DE2057971A1

DE2057971A1 - Verfahren zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes mit der Gestalt eines Rotationskoerpers aus einem keramischen Material

Info

Publication number: DE2057971A1
Application number: DE19702057971
Authority: DE
Inventors: Hannam Mervyn John
Original assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Current assignee: Leyland Gas Turbines Ltd
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1970-11-25
Publication date: 1971-07-22
Also published as: GB1290734A; DE2057971B2; DE2057971C3

Description

DIPL.-ING. HARRO GRALFS PATENTANWALT

33 BRAUNSCHWEIG

AM BÜRGERPARK 8 TELEFON (0531)24598

23. November 1970

L 718 -

Iieyland Gas Turbines Limited Meteor Works, Lode Lane, So 11 hull Warwickshire, England

Verfahren zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes mit der Gestalt eines Rotationskörpers aus einem keramischen Material

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes, der die Gestalt eines Rotationskörpers besitzt, aus einem keramischen Material. Der Ausdruck "keramisches Material" soll hier ein wirkliches keramisches Material wie auch ähnliche Materialien bezeichnen, wie beispielsweise Siliziumnitrid. Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, das Herstellen von feilen für Gasturbinentriebwerke, die hohen Betriebstemperaturen widerstehen können, wie beispielsweise !Temperaturen über 1100° C. Bisher hat man keramische Seile dieser Art mittels Verfahren hergestellt, die in der Keramikindustrie üblich sind, wie beispielsweise Gießverfahren ("slip casting"), Presaen und Sintern, oder Warmpressen. Xs hat sich herausgestellt, daß die !Toleranzen in den Abmessungen der !eile, die mit Hilfe dieser bekannten

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Verfahren hergestellt sind, zu groß sind, und daß es weiterhin schwierig ist, öffnungen in den Gegenständen herzustellen, wie es beispielsweise bei Flammrohren oder Flammrohrauskleidungen nötig ist. Diese Schwierigkeit rührt daher, daß das Siliziumnitrid nach dem Brennen äußerst hart ist. Ein Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem solche Teile mit kleineren Toleranzen hergestellt werden können, und mit dem Öffnungen leichter in den Teilen ausgebildet werden können.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes mit der Gestalt eines Rotationskörpers aus einem keramischen Material eine hohle Form, deren Innenfläche der gewünschten Gestalt der Außenfläche des Gegenstandes entspricht, um ihre Längsachse gedreht, wobei die Form mit Drainageöffnungen oder Poren versehen ist, dann wird ein Material, aus dem das keramische Material gebildet werden soll, in Gestalt einer breiig flüssigen Masse durch einen mit der Form umlaufenden Injektor eingebracht, wobei die Drehzahl des Injektors und der Form derart gewählt sind, daß die breiig flüssige Masse infolge der Fliehkraft zur Form geschleudert wird und darauf eine Schicht aus dem die Keramik bildenden Material bildet, worauf der flüssige Anteil der Masse infolge der Fliehkraft durch die Drainageöffnungen oder Poren der Form hindurchtritt. Anschließend wird dann' das abgelagerte, die Keramik bildende Material zum Herstellen eines sich selbst tragenden "grünen" Gegenstandes getrocknet, worauf dieser Gegenstand zum Herstellen des Fertigprodukts gebrannt wird.

Vorzugsweise wird die Form von dem im grünen Zustand vorliegenden Gegenstand getrennt, bevor der Gegenstand gebrannt wird. Jedoch kann die Form selbst auch ein mit dem keramischen Material

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auszukleidender Gegenstand sein, wobei in diesem Falle der Gegenstand im grünen Zustand gebrannt wird, während er in der Form verbleibt.

Zweckmäßigerweise wird auf die Innenseite der Form vor dem Einbringen der breiig flüssigen Masse eine Auskleidung aus Filtermaterial aufgebracht. Dieses Filtermateria] kann ein Material sein, das während des Brennens des in grünem Zustand vorliegenden Gegenstandes verbrennt.

Die Erfindung schließt weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes mittels des oben erläuterten Verfahrens ein. Diese Vorrichtung weist eine hohle Form auf, die mit einer Innenfläche versehen ist, die der gewünschten Gestalt der Außenfläche des Gegenstandes entspricht. Die Form ist mit Drainageöffnungen oder Poren versehen, durch die der flüssige Anteil der breiig flüssigen Masse hindurchtreten kann, und weist weiterhin Befestigungseinrichtungen auf, mit denen sie so angeordnet ist, daß sie in einer Zentrifuge gehalten wird und sich um die Längsachse drehen kann.

Zweckmäßigerweise besteht die Form aus wenigstens zwei !eilen und weist Einrichtungen auf, mit denen die Teile miteinander " verbunden werden. Diese Befestigungseinrichtungen sind lösbar, so daß die Teile der Form von dem im grünen Zustand vorliegenden Gegenstand vor dem Brennen gelöst werden können. Wenn der Gegenstand mit durchgehenden öffnungen versehen werden soll, die größer sind als die DrainageÖffnungen oder Poren, wird die Form ebenfalls mit öffnungen versehen, die an den Stellen angeordnet sind, die den für die größeren öffnungen im Gegenstand vorgesehenen Stellen entsprechen und die im wesentlichen dieselbe Größe

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und Gestalt "besitzen. Die Vorrichtung kann weiterhin eine Zentrifuge einschließen, die mit einem Injektor versehen ist, mit dem die breiig flüssige Masse mittels Fliehkraft in die Form eingebracht wird. Weiterhin weist die Zentrifuge Drainageeinrichtungen für die Flüssigkeit auf, die infolge der Fliehkraft durch die Form hindurchtritt und sich in der Zentrifuge sammelt.

Die Erfindung schließt weiterhin einen keramischen Gegenstand ein, der mittels eines Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellt worden ist.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird im folgenden beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes, wie z.B. einer hohlen, zylindrischen Auskleidung für ein Brennkammerflammrohr aus Siliziumnitrid sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch die Vorrichtung.'

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Form,

Die Vorrichtung weist eine hohle zylindrische Form auf, die aus zwei halbzylindrißchen Abschnitten 1, 2 besteht, die in Durchmesserrichtung und axial verlaufende Flanschen 3 besitzen, welche durch Schrauben 4 miteinander verbunden sind. Die beiden Abschnitte 1, 2 der Form sind mit einer großen Aneahl von kleinen

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Löchern 5 oder Poren versehen, die radial durch jeden Abschnitt verlaufen. Diese Löcher 5 sollen den flüssigen Anteil der oben erwähnten breiig flüssigen Masse durchlassen und bilden nicht die größeren Öffnungen, die in dem herzustellenden Gegenstand ausgebildet werden sollen. Vo bei dem Gegenstand, wie z.B. einer Flaimarohrauskleidung, derartige Öffnungen vorgesehen werden sollen, sind in den Formabschnitten 1 und 2 geeignete Öffnungen an Stellen vorgesehen, die den im Gegenstand erforderlichen Öffnungen entsprechen. Nachdem die beiden Formabschnitte 1 und 2 miteinander verbunden sind, wird der auf diese Veise gebildete Zylinder mit einer Lage Filterpapier 9 oder einem anderen Filtermaterial ausgekleidet, das in der Nähe des Innenumfangs angeordnet wird. Dann wird die zusammengesetzte Form zusammen mit der Filterpapierauskleidung 9 in eine Zentrifuge 6 eingebaut, die in Fig. 1 dargestellt ist, in der sie mit hoher Drehzahl um die Längsachse 11 umlaufen kann. Die Zentrifuge 6 ist mit einem Ablauf 7 für den flüssigen Anteil der Masse versehen, wie es Fig. 1 erkennen läßt. In die Form 1,2 ist koaxial eine Zuführleitung 8 für die breiig flüssige Masse eingesetzt, die so angeordnet ist, daß sie sich um die Drehachse 11 der Zentrifuge 6 drehen kann.

Eine geeignete Masse, die zum Herstellen eines Hohres aus Siliciumnitrid benutzt werden kann, besteht aus feinpulverigem Siliziunmetall, das fein verteilt in einer Emulsion aus Polyvinylalkohol ait Wasser und Methylalkohol schwebt, wobei das Gewichteverjiältnis des Siliziums zum Polyvinylalkohol in der Größenordnung von 10:1 liegt. Diese Suspension wird durch das ZtiftihTTOhr $ zugeführt. Wenn nun die Zentrifuge und das Zuftihrrolxr mit ti^er Drehzahl von etwa 200 U/min umlaufen, wird die Hasee gtgen die Sllterpapierauskleidung 9 geschleudert, wobei d«r fltieeige Anteil durch, das Filterpapier und die Löcher 5

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in den Normteilen 1, 2 hindurchtritt und durch die Zentrifugalkräfte gegen die Umfängswandung der Zentrifuge 6 geschleudert wird. Die Drehung der Zentrifuge wird während etwa 15 Minuten fortgesetzt, wobei während dieser Zeit die Mischung aus Silizium und Polyvinylalkohol, bei der der Polyvinylalkohol ein Bindemittel zum Zusammenhalten des pulverigen Siliziums darstellt, in einer rohrförmigen Schicht 10 auf der Innenseite des Filterpapiers abgelagert wird. Wenn die Drehung der Zentrifuge angehalten wird, wird die Flüssigkeit, die durch die Formteile 1,2 hindurchgetreten ist, durch den Ablauf 7 eier Zentrifuge ablaufen oder wird abgepumpt. Die rohrförmige Schicht 10 aus Siliziumpulver und Bindemittel kann dann bei einer Temperatur von 95° C trocknen und wird anschließend entweder zusammen mit der Form herausgenommen oder in situ in der Zentrifuge auf eine Temperatur von 200° C aufgeheizt, um auszuhärten. Nach dem Aushärten wird die Form durch Entfernen der Schrauben 4- getrennt und der "grüne" Hohlzylinder 10 aus Silizium, der auf diese Weise gebildet wurde, wird herausgenommen und in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1400° C gebrannt, um Siliziumnitrid zu ergeben. Während des Brennens wird das Filterpapier 9 zerstört, und auf diese Weise wird ein Siliziumnitridrohr als Fertigware hergestellt.

Wenn die Form 1,2 mit öffnungen versehen ist, die mit den im fertigen Gegenstand herzustellenden öffnungen übereinstimmen, werden die öffnungen im grünen Zustand des Gegenstandes vor dem Brennen dadurch hergestellt, daß die Teile des Filterpapiers und des grünen Materials durch die öffnungen in der Form herausgedrückt werden, bevor die Form in die zwei Abschnitte geteilt wird.

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Die erläuterte Vorrichtung und das Verfahren gestatten es, einen zylindrischen Gegenstand, wie beispielsweise eine rohrauskleidung aus Siliziumnitrid schnell und mit einer sehr großen Genauigkeit in den Abmessungen herzustellen. Sie erlauben es ferner, im Gegenstand vor dem Nitrieren Öffnungen herzustellen, so daß das äußerst schwierige maschinelle Bearbeiten entfällt, das sonst erforderlich wäre, wenn die Öffnungen nach dem Nitrieren hergestellt werden müssen.

Bei dem oben beschriebenen Beispiel kann als Bindemittel auch jedes andere Mittel anstelle des Polyvinylalkohole verwendet werden.

Wenn auch im beschriebenen Beispiel der Gegenstand aus Siliziumnitrid hergestellt wurde, so können doch die Vorrichtung und das Verfahren auch mit anderen keramischen Materialien benutzt werden, wobei ein normales Brennen anstelle des Nitrierens vorgenommen wird.

Im erläuterten Beispiel wurde ein zylindrischer Gegenstand hergestellt. Durch die Verwendung einer geeigneten,geformten Form kann jedoch auch jeder andere hohle Gegenstand hergestellt werden, der die Gestalt eines Rotationskörpers besitzt.

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Claims

A η s ρ γ ü c h e

( 1.)Verfahren zum Herstellen eines hohlen Gegenstandes mit der ^■^ Gestalt eines Rotationskörpers aus einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine hohle Form (1, 2), deren Innenfläche der gewünschten Gestalt der Außenfläche des Gegenstandes entspricht, um ihre Längsachse (11) in Drehung versetzt wird, daß die Form (1, 2) mit Drainageöffnungen (5) oder Poren versehen ist, daß ein Material, aus dem das keramische Material gebildet wird, als breiig flüssige Masse durch einen umlaufenden Injektor (8) in die Form eingebracht wird, wobei die Drehbewegung und Drehzahl des Injektors (8) derart gewählt sind, daß die breiig flüssige Masse durch die Fliehkraft gegen die Form geschleudert wird und darauf eine Schicht aus dem die Keramik bildenden Materials bildet, und wobei der flüssige Anteil der Masse infolge der Fliehkraft durch die Drainageöffnungen (5) oder Poren der Form hindurchtritt, weiter gekennzeichnet dadurch, daß anschließend das abgelagerte, die Keramik bildende Material zum Herstellen eines sich selbst tragenden "grünen" Gegenstandes getrocknet wird, und daß dieser Gegenstand zum Herstellen des Fertigprodukts gebrannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1, 2) vor dem Brennen des Gegenstandes von dem in grüner Form vorliegenden Gegenstand getrennt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1, 2) einen mit dem keramischen Material auszukleidenden Gegenstand bildet, und daß der in grüner Form vorliegende Gegenstand innerhalb der Form gebrannt wird.

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4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einspritzen der breiig flüssigen Masse die Innenfläche der Form mit einer Auskleidung aus Filtermaterial (9) versehen wird.
5. "Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Filtermaterial (9) ein Material verwendet wird, das während des Brennens des in grünem Zustand vorliegenden Gegenstandes verbrennt.

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