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Die Erfindung betrifft abreibbare
Materialien, die insbesondere, aber nicht ausschließlich zur
Verwendung als Teil eines Labyrinth-Dichtungssystems, insbesondere
von Labyrinth-Dichtungssystemen des Typs, die allgemein als Schneidendichtungen
bezeichnet werden, geeignet sind.
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Schneidendichtungen werden in weitem
Umfang in Gasturbinenmaschinen und für andere Anwendungen verwendet.
Eine gängige
Form derartiger Dichtungen weist eine Mehrzahl erhabener Bereiche
auf einer sich drehenden Welle auf, wobei die erhabenen Bereiche
im Vergleich zu ihrer Höhe über der
Wellenoberfläche
relativ dünn
sind. Diese erhabenen "Schneiden-" Bereiche Wechselwirken
mit einem abreibbaren Material. Beim Betrieb der Maschine schneiden
die Schneiden Kerben in das abreibbare Material, wodurch sie eine
Dichtwirkung schaffen. Im Betrieb schafft die Kombination der erhabenen Schneiden
und der in das abreibbare Material geschnittenen Kerben eine Dichtung
vom Labyrinth-Typ und verhindert die Strömung von Luft oder anderen Fluiden.
Derartige Dichtungen sind beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4
257 735 gezeigt.
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Bei manchen Gasturbinenmaschinen-Anwendungen
besteht ein Bedarf an einem Schneidendichtungs-abreibbaren Material,
das in Anwesenheit von Öl
und Öldämpfen bei
Temperaturen bis etwa 500°C
oder 600°C
arbeiten kann. Bei derartigen Anwendungen muss die Wechselwirkung
zwischen der Schneide und dem abreibbaren Material nicht-funkensprühend sein,
um eine Öldampf-Entzündung zu verhindern. Öl unterliegt
in der Anwesenheit mancher Metalle einer beschleunigten Zersetzung
und Coke-Bildung. Das abreibbare Material darf keine Ölzersetzung
bewirken.
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Das Dichtungsmaterial muss auch die
geeigneten Härte-
und Reibungseigenschaften zur passenden Wechselwirkung mit den Schneiden
haben.
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Diese Kombination der Eigenschaften,
nicht funkensprühend
zu sein, nicht-ölzersetzend
zu sein und über
die geeignete Reibungseigenschaft zu verfügen, wurde bisher in keinem
abreibbaren Material, das für
den Hochtemperatur-Betrieb
geeignet ist, erreicht.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung,
ein abreibbares Dichtungsmaterial bereitzustellen, das in Anwesenheit
synthetischer Öle
bei Temperaturen von bis zu etwa 500°C oder 600°C ohne Funkensprühen, ohne Ölzersetzung
und mit den geeigneten Reibungs- und Abriebeigenschaften verwendet
werden kann, um eine gute Dichtung zu schaffen, beispielsweise wenn
es durch eine Schneide aus Superlegierung abgerieben wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein abreibbares Material bereitgestellt, das zur Verwendung
bei Temperaturen von bis zu etwa 500°C und für Reibungs-Wechselwirkungen
mit Superlegierungen geeignet ist, aufweisend:
- a)
eine Kupfer-Mischkristall-Matrix in einer Volumenmenge von 35 bis
50% des abreibbaren Materials, mit Mischkristallverfestigungs-Zusätzen, die
aus der Gruppe von Ni, Ag, Zr, Mn und Zn ausgewählt sind, und gewünschtenfalls
bis zu 1 Vol.-% einer zweiten Verfestigungsphase;
- b) eine Dispersion nicht-metallischer fester Gleitmittel-Teilchen
in der Matrix in einer Volumenmenge von 25 bis 55%;
- c) Rest Porosität
und Matrixmaterialoxide.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein plasmagespritztes Material
bereit, das eine feste, nicht-metallische Teilchen, die eine geringe
Härte haben
und bevorzugt einen gewissen Grad an Gleitfähigkeit besitzen, enthaltende
Matrix aus Kupferlegierung aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Matrix aus Kupferlegierung eine etwa 72 Gew.-% Kupfer,
28 Gew.-% Nickel enthaltende Legierung auf, die in Kombination mit
etwa 35 Gew.-% Bornitrid plasmagespritzt wird, um eine Beschichtung
zu erzeugen, die etwa 40 Vol.-% CuNi, etwa 35 Vol.-% BN, Rest Porosität und Oxide
von CuNi aufweist.
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In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Dichtungsmaterial ein Material auf Kupferbasis, bevorzugt
ein CuNi-Material, das durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebracht
wurde, minimale Porosität
hat und Bornitrid, Porosität
und Oxide des Matrixmaterials enthält.
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Das Material auf Kupferbasis bildet
eine durchgehende Matrix, die die Bornitrid-Teilchen, die Porosität und die
Matrixoxide umgibt. Eine breite Definition des Matrixmaterials ist,
dass es ein Mischkristallmaterial auf Kupferbasis ist, das bis zu
1 Vol.-% einer zweiten Verfestigungsphase enthalten kann. Die Matrix
kann 20 bis 45 Gew.-% Ni aufweisen. Die bevorzugte Zusammensetzung
für das
Kupfermaterial ist von 65 bis 95 Gew.-% Kupfer, Rest Nickel. Die Technik
des Legierens von Kupfer ist gut entwickelt, und es ist wohl bekannt,
dass Kupfer für
verschiedene Zwecke kleinere Zusätze
zugegeben werden können,
insbesondere sind kleine Mengen an Kupferoxid und/oder Zirconium
dafür bekannt,
die Beständigkeit von
Kupfer gegen Rekristallisation und gegen Erweichen zu erhöhen. Mischkristallverfestigung
ist mit Zusätzen
von Ni, Ag, Zr, Mn und Zn möglich.
Das Legieren muss das Problem der Ölzersetzung berücksichtigen.
Wir haben Ölzersetzung
beobachtet, wenn eine Aluminium enthaltende Kupferlegierung als
eine abreibbare Dichtung verwendet wurde.
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Fachleuten auf dem Gebiet der Kupferlegierungen
wird bewusst sein, dass der Zusatz von legierenden Elementen im
Allgemeinen die Härte
des Kupfers erhöht.
Die Abreibbarkeit des Dichtungsmaterials wird durch die Härte des
Kupfers beeinflusst. Härtere
Kupferlegierungen können
während
aggressiver Dichtungswechselwirkungen ein übermäßiges Erhitzen in den Schneidendichtungen
hervorrufen. Dies kann in einem gewissen Ausmaß durch Verwendung größerer Volumenanteile
der Bornitrid-Phase und/oder der Porosität gemildert werden. Das feste Gleitmittel
macht bevorzugt etwa 35 bis 45 Vol.-% des abreibbaren Materials
aus.
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Dieses Matrixmaterial enthält bevorzugt
von etwa 35 bis 50% Kupfermatrix, 25 bis 55% BN, Rest Porosität und Oxide
der Matrix. Bornitrid, das in seiner hexagonalen Kristallform verwendet
wird, wirkt teilweise als ob es Porosität wäre, wodurch es die Reibungsoberflächenfläche in Kontakt
mit den Schneiden verringert. Es hat auch eine schmierende Wirkung
und verringert die Reibung und den Hitzeaufbau während der Wechselwirkung. Das
BN oder ein Teil davon kann durch alternative feste Gleitmittel, die
ausgewählt
sind aus der Gruppe, die besteht aus LiF, NaF, CaF, BaF, WS2, MoS2, Teflon® und
Grafit, ersetzt werden. Bei Verwendung von anderen Materialien als
Cu-Ni und BN muss die Ölverträglichkeit
geprüft
werden.
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Zusätzlich können bis 5 Vol.-% Oxide des Matrixmaterials
anwesend sein.
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Das Dichtungsmaterial ist in erster
Linie zur Verwendung bei einer Anwendung, die die Nähe zu Schmieröl und Lagern
beinhaltet, gedacht. Die Dichtung ist für diese Anwendung geeignet,
da die Abriebteilchen, die durch Betriebsabrieb erzeugt werden, relativ
weich und für
Lager und andere geschmierte Bauteile nicht schädigend sind.
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Bei Schneidendichtungssystemen des Stands
der Technik ist es üblich,
zur Unterstützung des
Abriebs eine Schleifmittelbeschichtung auf die Schneiden aufzubringen.
Wir verwenden keine solche Schleifmittelbeschichtung, weil das Schleifmittelmaterial,
wenn es abgerieben wird, für
Lager und andere geschmierte Bauteile schädigend wäre.
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Wir haben eine dünne (1 bis 5 μm) harte
Beschichtung aus Titannitrid (TiN) auf den Schneiden ohne irgendeinen
nachweisbaren Abriebschaden verwendet. Die Verwendung von TiN-Beschichtungen
auf den Schneiden ist optional.
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Wir haben abreibbare Dichtungsmaterialien unter
Verwendung eines Plasmaspritzverfahrens hergestellt, aber wir glauben,
dass andere thermische Spritzverfahren wie HVOF-Verfahren und Verfahren
mit D-Spritzgerät
verwendet werden könnten, um äquivalente
Dichtungsstrukturen zu erzeugen. Es ist auch möglich, pulvermetallurgische
Techniken wie Verdichtung, Extrusion und heiß-isostatisches Pressen zu
verwenden, um aus Gemischen von Kupferlegierungs-Pulver und Bornitrid-Pulver
Materialien zu machen, die mit Schneidendichtungen als abreibbare Materialien
verwendet werden könnten.
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In unserer Arbeit mit der Plasmaspritzherstellung
von Schneiden-abreibbaren Dichtungsmaterialien gemäß der vorliegenden
Erfindung haben wir ein Plasmaspritzgerät Metco-Sulzer SM F2 verwendet,
was ein zur Abscheidung von Plasmaspritzbeschichtungen in begrenzten
Bereichen geeignetes Miniatur-Plasmaspritzgerät ist. Wir
haben dieses Miniaturgerät
verwendet, um Plasmaspritzbeschichtungen auf das Innere einiger
Teile, deren Innendurchmesser etwa 4 Inch (0,1 m) betrug, aufzubringen.
Wir glauben jedoch, dass zur Herstellung des abreibbaren Dichtungsmaterials
dieser Erfindung andere Arten von Plasmaspritzgeräten, mit
geeigneten Anpassungen der Betriebsparameter, von einem Fachmann
verwendet werden könnten.
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Dichten des abreibbaren Materials
von bis zu etwa 5,5 g/cm3 sind möglich, aber
Dichten über
etwa 4,5 erfordern im Allgemeinen eine sehr dicke haltbare Schneide
und/oder eine Schleifmittelbeschichtung auf der Schneide. Dichten
von weniger als etwa 3,5 g/cm3 sind nicht
haltbar. Wir bevorzugen eine Dichte von zwischen etwa 3,7 und 4,5
g/cm3, und am meisten bevorzugen wir einen
Dichtebereich von etwa 3,9 bis 4,4 g/cm3.
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Wir bevorzugen, eine Bindungsbeschichtung zwischen
dem Substrat und dem abreibbaren Material zu verwenden, aber eine
derartige Bindungsbeschichtung ist in manchen Situationen optional.
Mehrere Bindungsbeschichtungs-Formulierungen sind im Handel erhältlich,
wozu Ni-Al und Ni-Cr-Al gehören. Wir
haben erfolgreich ein Ni-Cr-Al-Bindungsbeschichtungsmaterial (6
Gew.-% Al, 18,5 Gew.-% Cr, Rest Ni) verwendet.
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Bei unserer zur Zeit bevorzugten
Herstellungstechnik spritzen wir das Kupferpulver in den Brennerkörper ein,
so dass es mit der Plasmafahne aus der Brennerdüse austritt. Wir verwenden
ein äußeres Rohr,
um das Bornitridmaterial außerhalb
des Brenners in die Plasmaflamme strömen zu lassen. Das Kupferpulver
erfordert Erweichen oder teilweises Schmelzen, um eine dichte Abscheidung
zu bilden, und die längere
Verweilzeit in dem Plasma erlaubt ein derartiges Erweichen und/oder
Schmelzen. Das BN wird nicht weich werden oder schmelzen, kann aber
sublimieren oder sich zersetzen, wenn es übermäßig erhitzt wird. Das Einspritzen
des BN in das Plasma außerhalb
des Spritzgeräts
verringert das Erhitzen des BN. Wir haben auch einen Pulvermischer
verwendet, um ein Gemisch aus Kupferlegierungs- und Bornitrid-Pulver
zu erzeugen, das dann mit zufrieden stellenden Ergebnissen in den Plasmabrennerkörper eingespritzt
wurde.
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Wir glauben, dass ein Größenbereich
der Kupferpulverteilchen von etwa –200 bis etwa +325 US-Standardsieb
sein sollte. Wir glauben, dass die Bornitridpulver-Teilchengröße von etwa –1400 bis etwa
+200 US-Standardsieb sein sollte, aber das im Handel erhältliche
BN ist –80
+ 200 (80% min) plus –200
+ 325 (16% max) plus –325
mesh (10% max), das erfolgreich verwendet wurde.
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Die abreibbare Dichtung der vorliegenden Erfindung
wurde zur Verwendung in einer fortschrittlichen Militär-Turbinenmaschine
konzipiert. Synthetische Öle,
die bei Hochleistungsanwendungen einschließlich Gasturbinenmaschinen
verwendet werden, sind üblicherweise
auf Ester-Basis mit variierenden Kettenlängen zur Einstellung der Viskosität. Verschiedene
Zusätze
werden zur Stabilisierung und für andere
Zwecke verwendet. Das spezielle Maschinenschmiermittel ist Mobil
RM 284 A, ein synthetisches Öl,
das die Erfordernisse der Mil Spec MIL-L7808K, Stufe 4, erfüllt.
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Die vorliegende Erfindung kann durch
Betrachtung des folgenden Beispiels, das veranschaulichend statt
beschränkend
gedacht ist, besser verstanden werden.
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Beispiel
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Es war gewünscht, die Innenoberfläche einer zylindrischen
Dichtungsanordnung, die etwa 10 Inch (0,25 m) im Durchmesser betrug
und aus einem Superlegierungsmaterial hergestellt war, zu beschichten.
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Die Oberfläche wurde entfettet und sandgestrahlt,
um eine saubere aufgeraute Oberfläche zu schaffen.
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Eine Metco-Sulzer SM F2-Plasmaspritzvorrichtung
mit einer Pulvermündung
S 341003-03 wurde verwendet.
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Das Bindungsbeschichtungsmaterial
war im Handel erhältliches
NiCr-Al-Pulververbundmaterial, bestehend
aus (nominell) 6% Al, 18,5% Cr, Rest Ni (gewichtsmäßig), in
Form von aus NiCr- und Aluminium-Teilchen in einem organischen Bindemittel
bestehenden Verbundteilchen, ein Produkt der Sulzer Metco Corporation.
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Die folgenden Parameter wurden für die Bindungsbeschichtung
verwendet:
Primärgas:
Argon bei 44 SLPM
Sekundärgas:
Wasserstoff bei 0,1 bis 15,0 SLPM
Strom: 250 A
Abstand
Spritzgerät-Werkstück: 5 Inch
(0,13 m)
Pulver-Trägergas:
Argon bei 2,8 SLPM
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Die Dicke der Bindungsbeschichtung
ist relativ unwichtig, wir bevorzugen, eine Dicke von 0,008 bis
0,012 Inch (0,2 bis 0,3 mm) zu verwenden, aber Variationen zwischen
etwa 0,004 und 0,050 Inch (0,01 und 0,13 mm) erscheinen brauchbar.
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Die folgenden Parameter wurden für die (Cu-Ni)
+ BN-Beschichtung verwendet:
Primärgas: Argon bei 60 SLPM
Sekundärgas: Wasserstoff
bei 4,5 SLPM
Strom: 280 A
Abstand Spritzgerät-Werkstück: 2 Inch
(51 mm)
Pulver-Trägergas:
Argon bei 2,80 SLPM für
BN
Argon bei 3,0 SLPM für
Cu-N.
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Alle Pulver wurden aus einem Schütteltrichter
unter positivem Gasdruck zugeführt.
Das CuNi-Pulver hatte eine Zusammensetzung von 62 Gew.-% Cu, 38
Gew.-% Ni und eine Pulvergröße von –200 + 325
US-Standardsieb. Die BN-Pulverteilchengröße war –80 + 325 US-Standardsieb.
Die sich ergebende Beschichtung bestand aus (gewichtsmäßig) etwa
70% CuNi, etwa 30% BN; und volumenmäßig aus etwa 40% CuNi, etwa
30% BN und etwa 30% Porosität.
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Die Dicke der Cu-Ni + BN-Beschichtung
wird bestimmt durch den Zweck der Dichtungsanwendung. Dicken von
etwa 0,010 bis 0,10 Inch (0,25 bis 2,5 mm) sind typisch.
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Es wurde gefunden, dass ein Merkmal
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist, dass das Material während der Wechselwirkung mit Schneidendichtungen
aus Nickelsuperlegierung bei Oberflächengeschwindigkeitem bis zu
15.000 SF/mm (Oberflächenfuß/min) (76,2
ms–1)
nicht-funkensprühend
ist. Es ist ein anderes Merkmal, dass das abreibbare Dichtungsmaterial
den Abbau des verwendeten synthetischen Öls nicht katalysiert oder beschleunigt.
Ein weiteres Merkmal ist, dass seine Wechselwirkung mit den Schneidendichtungen
aus Nickelsuperlegierung ohne die Erzeugung ausreichender Wärmeenergie,
um schädliche
Wirkungen bei der Schneidendichtung zu verursachen, stattfindet.