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Title:
RUNNING-IN LINING FOR A TURBO-MACHINE AND PROCESS FOR PRODUCING IT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1993/006341
Kind Code:
A1
Abstract:
Die Erfindung betrifft einen Einlaufbelag für Labyrinthdichtungen einer Strömungsmaschine insbesondere Gasturbine aus einem Schichtverbundwerkstoff mit einem Kern und einer Hülle und Einlagerungen und ein Verfahren zur Herstellung des Einlaufbelages. Dabei ist der Kern aus einem verfilzten oder dreidimensional vernetzten Faserkörper aus Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasislegierungen und die Hülle aus einem oder mehreren Edelmetallen oder Edelmetallegierungen hergestellt und jeder Kern von dem Hüllmaterial vollständig umgeben, wobei die Einlagerungen aus oxidationsbeständigen Gleitmaterialien aus der Gruppe der Oxide, Karbide oder Nitride mit hexagonaler Kristallgitterschichtstruktur bestehen.

Inventors:
Merz, Herbert (Donauwörtherstrasse 21, München 50, D-8000, DE)
Weiler, Wolfgang (Robert-Koch-Strasse 11, Dachau, D-8060, DE)
Application Number:
PCT/EP1992/001812
Publication Date:
April 01, 1993
Filing Date:
August 08, 1992
Export Citation:
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Assignee:
MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH (Dachauer Strasse 665, München 50, D-8000, DE)
Merz, Herbert (Donauwörtherstrasse 21, München 50, D-8000, DE)
Weiler, Wolfgang (Robert-Koch-Strasse 11, Dachau, D-8060, DE)
International Classes:
B22F7/06; B22F8/00; B32B15/01; C23C26/00; F01D5/28; F01D11/02; F01D11/08; F01D11/12; F16J15/447; (IPC1-7): B22F3/26; C23C16/04; F01D11/08
Foreign References:
EP0166940A21986-01-08
DE1243881B1967-07-06
US3160517A1964-12-08
EP0132735A21985-02-13
Attorney, Agent or Firm:
MTU MOTOREN-UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH (Postfach 50 06 40, München, D-80976, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Einlaufbelag für Labyrinthdichtungen einer Strömungs¬ maschine insbesondere Gasturbine aus einem Schichtver¬ bundwerkstoff mit einem Kern und einer Hülle und Einlage¬ rungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem verfilzten oder dreidimensional vernetzten Faserkörper aus Eisen, Nickel oder Kobaltbasislegierungen und die Hülle aus einem oder mehreren Edelmetallen oder Edelmetallegie rungen besteht und jeder Kern von dem Hüll aterial vollständig umgeben ist und die Einlagerungen aus oxida¬ tionsbeständigen Gleitmaterialien aus der Gruppe der Oxi de, Karbide oder Nitride mit hexagonaler Kristallgitter¬ schichtstruktur bestehen.
2. Einlaufbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkörper aus Metall draht, fasern oder spänen be steht.
3. Einlaufbelag nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß der dreidimensional vernetzte Faserkörper ebene gewirkte, gestrickte, gewebte, geknüpfte oder gewickelte zweidimensionale Faserschichten aufweist, die in der drit¬ ten Dimension durch Diffusionskontaktsintern oder Diffu¬ sionsglühen oder durch Wirken, Häkeln, Steppen oder Nähen vernetzt sind.
4. Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus Platin, Rhodium, Gold oder Legierungen dieser Elemente ist.
5. Einlaufbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Einlagerungen aus hexagonalem Bornitrid besteht.
6. Verfahren zur Herstellung des Einlaufbelags nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Kernmaterial mit einem oder mehreren Edelmetallen oder deren Legierungen beschichtet wird, anschließend die Zwischenräume oder Poren des Faserkörpers ganz oder teil weise mit Einlagerungen gefüllt werden, so daß ein Rohfa¬ serkörper entsteht, der anschließend zu einem Einlaufbe¬ lagsrohling verarbeitet und schließlich zu einem Einlauf¬ belag verpreßt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Kernmaterial zu einem unbeschichteten Rohfa¬ serkörper verarbeitet und danach zu einem Einlaufsbelags rohling verpreßt oder diffusionsverbunden wird und an¬ schließend ein Edel etallbeschichten mittels galva nischer, organometall ischer, CVD oder PlasmaAb¬ scheidung erfolgt und vor oder nach der Abscheidung auf dem Dichtungsträger Einlagerungen eingebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Beschichten des Kernmaterials mit Edelme¬ tallen zum Einbringen der Einlagerungen ein Durchtränken des Faserkörpers mit einer Aufschlämmung von Partikeln aus hexagonalem Bornitrid in einer Trägerflüssigkeit erfolgt.
Description:
Einlaufbelag für eine Strömungsmaschine und Herstel1unqsverfahren

Die Erfindung betrifft einen Einlaufbelag für Labyrinthdich- tungen einer Strömungsmaschine insbesondere Gasturbine aus einem Schichtverbundwerkstoff mit einem Kern und einer Hülle und Einlagerungen und ein Verfahren zur Herstellung des Ein¬ laufbelages.

Einlaufbeläge für Strömungsmaschinen sind aus EP-OS 0 166940 bekannt. Die dort offenbarten Einlaufbeläge sollen den Ra¬ dialspalt zwischen Rotorschaufeln und Gehäuse so gering wie möglich halten. Wenn gleichartige Einlaufbeläge für Laby¬ rinthdichtungen mit beispielsweise Labyrinthspitzen auf der Rotorwelle und Einlaufbelag am Gehäuse eingesetzt werden, so besteht die Gefahr der Selbstentzündung des Einlaufbelages, da die Labyrinthspitzen wesentlich intensiver mit dem Einlaufbe¬ lag beim Einlaufen in Reibkontakt stehen als die einzelnen Schaufelspitzen eines Rotors mit dem Gehäuseeinlaufbelag.

Deshalb werden Einlaufbeläge für Labyrinthdichtungen nicht wie in EP-OS 0 165 940 offenbart, aus einem Kernmaterial aus Gra¬ phit oder Keramik hergestellt, sondern aus besser wärmeab- 5 führendem Metallfilz oder Metallgewebe ohne Umhüllungen oder

Einlagerungen.

Trotz dieses Unterschieds entstehen Trϊebwerksausfälle durch Selbstentzündung von Einlaufbelegen aus Metallfilz oder Me-

1° tallgewebe an Labyrinthdichtungen. Dabei kommt es zu lokalen

Überhitzungen des Metallfilzes oder Metallgewebes durch inten¬ siven Reibkontakt mit den Labyrinthspitzen und infolge dessen zu exothermen Reaktionen zwischen verdichtetem, heißem Luft¬ sauerstoff (0,4 bis 1 MPa bei 280 bis 600 β C) und der großen 5 spezifischen oxidierbaren MetallOberfläche des Metallfilzes bzw. Metallgewebes. Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist dabei größer als die Wärmeabfuhr, so daß die Dichtungskonstruktion explosionsartig zerstört wird. Dabei kann es auch zu partiel¬ ler Verschweißung von Einlaufbelagsmaterial mit dem Rotor kom- 0 men.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Einlaufbe¬ lag mit verbesserten Anlauf- und Einschleifeigenschaften anzu¬ geben, bei dem eine exotherme Reaktion eingedämmt wird und die 5 Wärmeleitungseigenschaften verbessert werden.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Kern aus einem verfilzten oder dreidimensional vernetzten Faser¬ körper aus Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasislegierungen und die ^ Hülle aus einem oder mehreren Edelmetallen oder Edelmetall- legierungen besteht und jeder Metallkern von dem Hüll aterial umgeben ist und die Einlagerungen aus oxidationsbeständigen Gleitmaterialien aus der Gruppe der Oxide, Karbide oder Ni¬ tride mit hexagonaler Kristallgitterschichtstruktur bestehen.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß der Kern aus einer Eisen-,

Nickel- oder Kobaltlegierung die nötige Festigkeit liefert, um einen formgetreuen Einlaufbelag zu bilden. Die Edelmetallhülle weist eine höhere Oxidationsbeständigkeit auf, als das form- stabile Kernmaterial und begrenzt und behindert die Ausbrei¬ tung einer exothermen Reaktion durch die oxidationsbeständige Sperrschicht. Der Faserkörper kommt lokal zum Glühen und par¬ tiell auch zum Schmelzen, so daß sich die Dichtung ein¬ schleift, aber eine explosionsartige Ausbreitung der Verbren- nung wird verhindert. Gleichzeitig vergrößert die Edelmetall¬ hülle die Wärmeabfuhr, da edle Metalle aufgrund ihrer höheren Elektronenbeweglichkeit eine höhere Wärmeleitung zeigen als unedle Metalle.

Einlagerungen haben bei herkömmlichen Einlaufbelägen für

Schaufeln die Aufgabe, die metallischen Schaufelspitzen ein- zuschleifen und bestehen deshalb aus Korund oder anderen har¬ ten Schleifpartikeln. Bei Labyrinthdichtungen würden derartige Schleifpartikel die metallischen Spitzen der Labyrinthdichtun- gen abarbeiten und die Leckrate vergrößern. Die erfindungsge¬ mäßen Einlagerungen aus oxidationsbeständigen Gleitmaterialien aus der Gruppe der Oxide, Karbide oder Nitride mit hexagonaler Kristallgitterschichtstruktur haben den Vorteil, daß sich die hexagonalen Kristallgitterschichten, weil es keine hexagonal- dichtesten Kugelpackungen sind, gleitend verschieben können und damit die Spitzen der Labyrinthdichtungen nicht abrasiv belasten.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht der Faserkörper aus Metalldraht, -fasern oder -spänen. Diese kön¬ nen je nach Vernetzungsart von kleiner oder großer Länge sein. Je nach Faserform und Faserart werden unterschiedliche Her¬ stellverfahren zur Bildung eines Faserkörpers vorteilhaft

eingsetzt. Aus endlosgezogenen Fasern von ca. 1 bis 50 μm

Durchmesser lassen sich zweidimensionale kreuz!agengewi kelte zylindrische Schichten, herstellen, die anschließend durch Diffusionskontaktsintern oder Diffusionsglühen an den Kreu- zungspunkten der Faserwicklung zu einem Faserkörper vernetzt werden. Die endlosgezogenen Fasern eignen sich aber auch, um Nadelfilze herzustellen oder dreidimensionale Gestricke, Ge¬ wirke oder Gewebe zu bilden. Lang- und Kurzfaserspäne können zu Nadelfilz verarbeitet werden, der sich für eine dreidimen- sionale Vernetzung mittels Diffusionskontaktsintern oder Dif¬ fusionsglühen zu einem Faserkörper besonders eignet.

Galvanisch auf Baumwoll- oder Kohlefasern abgeschiedene Me¬ tallfasern, -fäden oder -drahte könne/wie Metallspäne zu Fa- serkδrpern verarbeitet werden.

Als Material für Metalldrahte und -fasern oder -späne werden Eisen oder Eisenbasislegierungen, Nickel oder Nickelbasisle¬ gierungen oder Kobalt oder Kobaltbasislegierungen verwandt.

Ein wesentlicher Vorteil von Metalldraht, -fasern oder -spänen ist, daß der Faserkörper eine große Anfangsporosität aufweist, so daß für Einlagerungen ein großes Porenvolumen zur Verfügung steht.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist der Faserkörper ebene gewirkte, gestrickte, gewebte, geknüpfte oder gewickelte, zweidimensionale Faserschichten auf, die in der dritten Dimension durch Diffusionkontaktsintern oder Dif- fusionsglühen oder durch Wirken, Häkeln, Steppen oder Nähen vernetzt sind. Das hat den Vorteil, daß der Faserkörper beim Einschleifen der Labyrinthspitzen nicht schichtweise abge-

tragen werden kann, so daß sich keine großflächigen Frεrndpar- tikel beim Einlaufen abschälen und damit die Funktion eines Triebwerkes beeinträchtigen können.

Für die Hülle des Faserkerns wird vorzugsweise als Edelmetall Platin, Rhodium, Gold oder Legierungen dieser Elemente einge¬ setzt. Diese oxidationsbeständigen und wärmeleitenden Metalle haben den Vorteil, daß sie sehr gleichmäßig und kostengünstig in den Faserkörper zur Umhüllung der Metalldrähte, -fasern oder -späne einbringbar sind.

Eine bevorzugte Einlagerung besteht aus Partikeln aus hexago- nalem Bornitrid. Das hexagonale Bornitrid verbessert das Reib- und Anstreifverhalten zusätzlich, wenn es als Einlagerung in den Einlaufbelag vor, während oder nach der Formgebung des Einlaufbelages eingebracht wird. Pyrolytisch abgeschiedenes α-Bornitrid hat eine hexagonale Kristallgitterschichtstruktur und ist nicht nur äußerst oxidationsbeständig, sondern hat auch einen Reibkoeffizienten wie Graphit. Es reagiert nicht mit den meisten schmelzflüssigen Metallen und wird nicht be¬ netzt und ist weich wie Talkum. Da es eine beachtliche Wärme¬ leitfähigkeit besitzt, vermindert es den Anstieg der Tempera¬ tur des Einlaufbelags, wenn die Poren des Faserkörpers mit α-Bornitrid aufgefüllt sind. Der Temperaturanstieg wird außer- dem durch die Herabsetzung des Reibkoeffizienten des Einlauf¬ belages durch das weiche Bornitrid vermindert.

Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung des gattungsgemäßen Einlaufbelages anzugeben, wird dadurch gelöst, daß zunächst das Kernmaterial mit einem oder mehreren Edelmetallen oder deren Legierungen beschichtet wird, anschließend die Zwischen¬ räume oder Poren des Faserkörpers ganz oder teilweise mit Ein-

lagerungen gefüllt werden, so daß ein Rohfaserkörper entsteht, der anschließend zu einem Einlaufbelagsrohling verarbeitet und schließlich zu einem Einlaufbelag verpreßt wird.

Diese Abfolge von Verfahrensschritten hat den Vorteil, daß bis zur Fertigstellung des Einlaufbelages qualitätssichernde Zwischenprodukte wie ein beschichtetes Kernmatεrial nach einem Edelmetallbeschichtungsschritt, ein Rohfaserkörper nach einem Einbringvorgang für Einlagerungen, ein Einlaufbelagsrohling nach einem Bearbeitungs- und Formgebungsschritt und schlie߬ lich nach einem Pressvorgang der Einlaufbelag gefertigt wer¬ den. Jedes Zwischenprodukt kann einer eigenen Qualitätsprüfung unterworfen werden, um vorteilhaft die Güte des Endproduktes zu sichern. So ermögl cht dieses Verfahren nach dem Edel¬ metallbeschichtungsschritt die Vollständigkeit der Umhüllung des Kernmaterials und die Dicke der Edelmetall Umhüllung fest¬ zustellen. Nach der Einlagerung von Gleitmaterialien kann der Füllgrad der Poren und das verbleibende Porenvolumen am Rohfa- serkδrper geprüft werden. Nach dem Bearbeitungs- und Formge¬ bungsschritt kann die Maßgenauigkeit des Einlaufbelagsrohling gemessen werden und das Schrumpfmaß für einen Verdichtungs¬ schritt durch Pressen festgelegt und damit die Maßgenauigkeit des Einlaufbelags gesichert werden. Ein Nachbearbeiten des verpreßten Einlauf bei ags ist ebenfalls nach einem Qualitäts¬ sicherungsschritt möglich.

Die Herstellung hat den weiteren Vorteil, daß sie äußerst wirtschaftlich ist, da als Kernmaterial handelsübliche Qual i - täten, wie sie Tabelle 1 mit Handelsnamen und chemischer Zu¬ sammensetzung zeigt, einsetzbar sind und die mittels des er¬ findungsgemäßen Verfahrens veredelt werden.

TABELLE 1

Typische chemische Zusammensetzung von handelsüblichen Metallfaserlegierungen als Kernmaterial

Eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß zunächst das Kernmaterial zu einem unbeschichteten Rohfaserkörper verarbeitet und anschließend zu einem Einlauf¬ belagsrohling verpreßt oder diffusionsverbunden wird und anschließend ein Edelmetallbeschichten mittels galvanischer-, CVD- oder Plasma-Abscheidung erfolgt und abschließend Einlage¬ rungen eingebracht werden.

Dieser Verfahrensablauf hat den Vorteil, daß vor dem Edel¬ metallbeschichten bereits ein relativ kompakter Rohfaserkörper vorliegt, dessen große Anzahl von Faserkreuzungsstellen mit der Edelmetallbeschichtung fixiert wird, wodurch eine ver¬ besserte 3-dimensionale Bruchfestigkeit erzielt wird.

Die Korngröße des Einlagerungsmaterial ist trotz der Ver¬ dichtung immer noch klein gegen die Porengröße des ko - paktierten Rohfaserkörpers, so daß eine ausreichende Kon¬ zentration von Einlagerungsmaterial erreicht werden kann.

Zur Einbringung von hexagonalem Bornitrid als Einlagerungs¬ material wird vorzugsweise nach dem Beschichten des Kern¬ materials mit Edelmetallen ein Durchtränken άes Faserkörpers mit einer Aufschl mung von Partikeln aus hexagonalem Borni- trid in einer Trägerflüssigkeit durchgeführt. Nach Verdampfen oder Lufttrocknen der Trägerflüssigkeit verbleiben hexagonale Bornitridpartikel in den Poren des Faserkörpers. Der damit entstandene Rohfaserkörper kann anschließend zu einem Einlauf¬ belagsrohling verarbeitet und schließlich zu einem Einlaufbe- lag durch Pressen verdichtet werden.

Die folgenden Beispiele sind bevorzugte Ausführungen der Er¬ findung.

Beispiel 1 beschreibt einen Einlaufbelag aus Metalldrähten mit Rhodiumbeschichtung und hexagonalen Borni¬ trid Einlagerungen und seine Herstellung.

Beispiel 2 beschreibt einen Einlaufbelag und seine Her- Stellung aus Metallspänen.

Beispiel 1 beschreibt einen Einlaufbelag aus Metalldrähten mit Rhodiumbeschichtung und hexagonalen Bornitrid Einlagerungen und seine Herstellung. Aus einem endlosen Hastelloy X-Draht (vgl. Tabelle 1) wird ein Schlauch mit einem Durchmesser von ca. 120 mm gewirkt. Der Schlauch wird über eine zylindrische Hilfsform in sich aufgerollt, bis ein benötigtes Rohdichtungs-

volu en für einen Einlaufbelag erreicht ist. Das Rohdichtungs- volumen ist dabei wesentlich größer als das Endteil des ferti¬ gen Einlaufbelages.

Das zylindrische Rohteil wird bis zum annähernd doppelten Endteilvolumen vorverdichtet, wobei gleichzeitig oder nachge¬ schaltet eine dreidimensionale Diffusionsvernetzung durch Dif¬ fusionskontaktsintern oder Diffusionsglühen durchgeführt wer¬ den kann.

Das verdichtete Rohteil wird zur Entfernung von Verunreini¬ gungen und Oxidschichten in der folgenden Lösung aus folgenden Chemikalien gebeizt:

a) ca. 300 ml HNO3 einer Konzentration von 1,41 g/cπ.3

b) ca. 35 ml HF einer Konzentration von 1,26 g/cm--*

c) ca. 1.000 ml H2O.

Das Rohteil wird für ca. 30 s in die obige Beizlösung, die auf etwa 50 * C gehalten wird, getaucht. Nachfolgend wird das Roh¬ teil mehrfach in heißem Wasser gespült.

Danach werden die Metalldrähte des verdichteten Rohteils vollständig mit Rhodium umhüllt. Dazu wird das verdichtete Rohteil in ein Galvanikbad folgender Zusammensetzung getaucht:

a) 2 bis 10 g/1 Rhodium-komplexsulfat

b) 5 bis 50 ml/ 1 konzentrierte Schwefelsäure

c) 10 bis 100 g/1 Magnesiu sulfamat

d) 5 bis 50 g/1 Magnesiumsulfat

und eine Stromdichte von 0,5 bis 2 A/dm^ für 0,5 bis 8 Stunden bei einer Raumtemperatur von 20 bis 50 °C eingestellt. Dabei bildet sich auf dem Hastelloy X-Draht eine Edelmetallschicht aus Rhodium von ca. 1 bis 10 μ Dicke. Nach SpülVorgängen in Heißwasser und einem Heißlufttrocknen des beschichteten Fa¬ serkörpers wird dieser auf einen Dichtungsträger aufgelötet. Anschließend wird dieses beschichtete Rohteil durch Einbringen von Bornitridpartikeln zu einem Einlaufbelagsrohling verarbei¬ tet. Dazu wird das Rohteil in eine Aufschlämmung aus:

a) 5 bis 10 Vol hexagonalem α-Bornitrid

b) 3 bis 8 Gew anorganischem Silikat-Binder

c) Rest destilliertem Wasser

mehrfach getränkt und getrocknet. Schließlich wird der Ein¬ laufbelagsrohling in eine endgültige Form zu einem Einlaufbe¬ lag gepreßt und bei Temperaturen zwischen 60 und 150 'C ge¬ trocknet.

Beispiel 2 beschreibt einen Einlaufbelag und seine Herstellung aus Metallspänen. Dazu werden spanabhebend metallische Kurzfa¬ sern aus einem der Werkstoffe der Tabelle 1 hergestellt, ver¬ filzt und unter Diffusionskontεktsintern oder Diffusionsglü- hung auf eine Dichte von etwa 10 bis 25 % der theoretischen

Dichte des Metalls zu einem plattenför igen Faserkörper vorge¬ preßt. Diese Rohplatte wird wie im Beispiel 1 gebeizt und nach Reinigung und Trocknung mit einer organometallischen Lösung für das Abscheiden von Platin oder Rhodium getränkt und ge- trocknet.

Mit einem Erhitzen in mehreren Stufen auf 650 bis 800 °C scheidet sich eine Platin- oder Rhodium- oder Platin/Rho¬ dium-Beschichtung des Faserkörpers aus der organometallischen Verbindung ab. Die Edelmetall-beschichteten Platten werden zertrennt und durch Biegen, Rollen, Walzen oder Pressen zu Faserkörperrohlingen geformt und in Dichtungstrageteile einge¬ lötet.

Nach dem Einlöten erfolgt eine Imprägnierung des Faser¬ körperrohlings mit einer Aufschiämmung von hexagonalen Borni¬ trid-Partikeln wie in Beispiel 1 zu einem Einlaufbelagsrohling und abschließend eine Formpressung zum Einlaufbelag.