NL8301574A - Werkwijze voor het afzetten van een slijpgruisbekleding. - Google Patents

Description

- i - r, %

Werkwijze voor het afzetten van een slijpgruisbekleding.

De werkwijze heeft betrekking op een werkwijze voor het onder gebruikmaking van een plasmaspuitpistool afzetten van een slijpgruisbekleding op een substraat.

De uitvinding heeft tevens betrekking op 5 beklede voorwerpen, verkregen door het uitvoeren van deze werkwijze.

De uitvinding werd ontwikkeld in het gebied der gasturbinemotoren teneinde dergelijke bekledingen aan te brengen op onderdelen uit deze industrie, maar 10 heeft evenzeer verdere toepassing op componenten en strukturen in andere industrieën.

Gruistype materialen worden gebruikt in de gasturbinemotorindustrie teneinde slijpeigenschappen te geven aan één of twee tegenover gelegen oppervlakken, 15 die onderhevig zijn aan wrijvingscontact. Men 2oekt destructieve wisselwerking bij contact tussen de twee oppervlakken te vermijden door het slijpoppervlak op zuivere wijze materiaal te laten snijden uit het tegenover gelegen oppervlak, totdat er een beweging zonder wissel-20 werking overblijft.

De bovengenoemde techniek wordt representatief toegepast bij de tussentrap-gaswegafdichtingen tussen rotor en statorsamenstellen. Zowel de binnendiameter als buitendiameterafdichtingen zijn geschikt voor toe-25 passing van het concept. Bij de buitendiameterluchtafdichtingen worden de punten van de rotorbladen voorzien van een slijpkwaliteit, zodat gedurende rotoruitwijkingen van grotere relatieve groei dan de omgevende stator de rotorbladen zuiver insnijden in de tegenovergelegen 30 wanden. Wanneer de afdichtingen eenmaal zijn "ingelopen", is een minimum of nulspeling ingesteld bij het punt van maximale rotoruitwijking. Verdere uitwijkingen slijpen geen verder materiaal weg. Bekende methoden, representatief voor het vervaardigen van van slijppunt voorziene 35 rotorbladen worden besproken in de Amerikaanse octrooi-schriften 3.922.207 van Lowrey e.a., getiteld "Method for Plating Articles with Particles in a Metal Matrix", 8301574 ,* v .-2- en 4.169.020 van Stalker e.a., getiteld "Method for Making an Improved Gas Seal".

Slijpbekledingen worden tevens gebruikt bij andere afdichtingstoepassingen, zoals bij labyrinth-5 afdichtingen binnen een motor. Het Amerikaans octrooi-schrift 4.148.494 van Zelahy e.a., getiteld "Rotary Labyrinth Seal Member", is representatief voor een dergelijke constructie.

Naarmate de wenselijkheid van slijpgruis-10 bekleding in de gasturbinemotorindustrie is toegenomen, hebben wetenschapsmensen en ingenieurs in deze industrie gezocht naar nog meer verbeterde strukturen en afzet-technieken, in het bijzonder technieken in staat om de puntigheid van de gruisdeeltjes en een goede aanhechting 15 aan het oppervlak, waarop de deeltjes moeten worden afgezet, te handhaven.

Volgens de onderhavige uitvinding worden nu slijpgruisdeeltjes en matrixmateriaal voor het hechten van de gritdeeltjes aan het oppervlak van een substraat 20 samen afgezet aan het oppervlak van het substraat in een proces, dat gelijktijdige inval van het metaal-matrixmateriaal en het slijpgruis aan het oppervlak van het substraat doet plaatsvinden.

Volgens een gedetailleerde afzetmethode 25 wordt een plasmagasstroom gegenereerd in een plasma- pistool, metaalmatrixdeeltjes geïnjecteerd in de plasma -stroom, vervolgens slijpgruisdeeltjes geïnjecteerd in deze stroom aan het punt, waar deze stroom invalt op het oppervlak van het te bekleden substraat, waarbij men 30 het pistool langsvoert langs het oppervlak van het substraat.

Een hoofdkenmerk van de samenafzettingsmethode is het simultaan doen invallen van de slijpgruisdeeltjes met het verhitte matrixmateriaal, gedragen door de 35 plasmastroom, aan het oppervlak van het te bekleden substraat. Poeders metallisch matrixmateriaal worden geïnjecteerd in de plasmastroom op een plaats afgelegen van het te bekleden oppervlak, en de gruisdeeltjes worden geïnjecteerd in een plasmastroom op een plaats 40 dichter bij het te bekleden substraat dan het punt van 8501574 , * , - 3 - injectie van de matrixdeeltjes. De slijpgruisdeeltjes, die in de stroom worden geïnjecteerd, komen in contact met de metaalmatrixmaterialen bij het te bekleden oppervlak.

Bij een gedetailleerde inrichting zijn de gruisinjector 5 en de matrixinjector georiënteerd 18Q° van elkaar aan de omtrek van de plasmastroom.

Een hoofdvoordeel van de uitvinding is het vermogen om economische bekledingen af te zetten met goed hechtingsvermogen en behoud van de puntigheid van 10 de gruisdeeltjes. Een goede hechting wordt verkregen door de gruisdeeltjes in te vangen in het gesmolten metaal-matrixmateriaal, wanneer dit metaalmatrixmateriaal stolt aan het oppervlak van het substraat, dat moet worden bekleed. Een goede puntigheid van de gruisdeeltjes 15 blijft behouden door voortgezet contact van de gruisdeelt jes met het hoge temperatuurgedeelte van de plasmastroom te vermijden. Het afzettingsproces heeft een goede flexibiliteit in het vermogen om gruisdeeltjes van variërende grootte af te zetten en in het vermogen 20 om matrixmaterialen te gebruiken met op ruime schaal variërende eigenschappen. Een goede slijpkwaliteit van de bekleding blijft gedurende het aanbrengingsproces behouden. De gruisdeeltjes kunnen worden afgezet over de gehele dikte van de bekleding of slechts aan het oppervlak 25 door de gruisinjectie uit te stellen tot ëën of meer opeenvolgende gangen over het te bekleden substraat.

De beschreven bekledingswerkwijze is prima geschikt voor het opnieuw polijsten van beklede onderdelen na aanvankelijk gebruik. De werkwijze kan worden toegepast 30 voor het aanbrengen van slijpbekledingen op oppervlakken van complexe geometrie.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de volgeride gedetaileerde beschrijving van de voorkeursuitvoering daarvan onder verwijzing 35 naar de tekening. In de tekening toont: fig. 1 een vereenvoudigd zijaanzicht van een gedeelte van een gasturbinemotor met weggebroken secties teneinde tegenovergelegen componenten van de stator en rotorinrichtingen te laten zien, 40 fig. 2 een vereenvoudigde weergave van de 3301574 - 4 - ^ · * punt van een rotorblad met een daarop aangebrachte slijpbekleding, fig. 3 een vereenvoudigde weergave van een gedeelte van de trommel van de rotorinrichting met een 5 daarop aangebrachte slijpbekleding, fig. 4 een vereenvoudigde weergave van het meskantige deel van een labyrinth-type afdichting met een daarop aangebrachte slijpbekleding, fig. 5 een vereenvoudigde weergave van een 10 plasmaspuitapparaat voor het afzetten van een slijpbekleding volgens de concepten van de onderhavige uitvinding, fig. 6 een vergroot aanzicht, waarin het simultane aan het oppervlak van het te bekleden substraat invallen van de gruisdeeltjes en de matrixdeeltjes,

15 fig. 7 een doorsnee, genomen volgens VII-VII

van fig. 6, fig. 8 een dwarsdoorsnede-foto (100 x) van een slijpbekleding, aangebracht op een rotorbladpunt onder de heersende parameters van voorbeeld I, en 20 fig. 9 een dwarsdoorsnee-foto (200 x) van een slijpbekleding, aangebracht aan de meskant van een labyrinthtype afdichting onder de heersende parameters van voorbeeld XI.

Bekledingen, aangebracht volgens de werkwijze 25 volgens de uitvinding, vinden toepassing in de gasturbine-motorindustrie. Fig. 1 is een vereenvoudigde doorsnee-illustratie van een gedeelte van de compressorsectie van een motor uit de genoemde industrie. Een rotorinrichting 12 gaat axiaal door de motor en wordt omsloten 30 door een statorinrichting 14. Een stroombaan 16 voor werkmediumgassen strekt zich axiaal uit door de machine. Rijen rotorbladen, zoals weergegeven door de enkele bladen 18, steken naar buiten vanaf een rotortrommel 22 over de stroombaan 16. Rijen statorschoepen, weergegeven door 35 de enkele schoepen 22, zijn vrijdragend aangebracht, binnenwaarts van een motorhuis 24 over de stroombaan.

Een buitenste luchtafdichting 26 omgeeft elke rij rotorbladen 18. Een binnenste luchtafdichting 28 wordt gevormd door de rotortrommel 20 binnen elke schoepenrij 40 22. Slijpbekledingen zijn bijvoorbeeld aangebracht aan 8301574 - 5 - * * tussenvlak tussen de punten van de rotorbladen 18 en de buitenste luchtafdichting of aan het tussenvlak tussen de punten van de schoepen 22 en de binnenste luchtafdichting 28. Gestreefd wordt naar het elimineren van destructieve 5 wisselwerking aan dergelijke tussenvlakken bij het optreden van rotoruitwijkingen gedurende overgangscondities. Door een slijpbekleding aan te brengen aan ëën van de genoemde tegenover gelegen oppervlakken wordt materiaal zuiver weggeslepen van het corresponderende oppervlak zonder 10 de structurele integriteit van elk deel te vernietigen.

De compressorconstructie van fig. 1 toont componenten, waaraan slijpbekledingen kunnen worden aangebracht - punten van de rotorbladen 18 en binnenste luchtafdichtingen 28 van de rotor. Dergelijke componenten en 15 hun bekledingen zijn weergegeven in de fig. 2 en 3. Andere toepassingen kunnen omvatten het vaste veld 30 van een breed-kanaal-type afdichting 32, zoals dat, getoond in fig. 1, of de meskant, fig. 4, van een labyrinth-type afdichting.

20 In ëën gedetailleerd aspect hebben dergelijke slijpbekledingen bijzondere bruikbaarheid, wanneer gebruikt in samenhang met onderdelen, vervaardigd van titaan-legering. De grote reactiewarmte, die wordt vrijgegeven bij oxydatie van dergelijke legeringen, maakt de onder-25 delen ontvankelijk voor branden bij het optreden van wrijvingswisselwerking. Een slijpbekleding aan ëën van dergelijke wrijvende onderdelen zorgt er voor, dat materiaal wordt weggesneden van een tegenover gelegen component zonder dat hierdoor overmatige warmtebelasting wordt 30 gegenereerd.

Een werkwijze voor het aanbrengen van slijpbekledingen volgens de uitvinding door de onderhavige technieken is getoond in fig. 5. Een stroom 34 plasma-gassen wordt gevormd binnen een piasmagenerator 36 en 35 ontladen naar het oppervlak van een te bekleden substraat 38. Deeltjes 40 van een matrixmateriaal worden geïnjecteerd in de plasmastroom op afstand van het oppervlak van het substraat en weekgemaakt of gesmolten binnen de plasmastroom. Deeltjes 42 van gruismateriaal worden geïnjecteerd 40 in de plasmastroom in dichte nabijheid van het oppervlak 8301574 * ¥ - 6 - van het substraat. Zowel de gruisdeeltjes of de matrix-deeltjes worden bij voorkeur geïnjecteerd evenwijdig aan de richting van de bewegingsvector van het pistool over het substraat. De massaverhouding van matrixmateriaal 5 tot afgezette gruisdeeltjes kan op ruime schaal worden gevarieerd. Verhoudingen tussen 1:1 en 100:1 zijn kenmerkend. Bij ten minste ëën gedetailleerde methode worden de matrixdeeltjes en de gruisdeeltjes in de plasmastroom geïnjecteerd op relatieve lokaties rond de omtrek van de 10 plasmastroom, welke bij benadering 180° van elkaar zijn. Bij een verdere gedetailleerde methode worden de matrixdeeltjes en de gruisdeeltjes in de plasmastroom geïnjecteerd vanuit richtingen, die nagenoeg loodrecht staan op de as A van de plasmastroom.

15 De door plasmaspuiten verkregen bekleding wordt gekoeld op het substraat door koelstralen 44, die uittreden uit mondstukken 46 aan tegenover gelegen zijden van het plasmapistool. De stralen 44 zijn in de tekening zodanig gericht, dat zij elkaar snijden in een 20 punt P boven het oppervlak van het substraat.

De afstanden van het matrixdeeltjesinjectie-punt en het gruisdeeltjesinjectiepunt van het oppervlak van het substraat zijn belangrijke faktoren voor een succesvol aanbrengen van de slijpbekleding. In principe 25 moet het matrixdeeltjesinjectiepunt op voldoende afstand zijn gelegen van het substraat teneinde weekmaken of smelten van de deeltjes in de plasmastroom mogelijk te maken. Het gruisdeeltjesinjectiepunt moet voldoende dicht bij het substraat zijn, teneinde het invangen van het 30 gruis in het matrixmateriaal aan het oppervlak van het substraat mogelijk te maken, zonder dat de hoekige snijranden van het gruis smelten. Bovendien brengt het nabij gelegen zijn van het gruisdeeltjesinjectiepunt bij het substraat de versnelling van de gruisdeeltjes door 35 de plasmastroom op een minimum, en wordt de neiging verminderd van het gruis om van het substraat af te stuiten, alvorens het wordt ingevangen in de matrix. Praktische afstanden van de gruis- en matrixinjectiepunten van het substraat hangen af van de samenstelling en 40 deeltjesgrootte van de gekozen materialen.

8301574 » « - 7 -

Een ander belangrijk aspect, dat dient te worden overwogen bij de lokatie van het gruisinjectiepunt is het effekt van de lokatie op de inval tussen de matrix-deeltjes en de gruisdeeltjes. Het optimale punt van inval 5 treedt op aan het oppervlak van het substraat. Gelijktijdig contact van de gruisdeeltjes met matrixdeeltjes aan het oppervlak van het substraat is gewenst. Incidentie van de gruisdeeltjes met het matrixmateriaal boven het sub-straatoppervlak resulteert in een voortijdige koeling van 10 de matrix en een lage vasthoudverhouding van de gruis-deeltjes door de matrix, aangezien slechts gesmolten of verweekt matrixmateriaal aan het oppervlak wordt afgezet. Bovendien kan geprolongeerd contact van de gruisdeeltjes met het hoge temperatuur plasmagas de puntigheid van de 15 snijranden van de gruisdeeltjes reduceren.

Een andere faktor bij het verkrijgen van een hoge waarschijnlijkheid van gruisdeeltjes invangen is de injectiehoek van het gruis in de plasmastroom. De optimale hoek is zo dicht mogelijk bij 90° als praktisch mogelijk is, 20 zodat de verblijftijd van de deeltjes in de nabijheid van het substraat tot een maximum wordt gebracht. Deeltjes geïnjecteerd in de stroomafwaartse richting hebben de verhoogde neiging om af te stuiten van het substraat; deeltjes geïnjecteerd in de stroomopwaartse richting worden 25 extreem versneld door de plasmastroom en hebben eveneens de neiging af te stuiten van het substraat. Er zijn veelvoudige bekledingsproeven gedaan met een grote verscheidenheid van materiaalkeuzen en aanbrengingsparameters. De voorbeelden, die thans worden gegeven, zijn representatief 30 voor de meest succesvolle proeven.

VOORBEELD I

De punt van een compressorrotorblad, zoals blad 18, getoond in fig. 2, werd bekleed tot een dikte van de orde van 0,25 mm in een enkele langsvoering van 35 het plasmapistool langs de bladpunt. De plasmaspuit- parameters waren daarbij zoals in het onderstaande aangegeven : 8301574 - 8 -

Plasmapistool ^ Metco 7 M pistool met type G mondstuk

Afstand mondstuk tot substraat - 60,32 mm

Afstand matrixinjectiepunt van substraat - 58,74 mm 5 Afstand gruisinjectiepunt van substraat - 1,59 mm

Afstand koelstraalkruispunt van substraat - 9,525 mm

Stroom plasmapistool - 540 ampère 10 Spanning plasmapistool - 70 volt

Relatieve snelheid tussen pistool en substraat - 0,92 m/sec.

Gas primaire plasmaboog - stikstof - 3681,2 dm^/uur 15 - 0,345 MPa

Gas secundaire plasmaboog - waterstof 3 - ongeveer 283.17 dm /uur - 0,345 MPa

Matrixmateriaal - Metco 443 (nikkelchroom- 20 legering plus aluminium) - deeltjesgrootte (-150/ +38 micron) - massastroomsnelheid (25 g/min) 25 Gruismateriaal - siliciumcarbide - deeltjesgrootte (140 gruis) - massastroomsnelheid (100 g/min) 30 Matrixdragergas - stikstof - 311,49 dm^/uur - 0,345 MPa

Gruisdragergas - argon - 424,75 dm^/uur 35 - 0,345 MPa

Matrixinjectorpoort - Metco ψψ 2 poederpoort

Gruisinjectorpoort - 6,35 mm O.D. buis

Substraatmateriaal - titaanlegering

Substraatpreparatie - door gruisblazen/ 40 Metco 443 gebonden bekleding

Afstand substraat van plasma- spuitas - 1,59 mm 8301574 - 9 - *

Afstand gruisinjector van plasma- spuitas - 22,225 mm

Richting gruisinjectie - loodrecht op plasma- spuitas 5 Hoekbetrekking tussen matrix en gruisinjectoren - 180°

VOORBEELD II

De meskant van een labyrinth-type afdichting, zoals de meskant, getoond in fig. 4, werd bekleed tot een 10 dikte van de orde van 0,25 mm in een enkele langsvoering van het plasmapistool langs het substraat. De plasma- spuitparameters waren zoals in het onderstaande aangegeven:

Plasmapistool - Metco 7M pistool met type G mondstuk

Afstand mondstuk tot substraat - 57,15 mm 15 Afstand matrixinjectiepunt tot substraat - 55,76 mm

Afstand gruisinjectiepunt tot substraat - 6,35 mm

Afstand koelstraalkruispunt tot 20 substraat - 0

Stroom plasmapistool - 480 ampère

Spanning plasmapistool - 65 volt

Relatieve snelheid tussen pistool en substraat - 1,524 m/sec.

25 Gas primaire plasmaboog - stikstof - 2831,7 dm3/uur - 0,345 MPa

Gas secundaire plasmaboog - waterstof 3 - ongeveer 283,17 dm /uur 30 - 0,345 MPa

Matrixmateriaal - Metco 443 (nikkel- chroomlegering plus aluminium) - deeltjesgrootte (-150/ 35 +38 micron) - massastroomsnelheid (25 g/min.)

Gruismateriaal - siliciumcarbide 320 gruis 40 Matrixdragergas - stikstof - 311,49 dm^/uur - 0,345 MPa 8301574 - 10 -

Gruisdragergas - argon - 424,75 dm'Vuur - 0,345 HPa

Matrixinjectorpoort - Metco ΦΦ 2 poederpoort 5 Gruisinjectorpoort - 12,7 mm O.D. buis

Substraatmateriaal - titaahlegering

Substraatpreparatie - gruisgeblazen/Metco 443 gebonden bekleding

Afstand substraat tot plasma-10 spuitas - 1,587 mm

Afstand gruisinjector van plasmaspuitas - 22,225 mm

Richting gruisinjector - loodrecht op plasma spuitas 15 Hoekrelatie tussen matrix en gruisinjectoren - 180°

Het doorsnee-aanzicht van fig. 7 toont een belangrij concept bij het bekleden van zeer smalle substraten, in hèt bijzonder compressorbladpunten, die 20 kunnen worden bekleed volgens de parameters van voorbeeld I, of meskanten, die kunnen worden bekleed volgens de parameters van voorbeeld II. Kenmerkende compressorbladpunten kunnen van de orde van 1,01 mm smal zijn? kenmerkende meskanten zijn taps verlopend tot een breedte 25 van de orde van 0,25 mm. Er zij op gewezen, dat het smalle substraat 38, dat moet worden bekleed, in fig. 7 over een afstand X verplaatst is ten opzichte van de as A van de plasmastroom. Bij het bespuiten van slijp-materialen is empirisch gevonden, dat een sterk erosieve 30 zone juist aan de as A van de plasmastroom, de opbouw van bekledingsmateriaal in dat gebied verhindert. Het verplaatsen van het substraat van de erosieve zone aan de as verhoogt in grote mate de snelheid, waarmee ingevangen gruisdeeltjes worden opgebouwd aan het substraat.

35 Hoewel de uitvinding is getoond en beschreven ' aan de hand van voorkeursuitvoeringen, zal het de vakman duidelijk zijn, dat tal van veranderingen en omissies in vorm en detail kunnen worden aangebracht zonder daardoor te treden buiten het kader van de uitvinding.

- conclusies - 3301574

Claims (10)

1- Werkwijze voor het onder gebruikmaking van een plasmaspuitpistool afzetten van een slijpgruisbekleding op een substraat, gekenmerkt door de volgende stappen: 5 het genereren van een plasmastroom van hoge temperatuur, het injecteren van deeltjes matrixmateriaal in de plasmastroom, het injecteren van deeltjes slijpgruis in de 10 plasmastroom op een plaats stroomafwaarts van de plaats, waar de deeltjes matrixmateriaal worden geïnjecteerd en op een afstand van het te bekleden substraat zodanig, dat de matrixdeeltjes en de gruisdeeltjes gelijktijdig in contact komen met het oppervlak van het te bekleden 15 substraat en met elkaar, en het langsvoeren van het plasmaspuitpistool langs het te bekleden substraat.

2. Werkwijze volgens conclusie l,met het kenmerk, dat de matrixdeeltjes en de gruisdeeltjes 20 worden geïnjecteerd in de plasmastroom op relatieve plaatsen, die bij benadering 180° van elkaar gelegen zijn aan de omtrek van de plasmastroom.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met heet kenmerk, dat de richting van injectie van de matrix- 25 deeltjes en de richting van injectie van de gruisdeeltjes evenwijdig zijn aan de bewegingsvector van het pistool langs het substraat, waarbij de richting van de gruisdeelt j esinjectie valt in de richting van de bewegingsvector van het pistool.

4. Werkwijze volgens één der conclusies 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de matrixdeeltjes en de gruisdeeltjes worden geïnjecteerd in de plasmastroom vanuit een richting, in hoofdzaak loodrecht op de transport-richting van de plasmastroom. 8301574 - 12 -

5. Werkwijze voor het afzetten van een slijp-gruisbekleding op een substraat, gekenmerkt door het injecteren van gruisdeeltjes in een plasmastroom, die meegenomen deeltjes bevat van een matrix-5 materiaal, op een plaats in dichte nabijheid van het oppervlak van hèt te bekleden substraat, zodat de puntigheid van de gruisdeeltjes door een slechts beperkt contact met de plasmastroom bewaard blijft.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, m e t het 10 kenmer k,dat de gruisdeeltjes en de matrixdeeltjes in eerste contact gebracht worden aan het oppervlak van het te bekleden substraat, zodat de puntige oppervlakken van de gruisdeeltjes niet met matrixmateriaal bedekt zijn bij het afzetten op het substraatoppervlak.

7. Werkwijze volgens één der conclusies 1, 2, 3, 5 of 6,met het kenmerk, dat de massaverhouding van gesmolten matrixmateriaal tot af te zetten gruisdeeltjes gelegen is in het gebied van 1:1 tot 100:1.

8. Werkwijze volgens conclusie 5, m e t het 20 kenmerk, dat de gruisdeeltjes in de plasmastroom geïnjecteerd worden op een plaats binnen ongeveer 15,87 mm tot 6,35 mm.

9. Werkwijze voor het aanbrengen van een gruis-bevattende bekleding door plasmaspuittechnieken op een 25 smal substraat, met het kenmerk, dat het smalle substraat opzij verplaatst is ten opzichte van de as van de plasmaspuitstroom gedurende het aanbrengen van de bekleding ter vermijding van de erosieve zone aan de as van de plasmastroom. 1 8301574

10. Bekleed voorwerp met slijpgruisdeeltjes, ingevat in een matrixmateriaal, verkregen door de werkwijze volgens één der conclusies 1 tot 9.