DE2521990A1

DE2521990A1 - Metallteilchenpresslinge, insbesondere fuer abriebfaehige dichtungen

Info

Publication number: DE2521990A1
Application number: DE19752521990
Authority: DE
Inventors: Arnold R Erickson; Carlino Panzera
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Technetics Corp
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-05-16
Publication date: 1976-11-25
Also published as: FR2313611B1; DE2521990C2; BE829560A; FR2313611A1; GB1512811A; CH609379A5

Description

A. GRÜNECKER

CHPL. ING-

H. KINKELDEY

DR-ING

W. STOCKMAIR

DR-IKG ■ AeE (CALTECH

P. H. JAKOB

DlPL ING

G. BEZOLD

DR BER MAT · D(PL-CHEM.

MÜNCHEN

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

16. Mai 1975

BRUNSWICK CORP. P 9266

One Brunswick Plaza, Skokie, 111. 60076, USA

Metallteilchenpreßlinge, insbesondere für abriebfähige Dichtungen

Die Erfindung betrifft abriebfähige Werkstoffe, die zur Herstellung von Dichtungen für hohe Betriebstemperaturen geeignet sind. Diese neuen Werkstoffe eignen sich insbesondere für Dichtungsflächen zwischen benachbarten rotierenden und stationären Elementen von Turbomaschinen, wie Kompressoren und Turbinen, die bei erhöhten Temperaturen betrieben werden.

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad von Gasturbinenantrieben zum Teil von der äußeren Dichtung zwischen den Enden des Rotors und stationären Schaufeln, und der benachbarten Maschinen— anordnung abhängt. Die Verwendung von abriebfähigen Dichtungswerkstoffen ist bekannt; verschiedene Methoden für ihre Anwendung sind in der Literatur beschrieben. Gemäß dem Verfahren der US-PS 3 413 136 wird eine abriebfähige, poröse Nickeldichtflache auf beanspruchten Maschinenteilen nach einem Spritzverfahren aufgebracht. In der US-PS 3 519 282 ist eine abriebfähige, poröse Metallfaserdichtung beschrieben, deren Poren mit Kupfer-

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TELEFON (Ο89) 22 28 62 TELEX O5-29 3SO TELEGRAMME MONAPAT

und/oder Nickelpulver gefüllt sind. Die Vorteile von Metallpul— Verdichtungen sind in dieser Patentschrift im einzelnen dargelegt. In ähnlicher V/eise werden poröse Lletalldichtungen für diesen Zweck verwendet, wie in den US-PS 3 268 997 und 3 350 178 beschrieben. Es wurde jedoch gefunden, daß infolge der auftretenden hohen Temperaturen eine Oxydation der verwendeten Dichtungen eintreten kann, was eine Herabsetzung des Dichtvermögens und eine Erniedrigung des Wirkungsgrades mit sich bringt.

Gemäß den Aufgaben der Erfindung sollen folgende Gegenstände zur Verfugung gestellt werden:

(a) eine Bulk-Legierung, die maschinell, zum Beispiel durch Zerspanen, oder durch einen Spinnvorgang zu Teilchen umgewandelt werden kann,und die Zusammensetzung I, Al, Cr, II, oder I, Al, Or, III besitzt, wobei I C°_; Fe oder Ni, oder sowohl Co als auch Ni sein kann; II Y, Sc oder seltene Erden bedeuten kann, und III Si, Hf, Zr, Cb oder Ta ist; und die Zusammensetzung nach Gewichtsprozent wie folgt ist:

Element Breiter Bereich Bevorzugter Bereich

Rest zu 100 <fo
etwa 8-12

etwa 15 - 17, sofern I = Ni

oder Co etwa 15 - 23, sofern I = Fe etwa 0,01 - 0,25, sofern I =

Ni oder Co etwa 0,01- 0,1, sofern I = Fe etwa 0,7 - 1,0, sofern I = Co

oder Ni etwa 0,4 - 0,6, sofern I = Fe

(b) ein poröses Material, das ineinandergreifende feine Metallfasern und/oder Pulver der Legierung von (a) enthält;

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I	Rest	zu	. 1	—	00 io
Al	etwa	5	—	01	20
Cr	etwa	10	5 I 1 I	27
II	etwa	0,-	- 0,5 "" -
III	etwa 0, sofern etwa 0, sofern	- 2,0, = Co oder Ni - 1,0, = Fe

(c) neue und verbesserte Dichtungen, die aus dem gepreßten und gesinterten porösen Material von (b) "bestehen;

(d) Dichtungen, wie unter (c) genannt, wobei der Al-Gehalt der Fasern und/oder Pulver mindestens ausreichend ist, um einen Schutzüberzug von AIpO-^ von mindestens 0,5 ^- Dicke auf dem Faser— oder Pulverteilchen zu bilden, wobei das Substrat mindestens noch 4 i° Al-Gehalt aufweist;

(e) Metallpreßlinge bzw. gepreßte Metallkörper, wie unter (d) genannt, in denen die Pasern einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 150 u, vorzugsweise etv/a 4 bis etwa 25 p, insbesondere etwa 8 bis etwa 12 ja, und die Pulvert eilchen einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 p, vorzugsweise etwa 8 bis etwa 40 ju, und insbesondere etv/a 8 bis etwa 25 p, besitzen;

(f) Metallpreßlinge bzw. gepreßte Metallkörper, wie unter (e) genannt, in denen das Aspekt verhältnis bzw. Längen/ Durchmesser-Verhältnis (im folgenden als L/D-Verhältnis bezeichnet) etwa 10 bis etwa 4200, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 100, insbesondere um 50, und das L/D-Verhältnis des Pulvers etwa 1 bis 8 beträgt;

(g) Metallpreßlinge bzw. gepreßte Metallkörper, wie unter (f) genannt,in deneη der Al-Gehalt der Faser zumindest so groß ist, daß er der Gleichung

# Al = y 2^ψΑ + o,O4 J 100

genügt, in der D der Durchmesser der Faser in p. ist; (h) Metallpreßlinge bzw. gepreßte Metallkörper, wie unter (f) genannt, in denen der Al—Gehalt der Pulvert eilchen zumindest so groß ist, daß er der Gleichung

_ ( 0*710

Io Al = I ^ψ^- + 0,04 J 100

genügt, in der D der Durchmesser der Teilchen in u ist; (i) eine gepreßte Metalldichtung,wie unter (g) und (h) genannt, in der die gepreßten und gesinterten Faser- und/oder Pulverteilchen mit einem Schutzüberzug aus AIpO-. von mindestens 0,5 u Dicke versehen sind;

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(j) einen Metallteilchenpreßling, in dem mindestens ein Teil der Teilchen unterschiedliche Legierungszusammensetzungen besitzt, die in den unter (a) genannten breiten Bereich fallen;

(k) Metallteilchenpreßlinge, die NiCrAlY- und NiCrAlSi-Legierungen innerhalb des unter (a) genannten Bereichs fallen.

Diese und weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

Somit betrifft die Erfindung poröse Dichtungen aus feinen Teilchen einer Legierung der Zusammensetzung I, Cr, Al, II, oder I, Cr, Al, III, wobei I Co, Fe, Ni, und Co plus ITi sein kann, II Y, Sc oder seltene Erden bedeuten kann, und III Si, Hf, Zr, Cb oder Ta ist, und die Dichtungen mit einer AIpO-.—Schicht überzogen sind, wodurch die Dichtungen im wesentlichen gegen Oxydation bei hohen Betriebstemperaturen geschützt sind. Die Dichtungen sind abriebfähig, wobei die Erzielung der gewünschten Toleranz dadurch erfolgt, daß man sie in ihrer funktionellen Umgebung, zum Beispiel einer Turbomaschine, anbringt und durch die sich bewegenden Elemente der Maschine, die die Dichtung berühren, eventuelle Vorsprünge wegreibt bzw. abschleift (Selbstan— passung).

Die Dichtung kann in unoxydiertem Zustand eingebaut werden, wobei sich der schützende AIpO-.-Überzug während des Gebrauchs bildet. Man kann auch die Dichtung vorab einer Oxydationsbehandlung zur Bildung des Al₂O-,-Überzugs unterwerfen, zum Beispiel, indem man die Dichtung der Einwirkung eines heißen, Sauerstoff enthaltenden Gases aussetzt, und dann die oxydierte Dichtung in die Maschine einbauen.

Sowohl Pasern, als auch Pulver, entweder allein oder in Kombination, können zur Herstellung der Dichtungen verwendet werden. Der Begriff "Teilchen" ist hier so zu verstehen, daß er sowohl die feinen Metallfasern, als auch das feinteilige Metallpulver umfaßt, die zur Herstellung der Dichtung verwendet werden.

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Die Zusammensetzung der Legierung ist so, daß nach der Bildung des AIpO-.-Überzugs das Substrat mindestens 4 i° Al enthält. Legierungszusammensetzungen (in Gewichtsprozent), die diese Anforderungen erfüllen, liegen innerhalb des breiten Bereiches (bezogen auf das Gewicht) von etwa 15 - 25 $ Cr; etwa 5 - 20 fo Al; etwa 0,01 - 0,5 f<> II und etwa 0,5 - 2,0 # III, wenn I = Co oder Ni, und etwa 0,1 - 1,0 fi III, wenn I = .Fe; Rest Co, Fe, Ni. Die Durchmesser der Faser— und Pulverteilchen liegen innerhalb der breiten Bereiche (in u) von etwa 4 bis 150 bzw. etwa 4 bis 100. Die L/D-Verhältnisse der Fasern betragen im allgemeinen bis etwa 4200, und das L/D-Verhältnis des Pulvers liegt um 1, kann jedoch bis zu 7 oder 8 betragen.

Das abriebfähige Dichtungsmaterial der Erfindung, das für die Hochtemperaturanwendung in Turbomaschinen geeignet ist, besteht aus einer gesinterten Masse aus (1) statistisch verteilten feinen Metallfasern oder (2) feinem Metallpulver oder (3) sowohl Fasern als auch Pulver.

Die freiliegenden Oberflächen der Fasern und Pulverteilchen, die die Dichtung bilden, werden gegen Oxydation bei hohen Temperaturen durch einen AIpO-,-Überzug geschützt, der auf dem Substrat gebildet wird. Dieses Substrat besitzt einen Al-Gehalt von mindestens 4 # zum Ersatz von abgesplittertem bzw. abgeschabtem AlpO-, und zur "Heilung" von eventuellen Al₂O-,-Rissen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise schematische Querschnittsansieht

eines Segments eines Gasturbinenantriebs, bei dem die Erfindung Anwendung findet,

Figur 2 eine stark vergrößerte Querschnittsansicht einer abriebfähigen Metallfaserdichtung der Erfindung,

Figur 3 eine ähnliche Ansicht wie in Figur 2, wobei die

Dichtung jedoch aus Fasern und Pulverteilchen besteht,

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Figur 4 eine ähnliche Ansicht wie Figur 2, wobei es sich

jedoch um eine Pulverteilchendichtung handelt, und

Figur 5 den Zusammenhang zwischen dem Fas er durchmess er und dem Aluminiurngehalt in Gewichtsprozent in der Legierung, der erforderlich ist, um einen 0,5 V-dicken AIpO.-Überzug auf der Faser zu erzeugen, wobei in der Fasersubstanz noch mindestens 4 °ß> Al zurückbleiben.

In Figur 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 das äußere Gehäuse einer Turbomaschine mit Turbinenschaufeln 2, von denen nur eine gezeigt ist. Die umlaufenden Schaufeln 3 und 4 sind mit dem Schwungrad (nicht dargestellt) der Maschine verbunden. Zwischen den Schaufeln 3 und 4 und hiermit verbunden ist eine Dichtung angeordnet, die einen inneren Teil 6 und einen äußeren Teil 7 besitzt. Abriebfähige Dichtungen 8 und 9 sind auf dem Gehäuse neben den Enden 10 und 11 der Schaufeln 3 und 4 angebracht und stellen die äußere Dichtung dar. Die äußere Dichtung 7 cles Elements 5 besitzt vorspringende Ringe 12, die einstückig ausgebildet sind. An diesen Ringen 12 sind kreisförmige Messerkan— ten 13 befestigt.

An dem inneren Teil der Schaufeln 2 ist ein Dichtungsring 14 befestigt. Abriebfähige Dichtungen 15 sind auf rl sr inneren Fläche des Dichtungsrings 14 angebracht und stellen die innere Dichtung dar. Wenn die Maschine ihre Betriebstemperatur und -geschwindigkeit erreicht, dehnen sich die Messerkanten 13 radial stärker aus als die innere Dichtungsfläche 15a, wodurch sich die Messerkanten 13 in die Dichtungen 15 einreiben bzw. einschleifen, so daß eine wirksame Rotations-Dichtwirkung erreicht wird.

Das abriebfähige Dichtungsmaterial, das nachfolgend im einzelnen beschrieben ist, stellt einen Preßling aus Metallfasern, Metallpulver oder beidem, aus einer Legierung der Zusammensetzung I, Cr, Al, II, oder I, Cr, Al, III, wobei I Fe, ITi, Co, oder sowohl Ni als auch Co ist, II Y, Si, Sc oder seltene

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Erden darstellt, und III Y, Si, Hf, Zr, Gb oder Ta ist, dar .Bei Gebrauch unter oxydierenden Hochtemperaturbedingungen entsteht auf dem Preßling, der aus ineinandergreifenden, gepreßten und gesinterten Fasern und/oder Pulverteilchen besteht, ein Schutzüberzug aus AIpO-,, der weitere Oxydation verhindert oder in großem Umfang herabsetzt.

Der gepreßte Werkstoff bzw. Metallpreßling enthält keine losen Teilchen. Die Bezeichnungen "Fasern" und "Pulver" bzw. "Pulverteilchen" bedeuten bei Gebrauch in Verbindung mit den Massen oder Preßlingen, daß die Faser- und/oder Pulverteilchen, so wie sie in der Werkstoffstruktur vorliegen, zusammengesintert sind.

Die Enden 10 und 11 und die Messerkanten 13 reiben bzw. schleifen während der Drehung der Schaufeln 3 und 4 gegen das abriebfähige Material der Dichtungen 8, 9 und 15· Jegliche vorstehenden Teile in der Dichtung werden abgerieben, wodurch ein minimales Dichtungsspiel und eine gute Gasdichtigkeit gewährleistet sind.

Figur 2 zeigt die Ausführungsform mit überlappender bzw. ineinandergreifender Struktur der Metallfasern. Die abriebfähige Dichtung bei dieser Ausführungsform besteht aus ineinandergreifenden und statistisch ausgerichteten Fasern 16. In der weiteren Ausführungsform gemäß Figur 3 sind einige der Lücken zwischen den Fasern mit einem Metallpulver 17 der gleichen oder einer ähnlichen Legierungszusammensetzung, die innerhalb der allgemeinen Formel liegt, ausgefüllt. Der Metallpreßling ist als Ganzes zusammengesintert, so daß die Metallfasern und die Pulverteilchen miteinander verbunden sind (Faser zu Faser, Pulverteilchen zu Pulverteilchen und Faser zu Pulverteilchen). Auf diese Weise entsteht eine abriebfähige Struktur, die die für eine Dichtung erforderliche physikalische Festigkeit besitzt. In der weiteren, in Figur 5 dargestellten Ausführungsform besteht der Metallpreßling vollständig aus Metallpulverteilchen.

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Einige Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäß geeigneten Metallfasern mit kleinem Durchmesser sind in den US-PS 3 394 213, 3 505 039, 3 504 516, 3 277 564, 3 379 000 und 3 698 863 beschrieben. Verfahren zur Herstellung von gepreßten Metallfaserstoffen oder Massen der vorstehend genannten Art sind in den US-PS 3 127 668, 3 505 O38 und 3 469 297 beschrieben. Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern und Pulver— preßlingen sind zum Beispiel aus "Powder Metallurgy", Herausgeber John Wulff, 1942, veröffentlicht durch American Society for Metals; "Powder Metallurgy, Practice and Application", von Sands and Shakespeare, 1966, George Newnes Ltd., London; und den US-PS 3 268 997 und 3 350 173 bekannt.

Legi erungs zus ammens et zung

Es wurde gefunden, daß Legierungen der vorstehenden Zusammen— setzung zu Bulkware verformt und zerspant oder anderweitig maschinell, bearbeitet v/erden können, so daß die Metallteilchen entstehen, aus denen die abriebfähigen Dichtungen der Erfindung aufgebaut sind. Diese Legierungen verleihen den Metallteilchen und den hieraus hergestellten gepreßten Werkstoffen die erforderlichen Eigenschaften. Einige Zusammensetzungen (in Gewichtsprozent) sind in Tabelle I angegeben.

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Tabelle

τ D

Legierung Ni ²^ Pe Al Gr Y ³^ Si

A. NiGrAlY (oder

CoCrAlY) Rest - 5-20 10-27 0,01-0,5

breiter Bereich

bevorzugter

Bereich Rest - 8,0-12 15-17 0,01-0,25

B. NiCrAlSi (oder

CoCrAlSi) Rest - 5-20 10-27 - 0,5-2,0

breiter Bereich

bevorzugter

Bereich Rest - 8,0-12 15-17 - 0,7-1,0.

C. PeCrAlY₄, breiter

Bereich - Rest 5-20 10-27 0,01-0,5

bevorzugter

Bereich - Rest 8,0-12 15-23 0,01-0,1

D. FeCrAlSi,breiter

Bereich - Rest 5-20 10-27 - 0,1-1,0

bevorzugter

Bereich - Rest 8,0-12 15-23 - 0,4-0,6

' Angabe der Elemente in Gewichtsprozent

¹ Nickel kann ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt v/erden.

^' Yttrium kann durch Scandium oder seltene Erden ersetzt werden.

* Silicium kann durch andere bekannte Oxidstabilisatoren (Hf, Zr, Cb, Ta) ersetzt werden.

Die Legierungen NiCrAlY und NiCrAlSi werden wegen ihrer niedrigen Schmelzpunkte bevorzugt. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß die überlegenen Abriebeigenschaften von der Tatsache herrühren, daß der Schmelzpunkt der Dichtungslegierung niedriger als derjenige herkömmlicher Metalle ist, die für Drehschäufelenden und Messerkanten verwendet werden, die gegen das abriebfähige Dichtungsmaterial reiben. In der Legierung muß ein ausreichender Al-Gehalt vorhanden sein, damit ein Al₂O-.-Überzug, der aus der Oxydation der Metallteilchen (Paser— oder Pulverteilchen) resultiert, von mindestens 0,5 γ Dicke gebildet werden kann. Zusätzlich muß im Substrat ein

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.10

Al-G-ehalt von mindestens 4 fo verbleiben, damit zusätzliches Al zur "Heilung" eventueller Risse in den Plättchen bzw. dem Überzug aus AIpO-, und zum Ersatz von abgesplittertem bzw. abgeschabtem AIpO-. vorhanden ist.

Während im allgemeinen eine einzige Legierung zur Herstellung der Fasern und Pulver verwendet wird, um besonderen Anforderungen zu genügen, können Gemische aus Fasern und/oder Pulvern unterschiedlicher elementarer oder gewichtsmäßiger Zusammensetzungen, die innerhalb der allgemeinen Legierungsklasse und des Gewichtsbereichs liegen, zur Herstellung der Metallpreßlinge verwendet werden. Bei Verwendung von zwei oder mehr Legierungen, die unterschiedliche Elemente enthalten, kann unter den hohen G-ebrauchstemperaturen eine Diffusion der Elemente zwischen den Teilchen unterschiedlicher Zusammensetzung, die miteinander in Berührung stehen, stattfinden. Hierdurch können hochkomplexe Legierungsgemische entstehen.

Daß die Metallfasern, die in den Metallpreßlingen der Erfindung Ver\«/endung finden, aus den genannten Legierungen, die einen Al-Gehalt von über 5 % besitzen, erhalten werden können, ist überraschend, da die allgemein vertretene Auffassung dahin geht, daß solche Legierungen zu spröde für das Zerspanen oder andere, zur Faserherstellung erforderliche Maßnahmen sind.

Es kann mathematisch gezeigt werden, daß die Beziehung zwischen dem Al-G-ehalt der Legierung (angegeben als Al-Anteil im Metall) und dem Durchmesser in u (D-) einer Faser mit einem kreisförmigen Querschnitt zur Erzielung einer 0,5 u dicken AIpOV-Schicht, während im Kern ein Al-G-ehalt von 4 f° verbleibt, durch die Formel ,

fo Al in der Metallfaser = ( 9ij21 + 0,04 ) 100 gegeben ist. ^

Während durch die vorstehende Formel der Zusammenhang zwischen der zweckmäßigen Mindestdicke der AIpO-,-Schicht und dem Al—Legierungsgehalt geregelt wird, liegen größere Dicken

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selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, vorausgesetzt, daß das Substrat noch mindestens 4 i° Al enthält. Obwohl diese Formel für Pasern mit kreisförmigem Querschnitt berechnet ist, gibt sie auch den Hindest-Al-Gehalt in der Legierung für den Durchmesser beliebig geformter Pasern an.

Die analoge Beziehung für den Überzug auf einem kugelförmigen Metallpulverteilchen ergibt sich aus der Formel

<f> Al im Metallkügelchen = ( + 0,04 ) 100.

Diese Beziehungen sind in Pigur 5 graphisch dargestellt, aus der hervorgeht, daß zum Beispiel folgende Zusammenhänge gelten:

Durchmesser Mindest-Al-Gehalt Mindest—Al-Gehalt in fo bei

in p. ____ in fo bei Pasern kugelförmigen Teilchen

5 13,5 18,2

8 9,9 12,9

10 8,7 11,1

20 6,4 7,6

Während Pigur 5 den Zusammenhang zwischen dem Mindestaluminium— gehalt zur Gewährleistung einer Mindestdicke von 0,5 u AIpO^ unter Aufrechterhaltung eines Aluminiumgehalts von mindestens 4 $ im Substrat zur Oxidheilung angibt, können selbstverständlich dünnere überzüge zu Beginn oder Oxydation entstehen. Selbstverständlich liegen auch dickere Überzüge im Rahmen der Erfindung, vorausgesetzt, daß die Substratlegierung nach der Oxydation noch mindestens 4 i° Aluminium enthält.

Herstellung der Preßlinge

Metallpreßlinge, die ausschließlich aus Metallfasern bestehen, können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Man kann zum Beispiel ein dünnes Gewebe bzw. Vlies aus Metallfasern mittels Anwendung von Luft (US-PS 3 505 038) oder nach dem Wasseraufschlämmungsverfahren (US-PS 3 127 668) herstellen.

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Ura die Grünfestigkeit der Matte zu erhöhen, können der Fasermatte, die zur Rohtnatte geformt wird, Cellulosefasern, zum Beispiel Baumwollinter oder Fasern aus Celluloseestern und —äthern oder Rayon, zugesetzt v/erden.

Das so hergestellte Fasergewebe bzw. -vlies wird dann.zu dem Metallpreßling gepreßt und gesintert. Die Dichte kann dadurch verändert werden, daß man den auf das Gewebe angewendeten Druck variiert und/oder der Rohfasermatte abbaubares Material hinzusetzt, das während der Sinterstufe zerstört wird. Hierzu ist die Verwendung von Teilchen aus Holz, Kunststoffen oder flüchtigen Verbindungen bekannt.

Metallpreßlinge, die sowohl aus Metallfasern als auch aus Pulverteilchen bestehen, können dadurch hergestellt werden, daß man zunächst ein Gewebe aus Metallfasern nach einer der bekannten Methoden herstellt, dann das Metallpulver in die Hohlräume des Gewebes hineinsiebt und schließlich die Masse aus Faser— und Pulverteilchen zur Erzielung eines Preßlings verpreßt "and sintert. In einer anderen Ausführungsform werden die Faser- und Pulverteilchen im gewünschten Ausmaß miteinander vermischt, nach bekannten Methoden zu einem Gev/ebe verformt, das dann ge- . preßt und der Sinterung unterworfen wird. Der Pulvergehalt des Metallpreßlings kann von 10 bis 50 tfo, vorzugsweise 30 bis 50 fo, variieren. Die Zugabe von Pulver zu der Rohmatte vermindert die Porosität und erlaubt somit die Erzielung einer gegebenen Dichte mit geringerer Verdichtung. Beim Sintern des Metallfaser-Pulver-Gewebes v/erden nicht nur die Fasern an den Berührungsstellen, sondern auch die Metallpulverteilchen mit den Fasern, und untereinander verbunden.

Metallpulverpreßlinge können nach den Verfahren der US-PS 3 268 997 und 3 350 178 hergestellt werden. Diese Verfahren bestehen in einfachen Zügen darin, daß man das Pulver mit einem flüssigen Bindemittel oder cellulosehaltigen! Material zur Erzielung einer gewissen Grünfestigkeit vermischt, zusätzlich flüchtige Stoffe zur Erzielung der Porosität des gepreßten

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Werkstoffs zusetzt, und dann das Gemisch verpreßt und sintert.

Geometrie der Teilchen

Es wurde weiter gefunden, daß die Qualität der erzielten Ergebnisse beim Abrieb von dem L/D-Verhältnis der Teilchen abhängt, aus denen die Dichtung besteht. Im allgemeinen beträgt das L/D-Verhältnis der Metallfasern etwa 10 bis etwa 4200, vorzugsweise 10 bis 100, bei einem Optimum bei etwa 50. Ia Fall von Metallpulver teilchen liegt das optimale L/D-Verhältnis bei etwa 1, kann jedoch bis zu 7 oder 8 betragen.

Die Fasern können Durchmesser von etwa 4 bis etwa 150 u, vorzugsweise etwa 5 bis etwa 25 p, insbesondere etwa 8 bis etwa 12 u, besitzen. Bei gemischten Faser-Metallpreßlingen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, weit gestreute Fasergrößen anzuwenden, zum Beispiel ein Fasergemisch, das Fasern mit einer Größe von etwa 100 bis 150 u, vermischt mit Fasern von etwa 8 bis 12p, enthält. Das Metallpulver kann bezüglich der einzelnen Teilchendurchmesser von etwa 4 bis etwa 100 u, vorzugsweise etwa 5 bis etwa 75 U, insbesondere etwa 5 bis etwa 25 u, variieren. Der in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Durchmesser·* bezeichnet nicht nur die Durchmesser von zylindrischen Fasern und kugelförmigen Pulverteilchen, sondern, im Fall von nicht-zylindrischen Fasern und nicht-kugelförmigen Pulverteilchen, auch die äquivalenten theoretischen Durchmesser, Im Fall eines Zylinders beträgt das Verhältnis des Volumens V zur Oberfläche A D/4, wobei D den Durchmesser bedeutet, und im Fall einer Kugel D/6. Der theoretische Durchmesser eines Faser— teilchens bestimmt sich durch Messung seiner geometrischen Konfiguration, der Bestimmung seiner Oberfläche und seines Volumens, wobei die erhaltenen Y/erte in die Gleichung T=T eingesetzt werden. In ähnlicher Weise erhält man im Fall eines Pulverteilchens bei der Multiplikation des Verhältnisses von Volumen zu Fläche mit dem Faktor'6 den theoretischen Durchmesser.

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Fahrend der vorstehenden Formel für die Mindestdicke des Überzugs Teilchen mit kreisförmigen Querschnitten zugrundeliegen, gibt die Formel auch den Mindest-Al-Gehalt für beliebig geformte Teilchen mit gleichem theoretischem Durchmesser wie die Teilchen mit kreisförmigem Querschnitt an.

Dichte der Preßlinge

Die Dichte des Preßlings ist eine wichtige Eigenschaft, die einen beträchtlichen Einfluß auf die Gebrauchseigenschaften der Dichtung hat. In der Beschreibung ist der Begriff "Dichte" definiert als das Gewicht eines Einheitsvolumens des Preßlings oder der Matte geteilt durch das Gewicht des gleichen Volumens eines festen Metalls des gleichen Materials, das zur Herstellung der. Teilchen verwendet wird. Somit besitzt ein Preßling oder eine Matte mit einer Dichte von 20 % ein Gewicht, das 20 % des gleichen Volumens des festen Metalls beträgt. Die Porosität ergibt sich aus 100 minus Dichte; ein Preßling einer Dichte von 20 % besitzt somit eine Porosität von 80 %.

Die Dichte des Preßlings kann von etwa 10 bis etwa 50 %, vorzugsweise etwa 14 bis etwa 30 %, variieren. Die optimale Dichte hängt von dem beabsichtigten Verwendungszweck ab. Für die Verwendung einer inneren Luft- bzw. Gasdichtung einer Gasturbine, wo das abriebfähige Material der Reibung mit einer Messerkante unterliegt, wie bei den Elementen 13 und 15 der Figur 1, beträgt die Dichte des Pr&^ lings vorzugsweise etwa 14 bis 20 %. Bei Dichtungen für Drehschaufelenden, wie in den Elementen 8, 9? 10 und 11 in Fig. 1 dargestellt, beträgt die optimale Dichte

etwa

hingegen/21 %. Im allgemeinen werden aus Gründen des Erosionswiderstandes bei höheren Endgeschwindigkeiten und höheren Gasgeschwindigkeiten in der Turbine höhere Dichten bevorzugt.

Bei Verwendung von Pulvern, entweder in Kombination mit Fasern oder allein, lassen sich Dichten von etwa 14 bis etwa 70 % leicht erreichen. Wenn der Preßling aus Metallpulver besteht, können Dichten von etwa 30 bis etwa 70 % erreicht werden, wobei

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ein Dichtebereich, von 30 bis 4-0 % bevorzugt ist. Das Beispiel erläutert die Erfindung.

Beispiel

Zur Herstellung von Dichtungen werden die Iletallteilchen, die nach einer der bekannten Methoden hergestellt worden sind, zu einer Masse bzw. Matte der gewünschten Form und Dichte verformt. Wie bereits dargelegt, kann der Preßling aus Fasern und/oder Metallpulver bestehen. Nach der Verformung wird der Preßling gesintert, damit er die gewünschte Festigkeit erhält, anschließend Hochtemperatur-Oxydationsbedingungen zur Ausbildung eines AIgO^- Überzugs unterworfen und dann in die Turbomaschine eingebaut, wo das Einschleifen bis auf ein geeignetes Dichtungsspiel erfolgt. Bei Laboratoriumsversuchen konnte gezeigt wecLen, daß die abriebfähigen Dichtungen der Erfindung eine zufriedenstellende Oxydationsbeständigkeit in Luft bis zu einer [Temperatur von 824 C bei einer Betriebsdauer von 10 000 Stunden besitzen.

Das folgende Beispiel ist auf die Herstellung einer NiCrAlY-Dichtung gerichtet.

NiCrAlY-Fasern mit einer Oberfläche, die einer 5 bis 6 ρ dicken Faser mit kreisförmigem Querschnitt entspricht,die ein mittleres L/D-Verhältnis von etwa 60 besitzen, werden unter Anwendung einer Faseraufschlämmung zu einem Vlies verformt. Die Zusammensetzung der Fasern ist 15,7 % Cr, 9,5 % Al, 0,21 % Y., Rest Ni. Die scheinbare Dichte des gebildeten Vlieses beträgt 13»7 %· Dieses Vlies wird 6 Stunden im Vakuum bei 1177 °C der Sinterung unterworfen und mittels eines Walzenstuhles auf 22 % Dichte verdichtet. Infolge der Veränderung der spezifischen Oberfläche der Fasern während der Sinterung besitzt das fertige Produkt eine Oberfläche, die einer 11 bis 13 ρ dicken Faser mit kreisförmigem Querschnitt entspricht.

Aufgrund einer gewissen Verdampfung während des Sinterns beträgt

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die chemische Zusammensetzung des fertigen Produkts 13,8 bis 15,0 % Cr, 8,7 -'9,4 % Al, 0,18 % Y, Rest Ni. Nachdem man aus . der fertigen NiCrAlY-Fasermetallfolie Streifen geschnitten hat, werden diese durch Walzen verformt, in einenTest-Statorring eingelötet bzw.-geschweißt und 500 Stunden einer Temperatur von etwa 899 °C unterworfen. Hierbei bildet sich ein mindestens 0,5 Ji dicker AIpO,.-Überzug auf den freiliegenden Flächen des Fasermetalls.

Patent ansprüche

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Claims

Patentansprüche

iV Metallpreßlinge bzw. -matten oder -massen, die bei hohen¹

Temperaturen oxydationsbeständig sind, gekennzeichnet durch·

(a) eine gesinterte Masse aus feinen Metallteilchen einer Legierung, im wesentlichen bestehend aus I, Cr, Al, II, oder I, Cr, Al, III, wobei I mindestens einen Bestandteil aus der Gruppe Fe, Go, Ni und Gemische aus Co und Ni, II mindestens einen Bestandteil aus der Gruppe Y, Sc und seltene Erden, und III mindestens einen Bestandteil aus der Gruppe Si, Hf, Zr, Cb und Ta bedeuten, und wobei

(b) die Komponenten der Legierung im wesentlichen folgende Anteile in Gewichtsprozent ausmachen: 10 - 27 % Cr, 5 - 20 % Al, 0,01 - 0,5 % H; III = 0,1 - 1,0 % wenn I = Ie, und III = 0,1 2,0 % wenn I = Co, Ni oder CoundNi;Eest = I, sowie

(c) die freiliegende Oberfläche der Teilchen einen Schutzüberzug aus AIpO-, von mindestens 0,5 p- Dicke über einem darunterliegenden Substrat von mindestens 4 % Al-Gehalt zu bilden vermag.
2. Metallpreßlinge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Metallteilchen im wesentlichen aus Metallfasern und/ oder Metallpulver bestehen, und der Al-Gehalt der Legierung, aus dem die Metallfasern im wesentlichen bestehen, mindestens den durch die Gleichung I

% Al = —g— + 0,04 100 (I)

gegebenen Vert erreicht, und der Al-Gehalt der Legierung, aus dem die Metallpulverteilchen im wesentlichen bestehen, mindestens den durch die Gleichung II

/0,710 \

o/a Al = + 0,04 ] 100 (II)

\ D j

gegebenen Vert erreicht, wobei D in den Gleichungen I und II den Teilchendurchmesser in u bedeutet.

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3· Metallpreßlinge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feinen Metallteilchen, aus denen die Herstellung der Preßlinge erfolgt, Pasern mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 150 u enthalten.
4-, Metallpreßlinge nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser von etwa 8 bis etwa 12 u. besitzen.
5· Metallpreßlinge nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern ein L/D-Verhältnis von etwa 10 bis etwa 4-200 besitzen.
6. Metallpreßlinge nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 10 bis etwa 50 %.
7. Metallpreßlinge nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 14 bis etwa 30 %·
8. Metallpreßlinge nach Anspruch 7 zur Verwendung als Messerkantendichtungen in Gasturbinen, gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 14 bis etwa 20 %.
9. Metallpreßlinge zur Verwendung als Schaufelendendichtungen in Gasturbinen, gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 21 %.
10. Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 10 bis etwa 50 Gew.-% der Teilchen aus Metallpulver bestehen.
11. Metallpreßlinge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 30 bis etwa 5° Gew.-% aus Metallpulver bestehen.
12. Metallpreßlinge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 ρ und die Metallfasern einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 15Ou besitzen.
13· Metallpreßlinge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Metallteilchen zusätzlich, zu Fasern etwa 30 bis etv/a 50 Gew--% Metallpulver mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 u enthalten.
14. Metallpreßlinge nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen zusätzlich zu Fasern etwa 30 bis etwa 50 Gew.-% Metallpulver mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 u und einem L/D-Verhältnis von etwa 1 bis 8 enthalten.
Metallpreßlinge nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 15 bis etwa 30 %.
16. Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15) dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen im wesentlichen aus'Metallpulver mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 u und einem L/D-Verhältnis von etwa 1 bestehen, und die Preßlinge eine Dichte von etwa 14 bis etwa 70 % besitzen.
17· Metallpreßlinge nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Dichte von etwa 30 bis etwa 40 %♦
18. Metallpreßlinge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Teilchen aus einer Legierung einer Zusammensetzung bestehen, in der sich einige der für I, II und III möglichen Legierungsbestandteil von denjenigen der Legierungszusammensetzung mindestens einiger anderer Teilchen unterscheiden.
19· Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Pulvers etwa 5 bis etwa 25 U beträgt.
20. Metallpreßlinge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser etwa 8 bis etwa 12 u, der Metallpulverdurchmesser etwa 4 bis etwa 10Ou,das Faser-L/D-Verhältnis etwa 10 bis etwa 4200, das Metallpulver-L/D-Verhältnis etwa 1 bis 8 und die Dichte der Metallpreßlinge etwa 14 bis etwa 30 % betragen.

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21. Metallpreßlinge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 10 bis etwa 50 Gew.-% der Teilchen aus Metallpulver, bestehen.
22. Metallpreßlinge nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 30 bis etwa 50 Gew.-% der Teilchen aus Metallpulver mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 ai bestehen, die Metallfasern einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 15Ou besitzen, und die Dichte der Metallpreßlinge etwa 14 bis etwa 30 % beträgt.
23· Metallpreßlinge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus Metallfasern mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 15Ou und einem L/D-Verhältnis von etwa bis etwa 4200 bestehen, sowie eine Dichte von etwa 14 bis etwa 30 % besitzen.
24. Metallpreßlinge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus Metallpulver mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 u und einem L/D-Verhältnis von etwa Λ bis 8 bestehen, sowie eine Dichte von·etwa 14 bis etwa 30 % besitzen.
25· Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch einen AlpO^-Überzug von mindestens 0,5 /α Dicke über dem darunter liegenden Substrat aus gesinterten Teilchen, wobei das Substrat mindestens 4 % Al enthält.
26. Metallpreßlinge nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen AIpO,-Überzug von mindestens 0,5p Dicke über dem darunter liegenden Substrat aus gesinterten Teilchen, wobei das Al in dem Teilchensubstrat und dem darüber liegenden A^O^-Überzug zusammen 5 - 20 % des Metallelementgehalts des Teilchens ausmacht.
27· Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Ni, Cr, Al und Y bei einer Zusammensetzung in Gew.-% von 15 bis 17 °/° 8,0 - 12 % Al, 0,01 - 0,25 % Y, Rest Ni, besteht.

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28. Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Fe, Cr, Al und Y bei einer Zusammensetzung in Gew.-% von 15 bis 23 % Cr, 8,0 - 12 % Al, 0,01 - 0,1 % Y, Rest Fe,besteht.
29- Metallpreßlinge nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Fe, Cr, Al und Si bei einer Zusammensetzung in Gew.-% von 15 - 23 % Cr, 8,0 - 12 % Al, 0,4 - 0,6 % Si, Rest Fe, besteht.
30. Metallteilchen, die bei hohen Temperaturen oxydationsbeständig sind, bestehend aus einer Legierung gemäß Anspruch 1, 27» 28 oder 29.
31. Metallteilchen nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um Fasern handelt, die einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 150 ρ und ein L/D-Verhältnis von etwa 10 bis 4200 besitzen, und der Al-Gehalt der Legierung mindestens dem sich aus der Gleichung I gemäß Anspruch 2 ergebenden Wert entspricht.
32. Metallteilchen nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Teilchen um Metallpulverteilchen handelt, die einen Durchmesser von etwa 4 bis etwa 100 η und ein L/D-Verhältnis von etwa 1-8 besitzen, und der Al-Gehalt der Legierung mindestens dem sich aus der Gleichung II gemäß Anspruch ergebenden Wert entspricht.

33· Maschinell bearbeitbare Legierung, vorzugsweise in Form einer Bulk-Legierung, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1, 271 28 oder 29·

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