aufgebracht wird, typischerweise eine Mittel-basierte oder Cobalt-basierte Superlegierung oder eine Titanlegierung auf.
  • Obwohl 3 eine Abreibespitze 28 zeigt, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die eine metallische Bindungsschicht 38 umfasst, ist die Bindungsschicht optional und kann weggelassen werden, falls die Zirconoxid-Abreibeschicht 44 gut an dem Drehelement ohne eine Bindungsschicht 38 haftet, auf welches sie aufgetragen wurde. Falls keine Bindungsschicht verwendet wird, kann es wünschenswert sein, das Drehelement aus einer Legierung zu machen, die in der Lage ist, eine adhärente Aluminiumoxidschicht, vergleichbar mit der Aluminiumoxidschicht 42, zu bilden. Eine solche Legierung hat eine nominale Zusammensetzung von 5,0 Cr, 10 Co, 1,0 Mo, 5,9 W, 3,0 Re, 8,4 Ta, 5,65 Al, 0,25 Hf, 0,013 Y, Rest Ni. In den meisten Anwendungen ist eine Bindungsschicht 38 bevorzugt, um gute Haftung zwischen der Abreibespitze 28, 32 und dem Drehelement zu bieten und um eine gute Oberfläche zum Bilden der Aluminiumoxidschicht 42 und Auftragen der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 zu bilden. Eine geeignete Wahl einer Bindungsschicht 38 begrenzt oder verhindert sowohl Absplittern der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 von der Bindungsschicht 38 bzw. Absplittern der gesamten Abreibespitze 28, 32 während des Maschinenbetriebs. Absplittern der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 bzw. der gesamten Abreibespitze 28, 32 während des Betriebs kann die Haltbarkeit des Drehelements verringern und die Maschinenleitung verschlechtern, weil der lichte Abstand beim Betrieb zwischen dem Drehelement und der abreibbaren Dichtungsfläche vergrößert wird.
  • Die verwendete metallische Bindungsschicht 38 kann jedes in der Technik bekannte metallische Material sein, welches eine haltbare Bindung zwischen einem Gasturbinenmaschinen-Drehelement und einer Zirconoxid-Abreibeschicht bilden kann. Solche Materialien umfassen typischerweise ausreichend Aluminium, um eine adhärente Schicht aus Aluminiumoxid zu bilden, welche eine gute Bindung mit der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 ermöglicht. Beispielsweise kann die metallische Bindungsschicht 38 ein Diffusionsaluminid aufweisen, einschließlich eines Aluminids, welches eines oder mehrere Edelmetall aufweist; eine Legierung aus Nickel und Aluminium aufweist; oder ein MCrAlY aufweist, wobei das M für Fe, Ni, Co oder eine Mischung aus Ni und Co steht. Wie bei dieser Anwendung verwendet, umfasst der Begriff MCrAlY ebenfalls Zusammensetzungen, welche zusätzliche Elemente oder Kombinationen von Elementen, z. B. Si, Hf, Ta, Re oder Edelmetalle umfassen, wie in der Technik bekannt. Das MCrAlY kann auch eine Schicht Diffusionsaluminid umfassen, insbesondere ein Aluminid, welches ein oder mehrere Edelmetalle umfasst. Vorzugsweise kann die metallische Bindungsschicht 38 ein MCrAlY der nominalen Zusammensetzung Ni, 22 Co, 17 Cr, 12,5 Al, 0,25 Hf, 0,4 Si, 0,6 Y umfassen. Diese Zusammenfassung ist ferner beschrieben in den von der gleichen Anmelderin gehaltenen US-Patenten 4 585 481 und Re 32 121, beide an Gupta et al. erteilt, auf welche, falls angemessen, weiter Bezug genommen werden kann.
  • Die metallische Bindungsschicht 38 kann durch jedes in der Technik bekannte Verfahren zum Aufbringen solcher Materialien aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Bindungsschicht 38 aufgebracht werden durch Niederdruck-Plasmaspray (low pressure Plasma spray, LPPS), Luft-Plasmaspray (air Plasma spray, APS), physische Elektronenstrahl-Dampfablagerung (electron beam physical vapor deposition (EB-PVF), elektrisches Abscheiden, Kathodenbogen, oder irgendein anderes Verfahren. Die metallische Verbindungsschicht 38 sollte auf das Drehelement bis zu einer Dicke aufgetragen werden, welche ausreichend ist, eine starke Bindung zwischen dem Drehelement und der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 zu bieten und zu verhindern, dass Griffel, welche sich in der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 entwickeln, sich in das Drehelement fortpflanzen. Für die meisten Anwendungen kann die metallische Bindungsschicht 38 ca. 25 μm (1 mil) bis ca. 250 μm (10 mil) dick sein. Vorzugsweise ist die Bindungsschicht 38 ca. 25 μm (1 mil) bis ca. 75 μm (3 mil) dick. Nach Aufbringen der metallischen Bindungsschicht 38 kann es wünschenswert sein, die Bindungsschicht 38 zu bearbeiten bzw. abzustrahlen, um Porositäten oder Leader zu schließen, welche sich während des Aufbringens entwickelt haben könnten, oder andere mechanische oder polierende Arbeitsvorgänge durchzuführen, um die Bindungsschicht zur Aufnahme der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 zu präparieren.
  • Die Aluminiumoxidschicht 42, manchmal als Wärmewachstumoxid bezeichnet, kann auf der metallischen Bindungsschicht 38 oder dem Drehelement durch jedes Verfahren gebildet werden, welches eine gleichmäßige, adhärente Schicht erzeugt. Wie mit der metallischen Bindungsschicht 38 ist die Aluminiumschicht 42 optional. Vorzugsweise weist die Abreibespitze 28 jedoch eine Aluminiumoxidschicht 42 auf. Beispielsweise kann die Schicht 42 durch Oxidation von Al entweder bei der metallischen Bindungsschicht 38 oder dem Drehelement bei erhöhten Temperaturen vor dem Aufbringen der Zirconoxid-Abreibeschicht gebildet werden. Alternativ kann die Aluminiumoxidschicht 42 durch chemische Dampfablagerung oder andere geeignete Ablagerungsverfahren, die in der Technik bekannt sind, aufgebracht werden. Die Dicke der Aluminiumoxidschicht 42, falls vorhanden, kann abhängig von ihrer Dichte und Homogenität variieren. Vorzugsweise ist die Aluminiumoxidschicht 42 ca. 0,1 μm (0,004 mil) bis Ca. 10 μm (0,4 mil) dick.
  • Die Zirconoxid-Abreibeschicht 44 weist eine Mischung aus Zirconoxid und Yttriumoxid (Y2O3) auf. Die Zirconoxid-Abreibeschicht 44 sollte ausreichend Stabilisator aufweisen, um einen unerwünschten Zirconoxid-Phasenwechsel (d. h. einen Wechsel von einer bevorzugten tetragonalen oder kubischen Kristallstruktur zu einer weniger bevorzugten monoklinen Kristallstruktur) im Bereich der zu erwartenden Betriebstemperaturen in einer jeweils vorhandenen Gasturbinenmaschine zu verhindern. Die Zirconoxid-Abreibeschicht 44 weist ca. 11 Gew.-% bis 13 Gew.-% Yttriumoxid auf.
  • Wie 4 zeigt, sollte die Zirconoxid-Abreibeschicht 44 eine Mehrzahl von homogen in der gesamten Abreibeschicht verteilten säulenartigen Segmenten haben, so dass ein Querschnitt der Abreibeschicht senkrecht zur Oberfläche, auf welche die Abreibeschicht aufgebracht wird, eine säulenartige Mikrostruktur aufzeigt, welche typisch für Beschichtungen, welche durch physische Dampfablagerung aufgebracht wurden. Die säulenartige Struktur sollte eine Länge haben, welche sich von der vollen Dicke der Zirconoxid-Abreibeschicht 44 erstreckt. Solche Beschichtungen sind beschrieben in den von der gleichen Anmelderin gehaltenen US-Patenten 4 321 320 , an Ulion et al. erteilt, 4 321 311 , an Strangman erteilt, 4 401 697 , an Strangman erteilt, 4 405 659 , an Strangman erteilt, 4 405 660 , an Strangman erteilt, 4 414 249 , an Ulion et al. erteilt, und 5 262 245 , an Ulion et al. erteilt, auf welche, falls angemessen, weiter Bezug genommen wird. In manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, im wesentlichen die gleiche Schicht welche für die Abreibespitze 38 verwendet wird, als thermische Barriereschicht auf einer Strömungsprofiloberfläche 46 bzw. Plattform 48 der Laufschaufel 20 aufzubringen, so dass entweder eine oder beide von Strömungsprofiloberfläche 46 und Plattform 48 zumindest teilweise beschichtet sind.
  • Die Zirconoxid-Abreibeschicht 44 kann aufgebracht werden durch EB-PVD oder jegliche andere physische Dampfablagerungstechnik, welche bekannt ist zur Ablagerung von säulenartigen Beschichtungsstrukturen. Vorzugsweise wird die Abreibeschicht 44 durch EB-PVD aufgrund der Erhältlichkeit von EB-PVD-Ausrüstung und qualifiziertem Personal aufgebracht. Wie oben diskutiert, kann die Abreibeschicht 44 auf eine metallische Bindungsschicht 38 oder direkt auf ein Drehelement aufgebracht werden, in beiden Fällen vorzugsweise in Zusammenhang mit einer Aluminiumoxidschicht 42. in jedem Fall sollte die Abreibeschicht 44 mit einer Dicke aufgetragen werden, welche ausreichend ist, um eine starke Verbindung mit der Oberfläche, auf welche sie aufgetragen wird, zu bieten. Für die meisten Anwendungen kann die Abreibeschicht 44 ca. 125 μm (5 mil) bis ca. 1250 μm (50 mil) dick sein. Vorzugsweise ist die Abreibeschicht 44 ca. 125 μm (5 mil) bis ca. 625 μm (25 mil) dick. Eine relativ dicke Abreibeschicht 44 kann wünschenswert sein, um ein Zusammenbau-Abschleifen des Kompressorrotors oder Turbinenrotors, auf welchem sie installiert ist, zu ermöglichen, wenn sie auf Turbinen- oder Kompressor-Laufschaufeln aufgebracht wird. Zusammenbau-Abschleifen entfernt einen Teil der Abreibeschicht 44 von den Laufschaufelspitzen, um geringfügige Änderungen der Beschichtungsdicke auszugleichen, welche sich entwickeln aufgrund von Toleranzen beim Aufbringverfahren. Das Anfangen mit einer relativ dicken Abreibeschicht 44 ermöglicht es dem Zusammenbau-Abschleifverfahren, einen im wesentlichen runden Rotor zu erzeugen, wobei gleichzeitig eine fertige Abreibeschicht 44 erhalten wird, welche dick genug ist, eine Dichtungsfläche effektiv zu schneiden.
  • Die abreibbaren Dichtungsflächen 30, 36, welche zusammen mit den Abreibespitzen 28, 32 verwendet werden, können jegliche in der Technik bekannten Materialien aufweisen, welche gute Kompatibilität mit der Gasturbinenmaschinen-Betriebsumgebung haben und durch die Abreibeschicht 44 geschnitten werden können. Für Hochdruck-Turbinenanwendungen weist das bevorzugte abreibbare Dichtungsmaterial eine metallische Bindungsschicht (nominal 5,0 Cr, 10 Co, 1,0 Mo, 5,9 W, 3,0 Re, 8,4 Ta, 5,65 Al, 0,25 Hf, 0,013 Y, Rest Ni) und eine poröse Keramikschicht (nominal Zirconoxid, stabilisiert mit ca. 7 Gew.-% Yttriumoxid) auf. Die Bindungsschicht kann entweder durch Plasmaspray oder Hochgeschwindigkeit-Oxid-Brennstoffablagerung (high velocity oxy-fuel deposition) aufgebracht werden. Die Keramikschicht kann aufgebracht werden durch Plasmasprühen einer Mischung Von ca. 88 Gew.-% bis ca. 99 Gew.-% Keramikpulver und ca. 1 Gew.-% bis ca. 12 Gew.-% aromatisches Polyesterharz. Das Polyesterharz wird später aus der Keramikschicht ausgebrannt, um eine poröse Struktur zu erzeugen. Für Hochdruck-Kompressoranwendungen weist das bevorzugte abreibbare Dichtungsmaterial eine Nickel-basierte Superlegierung-Bindungsschicht und eine Kombination aus Nickel-basierter Superlegierung (nominal 9 Cr, 9 W, 6,8 Al, 3,25 Ta, 0,02 C, Rest Nickel und geringe Elemente zur Verbesserung der Oxidationsfestigkeit) und Bornitrid als obere Schicht auf. Die Bindungsschicht kann durch Plasmasprühen eines Pulvers gebildet werden, welches durch ein Verfahren mit rascher Verfestigungsrate gebildet ist. Die obere Schicht kann gebildet werden durch Plasmasprühen einer Mischung des Bindungsschichtpulvers und Bornitridpulver. Weitere mögliche abreibbare Dichtungsmaterialien weiser ein durch abgestuftes Plasmasprühen aufgebrachtes Keramikmaterial auf, welches aufeinander folgende Schichten einer metallischen Bindungsschicht (nominal Ni, 6 Al, 18,5 Cr) einer abgestuften metallischen/keramischen Schicht (nominal Co, 23 Cr, 13 Al, 0,65 Y/Aluminiumoxid), einer abgestuften dichten Keramikschicht (nominal Aluminiumoxid/Zirconoxid, stabilisiert mit ca. 24 Gew.-% Yttriumoxid) und einer porösen Keramikschicht (nominal Zirconoxid, stabilisiert mit ca. 7 Gew.-% Yttriumoxid) aufweist. Weitere mögliche Dichtungsflächenmaterialien umfassen Filz-Metall und ein wabenartiges Material. Geeignete Dichtungsflächenmaterialien sind in den von der gleichen Anmelderin gehaltenen US-Patenten 4 481 237 , an Bosshart et al. erteilt, 4 503 130 , an Bosshart et al. erteilt, 4 585 481 , an Gupta et al. erteilt, 4 588 607 , an Matarese et al. erteilt, 4 936 745 , an Vine et al. erteilt, 5 536 022 , an Sileo et al. erteilt, und Re 32 121 an Gupta et al. erteilt, auf welche falls notwendig weiter Bezug genommen wird.
  • Abreibespitzen mit säulenartigem Zirconoxid haben verschiedene Vorteile gegenüber Spitzen aus cBN. Beispielsweise sind sie nicht für Oxidationsprobleme anfällig. Auch können Abreibespitzen mit säulenartigem Zirconoxid Herstellungsverfahren vereinfachen, wenn sie mit EB-PVD-Wärmebarrierenbeschichtungen auf dem Strömungsprofil und der Plattform einer Laufschaufel verwendet werden. Das kann gleichzeitig gemacht werden, und die Festigkeit von sowohl der Schichtung und Spitze im Bereich der Spitze verbessern, verglichen mit ähnlichen Daten von anderen Anordnungen für Abreibespitzen.
  • Diese Erfindung ist nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in dieser Beschreibung gezeigt wurden. Verschiedene Änderungen und Modifikationen können gemacht werden, ohne den Bereich der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
  • Die vorliegende Erfindung kann in Gasturbinenmaschinenanwendungen mit hoher Abnutzung verwendet werden, welche das Aufrechterhalten von engen lichten Abständen zwischen rotierenden und statischen Elementen erfordern. Beispielsweise ist diese Erfindung besonders geeignet für die Verwendung mit einer Turbinen- oder Kompressorlaufschaufel-Abreibespitze oder Turbinen- oder Kompressor-Messerschneide. Die Abreibelaufschaufelspitze oder -Messerschneide wird gemeinsam mit einer geeigneten abreibbaren Dichtungsfläche verwendet, um eine äußere bzw. innere Luftdichtung zu bilden.

Claims (13)

  1. Gasturbinenmaschinen-Dichtungssystem, aufweisend ein Drehelement (20; 34) mit einer Abreibespitze, welche in reibendem Verhältnis zu einer feststehenden abreibbaren Dichtungsfläche (30; 36) angeordnet ist, wobei die Abreibespitze (28; 32) ein härteres Material als die abreibbare Dichtungsfläche (30; 36) aufweist, so dass die Abreibespitze die abreibbare Dichtungsfläche (30; 36) schneiden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Abreibespitze (28; 32) eine Zirconoxid-Abreibeschicht (44) mit einer säulenartigen Struktur aufweist, wobei die Zirconoxid-Abreibeschicht Zirconoxid und etwa 11 Gew.-% bis etwa 13 Gew.-% Yttriumoxid aufweist.
  2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, wobei die Abreibespitze (28; 32) auf eine im wesentlichen Abrieb-freie Oberfläche des Drehelements aufgebracht ist.
  3. Dichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abreibespitze (28) außerdem eine Aluminiumoxidschicht (42) aufweist, welche zwischen der Zirconoxid-Abreibeschicht (44) und dem Drehelement (20; 34) angeordnet ist.
  4. Dichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine metallische Bindungsschicht (38) zwischen der Zirconoxid-Abreibeschicht (44) und dem Drehelement (20; 34) angeordnet ist.
  5. Dichtungssystem nach Anspruch 3, wobei eine metallische Bindungsschicht (38) auf das Drehelement (20; 34) aufgebracht ist und die Aluminiumoxidschicht (42) auf der metallischen Bindungsschicht (38) angeordnet ist.
  6. Dichtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die metallische Bindungsschicht (38) ein Diffusionsaluminid, eine Legierung aus Ni und Al oder MCrAlY aufweist, wobei M für Ni, Co, Fe oder eine Mischung aus Ni und Co steht.
  7. Dichtungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Drehelement eine Schaufel (12; 20) ist.
  8. Dichtungssystem nach Anspruch 7, wobei das Drehelement eine Turbinenschaufel (20) ist.
  9. Dichtungssystem nach Anspruch 8, wobei die Turbinenschaufel (20) einen Strömungsprofilbereich und einen Plattformbereich hat und der Strömungsprofilbereich oder der Plattformbereich oder beide mindestens teilweise mit einer säulenartigen Wärmebarrierenbeschichtung mit im wesentlichen der gleichen Zusammensetzung wie die Abreibespitze (28) beschichtet sind.
  10. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Drehelement eine Messerschneide ist.
  11. Dichtungssystem nach Anspruch 10, wobei das Drehelement eine Turbinenrotor-Messerschneide ist, welche auf einem Turbinenrotor zum Zusammenwirken mit einer abreibbaren Dichtungsfläche angeordnet ist, welche auf einer Turbinenleitschaufel angeordnet ist, um eine innere Luftdichtung zu bilden.
  12. Dichtungssystem nach Anspruch 7, wobei das Drehelement eine Verdichterschaufel (12) ist.
  13. Dichtungssystem nach Anspruch 10, wobei das Drehelement eine Verdichterrotor-Messerschneide ist, welche auf einem Verdichterrotor zum Zusammenwirken mit einer abreibbaren Dichtungsfläche angeordnet ist, die auf einem Verdichterstator angeordnet ist, um eine innere Luftdichtung zu bilden.
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