DE2456435C2 - Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Werkstücks, das in einem ersten Bereich aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht und bei dem ein zweiter Bereich zur Ausbildung einer Löt- oder Schweißverbindung mit einem Metallteil geeignet ist - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Werkstücks, das in einem ersten Bereich aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht und bei dem ein zweiter Bereich zur Ausbildung einer Löt- oder Schweißverbindung mit einem Metallteil geeignet istInfo
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Abstract
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine Pressform pulverfoermige Substanzen zur Bildung der beiden Bereiche unter Sicherstellung einer Uebergangszone zwischen diesen eingefuellt und einem gemeinsamen, Bindungsreaktionen in der Uebergangszone erzeugendem Pressvorgang unterzogen werden. Der keramische Werkstoff ist ein Nitrid und wird in Pulverform eingefuellt. Der Pressvorgang ist ein Heisspressvorgang. Es ist moeglich, in der Pressform eine feste mechanische Verbindung zwischen den beiden Bereichen des herzustellenden Teils zu schaffen, wenn in denjenigem Formbereich, der dem ersten Bereich des Teils entspricht, pulverfoermige Substanzen zur Bildung des keramischen Materials und in den dem zweiten Bereich des fertigen Teils entsprechenden Formteil beispielsweise Al tief 2 O tief 3 in Pulverform eingefuellt wird; wichtig ist dabei, dass bereits beim Einschuetten der Pulver sich eine - in der Regel recht schmale - Uebergangszone bildet, iyopie ueberkorrigiert. Weiterhin ziehen sich bei einer Flaeche
Description
50
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft
die Erfindung ein nach diesem Verfahren hergestelltes Teil.
Die der Erfindung zugrunde liegende Problematik läßt sich am einfachsten anhand der Verhältnisse bei
Turbinenrädern für Gasturbinen erläutern. Zur Erzielung einer hohen spezifischen Leistung eines Strahltriebwerks
— wodurch dieses gegenüber üblichen Brennkraftmaschinen erst konkurrenzfähig wird — ist.
es nötig, mit relativ hohen Gastemperaturen (größenordnungsmäßig 13500C) zu arbeiten. Auch als sogenannte
Superlegierungen bezeichnete metallische Werkstoffe sind hier aus verschiedenen Gründen nicht
mehr einsetzbar, vielmehr tendiert die moderne Entwicklung zum Einsatz hochtemperaturbeständiger
keramischer Werkstoffe, und zwar vorzugsweise nichtoxidischer keramischer Werkstoffe aus der S13N4 und
SiC enthaltenden Gruppe. Ein aus einem derartigen Material gefertigtes keramisches Turbinenlaufrad zeigt
die DE-OS 23 53 551, FOId, 5/28.
Schwierigkeiten bereitet nun die Befestigung derartiger keramischer Teile auf metallischen Wellen, wobei
sich diese Verbindungen bisher insbesondere deshalb nur mit hohem technischen Aufwand realisieren ließen,
weil das Wellenmaterial (Stahl) und das verwendete keramische Material, yor allem heißgeprebtes S13N4,
unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Der Vorteil des genannten keramischen
Materials, nämlich ein geringer Wärmeausdehnungskoeffizient und damit eine gute Temperaturwechselbeständigkeit,
ist hinsichtlich der Verbindung mit einem Metallteil, beispielsweise einer Welle, also gerade als
Nachteil zu betrachten.
Erschwerend macht sich dabei die Tatsache bemerkbar, daß eine mechanische Verbindung zwischen der
Keramik und dem Metall in der Regel eine Bearbeitung des Keramikteils erfordert, die infolge der Härte und
Kosten verursacht Schweiß- oder Lötverbindungen zwischen der Keramik und dem Stahl sind wegen der
Reaktionsträgheit der oben definierten nichtoxidischen keramischen Werkstoffe unmöglich.
Hier Abhilfe zu schaffen ist Aufgabe der Erfindung. Sie befaßt sich also mit einem Verfahren zur
Herstellung eines Teils, das aus einem ersten Bereich aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff und
einem zweiten Pereich aus einem Löt- und Schweißverbindungen ermöglichenden Werkstoff besteht Dabei
beschränkt sich dieses Verfahren verständlicherweise nicht auf den eben als Spezialfall und auch später als
Anwendungsbeispiel geschilderten Fall des Turbinenrades einer Gasturbine, sondern ist ganz allgemein zur
Herstellung aus den beiden Werkstoffen »kombinierter« Teile verwendbar.
Die erfindungsgemäße Lesung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnender. Merkmalen des
Patentanspruchs I.
Die Anwendung des Preßverfahrens zur Herstellung von Teilen aus zunächst pulverförmig vorliegenden
nichtoxidischem keramischen Material ist insoweit bekannt, als diese Teile lediglich aus diesem Material
bestehen; siehe die genannte Offenlegtingsschrift Es ist
auch bekannt, siehe »Konstruktion Elemente Methoden«, 1972, Heft6 und 7, Aufsatz von Heimke,
AhOi-Oxidkeramik-Teile durch Löten oder Schweißen
mit Metallen zu verbinden. Gerade hinsichtlich der Löt- und Schweißbarkeit unterscheiden sich aber die
erfindungsgemäß verwendeten nichtoxidischen keramischen Werkstoffe von der Aluminiumoxid-Keramik.
Wie nun erfindungsgemäß angestellte Überlegungen und Versuche gezeigt haben, ist es möglich, in der
Preßform eine feste mechanische Verbindung zwischen den beiden Bereichen des herzustellenden Teils zu
schaffen, wenn in denjenigen Formbereich, der dem ersten Bereich des Teils entspricht, pulverförmige
Substanzen des keramischen Materials und in den dem zweiten Bereich des fertigen Teils entsprechenden
Formteil beispielsweise AI2O3 in Pulverform eingefüllt wird; wichtig ist dabei, daß bereits beim Einschütten der
Pulver sich eine — in der Regel recht schmale — Übergangszone bildet, in der Partikel beider Materialien
gemischt vorliegen. Gibt man in die Form unmittelbar das fertige keramische Material in Pulverform,
also beispielsweise SijN4, so ergibt sich insbeson-
dere dann, wenn nur im Bereich der Obergangszone in die Preßform ein Silicid- oder Nitridbildner, beispielsweise
reines Aluminium oder Bor, gegeben wird, dort eine Bindung des von dem keramischen Maiterial
abgegebenen Stickstoffs in Form von Siliciden oder Nitriden. Würde man auf die Obergangszone verzichten,
also praktisch ein aus mehreren Werkstoffzonen bestehendes Teil herstellen, so bestünde die Gefahr, daß
der frei werdend? Stickstoff zu einer porösen Zone im Bereich der aneinanderstoßenden Grenzflächen der
beiden Materialien führt
Im wesentlichen ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, soweit es eben beschrieben wurde, in der
Obergangszone die Bildung von SIjN4-AJaOs. Entscheidend
für die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist aber die Ausbildung einer
praktisch reinen, relativ dünnen Oberflächenschicht aus
lot- und schweißfähigem AI2O3. Diese demgemäß einen
Bestandteil des herzustellenden Teils bildende Oberflächenschicht gestattet es, das Teil als bereichsweise aus
keramischem Material und IqU. und schweißbarem Material hergestellt zu bezeichnen.
Während bei dieser Ausführungsform der Erfindung in ihrer Anwendung auf ein Turbinenrad dieses durch
einen Schweiß- oder Lötprozeß auf der Welle verbunden werden muß, liefert eine weitere Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf ein Turbinenrad ein Teil, das einen Metallschaft bzw.
einen Teil einer Welle integriert enthält Bei diesem Verfahren wird für den zweiten Bereich in die Preßform
zumindest ein Metall der Obergangsgruppe, d.h. ein Metall oder Metaligemisch der Eisengruppe, in Pulverform
eingefüllt. Füllt man ferner zur Bildung des ersten Breichs wiederum ein Pulver des fertigen nichtoxidischen
keramischen Werkstoffs, also beispielsweise Silicium- oder Bornitrid, ein, wobei selbstverständlich
auch hier eine schmale Übergangszone vorhanden sein muß, so wird man wiederum ein Heißpreßverfahren
anwenden. In diesem Falle enthält die Übergangszone außer dem zugegebenen Nitrid im Falle von Siliciumnitrid
auch Silicide und Nitride. Es ist zweckmäßig, in die Form im Bereich der Übergangszone einen Silicidbildner
mit einzubringen, beispielsweise Molybdän. Als Material für den anderen Bereich des Teils haben sich
handelsübliche Nickel-Kobalt-Eisen-Molybdän-Verbindungen erwiesen; auch andere Materialien, wie sie
beispielsweise in der genannten Arbeit von Heimke im Rahmen der Herstellung einer Verbindung mit AI2O3-Oxidkeramik
erwähnt werden, sind hier anwendbar.
Es ist aber auch möglich, zur Bildung des ersten Bereichs des Teils in die Form ein nitrierbares Element,
vorzugsweise Silicium, in Pjlverform einzufüllen und
nach Durchführung des ohne chemische Reaktionen hervorrufende Wärmezufuhr erfolgenden Preßvorgangs
unter Abdeckung des zweiten Bereichs den ersten Bereich und die Übergangszone einer nitrierenden
Atmosphäre, beispielsweise NH3, unter Wärmezufuhr auszusetzen. Sowohl mit dem Heißpreßvorgang als
auch dem letzterwähnten Kaltpreßvorgang kann ein Teil hergestellt werden, das integriert eine Ring- oder
Vollnabe aus duktivem Material enthält. Dieses Material gestattet die Herstellung von Schweiß- und Lötverbindungen
mit anderen Metallteilen: die Verbindung kann jedoch auch auf mechanischem Wege erfolgen, da das
duktile Material im Gegensatz zum keramischen Material ohne Schwierigkeiten mechanisch bearbeitbar
ist.
Wie sich gezeigt hat. sind komplizierte Verbindungskonstruktionen und Vorrichtungen zum Ausgleich
unterschiedlicher Wärmedehnungen nicht mehr erforderlich.
Die F i g. 1 und 2 sowie 3 und 4 zeigen in Vorderansicht und in Querschnitten als Beispiele für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils ein Turbinenrad einer Gasturbine.
Die F i g. 1 und 2 sowie 3 und 4 zeigen in Vorderansicht und in Querschnitten als Beispiele für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils ein Turbinenrad einer Gasturbine.
Das eigentliche Turbinenrad, das die Schaufeln, von denen in den Figuren jeweils nur eine angedeutet ist,
trägt, ist in Fig. 1 mit 1 bezeichnet Das Rad 1 besitzt· das Durchtrittsloch 2 zur späteren Aufnahme einer
Metallwelle, mit der es drehfest verbunden werden muß. Diese Verbindung muß im Hinblick auf die hohen
Drehzahlen hoch beanspruchbar sein.
Wie insbesondere Fig.2 deutlich zeigt weist das
Turbinenrad 1 im wesentlichen drei radial aufeinanderfolgende Zonen auf: Die äußere Zone 3 besteht in
diesem Ausführungsbeispiel aus nichtoxidischem Keramikmaterial,
hier Si3N4. Verständlicherweise kann hier
auch ein anderes nichtoxidiscbes Material Einsatz finden, beispielsweise Bornitrid oder Siliciumcarbid, das
insbesondere dann Einsatz finden kann, wtnn Alkaliverbindungen die Reaktionen im Bereich der Übergangszone
4 unterstützen. In dem angenommenen Fall enthält
die Übergangszone 4 außer Si3N4-Al2O3 auch Aluminiumnitrid,
da in die Form in ihrem unmittelbar an das Durchgangsloch 2 angrenzenden Bereich Al2O3 eingegeben
und demgemäß eine Schicht 5 aus diesem Material erzeugt worden ist. Das Ausführungsbeispiel
nach den F i g. 1 und 2 zeigt demgemäß ein Teil in Gestalt eines Turbinenrades, das vollständig aus
Keramik besteht, jedoch eine dünne Oberflächenschicht 5 aus einem Lot- und Schweißverbindungen zulassenden
Material aufweist Selbst wenn die Welle nicht unmittelbar an die Schicht 5 angeschweißt wird,
ermöglicht diese Schicht doch die Aufbringung eines anderen Metalls, beispielsweise eines Lötmetalls, so daß
die in der Arbeit von Heimke angegebenen Schweiß- und Lötverfahren zur Herstellung der Verbindung mit
-to der Welle Einsatz finden können.
Demgegenüber bezieht sich das in den F i g. 3 und 4 dargestellte Ausführungsbeispiel auf ein Teil, hier
ebenfalls ein Turbinenrad 10, das sowohl metallische als auch keramische Bereiche enthält. Der ke;amische
Bereich erstreckt sich über den äußeren Ring 11; auch
hier ist im Heißpreßverfahren ein Körper aus Si3N4
hergestellt. Die Übergangszone 12 enthält denselben Stoff sowie Silicide und Nitride und leitet über zu der
inneren Ringzone 13, die dadurch gewonnen wurde, das
"'" Kobalt-Nickel-Eisen-Verbindungen als Pulver eingebracht
und während des allen Bereichen des Teils 10 gemeinsamen Heißpreßverfahrens verdichtet und ver
festigt worden ist. Die Zone 13 ist demgemäß eine Metallfolie, die unmittelbar mit einem Metalltei!
verschweißt oder verlötet werden kann. In den F i g. 3
und 4 ist ferner angenommen, daß die Zone 13 nicht nur einen Ring darstellt, sondern eine ganze volle Nabe, so
daß Verbindungen mit benachbarten Wellenteilen auch auf mechanischem Wege oder durch Schweißen bzw.
Löten hergestellt werden können.
Ein weiterer Vorteil des effindüngsgeffiäßen Verfahrens
und der dadurch hergestellten Teile ist darin zu sehen, daß bei rotierenden Teilen ein duktiler Ring im
Innenbereich zu einer Verringerung der Bruchwahrscheinlichkeit in der Crößenordnung von einer Zehnerpotenz
führt, sofern der Elastizitätsmodul des Metallringes zumindest gleich dem Elastizitätsmodul des
nichtoxidischen keramischen Materials ist.
Die Sicherstellung einer Übergangszone beim Einfüllen der verschiedenen pulverförmigen Substanzen
bereitet keine besondere Schwierigkeit, da sich bereits beim normalen Einschüttvorgang ein derartiger Übergangsbereich
ausbildet, der Partikel beider Materialien > enthält.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die konkret angegebenen Stoffe verständlicherweise nur Anwendungsbeispiele
darstellen. So kann statt AbOj auch ein anderes Metalloxid als Pulver in die Preßform gegeben ι ο
werden, das den thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften von AIjOj zumindest annähernd
gleiche Eigenschaften besitzt.
Durch Steuerung der Zusammensetzung läßt sich Gleichmaßdehnung erreichen, nämlich im Bereich
hoher Temperaturen ein niedrigerer, dagegen im Bereich niedrigerer Temperaturen ein höherer Ausdehnungskoeffizient.
Dadurch werden Temperaturschwankungen vermieden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines einstöckigen Werkstücks, das in einem ersten Bereich aus einem
nichtoxydischen keramischen Werkstoff besteht und bei dem ein zweiter Bereich zur Ausbildung einer
Lot- oder Schweißverbindung mit einem Metallteil geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
in eine gemeinsame Preßform pulverförmige Werkstoffe
zur Bildung der beiden Bereiche (3, 5) eingefüllt werden, wobei sich in einer Übergangszone
(4) zwischen diesen Bereichen (3, 5) Partikel der Werkstoffe für beide Bereiche (3,5) vermischen, und
daß der Inhalt der Preßform einem Preßvorgang zur Verfestigung unterzogen wird. '5
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der keramische Werkstoff in Pulverform eingefüllt wird und der Preßvorgang ein
Heißpreßvorgang ist
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
«laß der keramische Werkstoff ein Nitrid, vorzugsweise SijN'4. ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Werkstücks (1)
mit einer Oberflächenschicht (5) aus dem Löt- und Schweißverbindungen ermöglichenden Werkstoff in
die Preßform ferner AI2O3 i~\ Pulverform eingefüllt
und durch den Heißpreßvorgang in der Übergangszone (4) eine Verbindung aus dem System Si-Ai-O-N
und Nitride gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, &.H für den zweiten Bereich (5) in die
Preßform zumindest ein Me'nll der Übergangsgruppe in Pulverform eingefüllt wird.
6. Verfahren nach Anspnn H 4 oder 5. dadurch J5
gekennzeichnet, daß nur im Bereich der Übergangszone (4) in die Preßform ein Silicid- und/oder
Nitridbildner in Pulverform eingefüllt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung des ersten Bereichs (11) in die Preßform ein nitrierbares Element, vorzugsweise
Silicium, in Pulverform eingefüllt und nach Durchführung des ohne chemische Reaktionen hervorrufende
Wärmezufuhr erfolgenden Preßvorgangs unter Abdeckung des zweiten Bereichs (13) der erste
Bereich (11) und die Übergangszone (12) einer nitrierenden Atmosphäre ausgesetzt werden.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19742456435 DE2456435C2 (de) | 1974-11-29 | 1974-11-29 | Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Werkstücks, das in einem ersten Bereich aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht und bei dem ein zweiter Bereich zur Ausbildung einer Löt- oder Schweißverbindung mit einem Metallteil geeignet ist |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19742456435 DE2456435C2 (de) | 1974-11-29 | 1974-11-29 | Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Werkstücks, das in einem ersten Bereich aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht und bei dem ein zweiter Bereich zur Ausbildung einer Löt- oder Schweißverbindung mit einem Metallteil geeignet ist |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2456435A1 DE2456435A1 (de) | 1976-08-12 |
| DE2456435C2 true DE2456435C2 (de) | 1983-12-29 |
Family
ID=5932027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19742456435 Expired DE2456435C2 (de) | 1974-11-29 | 1974-11-29 | Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Werkstücks, das in einem ersten Bereich aus einem nichtoxidischen keramischen Werkstoff besteht und bei dem ein zweiter Bereich zur Ausbildung einer Löt- oder Schweißverbindung mit einem Metallteil geeignet ist |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0124836A3 (en) * | 1983-04-28 | 1986-07-23 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Non-oxide-series-sintered ceramic body and method for forming conductive film on the surface of non-oxide-series-sintered ceramic body |
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|---|---|---|---|---|
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| JPS60226464A (ja) * | 1984-04-20 | 1985-11-11 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミックと金属との接合構造 |
| US4602952A (en) * | 1985-04-23 | 1986-07-29 | Cameron Iron Works, Inc. | Process for making a composite powder metallurgical billet |
| EP1898047A1 (de) * | 2006-09-07 | 2008-03-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Optimierter Wellenkörper für Wellenschweissverbindungen, über Pulvermetallurgie hergestellt |
-
1974
- 1974-11-29 DE DE19742456435 patent/DE2456435C2/de not_active Expired
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| NICHTS-ERMITTELT |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2456435A1 (de) | 1976-08-12 |
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