DE2754461C2

DE2754461C2 - Verfahren zum Herstellen einer geformten abreibbaren Masse und damit erhältliches leicht bearbeitbares Material

Info

Publication number: DE2754461C2
Application number: DE2754461A
Authority: DE
Inventors: Charles Robert Ballston Spa N.Y. Morelock
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-12-09
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1987-04-30
Also published as: DE2754461A1; IT1088696B; FR2373348B1; US4150998A; JPS5372287A; FR2373348A1; JPS6236076B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer geformten abreibbaren Masse, die als Rotationsdichtungsmittel brauchbar ist, sowie ein damit erhältliches leicht bearbeitbares Material mit einer Dichte von 1,1 bis 1,3.

Bisher wurden Rotationsdichtungen, die in verschiedenen Teilen von energieerzeugenden Vorrichtungen verwendet wurden, wie Gasturbinen, nach verschiedenen Verfahren hergestellt, wie in den US-PS 33 83 207 und 35 47 445 beschrieben. Es wurde ein abreibbares Material zur Schaffung einer Dichtung zwischen einem rotierenden und einem stationären Teil benutzt, um eine Gas- oder Flüssigkeitsströmung zwischen den beiden Teilen hindurch zu verhindern. Das abreibbare Material nach der US-PS 35 47 445 beruht auf der Verwendung eines Epoxyharzes und 12 bis 20 Gew.-% hohler organischer Teilchen mit einer Schüttdichte von etwa 0,048 bis etwa 0,081 g/cm³ und einem Außendurchmesser von bis zu 0,5 mm. In der US-PS 33 83 207 ist ein Verfahren zum Herstellen hohler, im wesentlichen kugelförmiger Pulverteilchen, insbesondere aus überzogenem Aluminium beschrieben, die zur Bildung eines zellularen Materials gebunden werden.

In der DE-OS 27 07 299 ist ein Verfahren zum Herstellen von Reaktionsprodukten durch Infiltrieren mit geschmolzenem Silicium vorgeschlagen. Weiter sind gewisse maschinell bearbeitbare Gußkörper vorgeschlagen sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Gußkörper können als zusammenhängende Schichten auf geformten Keramiksubstraten angewendet werden, wie Verbundkörpern aus Siliciumkarbid und Silicium, die die Form eines Umhüllungsringabschnittes für eine Gasturbine haben können. Wie in der vorgenannten DE-OS ausgeführt, können solche zusammenhängenden Schichten oder Verbundkörper mit daran gebundenen zusammenhängenden Schichten mit einer Keramikgrundlage hergestellt werden durch Infiltrierenlassen einer gleichförmigen Mischung aus teilchenförmigem Kohlenstoff und teilchenförmigem anorganischen Material, wie Bornitrid, das entweder in Berührung steht mit einer geformten Masse aus Siliciumkarbid oder einem Verbundkörper aus Silicium und Siliciumkarbid oder einer Kohlenstoffaser-Vorform, mit geschmolzenem Silicium in einer Form. Obwohl dieses vorgeschlagene Verfahren wertvolle bearbeitbare Gußkörper und Verbundstoffe herzustellen gestattet, die aus einer Keramikgrundlage und einer abreibbaren Oberflächenschicht bestehen, erfordert das Verfahren doch das Einbringen eines geformten Teiles in eine Form und das Infiltrieren mit geschmolzenem Silicium von außen in die Form, um an Ort und Stelle einen bearbeitbaren Gußkörper oder Verbundstoff zu bilden, der den verarbeitbaren Gußkörper als abreibbare Schicht aufweist. Das durch Infiltration von geschmolzenem Silicium erhaltene Reaktionsprodukt weist hinterher Spitzen auf, die vor der Einsetzbarkeit des fertigen Teiles entfernt werden müssen.

Es wäre daher erwünscht, ein abreibbares Material herzustellen, das als Rotationsdichtungsmittel eingesetzt werden kann, um Flüssigkeiten oder Gase bei verschiedenen Drucken innerhalb einer Gasturbine oder eines Flugzeugtriebwerkes am Vermischen zu hindern, ohne daß dazu eine Infiltration von geschmolzenem Silicium in einen begrenzten Hohlraum erforderlich ist, was zur Herstellung geformter Reaktionsprodukte führt, die eine maschinelle Bearbeitung erfordern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das anorganisches Material verarbeitet.

Durch die vorliegende Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch:

1. Miteinander Vermischen von 60 bis 80 Gew.-% Siliciumpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von 25 bis 200 µm mit 20 bis 40 Gewichtsprozent Kohlenstoffasern mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von durchschnittlich 1 : 20 und 5 bis 20 Gew.-% eines organischen Binders, bezogen auf das Gewicht der Mischung,
2. Formen der nach 1. erhaltenen Mischung bei einer Temperatur bis zu 100°C und einem Druck bis zu 206 bar zur Bildung einer Vorform und
3. Formen der nach 2. erhaltenen Vorform unter verringertem Druck von 1,33 × 10^-5 bis 2,66 bar und bei einer Temperatur von 1500 bis 1800°C.

Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens brauchbaren organischen Binder zur Herstellung von Rotationsdichtungen sind zum Beispiel Epoxyharz, Paraffinwachs, Acrylesterharze, Polystyrole und andere.

Die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens brauchbaren Kohlenstoffasern sind im Handel erhältlicher, zerkleinerter WDF-Graphitfilz und zerstoßenes WCA-Graphitgewebe.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die abreibbaren Dichtungsmittel hergestellt werden, indem man zuerst Siliciumpulver, Kohlenstoffasern und Binder miteinander vermischt. Dann kann man die trockene Mischung behandeln, um den Binder zu aktivieren, bevor die Mischung in die Vorform gebracht wird. Die Vorform kann dann in eine mit einem Entformungsmittel behandelte Form eingebracht werden, die an die Vorform angepaßt ist. Die Vorform kann man unter verringertem Druck erhitzen, während in der Form eine Temperatur eingestellt wird, die ausreicht, das pulverisierte Silicium in den geschmolzenen Zustand zu überführen, um an Ort und Stelle eine Umsetzung zwischen dem geschmolzenen Silicium und den Kohlenstoffasern in einer im wesentlichen nicht oxidierenden Atmosphäre zustande zu bringen.

In Abhängigkeit von der Art des eingesetzten Binders kann die Bildung der Vorform aus der Mischung aus Siliciumpulver und Kohlenstoffaser variieren. Die Erfahrung hat gezeigt, daß in den meisten Fällen die Vorform hergestellt werden kann, indem man die Mischung in einer Form anordnet und sie zu der gewünschten Gestalt preßt. Formhohlraum, der zum Herstellen der Vorform benutzt wird, ist im allgemeinen von gleicher Gestalt wie der Formhohlraum, der benutzt wird, das endgültige bearbeitbare geformte Rotationsdichtungsmaterial herzustellen.

Geeignetes Entformungsmittel für die Behandlung der inneren Oberfläche der Form bei der Umwandlung der Vorform in das bearbeitbare Rotationsdichtungsmaterial sind zum Beispiel Bornitrid und andere. Es wurde festgestellt, daß die Vorform in 5 Minuten oder weniger bis zu 30 Minuten oder mehr in das bearbeitbare Rotationsdichtungsmaterial umgewandelt werden kann, je nach der Geschwindigkeit, mit der die Form aufgeheizt wird. Es können Temperaturen im Bereich von 1500 bis 1800°C benutzt werden. Brauchbare Ergebnisse können bei verringerten Drucken von 1,33 × 10^-4 bis 0,133 bar erhalten werden.

In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Vorform kann das erhaltene, maschinell bearbeitbare Rotationsdichtungsmittel eine Dichte im Bereich von 1 bis 2 aufweisen. In den meisten Fällen können optimale Abreib-Eigenschaften erhalten werden, während man gleichzeitig zufriedenstellende Dichtungseigenschaften erhält, wenn die Dichte des Rotationsdichtungsmittels im Bereich von 1,1 bis 1,3 liegt, wozu die ursprüngliche Mischung 72 bis 70 Gew.-% Siliciumpulver und 28 bis 30 Gew.-% Kohlenstoffaser enthält.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. Alle Teile sind Gewichtsteile. Beispiel 1

Eine Mischung von 0,5 Teilen handelsüblichem WDF-Filz, der mit einem Druck von 206 bar zerkleinert worden war, einem Teil Siliciumpulver mit einer Teilchengröße von etwa 0,18 mm und kleiner sowie 0,1 Teil Paraffinwachs wurde trocken gemischt und dann 10 Minuten auf 100°C erwärmt und nochmals gemischt. Eine Vorform wur de hergestellt, indem man die Mischung in einer Form anordnete, die einen Hohlraum von etwa 22,2 × etwa 3,2 mm aufwies und mit einem Druck von 206 bar preßte. Die erhaltene Scheibe ordnete man in einer mit Bornitrid behandelten Form an, deren Hohlraumabmessungen im wesentlichen die der vorgenannten Form waren. Man erhitzte die Vorform 20 Minuten auf 1500°C bei einem Druck von 68 Pa. Dann ließ man die Form sich abkühlen und nahm die Scheibe heraus. Sie erwies sich als starr und porös und konnte leicht mit einer Metallsäge zerschnitten werden.

Beispiel 2

Eine Mischung von 1,8 Teilen handelsüblichem WCA-Gewebe, das mit einem Druck von 1029 bar zerkleinert worden war, 4,7 Teilen Siliciumpulver mit einer Teilchengröße von etwa 0,074 mm und mehr und 0,6 Teilen Epoxyharz wurde gemischt. Durch Anordnen dieser Mischung in einer Form mit einem Hohlraum von etwa 38 × 43 × 3,2 mm und Pressen mit etwa 206 bar bei 100°C für 30 Minuten wurde eine Vorform hergestellt. Die erhaltene Scheibe wurde aus der Form herausgenommen und dann auf einer vorher bearbeiteten Siliciumkarbid- Rotationsdichtungs-Rückseite mit 0,1 Teil Epoxyharz befestigt. Dies Ganze ordnete man in einer mit Bornitrid behandelten Form an und erhitzte für 20 Minuten auf eine Temperatur von 1550°C, während der Druck bei 0,133 bar gehalten wurde.
Man ließ die Form sich abkühlen und nahm den Verbundstoff aus Scheibe und Siliciumkarbid-Rückplatte heraus. Die Scheibe war starr und porös und mittels einer Silicium-Bindung fest mit der Siliciumkarbid-Rückplatte verbunden und konnte leicht mit einer Metallsäge zerschnitten werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer geformten abreibbaren Masse, die als Rotationsdichtungsmittel brauchbar ist, gekennzeichnet durch

1. Miteinander Vermischen von 60 bis 80 Gew.-% Siliciumpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von 25 bis 200 µm mit 20 bis 40 Gew.-% Kohlenstoffasern mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von durchschnittlich 1 : 20 und 5 bis 20 Gew.-% eines organischen Binders, bezogen auf das Gewicht der Mischung,

2. Formen der nach 1. erhaltenen Mischung bei einer Temperatur bis zu 100°C und bei einem Druck bis zu 206 bar zur Bildung einer Vorform und

3. Formen der nach 2. erhaltenen Vorform unter verringertem Druck von 1,33 × 10^-5 bis 2,66 bar bei einer Temperatur im Bereich von 1500 bis 1800°C.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder Paraffinwachs ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffaser aus einem Kohlenstoffilzgewebe erhalten wurde.

4. Leicht bearbeitbares Material, brauchbar als Rotationsdichtungsmittel mit einer Dichte von 1,1 bis 1,3, erhältlich nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3.