DE69926858T2 - Abreibbare Dichtungsschicht und deren Herstellungsweise - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Dichtung bezieht sich allgemein auf Luftdichtungen für Gasturbinenmaschinen und bezieht sich insbesondere auf Dichtungen mit verbesserten Eigenschaften unter Betriebsbedingungen, bei welchen ungewöhnlich große Mengen von Dichtungsmaterial freigesetzt und in die Maschine gesogen werden.
  • Gasturbinenmaschinen sind bekannte Energiequellen, z.B. Antriebsenergie für Flugzeuge oder als Stromerzeugungsgeneratoren und umfassen allgemein Kompressor- (typischerweise hinter einer oder mehreren Lüfter-Stufen), Verbrennungs- und Turbinen-Stufen. Wie allgemein in 1 dargestellt, umfassen Kompressor- und Turbinen-Stufen (und jegliche Lüfter-Stufen) jeweils auf Achsen montierte rotierende Scheiben 1, welche jeweils einen Satz Laufschaufeln 2 tragen, angeordnet in einem hohlen Gehäuse oder Behälter 3, mit dazwischen befindlichen Stufen von unbeweglichen Leitschaufeln 5, welche an dem Gehäuse angebracht sind. Luftdichtungen 4, 7 sind zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Gehäuse (äußere Luftdichtungen) vorgesehen und zwischen den Leitschaufeln und den Scheiben (Messerschneidedichtungen), um Leckage von Luft zwischen diesen Komponenten zu verhindern.
  • Luft wird durch einen Maschineneinlass eingesogen und durch rotierende Scheiben und damit verbundene Laufschaufeln im Kompressor komprimiert. Die komprimierte Luft wird dann mit Brennstoff im Brenner verbrannt, um Gase mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, welche Rotation der Turbinenbereiche und damit verbundene Lüfter-Kompressorstufen verursachen und dann durch einen Maschinenauslass ausgeworfen werden, um Vortrieb zur Verfügung zu stellen. Die Dichtungen sind vorgesehen, um Leckage von Luft oder Verbrennungsprodukten um die Spitzen der Laufschaufeln herum, d.h. zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Gehäuse, zu verhindern, wobei Leckage die Effizienz der Maschine verringert.
  • Trotz der Konstruktion der Komponenten zur Minimierung von Leckage findet ein beträchtlicher Anteil jeglicher Leckage, der in einer normal arbeitenden Gasturbinenmaschine stattfindet, zwischen den Spitzen der Laufschaufeln und dem Gehäuse und zwischen den Spitzen der Leitschaufeln und der Scheiben statt. Eine Art, solche Leckage zu minimieren, liegt darin, alle zusammenpassenden Teile mit extrem engen Toleranzen herzustellen, was zunehmend teuer wird, wenn Toleranzen herabgesetzt werden. Außerdem führen solche engen Toleranzen aufgrund der Temperaturbereiche, welchen die Teile vor, während und nach dem Betrieb ausgesetzt sind, und der daraus resultierenden Wärmeexpansion und Kontraktion der Teile, zeitweise zu einer Behinderung zwischen zusammenpassenden Teilen und damit verbundener Abnutzung der Komponenten und anderen Schäden. Dementsprechend haben Gasturbinenmaschinen-Konstrukteure signifikante Anstrengungen unternommen, um effektive Luftdichtungen zu entwickeln und insbesondere Dichtungen, die aus abradierbaren Materialien bestehen. Siehe z.B. US-Patente Nr. 4 936 745 von Vine et al. und 5 705 231 von Nissley et al., welche der Anmelderin der vorliegenden Erfindung gehören. Solche Dichtungen erfordern einen Ausgleich zwischen mehreren Eigenschaften einschließlich Abreibbarkeit bei Kontakt mit einer rotierenden Schaufelspitze, Erosionsbeständigkeit, Haltbarkeit auf das darunter liegende Material abgestimmte Wärmeexpansion und relativ einfaches und kostengünstiges Herstellen. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5 536 022 von Sileo, welches ebenfalls der vorliegenden Anmelderin gehört. Andere Beispiele für abradierbare Dichtungen sind offenbart in US-A-5 780 116, EP-A-0 939 143 und GB-A-2 152 079. Abscheidungstechniken sind in US-A-4 696 855 offenbart.
  • Eine typische Verdichterluftdichtung umfasst ein Dichtungssubstrat, z.B. ein Metallsubstrat, eine aus mit Plasmaspray auf das Substrat gesprühte aus Metallpulver gebildete Metallschicht und eine abradierbare dichtende Schicht, welche typischerweise ebenfalls durch Plasmasprühen auf die Metallschicht gesprüht wird. Eine typische dichtende Schicht umfasst eine Metallmatrix aus Aluminium und Silicium mit einer bestimmten Menge an eingebetteten Polyesterpulverpartikeln.
  • Während des normalen Betriebs werden kleine Mengen an Dichtungsmaterial von der Dichtung durch das ebenfalls wirkende Teil, z.B. eine rotierende Verdich terlaufschaufelspitze entfernt. Während des Maschinenbetriebs, z.B. bei einem Vogelaufschlag, einem Strömungsabriss oder unter anderen Bedingungen werden von den rotierenden Laufschaufeln beträchtliche Mengen an Dichtungsmaterial freigesetzt und in die Maschine eingesogen, wodurch die Konzentration an metallischen Partikeln und Füllmaterialpartikeln (z.B. Polyester) in der eingesogenen Luft erhöht wird. Außerdem reiben die Schaufeln gegen die Dichtung mit einer größeren Kraft als normal und erzeugen beträchtliche Mengen an Wärme zusätzlich und über die Wärme aufgrund der Kompression der Luft hinaus, die komprimiert wird, während sie durch die Maschine gelangt (und manchmal Funken erzeugt). In manchen Fällen führt die signifikant höhere Konzentration an eingesogenem Polyester in der Maschine, verbunden mit der Wärme oder Funken zur Verpuffung in der Maschine und signifikanten Schäden oder Zerstörung der Maschine. Obwohl Metallpartikel sich auch entzünden können, benötigen die Füllmaterialien typischerweise weniger Energie zur Entzündung und entzünden sich daher vor dem Metall. Solche Schäden können Maschinenschäden in Millionenhöhe verursachen und stellen auch ein Sicherheitsrisiko für Personen in der Nähe der Maschine dar, z.B. Passagiere eines Flugzeugs oder Arbeiter in einer Stromerzeugungsanlage. Obwohl diese Bedingungen nicht häufig angetroffen werden, sollte die Konstruktion von Gasturbinenmaschinen solche Bedingungen während des Testens und/oder Betriebs der Maschinen aushalten und dementsprechend konstruiert sein, andernfalls muss resultierende ernsthafte Beschädigung der Maschine und andere Verletzungen in Kauf genommen werden.
  • Eine vorgeschlagene Lösung des Problems liegt darin, die Dichtung nach Aufbringen der Materialien durch Plasmasprühen mit Wärme zu behandeln, z.B. um das Polyester oder andere Füllmaterialien von der Dichtung zu entfernen. Das Polyester (oder anderes Füllmaterial) bietet Beabstandungen für die Metallmatrix und absorbiert auch einen Teil der Wärme, welcher während des Reibens der Dichtung und der damit zusammenwirkenden Komponente erzeugt wird. Für Dichtungssysteme mit geringerem Gewicht, z.B. mit Aluminiummatrix oder einer ähnlichen Metallmatrix, verhindert das Entfernen des Polyesters Verpuffung aufgrund des Vorhandenseins von Polyester. Die Metallmatrix (aus Al und Si) kann jedoch während der Füllmaterialentfernung beschädigt werden, z.B. aufgrund von Expansion des Füllmaterials, wenn es erwärmt wird und vor Verdampfen und durch die zur Entfernung des Füllmaterials benötigte Wärme. Die resultierende Dichtung ist strukturell schwach (aufgrund beträchtlicher Porosität), weist eine re lativ geringe Erosionsbeständigkeit auf und ist anfällig gegenüber einer beträchtlichen Verdichtung und damit verbundener schlechter Abreibbarkeit und Dichtung. Abreibbarkeit und Erosionsfestigkeit sind wichtige Eigenschaften für Dichtungsmaterialien, und dementsprechend ist die vorgeschlagene Lösung für dieses Dichtungsmaterial nicht geeignet zur Verwendung für ihren vorgesehenen Zweck.
  • Eine weitere vorgeschlagene Lösung bestand darin, ein Dichtungsmaterial zu verwenden, welches ein anderes Füllmaterial benutzt. Das gewählte Material wird kommerziell von Sulzer Metco unter der Bezeichnung Metco 320 vertrieben und besteht aus Aluminium- und Siliciumpulver-Partikeln, wobei hexagonale Bornitrid Pulverpartikel unter Verwendung eines organischen Klebstoffs an das Aluminium und Silicium gebunden ist. Ein solches Material wird auch als "Kompositpulver" verwendet. Dieses Kompositpulver wurde als einzige Materialquelle einer Plasmasprühpistole zugeführt und als Dichtungssubstrat aufgebracht. Beim Testen hatte das Dichtungsmaterial nicht ausreichende Mengen an Füllmaterial und hatte somit nicht ausreichende Abreibbarkeit, und wir stellten fest, dass dieser Zustand verursacht wurde durch eine Unfähigkeit, ausreichende Mengen an Füllmaterial an die Metallpartikel zu binden. Anstrengungen, die Menge an Füllmaterialpartikeln, welche an dem Metall anhaften, zu erhöhen, erwiesen sich als nicht erfolgreich, selbst als die Füllpartikel an im Wesentlichen die gesamten Oberflächen der Metallpartikel angehaftet wurden. Außerdem verdampfte der Klebstoff während des Plasmasprühprozesses nicht und wurde mit dem Pulvermaterial aufgebracht und fügte lediglich Gewicht hinzu, ohne Haltbarkeit oder Abreibbarkeit positiv zu beeinflussen. Während der Verwendung neigte dieses Dichtungsmaterial zur Verdichtung und zum Verlust seiner Abreibbarkeit, was die Leistung der Dichtung nachteilig beeinflusste.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine abradierbare Luftdichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen. Die Luftdichtung hat verringerte Anfälligkeit für Verpuffung unter Betriebsbedingungen, bei welchen eine übermäßige Menge (d.h. eine größere Menge als unter normalen Bedingungen freigesetzt würde) an Dichtungsmaterial von der Dichtung freigesetzt und in die Maschine gesogen wird. Die Dichtung umfasst ein Dichtungssubstrat und eine thermisch gesprühte metallische Bindungsschicht, welche auf mindestens einen Teil des Dichtungssubstrats aufgebracht ist. Die Bindungsschicht umfasst vorzugsweise thermisch gesprühtes Nickel und Aluminium und bis zu 1 Gew.-% jeweils von Eisen, Kupfer,
  • Zink, Mangan und Magnesium. Die Dichtung umfasst auch eine abradierbare Dichtungsschicht, welche auf die Bindungsschicht aufgebracht wird. Die Dichtungsschicht ist ein thermisch gesprühtes Aluminiumpulver und Siliciumpulver, welche eine Metallmatrix bilden, und gemeinsam aufgebrachte Methylmethacrylat-Füllpartikel, welche in die Metallmatrix eingebettet sind. Die Füllpartikel haben eine verringerte Entzündbarkeit im Vergleich zu konventionellen Polyesterpartikeln, wenn eine ungewöhnlich große Menge an Dichtungsmaterial von der Dichtung freigesetzt wird, z.B. durch Vogeleinschlag oder Strömungsabriss.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Luftdichtung, aufweisend ein Dichtungssubstrat für eine Gasturbinenmaschine gemäß Anspruch 17 offenbart. Das Dichtungsmaterial soll eine geringere Wahrscheinlichkeit haben, sich unter extremen Betriebsbedingungen zu entzünden, während welchen beträchtliche Mengen an Dichtungsmaterial von der Dichtung freigesetzt und in die Maschine gesogen wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Quelle von Metallmaterial für Inkorporation in eine Metallschicht der Dichtung, wobei das Metallmaterial Silicium und Aluminium aufweist, und vorzugsweise bis zu 1 Gew.-% jeweils von Eisen, Kupfer, Zink, Mangan und Magnesium; Bereitstellen einer Quelle von Füllmaterial, wobei das Füllmaterial Methylmethacrylat-Pulver aufweist; Einbringen des Metallmaterials in ein thermisches Spray und separates Einbringen des Füllmaterials in das thermische Spray stromabwärts von dem Metallmaterial, um gemeinsam das Metallmaterial und das Füllmaterial aufzubringen bzw. abzuscheiden, um eine Dichtungsschicht auf einem Substrat zu bilden, wobei die Dichtungsschicht gebildet ist aus einer Matrix aus Aluminium und Silicium mit eingebetteten Methylmethacrylat-Partikeln. Wie oben erwähnt, wird Dichtungsmaterial, welches von der Dichtung unter konstruktionsmäßig nicht vorgesehenen Maschinenbetriebsbedingungen freigesetzt wird, in der Maschine nicht verpuffen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Dichtung ein akzeptables Maß an Haltbarkeit und Abreibbarkeit bietet und auch nicht verpufft während konstruktionsmäßig nicht vorgesehenem Maschinenbetrieb (welcher aber typischerweise beim Flug vorkommen kann), während welchem beträchtliche Mengen an Dichtungsmaterial in die Maschine gesogen werden. Außerdem ist die Dichtung der vorliegenden Erfindung kostengünstig und wiegt nicht mehr als konventionelle Dichtungsmaterialien. Die Dichtung der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung eines konventionellen Plasmaspraygeräts aufgebracht werden mit einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtung, welches die Einstellung des Verhältnisses von Metall zu Füllmaterial ermöglicht, um eine optimale Dichtung zu erhalten, welche an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepasst ist. Die Dichtung der vorliegenden Erfindung bietet auch verbesserte Erosionsbeständigkeit, verglichen mit konventionellen Dichtungen, wie z.B. die oben beschriebene Al-Si- und Polyester-Dichtung, ohne einen signifikanten Verlust der Laufschaufelabnutzung.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Teils einer typischen Gasturbinenmaschine.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Plamabrenners zum Herstellen der Dichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Es wird auf 2 Bezug genommen. Ein Plasmaspraygerät umfasst einen Brenner 20 (einschließlich Energiequelle und Sprühkopf, welche beide allgemein nicht separat von dem Gerät gezeigt werden), und mindestens drei Pulverzuführleitungen 22, 23, 24. Der Brenner ist vorzugsweise in der Lage, simultan mindestens zwei separate Pulver in eine Flamme 21 zu liefern und zu sprühen, siehe beispielsweise das von der gleichen Anmelderin gehaltene US-Patent Nr. 4 696 858 von Pettit, Jr. et al. Die Leitungen 22, 23, 24 sind mit entsprechenden Pulvermaterialbehältern 26, 27, 28, welche die auf ein Substrat 30 aufzubringenden Pulver enthalten, und entsprechende Quellen 32, 33, 34 für Trägergas, z.B. Argon, welche das Pulver von den Behältern in die Fahne des Plasmabrenners liefern. Typische Substratmaterialien umfassen Titanlegierungen, wie auch Nickel-basierte, Kobalt-basierte und Eisen-basierte Superlegierungen und Kombinationen aus diesen Materialien, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf solche Materialien beschränkt ist. Plasmaspraygeräte sind allgemein in der Technik bekannt und werden dementsprechend hier nicht detailliert beschrieben. Wir haben ein von Sulzer-Metco hergestelltes Modell 3MB verwendet, um Dichtungen gemäß der vorliegende Erfindung herzustellen. Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer äußeren Luftdichtung beschrieben ist, kann sie in gleicher Weise auf eine Messerschneidedichtung (z.B. 1 bei 7, 8) oder auf andere geeignete Anwendungen angewendet werden.
  • Das bevorzugte Pulver für eine Metallbindungsschicht 36 auf dem Substrat 30 ist eine Mischung aus Aluminium- und Nickelpulver. Das Pulver wird unter verschiedenen Namen verkauft, z.B. 450-NS oder AMDRY 956 von Sulzer-Metco in Westbury, NY. Das Pulver ist typischerweise ein Kompositpulver (ein Partikel ist an ein anderes gebunden), welches in Gew.-% aus zwischen ca. 3,5 und 6 (vorzugsweise 4 bis 5,5) Aluminium und bis zu 3 (vorzugsweise weniger als 2,5) organisches Bindemittel, Rest Nickel besteht. Das Pulver kann auch andere Materialien aufweisen, z.B. bis zu 19 Gew.-% Chrom anstelle eines Teils des Aluminiums. Ein alternatives Metallpulver hat eine Nominalzusammensetzung an Gewicht von ca. 69,5 Nickel, 18,5 Chrom und ca. 6 Aluminium. Vorzugsweise passen die Pulverpartikel fast vollständig (mindestens ca. 98% und bevorzugt mindestens ca. 99,5 Gew.-% der Partikel) durch ein Sieb mit 140 mesh; im Wesentlichen alle Partikel (mindestens ca. 92% und bevorzugt mindestens ca. 95 Gew.-% passen durch ein 170 mesh Sieb; und fast alle Partikel (mindestens ca. 87% und bevorzugt mindestens ca. 90 Gew.-%) werden auf einem Sieb mit 325 mesh zurückgehalten.
  • Das Pulver, welches eine Metallschicht 36 bildet, ist in einem Behälter 26 enthalten, und ein Trägergas, z.B. Argon oder Stickstoff, wird von einer Quelle 32 bereitgestellt, um das Pulver durch eine Leitung 22 als einzelne Quelle zu dem Brenner 20 zu bringen. Vorzugsweise wird eine Kombination aus Argon und Wasserstoff als Bogen-Gas für den Brenner verwendet. Das Pulver wird auf einem Substrat aufgebracht, um eine Schicht 36 mit einer (vorzugsweise gleichmäßigen) Dicke von zwischen von ca. 0,002 bis 0,007 inch (0,05 bis 0,18 mm), stärkter bevorzugt zwischen ca. 0,003 bis 0,006 inch (0,08 bis 0,15 mm) zu bilden.
  • Das bevorzugte Pulver zur Bereitstellung einer abradierbaren Schicht 38 ist eine Kombination aus Aluminium-Silicium-Legierungspulver und Methylmethacrylat-Pulver. Das Aluminium-Silicium-Pulver wird unter unterschiedlichen Namen verkauft, z.B. 52C-NS von Sulzer-Metco. Das Pulver ist typischerweise ein gemischtes Pulver (die einen Partikel sind mit den anderen vermischt), welches in Gew.-% zwischen ca. 10 bis 14 (vorzugsweise zwischen 1 bis 13) Silicium, Rest im Allge meinen Aluminium und kleine Mengen von anderen Elementen besteht, einschließlich beispielsweise bis zu ca. 0,8 Eisen, bis zu ca. 0,3 Kupfer, bis zu ca. 0,2 Zink, bis zu ca. 0,15 Mangan, bis zu ca. 0,1 Magnesium und Spuren von Verunreinigungen. Vorzugsweise passen die Pulverpartikel fast vollständig (mindestens ca. 98 Gew.-% und bevorzugt mindestens ca. 99 Gew.-% der Partikel) durch ein Sieb mit 140 mesh; im Wesentlichen sämtliche (mindestens ca. 92% und vorzugsweise mindestens ca.93 Gew.-%) passen durch ein Sieb mit 170 mesh; und fast sämtliche (mindestens ca. 87 Gew.-% und bevorzugt mindestens ca. 90 Gew.-%) Partikel werden auf einem Sieb mit 325 mesh zurückgehalten.
  • Das Methylmethacrylat-Pulver wird durch ICI Acrylics aus Wilmington, DE mit Klasse 4F oder 6751 verkauft. Vorzugsweise passen im Wesentlichen sämtliche (mindestens ca. 90 Gew.-%) Pulverpartikel durch ein Sieb mit 125 mesh; die meisten (mindestens ca. 65 Gew.-%) passen durch ein Sieb mit 63 mesh.
  • Das Pulver, welches eine abradierbare Schicht 38 bildet, wird vorzugsweise gemeinsam aufgebracht, z.B. separat in das Plasma eingeführt. Gemeinsames Aufbringen ermöglicht, dass die relativen Mengen an Aluminium-Silicium-Pulver und Methylmethacrylat-Pulver wie gewünscht angepasst werden können. Vorzugsweise wird eine Kombination aus Argon und Wasserstoff als Bogen-Gas verwendet.
  • Das Aluminium-Siliciumpulver wird in einem Behälter 27 aufbewahrt, und ein Trägergas, z.B. Argon oder Stickstoff, wird von einer Quelle, z.B. Quelle 33, bereitgestellt, um das Pulver durch eine Leitung, z.B. Leitung 23, zu transportieren, um das Pulver in den Brenner 20 zu bringen. Das Methylmethacrylat-Pulver wird in einem Behälter 28 aufbewahrt, und ein Trägergas, z.B. Argon oder Stickstoff, wird von einer Quelle, z.B. Quelle 34, bereitgestellt, um das Pulver durch eine Leitung, z.B. Leitung 24, zu transportieren, um das Pulver in die Sprayströmung stromabwärts vom Aluminium-Silicium-Pulver einzubringen, welche durch den Brenner 20 erzeugt wird. Das Aluminium-Silicium und Methylmethacrylat wird auf das Substrat aufgebracht, um eine abradierbare Schicht 38 mit einer gewünschten (vorzugsweise gleichförmigen) Dicke plus etwas übermäßige Dicke (mindestens 0,025 inch (0,63 mm)) zu bilden, um ein anschließendes spanendes Bearbeiten der Dichtung zu ermöglichen.
  • Ein alternativer weiterer Schritt besteht darin, das Füllmaterial von der abradierbaren Schicht 38 zu entfernen, um eine Dichtung mit Porosität zu erzeugen. Der nächste Schritt kann dementsprechend eine Wärmebehandlung sein, bei welcher die Dichtung auf eine Temperatur von ca. 525°F (274°C) für mindestens ca. 5 h erwärmt wird. Die Porosität der resultierenden Dichtung ist abhängig von dem Füllmaterialgehalt.
  • Die aufgebrachte abradierbare Schicht umfasst vorzugsweise in Gew.-% zwischen ca. 70 bis 95 und stärker bevorzugt ca. 85 bis 92 Aluminiumpulver; und zwischen ca. 1 bis 25 Gew.-% Füllmaterial. Das bevorzugte Verhältnis von Metallpulver zu Füllmaterial ist ca. 5 : 1, welches eine abradierbare Schicht mit ca. 50 Vol.-% Metall zur Verfügung stellt. Wenn keine Wärmebehandlung durchgeführt wird, hat die Dichtung vorzugsweise eine Härte von ca. HR15Y 78 bis 88. Wärmebehandlung der Dichtung verringert die bevorzugte Härte auf ca. 60 bis 70.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen liegt darin, dass die Dichtung sowohl brauchbare Haltbarkeit als auch Abreibbarkeit bietet und auch nicht verpufft unter konstruktionsmäßig nicht vorgesehenem Betrieb, während welchem signifikante Mengen an Dichtungsmaterial in die Maschine eingesogen werden. Außerdem ist die Dichtung kostengünstig und wiegt nicht mehr als konventionelle Dichtungsmaterialien. Die Dichtung kann aufgebracht werden unter Verwendung von konventionellen Plasmaspraygeräten und dem Prozess des Erzeugens einer solchen Dichtung, welcher eine Anpassung des Verhältnisses von Metall zu Füllmaterial erlaubt, um eine an verschiedene Betriebsbedingungen angepasste optimale Dichtung zu schaffen. Durch gemeinsames Sprühen von Metall und Füllmaterial produzieren wir eine Dichtung mit einer gleichmäßigeren, feineren Mikrostruktur im Vergleich zu Sprühen von gemischten Kompositpulvern, was einen Schlüssel für verbesserte Reibungseigenschaften darstellt. Das Füllmaterial Methylmethacrylat, erzeugt eine rundere Porenmorphologie, welche die geringere Abnutzung von z.B. der Laufschaufel weiter verbesserte. Außerdem haben unsere Tests gezeigt, dass die Dichtung der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Erosionsbeständigkeit im Vergleich zu konventionellen Dichtungen, d.h. das oben erwähnte Al-Si- und Polyester-Füllmaterial, ohne übermäßige Laufschaufelabnutzung.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben wurde, können verschiedene Änderungen und Substitutionen gemacht werden, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Dementsprechend versteht es sich, dass die Erfindung lediglich veranschaulichend und nicht einschränkend beschrieben wurde.

Claims (24)

  1. Eine abradierbare Luftdichtung zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend: ein Dichtungssubstrat (30); eine metallische Bindungsschicht (36), welche auf mindestens einen Teil des Dichtungssubstrats (30) aufgebracht ist; und eine abradierbare Dichtungsschicht (38), welche auf die Bindungsschicht (36) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Bindungsschicht (36) thermisch gesprühtes Nickelpulver und Aluminiumpulver aufweist, und dadurch, dass die abradierbare Schicht (38) thermisch gesprühtes Aluminium- und Siliciumpulver, welche eine Metallmatrix bilden, und damit gemeinsam aufgebrachte Methylmethacrylat-Füllpartikel, welche in der Metallmatrix eingebettet sind, aufweist, wobei die Füllpartikel relativ zu Polyesterpartikeln eine reduzierte Entzündbarkeit haben.
  2. Dichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Bindungsschicht (36) thermisch gesprühtes Nickelpulver, Chrompulver und Aluminiumpulver aufweist.
  3. Dichtung nach Anspruch 2, bei welchem die Bindungsschicht (36) in Gewichtsprozent ca. 69,5 Nickel, 18,5 Chrom und 6 Aluminium aufweist.
  4. Dichtung nach Anspruch 1, bei welcher die metallische Bindungsschicht aus Nickel und Aluminium und bis zu 1 Gew.-% jeweils von Eisen, Kupfer, Zink, Mangan und Magnesium besteht.
  5. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die abradierbare Dichtungsschicht (38) zwischen ca. 70 bis 95 Gew.-% Aluminiumpulver aufweist.
  6. Dichtung nach Anspruch 5, bei welcher die abradierbare Dichtungsschicht (38) zwischen ca. 85 bis 92 Gew.-% Aluminiumpulver aufweist.
  7. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher von dem Pulver der Metallschicht mindestens 99 Gew.-% der Pulverpartikel durch ein Sieb mit 140 mesh passen; mindestens ca. 93 Gew.-% durch ein Sieb mit 170 mesh passen; und mindestens ca. 90 Gew.-% auf einem Sieb mit 325 mesh zurückgehalten werden.
  8. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher von dem Pulver für die abradierbare Schicht (38) mindestens ca. 90 Gew.-% durch ein Sieb mit 125 mesh passen und mindestens ca. 65 Gew.-% durch ein Sieb mit 63 mesh passen.
  9. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die abradierbare Schicht (38) zwischen 1 bis 25 Gew.-% Füllmaterial aufweist.
  10. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Verhältnis von Metall zu Füllmaterial in der abradierbaren Schicht (38) gewichtsmäßig ca. 5 : 1 ist.
  11. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei weicher die abradierbare Schicht (38) mindestens ca. 50 Vol.-% Metall aufweist.
  12. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Bindungsschicht (36) eine Dicke von zwischen ca. 0,002 bis 0,007 inch (0,05 bis 0,018 mm) hat.
  13. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Dichtung eine äußere Luftdichtung ist.
  14. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welcher die Dichtung eine Messerschneidedichtung ist.
  15. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher das Dichtungssubstrat (30) aus einem Material ist, das aus der Gruppe gewählt ist, bestehend im Wesentlichen aus Titanlegierungen und Nickel-basierten, Kobaltbasierten und Eisen-basierten Superlegierungen und Mischungen daraus.
  16. Gasturbinenmaschinen-Dichtungssystem, aufweisend eine Dichtung (4) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und eine Maschinenkomponente (2), welche für Bewegung relativ zu der Dichtung (4) geeignet ist und einen abrasiven Bereich hat, welcher mit dem abradierbaren Dichtungsmaterial interagiert, wobei der abrasive Bereich der Komponente und die abradierbare Schicht (38) der Dichtungsanordnung zusammenwirken, um eine Dichtung zur Verfügung zu stellen.
  17. Verfahren zum Herstellen einer Luftdichtung, aufweisend ein Dichtungssubstrat für eine Gasturbinenmaschine, gekennzeichnet durch aufweisen der folgenden Schritte: Bereitstellen einer Quelle (27) für Metallmaterial zur Inkorporation in das Dichtungsmaterial, wobei das Metallmaterial Siliciumpulver und Aluminiumpulver aufweist; Bereitstellen einer Quelle (28) für Füllmaterial, wobei das Füllmaterial aus Methylmethacrylatpulver besteht; Einbringen des Metallmaterials in einen thermisches Sprühstrahl; separates Einbringen des Füllmaterials in den thermische Sprühstrahl stromabwärts von dem Metallmaterial; und gemeinsames Aufbringen des Metallmaterials und des Füllmaterials auf ein Substrat (30), um eine Dichtungsschicht zu bilden, welche eine Matrix aus einem Aluminium und Silicium mit eingebetteten Methylmethacrylat-Partikeln aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem der Schritt des Bereitstellens einer Quelle (27) von Metallmaterial Metallmaterial zur Verfügung stellt, welches aus Silicium und Aluminium und bis zu 1 Gew.-% jeweils von Eisen, Kupfer, Zink, Mangan und Magnesium besteht.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem der Schritt des Bereitstellens einer Quelle (27) von Metallmaterial ein Pulver zur Verfügung stellt, von welchem mindestens 99 Gew.-% der Pulverpartikel durch ein Sieb mit 140 mesh durch passen; mindestens ca. 93 Gew.-% durch ein Sieb mit 170 mesh durch passen; und mindestens ca. 90 Gew.-% auf einem Sieb mit 325 mesh zurückgehalten werden.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei welchem der Schritt des Zurverfügungstellens einer Quelle (28) von Füllmaterial ein Pulver zur Verfügung stellt, von welchem mindestens ca. 90 Gew.-% durch ein Sieb mit 125 mesh passen und mindestens ca. 65 Gew.-% durch ein Sieb mit 63 mesh passen.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei welchem das thermische Spray ein Plasmaspray ist.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, ferner aufweisend den Schritt des Erwärmens der Dichtung (4) auf mindestens ca. 525°F (274°C) für eine ausreichende Zeit, um thermisch mindestens einen Teil des Füllmaterials zu zersetzen und eine kontrollierte Menge an Porosität in dem Dichtungsmaterial zu erzeugen.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem die wärmebehandelte Dichtung (4) eine Härte von ca. HR15Y 60 bis 70 hat.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei welchem die Dichtung (4) ca. 50 Vol.-% Metall aufweist.
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