DE2163068C3 - Flächiger Sinterkörper mit honigwabenförmiger Verschleißfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen flächigen Sinterkörper mit honigwabenförmiger Verschleißfläche unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte auf einem Träger für den Gebrauch bei hohen Temperaturen.

In der Vergangenheit wurden große Anstrengungen unternommen, um eine geeignete Abdichtung zwischen den Flügeln innerhalb eines Turbinenrotors und dem die Flügel umgebenden Gehäuse zu schaffen. Die zum Antrieb der Turbinenmaschine verwendeten Gase entwickeln gewöhnlich hohe oder extrem hohe Temperaturen. Es erwies sich als notwendig, eine verschleißbare Metallabdichtung zu schaffen, um das Auslecken von Gasen zwischen den Rotorflügeln und dem kreisförmigen Turbinengehäuse zu unterbinden.

Derartige Versuche konzentrierten sich hauptsächlich auf Folien mit honigwabenförmig eingepreßten Vertiefungen, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Diese Struktur wird auf einen Träger aufgelötet. In der letzten Zeit bestand die Tendenz, die honigwabenförmigen Vertiefungen mit einem Metallpulver aus einem oxidationsbeständigen und verschleißfähigen Material, z. B. einer Nickel-Chrom-Legierung, zu füllen.

Andere Versuche betrafen Abdichtungen aus verfilzten Fasermatteii, die auf ungefähr 20 bis 30% ihrer theoretischen Dichte verdichtet sind, und die entweder an einem Träger befestigt sind oder die direkt auf die ringförmige Ummantelung des Turbinengehäuses gelötet sind.

Eine dritte Art bisher verwendeter Abdichtungen betrifft verschleißbare Metallpulver, die mittels eines heißen Gases oder Plasmas auf die Ummantelung gesprüht werden. Wiederum sind die Materialien oxidationsbeständig. Schließlich sind Versuche unternommen worden, eine Dichtung zu verwenden, die aus oxidationsbeständigen pulverförmigen Legierungen variierender Dichte und Dicke bestehen. Diese Abdichtungen aus Legierungspulvern sind in vorzüglichem Maße verschleißfähig, jedoch wenig widerstandsfähig gegenüber erodierenden Kräften, die durch die heißen Gase und die erodierenden Partikel erzeugt werden, die in der Umgebung der Düsenmaschine vorhanden sind.
Die Erfahrungen mit den verschiedenen verschleißfähigen Abdichtungen der oben beschriebenen Art waren nicht zufriedenstellend, was dazu führte, daß nach geeignetem Ersatz gesucht wurde. Es wurde z. B. gefunden, daß die honigwabenförmigen Metallbleche zu Gaslecken führen, wenn die Gasumgebung der Düsenmaschine turbulent ist, und daß sie häufig Vibrationsermüdung an dem gelöteten Verbindungsstellen zwischen dem honigwabenförmigen Muster und dem Trägermaterial zeigen.

Derartige nachteilige Effekte können zwar dadurch etwas reduziert werden, daß die einzelne Zelle verkleinert wird; diese Lösung ist jedoch wegen des unverhältnismäßig hohen Anstiegs im Gewicht und in den Herstellungskosten nicht erstrebenswert.

Die Verwendung von verfilzten Matrizen führte zu Schwierigkeiten beim Anlöten an den Träger. Daneben wurden die verfilzten Fasern bisher wegen ihrer niedrigen Verschleißfestigkeit nur begrenzt angewendet.
Aufgesprühte Metallpulver haften zu wenig auf dem Trägermaterial, auf das sie aufgebracht wurden. Dies beruht hauptsächlich auf der Unmöglichkeit, feinverteilte Pulver in einer Hochtemperaturumgebung ohne einen gewissen Grad von Oberflächenoxidation aufzubringen.

Die Eigenschaften der Abdichtungen aus Metallpulvern mit oder ohne unregelmäßig verteilten Fasern sind mit den Eigenschaften von Abdichtungen aus gesprühten Metallpulvern vergleichbar. Derartige Abdichtungen haben zwar einen größeren strukturellen 7usammenhalt als aufgesprühte Materialien, aber die mechanische Festigkeit ist bei den notwendigen Dichten doch nicht ausreichend, um eine gute Verschleißbarkeit und einen guten Widerstand gegen Erosion zu liefern.
Aus der US-PS 26 41 670 ist ein pulvermetallurgisch hergestellter elektrischer Kontakt bekannt, dem beim Pressen eine Vielzahl symmetrisch angeordneter Vertiefungen eingeprägt worden ist und der vergleichsweise in nur geringem Maße auf Verschleiß beansprucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen mechanisch stabilen, flächigen Sinterkörper mit honigwabenförmiger Verschleißfläche unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte auf einem Träger bereitzustellen, der keine Lot- oder Schweißverbindungen aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dichte des erhöhten Netzwerkes 35 bis 95% der theoretischen Dichte des Trägermaterials ausmacht und die Dichte des in situ gesinterten Metallpulvers, welches die honigwabenartig eingepreßten Vertiefungen ausfüllt, 20 bis 60% der theoretischen Dichte des Trägermaterials ausmacht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung macht die Dichte des Metallpulvers, welches die gitterförmig eingepreßten Vertiefungen ausfüllt, 20 bis 60% der theoretischen Dichte des Trägermaterials aus und die Dichte der erhöhten Quader macht 35 bis 95% der theoretischen Dichte des Trägermaterials aus.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform

der Erfindung besteht eine Diffusionsbindung zwischen dem Netzwerk und dem Träger.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, einen Sinterkörper mit extrem kleiner Zellenkonfiguration zu schaffen, ohne daß die Herstellungskosten wesentlich ansteigen. Außerdem können derartige kleine Z<-?!lenkonfigurationen unter Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen Zellen erreicht werden.

Die Erfindung eignet sich primär für die Herstellung von Labyrinthabdichtungen, aber sie ist auch für die Herstellung von Kupplungsplatten, Lagermaterialien, Scheibenbremsen-Auflagen und dergleichen geeignet, ebenso auch für Paneele niedriger Dichte für Anwendungen zur akustischen Dämpfung.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der '5 Erfindung ergeben sich aus der Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht eines Umhüllungsteils der Turbinenmaschine gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht eines Sinterkörpers gemäß der Erfindung,

F i g. 3 und 4 Ansichten ähnlich der F i g. 2, die andere Ausführungsformen zeigen.

In F i g. 1 ist ein radial sich erstreckender Rotorflügel 10 einer Turbinenmaschine dargestellt, dessen Ende an einer ringförmigen Ummantelung 12 anliegt, an der eine Abdichtung befestigt ist, die eine honigwabenförmige Struktur 14 besitzt. Die honigwabenförmige Struktur 14 bildet einen zusammenhängenden Körper aus zusammengepreßten Metallpulvern, in die mit Hilfe von selektiv eingedrückten Regionen ein Netzwerk von Vertiefungen 16,18 gebildet ist, wobei die Vertiefungen gleichmäßig in einer wiederholenden und vorbestimmten Weise im wesentlichen über der ganzen Verschleiß- ^3<> fläche angeordnet sind. Diese Vertiefungen 16 und 18 können von verschiedener geometrischer Form sein, z. B. Rauten, Quadrate, Kreise, sinusförmige Muster, gerade Linien, die parallel zu einer einzigen Achse liegen und dergleichen.

Die besondere Aufmerksamkeit sei auf die Fig.2 gerichtet, in der die eingedrückten Regionen 16 zusammenhängend sind und sich im rechten Winkel schneiden, verglichen mit den nicht zusammenhängenden Vertiefungen 18, die in Fig.3 gezeigt sind. In den vorzugsweisen Ausführungsformen der F i g. 2 und 3 liefern die Vertiefungen eine Bodenoberfläche aus Metallpulverteilchen, die in einem größeren Maß verdichtet sind als die angrenzenden nicht eingedrückten Regionen.

Die honigwabenförmigen Strukturen 14,14a, 146, die in den Fig. 1 bis 3 gezeigt sind, können als eine Labyrinthabdichtung verwendet werden, wenn sie aus einem Material bestehen, das ausreichende Oxidationsbeständigkeit und eine bestimmte Verschleißbarkeit besitzt. Die honigwabenförmigen Strukturen können mit oder ohne einen Träger 24 verwendet werden, der aus einem geeigneten Material besteht. Gewöhnlich besitzt der Träger 24 volle Dichte. Eine verbindende Zwischenschicht (nicht gez^i^t), die zwischen die honigwabenförmige Struk:.. :-. and den Träger 24 gelegt ist, besteht aus einem verhältnismäßig feinen Metallpulver, das gleichartig oder ähnlich oder mindestens metallurgisch verträglich mit dem Auflagematerial ist.

In der vorzugseisen Ausführungsform dieser Erfindung werden die zusammenhängenden und nicht zusammenhängenden Vertiefungen 16, 18 mit verdichtetem Metallpulver 26 gefüllt, das mit der honigwabenförmigen Grundstruktur 14 verträglich ist, so daß eine Festkörperbindung zwischen dem Pulver in den Öffnungen und dem Metallpulver der angrenzenden Regionen leicht hergestellt werden kann.

Das Metallpulver 26, das als Füllmaterial dient, wird auf einen vorherbestimmten Grad verdichtet, der von dem Grad der Verdichtung abweichen kann, der der honigwabenförmigen Struktur gegeben wurde. Im Ergebnis kann die Gesamtstruktur, die in diesem Beispiel aus dem Füllmaterial und der honigwabenförmigen Struktur besteht, drei verschiedene Dichtegrade besitzen. Dieser Körper mit Vielfachdichte kann leicht mit der im folgenden beschriebenen Methode erreicht werden.

Die honigwabenförmige Struktur 14,14a und 146 der Füller 26 und der Träger 24 können alle aus einem oxidationsbeständigen Material bestehen, wie Nickel, Chrom, Aluminium, Eisen Molybdän, Kobalt, Wolfram oder Legierungen daraus. Der Grad der gewünschten Verschleißbarkeit kann der Metallpulverstruktur durch Veränderungen in der Dichte oder Zusammensetzung gegeben werden.

Typischerweise besteht das verschleißbare Metallpulver, z. B. für den Füller, aus verhältnismäßig groben Partikeln, die im gesinterten Zustand weniger dicht sind, wodurch schlechtere mechanische Eigenschaften erreicht werden als sie für die honigwabenförmige Struktur erforderlich sind. Die honigwabenförmige Struktur 14 besteht aus einem verhältnismäßig feinen Metallpulver, das zu verhältnismäßig hoher Dichte gesintert werden kann. Die Dichte des höher verdichteten Bestandteiles reicht von 35 bis 95% der theoretischen Dichte des Basismaterials. Die Dichte des Füllmaterials 26 soll 20 bis 60% des theoretischen Wertes betragen.

Für die meisten typischen Anwendungen ist eine Partikelgröße von weniger als 44 μίτι für die honigwabenförmige Struktur 14 zufriedenstellend, während die typische Teilchengröße für das verhältnismäßig grobe Füllmaterial 26 weniger als 150 μίτι beträgt. Der erfindungsgemäße Gegenstand kann nach verschiedenen pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt werden. Das folgende Verfahren erbrachte zufriedenstellende Ergebnisse.

Die Materialien für die honigwabenförmige Struktur und den Füller wurden getrennt zubereitet. Ein Legierungspulver aus 80% Nickel und 20% Chrom, gegebenenfalls mit 1% Aluminium, wird in einem Zwei-Schalenmischer mit 2% Kohlenstoff einer Größe, von 10 μίτι und weniger vermischt. Vor dem Einbringen in eine Graphitform wird eine Menge von 1 bis 2% Alkohol der Mischung als ein Suspensionsvehikel zugefügt. Das Material, das die honigwabenförmige Struktur 14 bildet, wird auf die gleiche Art hergestellt, indem eine Legierung der gleichen Zusammensetzung verwendet wird, die mit 1 % Kohlenstoff vermischt wird. Wiederum wird vor dem Einbringen 1 bis 2% Alkohol zugefügt.

Der Trägerstreifen 24 besitzt eine Dicke von 0,025 bis 0,13 mm und ist aus der gleichen oder einer ähnlichen Legierung zusammengesetzt. Der Träger 24 wird dann mit einem geeigneten flüchtigen Klebsnoff besprüht, woraufhin, während er noch feucht ist, feines Metallpulver von weniger als 37 μπι auf den Träger 24 gestäubt wird, um eine hochdichte bindende Grenzfläche zu schaffen. Das überschüssige Material wird nach dem Trocknen des Klebstoffes abgestäubt. Der beschichtete

Träger 24 wird dann in die Graphitform eingelegt. Daraufhin wird das Pulver, das die honigwabenförmige Struktur bildet, auf den Träger 24 aufgebracht und zusammen werden sie dann in der Form im Vakuum eine Stunde lang bei geeigneter Temperatur gesintert. Nach dem Abkühlen wird der Streifen in einer hydraulischen Presse um 1 bis 3% zusammengepreßt, um ihn auf eine gleichmäßige Dicke zu bringen. Daraufhin wird das Netzwerk von zusammenhängenden oder nicht zusammenhängenden Vertiefungen, die die honigwabenförmige Struktur bilden, mittels eines entsprechenden Werkzeuges in den Sinterkörper eingepreßt. Die Tiefe des Netzwerkes beträgt gewöhn-

lieh 2 mm. Der Preßkörper wird dann abgestaubt, um lockeres Material zu entfernen, und dann auf einen Aufspanntisch angeordnet, um das Füllmaterial 26 aufzubringen. Das als Füllmaterial dienende Metallpulver wird in die Vertiefungen mittels eines Rakels eingebracht, und der Überschuß wird in üblicher Weise abgestrichen. Das Ganze wird dann im Vakuum unter geeigneten Bedingungen erneut gesintert, z. B. eine Stunde lang bei einem maximalen Druck von 0,133 Pa und bei einer Temperatur von 1150°C. Wenn gewünscht, kann das Füllmaterial innerhalb der Vertiefungen vor und nach der Sinterung bis auf ein erwünschtes Maß zusammengepreßt werden.

Hierzu 1 Blatt Z-eic

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Flächiger Sinterkörper mit honigwabenförmiger Verschleißfläche unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte auf einem Träger für den Gebrauch bei hohen Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des erhöhten Netzwerkes 35 bis 95% der theoretischen Dichte des Trägermaterials ausmacht und die Dichte des in situ gesinterten Metallpulvers, welches die honigwabenartig eingepreßten Vertiefungen ausfüllt, 20 bis 60% der theoretischen Dichte des Trägermaterial ausmacht

2. Flächiger Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diffusionsbindung zwischen Netzwerk und Träger besteht.

3. Flächiger Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem verschleißbaren Material besteht, nämlich Nickel, Chrom, Aluminium, Eisen, Molybdän, Kobalt, Wolfram oder einer Legierung daraus.

4. Flächiger Sinterkörper mit gitterförmiger Verschleißfläche unterschiedlicher Zusammensetzung und Dichte auf einem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Metallpulvers, welches die gitterförmig eingepreßten Vertiefungen ausfüllt, 20 bis 60% der theoretischen Dichte des Trägermaterials ausmacht und die Dichte der erhöhten Quader 35 bis 95% der theoretischen Dichte des Trägermaterials ausmacht.