DE19834216A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen sowie deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen sowie deren Ver­ wendung, wobei der Verbundwerkstoff durch seine Zu­ sammensetzung unter Berücksichtigung des jeweiligen Einsatzgebietes bzw. Ortes Eigenschaften angepaßt bzw. optimiert ausgebildet wird. Ganz besonders ge­ eignet sind solche erfindungsgemäßen Verbundwerkstof­ fe für Bauteile, die hohen Temperaturen und/oder un­ ter aggressiven Bedingungen, die normalerweise korro­ sions- und/oder oxidationsfördernd sind, ausgesetzt sind.

Für viele Einsatzfälle sind relativ hohe Temperaturen und Temperaturgradienten und insbesondere bei den verschiedensten Bauteilen auch die Thermoschockbe­ ständigkeit auf einer Seite eines solchen Bauteiles, die sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, zu be­ rücksichtigen. Im Gegensatz dazu treten auf der ande­ ren Seite eines solchen Bauteiles auch stark verrin­ gerte Temperaturen auf, so daß die in diesem Bereich geforderten Weise ist auch die Korrosions- bzw. Oxi­ dationsbelastung zu werten.

Für solche Einsatzfälle ist es bisher üblich, entwe­ der Werkstoffe zu benutzen, die in einem Bauteil in Gänze die gewünschten Eigenschaften auf der extrem belasteten Seite erfüllen bzw. Beschichtungen oder einen Schichtaufbau verschiedener Werkstoffe aufzu­ bringen bzw. zu verwenden. Ein solcher Schichtaufbau mit diskreten Schichten ist jedoch wegen der ver­ schiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten für viele Einsatzfälle ungeeignet, da der Schichtverbund infolge der auftretenden thermischen Spannungen ge­ löst und entsprechend ausgebildete Bauteile zerstört werden können.

So ist z. B. aus DE 44 18 598 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus schwer sinterbaren Werkstoffen mit intermetallischen Phasen bekannt, auf deren Offenbarungsgehalt auch für die nachfolgend zu beschreibende erfindungsgemäße Lösung zurückgegriffen wird.

Gemäß dieser Lehre wird so verfahren, daß eine hoch­ disperse Pulvermischung durch Mahlen von mindestens einem Elementpulver und/oder einem Legierungspulver in sauerstofffreier Atmosphäre zur Herstellung von Bauteilen aus schwer schmelz- und sinterbaren Werk­ stoffen mit intermetallischen Phasen und geschlosse­ ner Porosität hergestellt wird. Die intermetallische Phase wird jedoch erst im Nachgang des Zermahlens in einer Hochenergiemühle während der herkömmlichen Sin­ terung gebildet. Zusätzlich soll in dem Werkstoff eine Verstärkungsphase vorhanden sein, die sich eben­ falls während des thermischen Prozesses bildet.

Ein so hergestelltes Bauteil kann jedoch nur bedingt die tatsächlichen Anforderungen bezüglich mechanisch, thermischer und chemischer Einsatzbedingungen ange­ paßt werden, was mit den aus DE 44 18 598 bekannten, aus insbesondere Siliziden bestehenden Bauteilen, in denen Verstärkungskomponenten homogen verteilt sind, nicht differenziert entsprechend den verschiedenen Anforderungen an ein solches Bauteil, erfüllen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem Bauteile aus Verbundstoffen herstellbar sind, die an lokal verschiedene Anforde­ rungen bezüglich ihrer Eigenschaften anpaßbar sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs­ formen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merk­ malen erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, daß die Bauteile aus Verbundwerkstoffen und unter Berücksich­ tigung lokal differenzierter Anforderungen, z. B. be­ züglich der auftretenden Temperaturen, Festigkeiten, Temperaturschwankungen und Umgebungsbedingungen, als Verbundwerkstoff so hergestellt werden, daß das Bau­ teil aus einem Verbundwerkstoff besteht, der eine Basismatrix aus einer intermetallischen Phase auf­ weist, in die mindestens eine Funktionskomponente eingelagert ist. Dabei erfolgt die Einlagerung in der Form, daß ein Konzentrationsgradient für die eine bzw. mehrere Funktionskomponente(n) über den Quer­ schnitt kontinuierlich oder mit sich schichtweise ändernder Konzentration eingestellt wird, so daß an den verschiedenen Seiten eines solchen Bauteiles lo­ kal unterschiedliche Anforderungen erfüllt werden können. Der so zusammengesetzte Verbundwerkstoff wird dann mittels einer thermischen Behandlung, z. B. drucklosem Sintern, zum Bauteil verfestigt.

Dabei können Basismatrix und Funktionskomponente (n) pulverförmig verwendet und mittels bekannter pulver­ metallurgischer Verfahren vor der thermischen Behand­ lung verdichtet werden.

Die Ausgangspulver können, wie dies in DE 44 18 598 A1 beschrieben ist, mittels einer Hochenergiemühle fein zermahlen werden.

Für die Basismatrix des erfindungsgemäßen Verbund­ werkstoffes können die verschiedensten Aluminide, bzw. Silizide, beispielsweise der Elemente Mo, Ti, W, Zr, Fe, Nb, Ni und/oder Ru verwendet werden.

Eine weitere Modifizierung der Basismatrix kann durch die zusätzliche Zugabe von Metallen, wie z. B. Cu, Fe, Ni, Al, Mg und/oder Cr erreicht werden.

Für eine Silizidbasismatrix können verschiedene Funk­ tionskomponenten, wie z. B. ZrO₂, SiC, Y₂O₃,verwendet werden, die im fertigen Bauteil, und demzufolge im erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoff defi­ niert verteilt, enthalten sind.

Der Einsatz erfindungsgemäß hergestellter Bauteile kann auf vielen technischen Anwendungsgebieten und in Anlagen erfolgen, bei denen hohe Temperaturen, Tempe­ raturdifferenzen auftreten und ein direkter Kontakt mit korrosiven Medien, wie z. B. Heißgas, in Schmelzen oder anderen aggressiven Medien, wie dies im Bereich der Energieerzeugung und -umwandlung, in Müllver­ brennungsanlagen und im Ofenbau der Fall ist, erfol­ gen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, Bau­ teile zur Verfügung zu stellen, die Eigenschaften aufweisen, die an die verschiedenen physikalischen und chemischen Anforderungen angepaßt sind.

Ein Beispiel für einen solchen Verbundwerkstoff, ist z. B. ein solcher, dessen Basismatrix aus MoSi₂ be­ steht und die Funktionskomponenten SiC und ZrO₂ auf­ weist, so daß ein solches Bauteil als Hitzeschild ohne weiteres eingesetzt werden kann.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht in der, als Heizer in Hochtemperaturöfen, wobei ein solches Bau­ teil wiederum aus MoSi₂ und ZrO₂ mit definierter Ver­ teilung besteht.

Die erfindungsgemäß so hergestellten Bauteile können ohne weiteres bei Temperaturen bis zu ca. 2000°C ohne weiteres eingesetzt werden.

Andere mögliche Einsatzgebiete sind, z. B. der Moto­ ren- und Triebwerksbau, in denen sich ebenfalls der geringe technologische Herstellungsaufwand und eine durch insbesondere endformnahe Bauteilherstellung mittels Sinterverfahren, hohe Kosteneffizient vor­ teilhaft auswirkt.

Prinzipiell können die erfindungsgemäßen Bauteile auch durch Reaktionspulvermetallurgie auf der Basis von Elementpulververmischungen her­ gestellt werden, die während des drucklosen Sinterns die gewünschte intermetallische Phase bilden. Dabei können die Funktionskomponenten in der gewünschten Form im Werkstoff verteilt werden. Während der Pha­ senbildung treten jedoch Schwelleffekte auf, die zu einer bleibenden Porosität nach Abschluß des Sinterns führen. Zur Unterbindung dieses Effektes kann das Verfahren des heißisostatischen Pressens innerhalb einer Kapselung durchgeführt werden. Die Kosten für diese Vorgehensweise sind jedoch relativ hoch. Es können jedoch hohe Dichten bei Bauteilen mit einer relativ einfachen Geometrie erreicht werden. Kompli­ ziert geformte Bauteile können dagegen nur durch eine kostenintensive Nachbearbeitung hergestellt werden.

Über ein konventionelles Festphasensintern können einphasige Legierungspulver zur Herstellung von Bau­ teilen mit geschlossener Porosität verwendet werden. Hierbei wird jedoch ein hoher Aufwand für die Ver­ dichtung des Pulvers beim kaltisostatischen Pressen sowie hohe Sintertemperaturen und lange Sinterzeiten erforderlich und es können häufig trotz allem nur grobe Gefügezustände erreicht werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können die Verbund­ werkstoffe für die herzustellenden Bauteile jedoch entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil nahezu optimal komponiert werden.

Da die verschiedenen Funktionskomponenten in einem so hergestellten Werkstoff in ihrer Konzentration nicht abrupt, sondern kontinuierlich verändert sind, treten die infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten auftretenden Spannungsprobleme nicht auf und eine daraus mögliche resultierende Zerstörung kann vermieden werden.

Gegenüber anderen bekannten Herstellungsverfahren sind relativ wenige Verfahrensschritte erforderlich und es können außerdem auch relativ komplizierte Geo­ metrien verwirklicht werden. Außerdem können durch die Anwendbarkeit von near-net-shape Techniken kom­ pliziertere Bauteile mit entsprechend erfindungsgemäß angepaßtem Anforderungsprofil hergestellt werden.

Die Einstellung der anforderungsspezifischen Konzen­ tration der Funktionskomponenten über den Quer­ schnitt eines solchen Bauteiles kann beispielsweise mit Verfahren, wie z. B. Pulversprühen, Sedimentation, erreicht werden. Die jeweilige Konzentration kann hierbei im Bereich von 0 bis 99 Vol.-% über den Quer­ schnitt des Bauteiles variiert werden. Der Anteil verschiedener Funktionskomponenten kann dabei ausge­ hend von gegenüberliegenden Seiten eines erfindungs­ gemäß hergestellten Bauteiles größer bzw. kleiner werden, und so die jeweiligen Anforderungen berück­ sichtigt werden.

So besteht die Möglichkeit, innerhalb des erfindungs­ gemäß hergestellten Bauteiles die Wärmeleitfähigkeit im Werkstoffverbund so einzustellen, daß keine kriti­ schen Spannungen auftreten, außerdem kann die chemi­ sche Resistenz gegenüber den verschiedenen möglichen Betriebsbedingungen entsprechend berücksichtigt und dem entgegengewirkt werden, so daß auch von der Bau­ teiloberfläche ausgehende Zerstörungen weitestgehend vermieden werden können.

Neben den Funktionskomponenten können zusätzliche Verstärkungskomponenten im erfindungsgemäß herge­ stellten Bauteil enthalten bzw. eingebettet sein. Bevorzugte Verstärkungskomponenten sind Fasern, die besonders bevorzugt hochtemperaturfest sind. Solche Fasern können z. B. aus den verschiedensten bekannten Keramikmaterialien bestehen.

Durch die Verwendung entsprechend geeigneter Aus­ gangsmaterialien, kann nicht nur, wie dies bereits bekannt ist, die intermetallische Phase, sondern auch die eine bzw. mehrere Funktionskomponente(n) in situ während der thermischen Behandlung gebildet werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, neben der Va­ riation der Funktionskomponentenkonzentration auch eine funktionsbedingte örtliche Variation der Basis­ matrix einzustellen. Hierfür kann beispielsweise eine Matrixkomponente in eine andere intermetallische Pha­ se übergehen.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt eines pulvermetallurgisch hergestellten Hitzeschildes.

Das Hitzeschild ist an den beiden hier gezeigten lin­ ken bzw. rechten Außenseiten an verschiedene Funktio­ nen angepaßt. Die Basismatrix 1 ist aus MoSi₂ gebil­ det. Auf der rechten Seite sind als Funktionskompo­ nente ZrO₂-Partikel 2 vorhanden, die den auf dieser Seite gewünschten höheren Wärmewiderstand eines sol­ chen Hitzeschildes sichern sollen. Auf der linken Seite sind SiC-Partikel 3 als weitere Funktionskompo­ nente zur Verstärkung der Basismatrix in diesem Be­ reich enthalten. Die SiC-Partikel 3 sichern einen erhöhten Korrosionswiderstand gegenüber der anderen Seite des Hitzeschildes, die im Gegensatz dazu einer höheren Temperaturbelastung widersteht.

Ein solches Hitzeschutzschild kann unter Verwendung von Elementpulvermischungen, die im stöchiometrischen Verhältnis von 33,3 Vol.-% Mo und 66,7 Vol.-% Si in einer Planetenkugelmühle über einen Zeitraum von 6 h bei 200 U/min in einer Schutzgasatmosphäre gemahlen werden, wobei als Mahlhilfsmittel Hexan eingesetzt worden ist, erhalten werden. Aus dem so erhaltenen Mahlgut wurden zwei verschiedene Pulvermischungen M1 und M2 hergestellt. Dabei enthält die Mischung M1 10 Vol.-% SiC und die Mischung M2 15 Vol.-% Zr₂. Die bei­ den Mischungen werden dann durch herkömmliches Matri­ zenpressen mit 600 MPa schichtweise zu einem Werk­ stoffverbund verdichtet. Der so erhaltene Grünkörper wird nachfolgend bei 1.600 °C über einen Zeitraum von 1 h im Vakuum gesintert. Nach dem Sintern wird ein entsprechendes Hitzeschild mit einer relativ homoge­ nen Basismatrix aus MoSi₂ mit den genannten Funkti­ onskomponenten SiC und ZrO₂, in der in Fig. 1 ge­ zeigten Anordnung über den Querschnitt des Hitze­ schildes erhalten.

In einem weiteren Beispiel soll die Herstellung eines Heizelementes beschrieben werden. Bei diesem Beispiel werden wieder Pulvermischungen aus den Elementen Mo und Si verwendet, die im stöchiometrischen Verhältnis von 33,3 Vol.-% Mo und 66,7 Vol.-% mit der Planeten­ kugelmühle über 6 h bei 200 U/min in einer Schutz­ gasatmosphäre gemahlen werden. Die im Anschluß an das Mahlen erhaltenen zwei verschiedenen Pulvermischungen M3 und M4, enthalten für die Mischung M3 50 Vol.-% ZrO₂ und die Mischung M4 10 Vol.-% ZrO₂, 10 Vol.-% Y₂O₃.

Die beiden Mischungen werden nachfolgend durch mono­ statisches Pressen so verdichtet, daß die Mischung M3 den Kern und die Mischung M4 die äußeren Randbereiche eines zylindrischen Körpers, also dessen Hülle bil­ den. Der so vorbereitete Grünkörper kann anschließend bei 1800°C im Vakuum gesintert und gegebenenfalls nachfolgend einer Nachverdichtung durch heißisosta­ tisches Pressen unterzogen werden.

Das so erfindungsgemäß hergestellte Bauteil als Hei­ zer weist die erforderlichen thermischen und elektri­ schen Eigenschaften, infolge der im Verbundwerkstoff enthaltenen Funktionskomponenten ZrO₂ und Y₂O₃ auf.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Ver­ bundwerkstoffen, bei denen in eine aus minde­ stens einer intermetallischen Phase gebildeten Basismatrix über den Querschnitt kontinuierlich oder mit sich schichtweise änderndem Konzentra­ tionsgradienten mindestens eine Funktionskompo­ nente eingelagert und der Verbundwerkstoff durch eine thermische Behandlung zum Bauteil verfe­ stigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Basismatrix und Funktionskomponente(n) pul­ verförmig verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Basismatrix Aluminide oder Silizide ver­ wendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Silizide der Elemente Mo, Ti, W, Zr, Fe, Nb, Ni, und/oder Ru verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basismatrix zusätzlich Metalle zugegeben werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausgangspulver für die Basismatrix und Funkti­ onskomponente (n) durch Hochenergiemahlen herge­ stellt und anschließend mittels pulvermetallur­ gischer Verfahren verdichtet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrationsgradient durch Pulversprühen Sedimentation im Bauteil eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet , daß der pulvermetallurgisch verdichtete Verbundwerkstoff drucklos gesintert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet , daß das drucklos gesinterte Bauteil druckunterstützt gesintert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbundwerkstoff mindestens eine Verstär­ kungskomponente eingebettet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungselemente hochfeste Fasern ver­ wendet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionskomponente(n) in situ während der thermischen Behandlung gebildet wird/werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß hochtemperaturfeste und/oder elektrisch leitende Funktionskomponenten verwendet werden.

14. Verwendung eines mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellten Bauteil als Hitzeschild oder elektrischer Heizer.