DE2529952C3 - Metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickel - Google Patents
Metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickelInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft metallkeramische warmfeste Dichtungsmaterialien auf Nickelbasis, die auf pulvermetallurgischem Wege nach bekannten Verfahren hergestellt werden.The present invention relates to metal-ceramic heat-resistant nickel-based sealing materials based on be produced by powder metallurgy by known methods.
Solche Materialien finden bei der Herstellung von Dichtungselementen (Teilen), beispielsweise an Turbinenbandageringen, die der Einwirkung von auf hohe Temperaturen gebrachten Gasströmen ausgesetzt werden, am wirksamsten ihre Anwendung.Such materials are found in the manufacture of sealing elements (parts), for example on turbine band rings, which are exposed to the action of gas flows brought to high temperatures, most effective their application.
Bekannt ist ein metallkeramisches warmfestes Material auf Nickelbasis, enthaltend als Legierungskompo- 2s nenten in Gew.-%: Silizium bis 3 und Graphit bis 8.A metal-ceramic heat-resistant material based on nickel, containing as an alloy composite, is known percentages in% by weight: silicon up to 3 and graphite up to 8.
Dieses Material wird zur Herstellung von Lamellen in Radial- und Labyrinthdichtungen von Turbinen verwendet This material is used to manufacture lamellae in radial and labyrinth seals for turbines
Solch ein Material gewährleistet aber keine Arbeitsreserve der Maschinen bei Temperaturen des Gasstroms nahe 10000C über längere Zeit, da der darin enthaltende Graphit ausbrennt Dies führt zu einer Erhöhung der Härte der Arbeitsfläche der aus diesem Material hergestellten Dichtungsteile, wodurch der Verschleiß der damit in Berührung stehenden rotierenden Teile (Turbinenschaufeln) auch erhöht wird.Such a material does not guarantee a working reserve of the machines at temperatures of the gas flow close to 1000 0 C for a long time, since the graphite contained in it burns out stationary rotating parts (turbine blades) is also increased.
Außerdem können aus dem genannten Material keine Dichtungselemente (Teile) als Walzband hergestellt werden, da der darin enthaltende Graphit dia Versprödung erhöhtIn addition, no sealing elements (parts) can be produced as rolled strip from the material mentioned because the graphite contained therein increases the embrittlement
Einige Materialien auf Nickelbasis enthalten von 5 bis 20 Gew.-% Silizium, Kupfer, Glimmer, Chrom oder Bornitrid.Some nickel-based materials contain from 5 to 20% by weight silicon, copper, mica, or chromium Boron nitride.
Diese Materialien können langzeitigeres Arbeiten der Maschinen sicherstellen, jedoch nur bei einer Temperatur unter 850° C.These materials can ensure long-term operation of the machines, but only at one temperature below 850 ° C.
So können beispielsweise Materialien auf Nickelbasis mit Kupfergehalt in der Regel nur bei einer Temperatur, die 680° C nicht übersteigt eingesetzt werden.For example, nickel-based materials with a copper content can usually only be used at a temperature which does not exceed 680 ° C can be used.
Materialien mit Glimmergehalt oder mit Gehalt an Verbindungen der Glimmergruppe (Vermiculite, Muskovit u.a.) besitzen eine herabgesetzte Temperaturwechselbeständigkeh. Materials containing mica or containing compounds of the mica group (vermiculite, muscovite i.a.) have a reduced resistance to temperature changes.
Materialien mit Chromgehalt (oder auf Nichrombasis beim Verhältnis Nickel zu Chrom wie 4 zu 1) und mit Bornitridgehalt können ein Arbeiten der Maschinen bei Temperaturen über 850° C nicht gewährleisten.Materials with chromium content (or nichromium-based with a nickel to chromium ratio of 4 to 1) and with Boron nitride content cannot guarantee that the machines will work at temperatures above 850 ° C.
Bornitrid weist bekanntlich ein ähnliches Gefüge wie der Graphit auf, ist aber im Unterschied zum Graphit warmfester und brennt beim Betriebseinsatz des Materials nicht aus.As is well known, boron nitride has a similar structure to graphite, but it differs from graphite heat-resistant and does not burn out when the material is used.
Materialien auf Nichrombasis mit Bornitridgehalt zeigen aber zu einer räumlichen Oxydation durch die Verbrennungsprodukte des Brennstoffes, was die <>5 Geometrie der Dichtungslamellen zerstört oder ein Verwerfen und Verziehen des aus diesem Material hergestellten Bandes, während des BetriebseinsatzesMaterials based on nichromium with boron nitride content show, however, a spatial oxidation by the Combustion products of the fuel, what the <> 5 The geometry of the sealing lamellae is destroyed or the material made from this material is warped and warped produced tape, during operation
hervorruft Die bekannten Materialien stellen ein Arbeiten der Turbinen bei einer temperatur des Gasstroms in der Größenordnung von 10000C während längerer Zeit nicht sicher.The known materials do not ensure that the turbines work at a temperature of the gas flow in the order of magnitude of 1000 ° C. for a long period of time.
Beim Verschleiß der Turbinenschaufeln vergrößern sich die Spalte zwischen dem Bandagering der Turbine und deren rotierenden Schaufehl, durch die die Heißgase entweichen. Dies führt zu einem unnötigen Brennstoffverbrauch, zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades der Turbine und zur Verminderung der Reichweite des Flugapparates.When the turbine blades wear out, the gaps between the turbine bandage ring increase and its rotating blade, through which the hot gases escape. This leads to an unnecessary Fuel consumption, to a reduction in the efficiency of the turbine and to reduce the Range of the flight apparatus.
Mit der Steigerung der Geschwindigkeiten von Transportmaschinen steigen auch die Leistungen der Turbinen. Dies ist mit einer Erhöhung der Temperaturen des Gasstroms in der Turbine verbunden, weshalb die Notwendigkeit der Entwicklung eines Materials auf Nickelbasis, das eine erhöhte Warmfestigkeit Temperaturwechselbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit bei minimalem Verschleiß von in Wechselwirkung stehenden Arbeitsteilen, z. B.Schaufeln, besitzt, entstehtAs the speeds of transport machines increase, so do the performance of the Turbines. This is associated with an increase in the temperature of the gas flow in the turbine, which is why the need to develop a nickel-based material that has increased heat resistance and thermal shock resistance and thermal conductivity with minimal wear and tear of interacting Working parts, e.g. B. blades, owns, arises
Ferner ist es erforderlich, daß dieses Material einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls, aus dem der Bandagering der Turbine hergestellt ist, gleich oder nahezu gleich ist und daß die Dichtungsteile ihre Geometrie nicht ändern, aus dem Bandagering nicht herausfallen und eine Härte besitzen, welche deren Einpressen in die mit ihnen in Verbindung stehenden rotierenden Teile ohne deren merklichen Verschleiß an der Berührungsstelle zuläßtIt is also necessary that this material have a has a coefficient of linear thermal expansion that corresponds to the coefficient of linear thermal expansion of the metal, from which the bandage ring of the turbine is made, is the same or nearly the same and that the sealing parts do not change their geometry, do not fall out of the bandage ring and have a hardness that is theirs Pressing into the rotating parts connected to them without their noticeable wear the point of contact
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Behebung der genannten Schwierigkeiten.The purpose of the present invention is to remedy the aforementioned difficulties.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, ein metallkeramisches warmfestes Dichtungsmaterial auf Nickelbasis mit solchen Komponenten in bestimmten Gewichtsveihältnissen zu schaffen, die dem Material Eigenschaften verleihen, die es zur Herstellung von Dichtungsteilen, die in einem auf 10000C aufgeheizten Gasstrom eine längere Zeit betrieben werden, geeignet machen.The invention is based on the object of creating a metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickel with such components in certain weight ratios that give the material properties that are necessary for the production of sealing parts that are operated for a longer time in a gas stream heated to 1000 ° C. make suitable.
Diese Aufgabe wird bei einem metallkeramischen warmfesten Dichtungsmaterial auf Nickelbasis, enthaltend Bornitrid, gelöst indem es erfindungsgemäß außer den genannten Komponenten Siliziumdioxid enthält, wobei die Komponenten in folgenden Gewichtsprozenten vorhanden sind:This task is contained in a metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickel Boron nitride, dissolved by containing silicon dioxide according to the invention in addition to the components mentioned, where the components are present in the following percentages by weight:
Dieses Material eignet sich zur Herstellung von Dichtungsteilen und kann den Betrieb einer Maschine, z. B. einer Gasturbine, während 3000 Stunden bei einer Temperatur des Gasstroms bis zu 10000C oder während .500 Stunden bei einer Temperatur des Gasstromes bis zu 110O0C sicherstellen, wenn die Komponenten in dem Material in den entsprechenden Mengen vorliegen.This material is suitable for the production of sealing parts and can make the operation of a machine, e.g. B. a gas turbine, ensure for 3000 hours at a temperature of the gas stream up to 1000 0 C or during .500 hours at a temperature of the gas stream up to 110O 0 C, if the components are present in the material in the appropriate amounts.
Forschungen und Versuche ergaben, daß das Zusetzen des Siliziumdioxides zum Grundstoff, nämlich zum Nickelpulver, es ermöglicht, durch eine Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit des Nickels die Warmfestigkeit des Materials zu erhöhen.Research and experiments have shown that adding silicon dioxide to the basic material, namely to nickel powder, it enables the high-temperature strength to be increased by increasing the oxidation resistance of nickel to increase the material.
Das Zusetzen von Bornitrid zu dem Nickelpulver ermöglicht es, die Härte des Materials infolge der Trennung der Nickelkörner durch Körner aus Bornitrid, das in die Zusammensetzung des Materials als feinvermahlenes Pulver eingeführt wird, zu vermindern.The addition of boron nitride to the nickel powder makes it possible to reduce the hardness of the material as a result of the Separation of the nickel grains by grains of boron nitride, which is considered in the composition of the material finely ground powder is introduced to reduce.
Die .komplexe Einführung von Siliziumdioxid und Bornitrid in den angegebenen Mengen ermöglicht es, bei Arbeitstemperaturen in der Größenordnung von 10000C an der Materialoberfläche eine Oxydschicht zu erhalten, die ein gutes Haftvermögen auf dem Material 5 besitzt, es gegen die weitere Oxydation schützt, und, was besonders wichtig ist, die Dicke dieser Oxydschicht wird während des Betriebseinsatzes des Materials nicht größenThe .komplexe introduction of silicon dioxide and boron nitride in the specified amounts makes it possible to obtain an oxide layer on the material surface at working temperatures of the order of magnitude of 1000 0 C, which has good adhesion to the material 5, protects it against further oxidation, and What is particularly important, the thickness of this oxide layer will not increase during the operational use of the material
Bei Gehalten an Siliziumdioxid im Material unter 0,5 Gew-% findet eine Herabsetzung der Warmfestigkeit des Materials und eine Erhöhung der Härte der Arbeitsfläche der aus diesem Material hergestellten Dichtungsteile stattIf the silicon dioxide content in the material is below 0.5 % By weight finds a reduction in the heat resistance of the material and an increase in the hardness of the Work surface of the sealing parts made of this material instead
Eine Steigerung des Gehaltes an Siliziumdioxid im ts Material über 8,0 Gew.-% führt eine Senkung der Festigkeit der Oxydschicht, deren Bersten sowie Mitreißen von Oxydschichtteilchen durch den Gasstrom, der erhebliche Geschwindigkeiten hat, herbei, wodurch ein Bruch der Turbinenschaufeln eintreten kann.An increase in the silicon dioxide content in the ts Material over 8.0 wt .-% leads to a reduction in the strength of the oxide layer, its bursting as well Entrainment of oxide layer particles by the gas stream, which has considerable velocities, whereby the turbine blades can break.
Ein Gehalt an Bornitrid unter 1,0 Gew.-% führt zu einer Erhöhung der Härte der Arbeitsfläche der Dichtungsteile, was einen unnötigen Verschleiß der mit ihnen in Verbindung stehenden Teile während des Betriebes zur Folge hatA boron nitride content of less than 1.0% by weight leads to an increase in the hardness of the working surface of the Sealing parts, causing unnecessary wear and tear of the parts connected to them during the Operation
Eine Erhöhung des Gehaltes an Bornitrid im Material über 10 Gew.-% führt zu einer Herabsetzung der Warmfestigkeit, der Temperaturwechselbeständigkeit und der mechanischen Festigkeit des Materials.An increase in the boron nitride content in the material above 10% by weight leads to a reduction in the Heat resistance, thermal shock resistance and the mechanical strength of the material.
Zur Erläuterung der Erfindung werden nachstehend Beispiele der Herstellung des Materials beschrieben.To illustrate the invention, examples of the preparation of the material are described below.
Zur Herstellung des Materials werden in Gew.-% genommen:To produce the material, the following are used in% by weight:
Siliziumdioxid 0,5Silicon dioxide 0.5
Hexagonales Bornitrid 1,0Hexagonal boron nitride 1.0
Nickel RestNickel rest
4040
Die genannten Komponenten werden als Pulver genommen und in einem Trommelmischer vermischt. Das erhaltene Gemisch wird in eine Stahlmatrize eingeschüttet und mit einer hydraulischen Presse gepreßt, bis dem Teil die vorgegebene Form und die erforderliche Festigkeit verliehen ist.The components mentioned are taken as a powder and mixed in a drum mixer. The mixture obtained is poured into a steel die and used with a hydraulic press pressed until the part is given the specified shape and strength.
Die gepreßten Teile werden in Elektroöfen in reduzierender oder Inertgasatmosphäre gesintert.The pressed parts are sintered in electric furnaces in a reducing or inert gas atmosphere.
Auf solche Weise können Dichtungsteile in der Form von Lamellen, Ringen und Naben erzeugt werden. Ein so Dichtungsteil in der Art eines Bandes kann nach dem Walzen eines Halbzeuges, das die Form einer durch Pressen und Sintern hergestellten Stange hat, erzeugt werden.In this way, sealing parts in the form of lamellae, rings and hubs can be produced. Such a Sealing part in the manner of a tape can after rolling a semi-finished product that has the shape of a through Pressing and sintering made rod has to be produced.
Das erfindungsgemäße Material, aus dem die erwähnten Dichtungsteile hergestellt sind, enthält in Gew.-%:The material according to the invention from which the sealing parts mentioned are made contains in % By weight:
6060
Die genannten Teile werden am Bandagering der Turbine mechanisch befestigt oder angelötet.The parts mentioned are mechanically attached or soldered to the bandage ring of the turbine.
Das erhaltene Material weist folgende Eigenschaften auf: Gewichtszunahme nach der Oxydation an der Luft bei 10000C während 100 Stunden 0,53 kp/m2; Härte der Oberfläche 45 kp/mm2, Dichte 7,0 g/cm3 und Porosität 19%.The material obtained has the following properties: increase in weight after oxidation in air at 1000 ° C. for 100 hours 0.53 kp / m 2 ; Surface hardness 45 kp / mm 2 , density 7.0 g / cm 3 and porosity 19%.
Das Material wird analog zum vorigen Beispiel hergestellt Das Material enthält inGew.-%:The material is produced analogously to the previous example The material contains in% by weight:
Das erhaltene Material weist folgende Eigenschaften auf: Gewichtszunahme nach der Oxydation an der Luft bei 10QO0C während 100 Stunden 0,70 kp/m2. Härte der Oberfläche 48 kp/mm2, Dichte 6,5 g/cm3 und Porosität 230/0. The material obtained has the following properties: weight gain after the oxidation in the air at 10QO 0 C for 100 hours 0.70 kg / m 2. Surface hardness 48 kp / mm 2 , density 6.5 g / cm 3 and porosity 230/0.
Das Material enthält in Gew.-%:The material contains in% by weight:
Siliziumdioxid 8,0Silica 8.0
Bornitrid 10,0Boron nitride 10.0
Nickel RestNickel rest
Das Material wird analog zum Beispiel 1 hergestelltThe material is produced analogously to example 1
Das erhaltene Material weist folgende Eigenschaften auf: Gewichtszunahme nach der Oxydation an der Luft bei 10000C während 100 Stunden 1,1 kp/m2, Härte der Oberfläche 45 kp/mm2, Dichte 6J3 g/cm3 und Porosität 25%.The material obtained has the following properties: weight increase after oxidation in air at 1000 ° C. for 100 hours 1.1 kp / m 2 , surface hardness 45 kp / mm 2 , density 6J3 g / cm 3 and porosity 25%.
Prüfergebnisse zeigten, daß das genannte Material bei erhöhten Temperaturen bis 10000C während mehrerer tausend Stunden und bei einer Temperatur von 12000C während einer kurzen Zeit mit Erfolg betrieben werden kann.Test results showed that the material mentioned can be operated successfully at elevated temperatures of up to 1000 ° C. for several thousand hours and at a temperature of 1200 ° C. for a short time.
Das erfindungsgemäße Dichtungsmaterial weist eine Stabilität der chemischen Zusammensetzung auf. So erlitt z.B. die chemische Zusammensetzung nach Betriebseinsatz des Dichtungsteils während 2000 Stunden im Gasstrom bei 10000C keine Änderungen. Dabei zeigten die Dichtungsteile auch bei länger anhaltender Vibrationsbelastung keine merkliche Neigung zu Schwindung auf.The sealing material according to the invention has a stability of the chemical composition. For example, the chemical composition suffered no changes after the sealing part had been in operation for 2000 hours in the gas flow at 1000 ° C. The sealing parts showed no noticeable tendency to shrink even after prolonged exposure to vibration.
Die erfindungsgemäßen Dichtungsmaterialien besitzen eine erhöhte Oxydationsbeständigkeit und hatten im Mittel bei längerer Oxydation an der Luft bei 10000C folgende Gewichtszunahme:The sealing materials according to the invention have an increased resistance to oxidation and, on average, had the following weight increase after prolonged oxidation in air at 1000 ° C.
nach 450 Stunden
nach 1050 Stunden
nach 1250 Stunden
nach 1450 Stunden
nach 1650 Stunden
nach 1800 Stunden
nach 2000 Stunden
nach 3000 Stundenafter 450 hours
after 1050 hours
after 1250 hours
after 1450 hours
after 1650 hours
after 1800 hours
after 2000 hours
after 3000 hours
0,64 kp/m2
0,91 kp/m2
0,95 kp/m2
0,95 kp/m2 0.64 kg / m 2
0.91 kg / m 2
0.95 kp / m 2
0.95 kp / m 2
1.04 kp/m2 1.04 kg / m 2
1.05 kp/m2 1.05 kp / m 2
1.06 kp/m2 1,10 kp/m2 1.06 kp / m 2 1.10 kp / m 2
Die Ausgangs-Brinellhärte betrug von 20 bis 40 kp/ mm2. Das Material läßt sich spanabhebend bearbeiten und gut löten. Das Dichtungsmaterial hielt bei der Prüfung auf Temperaturwechselbeständigkeit 300 Arbeitsspiele in der Flamme eines Gasbrenners, ohne rissig zu werden, aus. Dabei wurde eine Probe des Materials während eines jeden Arbeitsspiels in 60 s auf 10000C erhitzt und in 60 s auf 100°C abgekühlt.The starting Brinell hardness was from 20 to 40 kp / mm 2 . The material can be machined and soldered well. When tested for thermal shock resistance, the sealing material withstood 300 work cycles in the flame of a gas burner without cracking. A sample of the material during each working cycle in 60 s was heated to 1000 0 C and cooled in 60 s at 100 ° C.
Band aus dem erfindungsgemäßen Dichtungsmaterial mit einer Dicke von 1 bis 22 mm ist plastisch verformbar und kann zu einem Ring mit einem Durchmesser von nicht weniger als 30 mm gebogen oder in einer Ebene bis zu 30mal zusammen- und auseinandergebogen werden.Tape made of the sealing material according to the invention with a thickness of 1 to 22 mm is plastically deformable and can be bent into a ring with a diameter of not less than 30 mm or in a plane be bent up and apart up to 30 times.
55
Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt Die Wärmeleitzahl (kcal/cm-s°C) ist wie folgt: zwischenThe coefficient of linear thermal expansion is The coefficient of thermal conductivity (kcal / cm-s ° C) is as follows: between
20undl00°C 123 - 10-3mm/moC .^L Γ« ■ ■20undl00 ° C 123 - 10- 3 mm / m o C. ^ L Γ «■ ■
iOundZOO-C 15,5 · 10-3mm/m°C 100 o 0^084 iOundZOO-C 15.5 · 10-3mm / m ° C 100 o 0 ^ 084
20und80Q°C: 15,9 · 10-3mm/rn-C 5 500 c °·078 20und80Q ° C: 15.9 · 10-3mm / rn-C 5 500 c ° · 078
20und900°C 163 ■ 10-3mm/m°C 70° °'078 20 and 900 ° C 163 ■ 10-3mm / m ° C 70 ° ° ' 078
20undl000°C 16,4-10-3!^mZm0C t000 °·076 20undl000 ° C 16.4-10-3! ^ MZm 0 C t000 ° 076
Claims (1)
1,0 bis 10,0% Bornitrid,
Rest Nickel
besteht0.5 to 8.0% silicon dioxide,
1.0 to 10.0% boron nitride,
Remainder nickel
consists
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19752529952 DE2529952C3 (en) | 1975-07-04 | 1975-07-04 | Metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickel |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE19752529952 DE2529952C3 (en) | 1975-07-04 | 1975-07-04 | Metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickel |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2529952A1 DE2529952A1 (en) | 1977-01-13 |
| DE2529952B2 DE2529952B2 (en) | 1978-04-06 |
| DE2529952C3 true DE2529952C3 (en) | 1978-11-23 |
Family
ID=5950700
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19752529952 Expired DE2529952C3 (en) | 1975-07-04 | 1975-07-04 | Metal-ceramic heat-resistant sealing material based on nickel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2529952C3 (en) |
-
1975
- 1975-07-04 DE DE19752529952 patent/DE2529952C3/en not_active Expired
Also Published As
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| DE2529952B2 (en) | 1978-04-06 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |