EP0694627A1

EP0694627A1 - Anstreifbelag für Triebwerksbauteile

Info

Publication number: EP0694627A1
Application number: EP95111213A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Söhngen; Johannes Dr. Schröder; Bruno Dr. Krismer
Original assignee: HC Starck GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: HC Starck GmbH; MTU Aero Engines AG
Priority date: 1994-07-30
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1996-01-31
Also published as: DE4427264A1; DE4427264C2; JPH08114150A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anstreifbelag für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer diese verbindenden Materialkomponente und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Der Anstreifbelag ist ausschließlich aus keramischen Komponenten aufgebaut, die vor dem Aufbringen des Belages in Mischpartikeln vorliegen, wobei jedes Partikel sämtliche Komponenten für den Anstreifbelag umfaßt. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Anstreifbelages wird zunächst ein Keramikpulver hergestellt, das durch Mischen der für den Anstreifbelag erforderlichen Komponenten in Pulverform, Sintern der Pulvermischung und Zerkleinern der gesinterten Masse entsteht. Anschließend wird das entstandene Mischpulver als Beschichtungspulver direkt auf die Bauteiloberfläche oder auf eine Haftschicht plasma- oder flammgespritzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anstreifbelag für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer diese verbindenden Materialkomponente.
Anstreifbeläge sind im Triebwerksbau weit verbreitet, um Spaltdichtungen zu optimieren. Der Wirkungsgrad von Triebwerken hängt in hohem Maße von den Spalten zwischen Rotor und Stator ab. Dabei besteht eine Spaltdichtung üblicherweise aus zwei Anstreifbelägen, einem Einlaufbelag, der abreibbar ist und beim Anstreifen teilweise abgerieben wird und einem Anlaufbelag, der abrasiv wirkt und sich beim Anstreifen in den Einlaufbelag einarbeitet. Folglich ist bekannt, daß Anstreifbeläge als Einlaufbeläge aus einer abreibbaren Materialkomponente in Form von Partikeln und einer verbindenden Materialkomponente üblicherweise aus Metall bestehen. Dieses Metall kann auch struturiert als Stützmatrix in Form von Waben oder anderen Netzwerken vorliegen, wobei die Zwischenräume mit Keramik- und/oder Metallschichten aufgefüllt sind. Aus EP-PS-0 487 273 ist darüberhinaus bekannt, daß Anstreifbeläge als Einlaufbeläge neben abreibbaren Materialkomponenten und verbindenden Metallen oder Keramiken zusätzlich noch Kunststoffmaterialien enthalten können. Derartige dreiphasige Einlaufbeläge haben den Nachteil, daß die Herstellung eines Spritzpulvers aus diesen Komponenten zur Vorbereitung der Aufbringung des Belages äußerst aufwendig und kostenintensiv ist. Außerdem ist die Fertigung der Beläge sehr kompliziert, und es besteht die Gefahr von Fehlbeschichtungen. Schließlich ist eine metallische Stützmatrix bei den Betriebstemperaturen von Turbinen und den aggressiven Medien in Turbinen der Oxidationsgefahr und der Schädigung des Belages ausgesetzt.
Im Hochdruckverdichterbereich werden Temperaturen von 600 °C erreicht, wobei für die Zukunft ca. 700 °C angestrebt werden. Für den Temperaturbereich zwischen ca. 400 °C und 700 °C sind im wesentlichen Belagwerkstoffe auf Ni- oder NiCrAl-Basis im Einsatz. Anstreifbeläge auf der Basis von reinem Ni sind durch eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 450 °C gekennzeichnet und zeigen bis zu diesen Betriebstemperaturen gute Einlaufeigenschaften. Ein etwas ungünstigeres Einlaufverhalten zeigen dagegen NiCrAl-Basiswerkstoffe, die aber bis 800 °C einsetzbar sind.
Die Stützmatrix oder Netzwerke aus Metall oder Keramik zeigen üblicherweise ein ungenügendes Anstreifverhalten, so daß es eine Aufgabe der Erfindung ist, derartige Netzwerke zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und einen anstreiffähigen Belag für Hochtemperaturanwendungen anzugeben.
Gelöst wir diese Aufgabe dadurch, daß der Anstreifbelag ausschließlich aus keramischen Komponenten aufgebaut ist, und damit sowohl die Partikel als auch die verbindende Materialkomponente aus Keramik bestehen, die vor dem Aufbringen des Belages in Mischpartikeln vorliegen, wobei jedes Partikel sämtliche Komponenten für den Anstreifbelag umfaßt.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß der Belag wesentlich einfacher und kostengünstiger herzustellen ist, da aufwendige Löt- oder Schweißtechniken zur Anbringung eines stützenden Netzwerkes entfallen. Durch den Wegfall der Stützmatrix verbessert sich gleichzeitig das Anstreifverhalten, da keine störende Stützmatrix den Anstreifvorgang behindert. Schäden des Anstreifbelages, die durch Oxidation metallischer Komponenten verursacht werden, sind ausgeschlossen. Eine Anpassung der Schichteigenschaften von der Abreibbarkeit bis hin zur Abrasion ist durch Anpassung der Zusammensetzung der Mischpartikel, durch Zugabe oder Ersatz von Komponenten in den Mischpartikeln und/oder durch Änderung der Herstellungsparameter beim Aufbringen der Beläge möglich. Auf zusätzliche Festschmierstoffe wie Plastik kann ebenfalls verzichtet werden.
Die keramischen Materialien für den erfindungsgemäßen Anstreifbelag sind Werkstoffe auf der Basis Magnesiumoxid, Zinkoxid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid oder Magnesiumfluorid und liegen im Anstreifbelag als Misch- und/oder Einzelphasen vor. Diese begrenzte Auswahl hat den Vorteil, daß die Lagerbevorratung klein gehalten werden kann. Außerdem enthält sie Stoffe, die eine hohe Wärmeeindringfähigkeit zulassen. Unter Wärmeeindringfähigkeit wird die Quadratwurzel aus dem Produkt von Wärmeleitfähigkeit, Dichte und isobarer Wärmekapazität verstanden. Diese Kenngröße soll einen möglichst hohen Wert erreichen, um neben einer hohen Temperaturbeständigkeit eine hervorragende Anstreiffähigkeit zu gewährleisten. Bei Anstreifbelägen hat es sich nämlich gezeigt, daß der schnelle Abbau und die schnelle Verteilung lokaler Überhitzungen bei Betriebstemperaturen entscheidend für den Erfolg eines Anstreifbelages ist. Die obigen Materialien zeigen besonders in dieser Hinsicht bei den oben erwähnten hohen Betriebstemperaturen gegenüber Schaufelgrundwerkstoffen wie Titan und Ni-, Co- und Fe-Basislegierungen eine eindeutige Überlegenheit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Belag als verbindende Materialkomponente Zinkoxid zur Bildung von Mischphasen mit den übrigen Komponenten auf. Dieses Material bildet mit den übrigen Komponenten wie Magnesiumoxid in Mikrobereichen und an Korngrenzen Mischphasen aus, was vorteilhaft den verbindenden Effekt begünstigt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die abreibbare Materialkomponente aus Zinkoxid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid oder Mischungen derselben, vorzugsweise aus Zinkoxid und Kalziumfluorid. Diese Fluoride und das Zinkoxid sind besonders vorteilhaft als abreibbare Komponenten einsetzbar, weil sie aufgrund ihres hohen Schmelzpunktes und ihrer kristallinen Struktur nicht wie eine metallische Stützmatrix angeschmolzen oder zu einer teigigen Masse beim Anstreifen geknetet werden, sondern schichtweise oder körnchenweise zu feinstem Staub spalten, der mit den Gasen im Strömungskanal eines Triebwerks ausgeblasen wird. Die Spalternergie, die dabei aufzuwenden ist, vermindert die beim Anstreifvorgang auftretende Reib- oder Wärmeenergie, so daß vorteilhaft lokale Überhitzungen vermieden werden und sich das anstreifende Bauteil ohne eigenen abrasiven Abtrag in den als Einlaufbelag wirkenden Anstreifbelag einarbeiten kann.
Die Erosionsbeständigkeit dieser Fluoride ist entsprechend ihrer leichten Spaltbarkeit gering. Deshalb weist der Anstreifbelag vorzugsweise zusätzlich ein erosionsbeständiges keramisches Material auf, das an seinen Korngrenzen mit den übrigen keramischen Komponenten Mischphasen bildet. Als bevorzugte Komponente hat sich dafür Magnesiumoxid bewährt. Das Magnesiumoxid hat weiterhin den Vorteil, daß es mit Zinkoxid großkörnige Mischphasen bildet, die bei entsprechender Zusammensetzung und thermischer Behandlung zu abrasiven, den Belag härtenden Kristalliten anwachsen können.
Soll der Anstreifbelag vorzugsweise einen Einlaufbelag ergeben, so setzt er sich mindestens aus einem erosionsbeständigen und verbindenden keramischen Material und einem abreibbaren keramischen Material zusammen. Wird von den hier offenbarten Oxiden und Fluoriden ausgegangen, so hat sich als verbindende und erosionsbeständige Komponente das Magnesiumoxid herausgestellt, während alle übrigen oben genannten Keramiken als abreibbare Komponenten einsetzbar sind.
Soll der Antreifbelag vorzugsweise einen Anlaufbelag ergeben, so setzt er sich zum überwiegenden Teil (größer 50 Gew.%) aus Magnesiumoxid und Zinkoxid zusammen, da diese beiden Komponenten großkörnige und harte bis abrasive Mischphasen und Mischkristalle bilden. Diese Mischphasen können vorteilhaft schon bei der Herstellung der Mischpartikel ausgebildet werden, so daß mit der Herstellung von Mischpartikeln eine Vorauswahl zur Bildung eines Einlaufbelages mit geringem Wachstum von Mischphasen oder eines Anlaufbelages mit hohem Wachstum von Mischphasen erfolgen kann.
Neben der Einstellung der Härte des erfindungsgemäßen Anstreifbelages über die obige Magnesiumoxid-Zinkoxid-Mischphasenbildung kennzeichnet einen Einlaufbelag eine hohe Porosität, die zum Bauteil hin abnimmt, während einen Anlaufbelag eine durchgehend geringere Porosität kennzeichnet. Die Porosität ist dabei durch die Parameter während der Aufbringung des Belages auf ein Bauteil einstellbar. Deshalb ist der erfindungsgemäße Anstreifbelag vorzugsweise eine Plasma- oder Flammspritzschicht, da beim Plasma- oder Flammspritzen die Porosität über die Spritzparameter leicht steuerbar ist.
Ein erfindungsgemäßer Anstreifbelag auf rein keramischer Basis, der im wesentlichen aus ZnO, MgO und CaF2 besteht, erweist sich als eine ideale Lösung sowohl für Einlauf als auch für Anlaufbeläge bei hohen Betriebstemperaturen, wobei die Herstellungsparameter und die Zusammensetzungen den betrieblichen Anforderungen an die Beläge angepaßt werden können.
Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelages für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer diese verbindenden Materialkomponente anzugeben wird mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst: zunächst wird ein Keramikpulver durch Mischen der für den Anstreifbelag erforderlichen Komponenten in Pulverform, Sintern der Pulvermischung und Zerkleinern der gesinterten Masse ein Mischpulver hergestellt, so daß in jedem Pulverpartikel die Komponenten des Anstreifbelages enthalten sind, und anschließend wird das Beschichtungspulver direkt auf die Bauteiloberfläche oder auf eine Haftschicht plasma- oder flammgespritzt.
Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird die Sintermasse zu Beschichtungspulver mit einer mittleren Teilchengröße von 5 µm bis 150 µm zerkleinert. Die Sintermasse enthält alle beteiligten erfindungsgemäßen Komponenten. Bevorzugt werden zur Herstellung des Beschichtungspulvers folgende Keramikpulver gemischt:
CaF₂ 30 bis 40 Gew.%
MgO 3 bis 20 Gew.%
ZnO Rest.
Nach der Mischung wird die Pulvermischung gesintert. Mit der Sinterzeit und Sintertemperatur wird gleichzeitig die Härte und Abrasivität des späteren Belages eingestellt. Wobei mit zunehmender Sinterzeit und Sintertemperatur die Härte steigt, weil sich zunehmend eine harte Mischphase aus Magnesiumoxid und Zinkoxid ausbildet. Mit dem Kalziumfluorid wird im wesentlichen eine Abreibbarkeit des Anstreifbelages eingestellt und gleichzeitig ein Schutz gegen örtliche Überhitzungen geschaffen.
Eine weitere bevorzugte Mischung zur Herstellung des Beschichtungspulvers besteht aus folgenden Keramikpulvern:
CaF₂ 30 bis 32 Gew.%
MgO 10 bis 20 Gew.%
ZnO Rest.
Dabei ist der Anteil an Magnesiumoxid im oberen Bereich, was die Ausbildung eines abrasiven Anlaufbelages fördert. Im Gegensatz dazu ist die folgende Zusammensetzung der Mischpartikel mit
CaF₂ 35 bis 40 Gew.%
MgO 3 bis 10 Gew.%
ZnO Rest.
für abreibbare Einlaufbeläge geeignet, wozu der Anteil an Magnesiumoxid erniedrigt wird. In diesem Fall können anstelle des Kalziumfluorids auch Magnesiumfluorid oder Bariumfluorid oder Mischungen dieser Fluoride eingesetzt werden.
Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung erläutern.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines Anstreifbelags für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer verbindenden Materialkomponente werden folgende keramische Pulver gemischt: CaF₂ 30 bis 40 Gew.%, MgO 3 bis 20 Gew.% Rest ZnO. Diese Pulvermischung wird anschließend zu einer keramischen Masse gesintert. Diese keramische Sintermasse wird nach Abkühlung auf Raumtemperatur in Mischpartikel zermahlen, beispielsweise in einer Trommelmühle, bis auf eine Teilchengröße zwischen 5 und 150 µm.
Für Anstreifbeläge, die vorzugsweise als Einlaufbeläge eingesetzt werden, wird dabei ein hoher CaF₂-Anteil bis 40 Gew. % bei niedrigem MgO-Anteil um 5 Gew. % gefahren. Für Anstreifbeläge, die vorzugsweise als Anlaufbeläge eingesetzt werden, wird dabei ein geringerer CaF₂-Anteil unter 35 Gew. % bei hohem MgO-Anteil bis 20 Gew. % gefahren.
Aus den derartig hergestellten Mischpartikeln wird ein Anstreifbelag durch Plasmaspritzen mit einem Plasmaspritzbrenner unter einer Spannung von 50 bis 60 V bei einem Strom von 300 bis 400 A hergestellt, wobei ein Primärgasstrom aus Stickstoff von 60 bis 80 Liter pro Minute und ein Sekundärgasstrom aus Wasserstoff von 70 bis 80 Liter pro Minute eingehalten wird. Bei einem Spritzabstand von 75 bis 225 mm wird mit einem Treibgasstrom aus Stickstoff von 20 bis 40 Liter pro Minute eine Bauteiloberfläche plasmagespritzt, bis eine Dicke von mehreren Millimetern erreicht ist. Die Porosität kann dabei im wesentlichen durch den Spritzabstand und durch den Treibgasstrom variiert und eingestellt werden.

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 werden je nach Anforderung an den Anstreifbelag die Mischpartikel hergestellt und anschließend mit einem Flammspritzverfahren aufgebracht. Dazu wird mit einem Flammspritzbrenner ein Brenngasstrom von 30 bis 40 Liter pro Minute aus Azetylen mit einem Sekundärgasstrom aus Sauerstoff von 30 bis 40 Liter pro Minute eingehalten. Bei einem Spritzabstand von 75 bis 225 mm wird mit einem Treibgasstrom aus Stickstoff von 30 bis 45 Liter pro Minute die Bauteiloberfläche mehrfach flammgespritzt bis eine ausreichende Belagdicke von mehreren Millimetern erreicht ist. Die Porosität kann dabei im wesentlichen durch den Spritzabstand und durch den Treibgasstrom variiert und eingestellt werden.

Claims

Anstreifbelag für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer diese verbindenden Materialkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag ausschließlich aus keramischen Komponenten aufgebaut ist und damit sowohl die Partikel als auch die verbindende Materialkomponente aus Keramik bestehen, die vor dem Aufbringen des Belages in Mischpartikeln vorliegen, wobei jedes Partikel sämtliche Komponenten umfaßt.
Anstreifbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag als verbindende Materialkomponente Zinkoxid zur Bildung von Mischphasen mit den übrigen Komponenten aufweist.
Anstreifbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abreibbare Materialkomponente Zinkoxid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid oder Mischungen derselben aufweist, vorzugsweise aus Zinkoxid und Kalziumfluorid besteht.
Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag ein erosionsbeständiges keramische Material, vorzugsweise Magnesiumoxid aufweist.
Antreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag ein Einlaufbelag ist und aus mindestens einem erosionsbeständigen und verbindenden keramischen Material und einem abreibbaren keramischen Material besteht.
Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag ein Anlaufbelag ist, der als abrasive Partikel Mischkristalle aus Magnesiumoxid und Zinkoxid aufweist.
Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag als Einlaufbelag eine hohe Porosität aufweist, die zum Bauteil hin abnimmt und als Anlaufbelag eine durchgehend geringere Porosität aufweist.
Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstreifbelag eine Plasma- oder Flammspritzschicht ist.
Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelages für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer diese verbindenden Materialkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Keramikpulver durch Mischen der für den Anstreifbelag erforderlichen Komponenten in Pulverform, Sintern der Pulvermischung und Zerkleinern der gesinterten Masse ein Mischpulver hergestellt wird, so daß in jedem Pulverpartikel die Komponenten des Anstreifbelages enthalten sind, und anschließend das entstandene Mischpulver als Beschichtungspulver direkt auf die Bauteiloberfläche oder auf eine Haftschicht plasma- oder flammgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintermasse zu Beschichtungspulver mit einer mittleren Teilchengröße von 5 µm bis 150 µm zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Beschichtungspulvers folgende Keramikpulver gemischt werden
CaF₂ 30 bis 40 Gew.%
MgO 3 bis 20 Gew.%
ZnO Rest.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Beschichtungspulvers folgende Keramikpulver gemischt werden
CaF₂ 30 bis 32 Gew.%
MgO 10 bis 20 Gew.%
ZnO Rest.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Beschichtungspulvers folgende Keramikpulver gemischt werden
CaF₂ 35 bis 40 Gew.%
MgO 3 bis 10 Gew.%
ZnO Rest.