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Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments und Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten - Dokument DE102006009860A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006009860A1 06.09.2007
Titel Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments und Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Meier, Reinhold, 84405 Dorfen, DE;
Müller, Claus, Dr., 82008 Unterhaching, DE;
Prieschl, Franz, 85293 Reichertshausen, DE;
Sikorski, Siegfried, 80997 München, DE
DE-Anmeldedatum 03.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006009860
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse B22F 3/22(2006.01)A, F, I, 20060303, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01D 11/00(2006.01)A, L, I, 20060303, B, H, DE   F02C 7/28(2006.01)A, L, I, 20060303, B, H, DE   F16J 15/447(2006.01)A, L, I, 20060303, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten mittels Pulverspritzgießens, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Herstlelung eines ersten homogenen Gemisches aus einem Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel; b) Herstellung eines ersten Formkörpers mittels Spritzgießen des ersten Gemisches; c) Herstellung eines zweiten homogenen Gemisches aus einem Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel, wobei das zweite Gemisch derart gewählt ist, dass es im Vergleich zu dem ersten Gemisch nach einem sich anschließenden gemeinsamen Sintervorgang eine geringere Abriebfestigkeit aufweist; d) Herstellung eines zweiten Formkörpers als Anstreifschicht mittels Spritzgießen des zweiten Gemisches und e) Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers zu dem Dichtsegment. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, bestehend aus mindestens einem ersten Formkörper als Basiselement und mindestens einem zweiten Formkörper mit einer im Vergleich zu dem ersten Formkörper geringeren Abriebfestigkeit als Anstreifschicht, wobei der erste und der zweite Formkörper jeweils mittels Pulverspritzgießen hergestellt ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten mittels Pulverspritzgießens sowie ein Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bestehend aus mindestens einem ersten Formkörper als Basiselement und mindestens einem zweiten Formkörper mit einem im Vergleich zu dem ersten Formkörper höheren Abrieb als Anstreifschicht.

Derartige Dichtsegmente kommen insbesondere bei so genannten Spalterhaltungssystemen in den Verdichter- und Turbinenkomponenten zur Anwendung. Dabei haben derartige Dichtsegmente bzw. Dichtsysteme die Aufgabe, einen Dichtspalt von rotierender Beschaufelung zu einem Gehäuse als auch die Spalte von einer stehenden Beschaufelung zu den drehenden Rotornaben minimal zu halten und damit ein stabiles Betriebsverhalten bei hohem Wirkungsgrad zu garantieren. Dabei weisen in üblicher Weise die rotierenden Bauteile der Turbine Dichtfinnen auf, die in bekannter Weise gegen wabenförmige Dichtungen einlaufen. Eine derartige Wabendichtung ist durch die WO 2004/061340 A1 offenbart. Diese bekannte Wabendichtung besteht aus einem einzelnen, durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Formkörper.

Der genannte Einlaufvorgang kann bei den Dichtfinnen leicht zu Überhitzungen führen, wenn der Kontakt mit dem Wabenmaterial zu lange dauert oder der entstehende Widerstand beim Abreiben der Waben zu hoch wird. Beschädigungen der Dichtfinnen sind daher bei bekannten Dichtsegmenten bzw. entsprechenden Einlaufbelägen nicht auszuschließen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments und ein entsprechend hergestellten Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bereitzustellen, bei dem einerseits eine kostengünstige Herstellung unterschiedlichster Geometrien von Dichtsegmenten möglich ist und andererseits die Belastung der gegen die Dichtsegmente einlaufenden Verdichter- und Turbinenkomponenten verringert wird.

Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Dichtsegment gemäß den Merkmalen des Anspruchs 16.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten mittels Pulverspritzgießens umfasst erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung eines ersten homogenen Gemisches aus einem Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel; b) Herstellung eines ersten Formkörpers mittels Spritzgießen des ersten Gemisches; c) Herstellung eines zweiten homogenen Gemisches aus einem Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel, wobei das zweite Gemisch derart gewählt ist, dass es im Vergleich zu dem ersten Gemisch nach einem sich anschließenden gemeinsamen Sintervorgang einen höheren Abrieb aufweist; d) Herstellung eines zweiten Formkörpers als Anstreifschicht mittels Spritzgießen des zweiten Gemisches; und e) Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers zur Herstellung des Dichtsegments.

Durch die Verwendung des Pulverspritzgießverfahrens ist eine kostengünstige und auch individuelle Herstellung der benötigten Dichtsegmente gewährleistet. Für das Pulverspritzgießen des ersten und zweiten Formkörpers können dabei alle spritzfähigen und sinterbaren Metalle, Metalllegierungen sowie Keramiken verwendet werden. Auch Mischungen der Metall- oder Keramikpulver sind denkbar. Die sinterbaren Keramiken können beispielsweise Nitrid-, Oxid- und Silikatkeramiken sowie Karbide umfassen. Entscheidend bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Dichtsystems ist, dass die Anstreifschicht bestehend aus dem zweiten Formkörper einen höheren Abrieb aufweist als der als Basis- und/oder Befestigungselement für das Dichtsegment dienende erste Formkörper. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, unterschiedlichste Materialanforderungen an ein derartiges Dichtsegment in Verdichter- und Turbinenkomponenten zu erfüllen. Dies betrifft einerseits die einfache Herstellung komplizierter Geometrien durch die Verwendung des Pulverspritzgießverfahrens wie auch die individuelle Anpassung in der Materialauswahl für die Herstellung des ersten und zweiten Formkörpers, die sich nach den tatsächlichen technischen Gegebenheiten richten kann. So ist es möglich, dass Eigenschaften des zweiten Formkörpers, die das Abriebverhalten betreffen, wie das Entstehen von nur niedrigen Reibenergien und -widerständen, die gute Spanbildung und Entfernbarkeit des Abriebes oder auch das Verhindern einer Entzündung des Abriebs beim Anstreifen, individuell auf die anstreifenden Bauelemente der Turbine, wie zum Beispiel Dichtfinnen, abgestimmt werden. Dadurch wird zum Beispiel die Belastung der Dichtfinnen durch das Anstreifen deutlich gesenkt, wodurch der entsprechende Dichtspalt in vorteilhafter Weise verkleinert werden kann. Zudem müssen keine Wabendichtungen oder wabenförmige Einlaufbeläge mit konventioneller Geometrie hergestellt werden, es können auch aerodynamisch wirksamere und herstellungstechnisch kostengünstigere Geometrien entwickelt werden. Zudem ist es möglich, dass die Wabenform gänzlich entfällt und entsprechend ebene Schichten Kosten sparend hergestellt werden. Des Weiteren ist es erfindungsgemäß möglich, auch das erste Formelement, welches als Basis- oder Befestigungselement des Dichtsegments dient, auf die entsprechenden technischen und materialtechnischen Gegebenheiten abzustimmen. Dies betrifft insbesondere die Temperatur- und Erosionsbeständigkeit.

In verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers unmittelbar nach deren Herstellung und vor einem gemeinsamen Entbindungsprozess der Formkörper erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass das Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers nach einem getrennt erfolgenden Entbindungsprozess und vor einem nachfolgenden gemeinsamen Sinterprozess der Formkörper erfolgt. Schließlich ist es auch möglich, dass das Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers nach einem getrennt erfolgenden Entbindungs- und Sinterprozess der Formkörper erfolgt. Im letzteren Fall sind mechanische wie auch chemische Verbindungsprozesse möglich.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der höhere Abrieb des zweiten Formkörpers durch die Reduzierung des Metallpulver- oder Keramikpulveranteils im zweiten Gemisch erzielt. So beträgt zum Beispiel der Metallpulver- oder Keramikpulveranteil im zweiten Gemisch nur ca. 15-30 Vol-%. Dadurch ergibt sich beim Sintern eine poröse Struktur durch reduzierte Körnerkontakte. Vorteilhafterweise entstehen hierbei keine Entmischungseffekte im zweiten Gemisch und es ergibt sich eine homogene Porositätsverteilung. Auch ist keine Änderung der Prozessparameter notwendig.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der höhere Abrieb des zweiten Formkörpers durch die Verwendung von Metall- und Keramikpulvern mit reduzierter Sinteraktivität erzielt. Dabei können zum Beispiel Metallpulver mit geringer Reinheitsklasse, d. h. zum Beispiel höherem C- und O-Gehalt verwendet werden. Auch die Verwendung von luftverdüstem anstelle von inertgasverdüstem Metallpulver führt zu einer höheren C- und O-Belegung der Oberflächen und damit zu einer reduzierten Sinteraktivität. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine sehr poröse Struktur durch reduzierte Körnerkontakte bzw. Sinterhalsbildung. Zudem können kostengünstige Metall- oder Keramikpulver verwendet werden, es wird eine homogene Porositätsverteilung sowie eine Reduzierung der Entmischungseffekte erzielt. Wiederum sind keine Änderungen der Prozessparameter notwendig.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der höhere Abrieb des zweiten Formkörpers durch Beimischung von Binderpolymeren, die sich beim Entbinden und/oder Sintern nicht vollständig zersetzen, zu dem zweiten Gemisch erzielt. Dabei können die Binderpolymere aus der Gruppe der Phenolharze gewählt werden oder Novolak sein. Vorteilhafterweise ergibt sich durch die Beimischung von Binderpolymeren eine Reduzierung der Sinteraktivität, es ergeben sich Karbonrückstände in den Körnerzwickeln der Metall- oder Keramikpulverteilchen im gesinterten Produkt, so dass gute Abriebeigenschaften erzielt werden können. Auch hier finden vorteilhafterweise keine Entmischungseffekte bei einer homogenen Porositätsverteilung statt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der höhere Abrieb des zweiten Formkörpers durch Beimischung von Füllstoffen zu dem zweiten Gemisch erzielt. Dabei können die Füllstoffe aus leicht spaltbaren inerten Materialien wie Graphit, Bentonit oder hexagonalem Bornitrid und/oder Materialien, die während des Entbindens und/oder Sinterns sich zumindest teilweise zersetzen und zur Porenbildung im zweiten Formkörper beitragen, entstehen. Vorteilhafterweise erfolgt zum Beispiel ein Abdampfen während des Sinterns, wodurch es zur Porenbildung in der Abstreifschicht bzw. dem zweiten Formkörper kommt. Es ist aber auch möglich, dass sich die Füllstoffe nicht zersetzen und im gesinterten Produkt, d. h. der Abstreifschicht bzw. dem zweiten Formkörper in den Körnerzwickeln der Metall- oder Keramikpulverteilchen verbleiben. Dadurch ergibt sich insgesamt eine sehr leicht spaltbare bzw. abreibbare Anstreifschicht. Zudem erfolgt gegebenenfalls die Porenbildung im späteren Einsatz des Dichtsegments durch oberflächliche Oxidation, zum Beispiel bei der Wahl von Graphit als Füllstoff.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine Vielzahl von homogenen Gemischen aus Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel gemäß den Verfahrensschritten a) bis d) zur Herstellung einer entsprechenden Vielzahl von Formkörpern und eines daraus resultierenden Dichtsegments bereitgestellt. Dadurch ist es möglich, auch vielschichtige Dichtsegmente kostengünstig in nahezu beliebigen Geometrien herzustellen.

Eine erfindungsgemäßes Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten besteht aus mindestens einem ersten Formkörper als Basiselement und/oder Befestigungselement und mindestens einem zweiten Formkörper mit einem im Vergleich zu dem ersten Formkörper höheren Abrieb als Anstreifschicht, wobei der ersten und der zweite Formkörper jeweils mittels Pulverspritzgießens hergestellt ist. Durch die mindestens zweischichtige Ausbildung des erfindungsgemäßen Dichtsegments ist es möglich, einerseits das Basis- und/oder Befestigungselement, nämlich den ersten Formkörper, wie auch die Abstreifschicht, nämlich den zweiten Formkörper, sowohl in ihren Geometrien wie auch den Materialzusammensetzungen den technischen und materialtechnischen Anforderungen individuell anzupassen. Das Dichtsegment kann dabei zum Beispiel ein Einlaufbelag zur Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einer rotierenden Laufschaufel und einem Gehäuse einer Gasturbine sein. Des Weiteren ist es möglich, dass das Dichtsegment wabenförmig ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Dichtsegment wird dabei nach einem Verfahren, wie es im Vorhergehenden im Detail beschrieben worden ist, hergestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dichtsegments besteht das Dichtsegment aus einer Vielzahl von Formkörpern, wobei mindestens zwei Formkörper mittels Pulverspritzgießens hergestellt sind.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Dichtsegments zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten mittels Pulverspritzgießens, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Herstellung eines ersten homogenen Gemisches aus einem Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel;

b) Herstellung eines ersten Formkörpers mittels Spritzgießen des ersten Gemisches;

c) Herstellung eines zweiten homogenen Gemisches aus einem Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel, wobei das zweite Gemisch derart gewählt ist, dass es im Vergleich zu dem ersten Gemisch nach einem sich anschließenden gemeinsamen Sintervorgang einen eine geringere Abriebfestigkeit aufweist;

d) Herstellung eines zweiten Formkörpers als Anstreifschicht mittels Spritzgießen des zweiten Gemisches; und

e) Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers zur Herstellung des Dichtsegments.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers unmittelbar nach deren Herstellung und vor einem gemeinsamen Entbindungsprozess der Formkörper erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers nach einem getrennt erfolgenden Entbindungsprozess und vor einem nachfolgenden gemeinsamen Sinterprozess der Formkörper erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Verbinden des ersten und zweiten Formkörpers nach einem getrennt erfolgenden Entbindungs- und Sinterprozess der Formkörper erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsegment ein Einlaufbelag zur Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einer rotierenden Laufschaufel und einem Gehäuse einer Gasturbine ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsegment wabenförmig ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulver oder Mischungen von Metallpulvern oder Keramikpulver oder Mischungen von Keramikpulvern alle sinterbaren Metalle und Metalllegierungen sowie alle sinterbaren Keramiken wie beispielsweise Nitrid-, Oxid- und Silikatkeramiken sowie Karbide umfassen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geringere Abriebfestigkeit des zweiten Formkörpers durch die Reduzierung des Metallpulver- oder Keramikpulveranteils im zweiten Gemisch erzielt wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallpulver- oder Keramikpulveranteil im zweiten Gemisch 15-30 Vol-% beträgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geringere Abriebfestigkeit des zweiten Formkörpers durch die Verwendung von Metall- oder Keramikpulvern mit reduzierter Sinteraktivität erzielt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geringere Abriebfestigkeit des zweiten Formkörpers durch Beimischung von Binderpolymeren, die sich beim Entbinden und/oder Sintern nicht vollständig zersetzen, zu dem zweiten Gemisch erzielt wird. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Binderpolymere aus der Gruppe der Phenolharze gewählt sind oder Novolak ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der höhere Abrieb des zweiten Formkörpers durch Beimischung von Füllstoffen zu dem zweiten Gemisch erzielt wird. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffe aus leicht spaltbaren inerten Materialien wie Graphit, Bentonit oder hexagonales Bornitrid und/oder Materialien, die während des Entbindens und/oder Sinterns sich zumindest teilweise zersetzen und zur Porenbildung im zweiten Formkörper beitragen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von homogenen Gemischen aus Metallpulver oder einer Mischung von Metallpulvern oder einem Keramikpulver oder einer Mischung von Keramikpulvern und mindestens einem Bindemittel gemäß den Verfahrensschritten a) bis d) zur Herstellung einer entsprechenden Vielzahl von Formkörpern und eines daraus resultierenden Dichtsegments bereitgestellt werden. Dichtsegment zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bestehend aus mindestens einem ersten Formkörper als Basiselement und mindestens einem zweiten Formkörper mit einer im Vergleich zu dem ersten Formkörper geringeren Abriebfestigkeit als Anstreifschicht, dadurch gekennzeichnet, das der erste und der zweite Formkörper jeweils mittels Pulverspritzgießen hergestellt ist. Dichtsegment nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das Dichtsegment ein Einlaufbelag zur Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einer rotierenden Laufschaufel und einem Gehäuse einer Gasturbine ist. Dichtsegment nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsegment wabenförmig ausgebildet ist. Dichtsegment nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtsegment nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt ist. Dichtsegment nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, das das Dichtsegment aus einer Vielzahl von Formkörpern besteht, wobei mindestens zwei Formkörper mittels Pulverspritzgießen hergestellt sind.






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