DE2458683A1

DE2458683A1 - Verfahren zum herstellen eines formkoerpers aus siliziumnitrid

Info

Publication number: DE2458683A1
Application number: DE19742458683
Authority: DE
Inventors: Andre Ezis; Michael U Goodyear; Karsten H Styhr
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5095304A; GB1467457A; AU471960B2; SE7414874L; AU7618174A; SE395266B; JPS5338721B2; FR2255128B1; US3887411A; CA1029931A; IT1023458B; FR2255128A1

Description

Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus Siliziumnitrid,

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers, wie des Läufers einer Gasturbine, aus Siliziumnitrid.

Es wird vorliegend als bekannt vorausgesetzt, daß Siliziumnitrid aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften ein ziemlich weit gestreutes Einsatzgebiet hat. Als fragliche Anwendungsbereiche kommen so beispielsweise Schutzröhrchen für Thermoelemente ebenso in Betracht wie in Gießereien verwendete Schmelztiegel und elektronische Bauelemente sowie die vorliegend besonders interessierenden und vorstehend bereits angesprochenen Läufer von Gasturbinen für Kraftfahrzeuge.

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Siliziumnitrid kann auf verschiedene Art und Weise verarbeitet werden, wobei jede Verarbeitung eine andere Diohte des Fertigproduktes ergibt. Die einzelnen Verarbeitungstechniken sind nicht generell auf alle in Frage kommenden Produkte anwendbar, vielmehr ist häufig besonders deren Formgebung dafür maßgebend, welche besondere Technik im Einzelfall anzuwenden ist. So kann davon ausgegangen werden, daß einfachere Formen mit einem Verdichtungsgrad von mehr als 98$ der theoretischen Dichte am besten durch ein Heißpressen von pulvrigem Siliziumnitrid gefertigt werden, während kompliziertere Formen durch Vergießen eines aus Siliziumnitrid bestehenden Schlickers hergestellt werden, wobei es dann allerdings nur möglich ist, einen Verdichtungsgrad in der Größenordnung von etwa 80 bis 85$ der theoretischen Dichte zu erhalten. Bei diesem Gießverfahren wird der aus Siliziumnitrid bestehende Schlicker in eine die fertige Formgebung des Formkörpers aufweisende Gießform eingegossen, und der erhaltene Formling wird dann anschließend für eine nahezu vollständige Umwandlung des Siliziums in Siliziumnitrid einer Nitrierung unterworfen. Als weitere Alternative, die wiederum besonders für die Fertigung komplizierterer Formen in Betracht kommt, wäre hier noch das Spritzgießen anzuführen, mit dem ein Verdichtungsgrad in der Größenordnung von etwa 70 bis 75$ der theoretischen Dichte erreichbar ist. Bei diesem Spritzgießen wird ein aus Siliziummetallteilchen und einem Thermoplasten bestehendes Gemisch verarbeitet, und der erhaltene Gießling wird abschließend noch einer Wärmebehandlung unterworfen, um dadurch den Thermoplasten auszubrennen, sowie einer Nitrierung, um auch hierbei wieder das Silizium in Siliziumnitrid umzuwandeln.

Für die vorliegend besonders interessierenden Läufer von Gasturbinen ist davon auszugehen, daß sie wegen ihrer doch ziemlich komplizierten Formgebung nicht durch ein Heißpressen von Siliziumnitrid-Material gefertigt werden können. Andererseits

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kommt auoh nicht das Spritzgießen in Betracht, weil mit dieser Technik eine viel zu geringe mechanische Festigkeit für den Nabenteil erhalten wird. Dieselben Überlegungen treffen auch auf das Vergießen eines Schlickers zu, d.h. auch dabei wird für den Nabenteil eine viel zu geringe mechanische Festigkeit erhalten,und außerdem hat der fertige Läufer zu hohe Wärmespannungen, die dann im Betrieb eine rasche Rißbildung auslösen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein besonders für solche Formkörper geeignetes Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei denen an verschiedenen, mindestens teilweise auch eine kompliziertere Formgebung aufweisenden Teilbereichen unterschiedliche Beanspruchungen auftreten, so daß es zur Erzielung einer optimalen Güte des fertigen Erzeugnisses erwünscht ist, daß diese verschiedenen Teilbereiche einen ihre jeweilige Beanspruchung berücksichtigenden optimalen Verdiohtungsgrad haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 erfaßten Merkmale. Die Erfindung besteht folglich in der Anweisung, für eine Jeweils optimale Fertigung eines Teilkörpers eine gezielte Auswahl unter den bekannten Verarbeitungstechniken zu treffen und die Teilkörper dann zur Bildung des Gesamtkörpers zusammenzufügen, wobei für die wechselseitige Verbindung besondere Maßnahmen getroffen sind. Im folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte detaillierter beschrieben.

Die Erfindung wird an der Fertigung eines Läufers von Gasturbinen erläutert, bei denen der zentrale Nabenteil einer ziemlich hohen mechanischen Beanspruchung unterworfen ist, so daß er einen entsprechend hohen Verdiohtungsgrad haben sollte. Ein davon unterschiedlicher Verdichtungsgrad benötigt der äußere Schaufelring, der im allgemeinen eine ziemlich komplexe Formgebung hat und über den die Heißgase der Maschine strömen, um den Läufer anzutreiben. Der äußere Schaufelring ist daher

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als ein zweites Teilstück ausgewählt, das separat zu dem zentralen Nabenteil gefertigt wird. Als drittes Teilstück ist schließlich der den Nabenteil und diesen äußeren Schaufelring miteinander verbindende Läuferteil ausgewählt, wodurch gleichzeitig erkennbar wird, daß die vorliegende Erfindung für die Fertigung von Formkörpern aus Siliziumnitrid vorsieht, diese Formkörper unter dem Gesichtspunkt in Teilstücke aufzuteilen, daß diese Teilstücke separat gefertigt werden können bei jeweiliger Anwendung einer bestimmten Technik.

Im vorliegenden Fall wird der ein erstes Teilstück bildende Nabenteil des Läufers durch Verdichten eines Gemisches gefertigt, das aus etwa 95 bis 99,5 Gew.-$ Siliziumnitridteilchen und etwa 5 bis 0,5 Gew.-% eines Verdichtungshilfmittels besteht. Dieses Gemisch wird auf mindestens etwa 98$ der theoretischen Dichte verdichtet, und zwar unter gleichzeitiger Beaufschlagung mit Wärme und Druck. Dabei sollte hauptsächlich pulvriges Alphasiliziumnitrid einer bevorzugten Teilchengröße von minus 325 mesh in der Gesamtheit benutzt werden, und dieses Pulver sollte dann in einer mit Gummi ausgekleideten Mühle naßgemahlen werden unter Verwendung von aus Aluminium oder Wolframkarbid bestehenden Kugeln und Alkohol über eine Zeitdauer zwischen etwa einem Tag und zwei Wochen. Als Verdichtungshilfsmittel sollte bevorzugt Magnesiumoxyd benutzt werden, das bei diesem Mahlvorgang in der angegebenen Menge dem pulvrigen Siliziumnitrid beigemischt wird. Die nach dem Mahlvorgang erhaltene Aufschlämmung wird getrocknet und dann für das Heißpressen mit einem US-Standard-Sieb Nr. 100 gesiebt. Das Heißpressen wird dabei vorzugsweise in einem Graphittiegel vorgenommen, der mit Trägermitteln beschichtet ist, um eine Reaktion zwischen dem Pulver und dem Material des Tiegels zu verhindern bzw. weitgehend zu reduzieren. Als Trägermittel kommt hauptsächlich eine Graphitfolie in Betracht. Dieses Heißpressen wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen etwa 165O⁰C und etwa l800°C und einem Druck zwischen

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etwa 210 und 28θ kg/on vorgenommen. Die Preßzeit sollte etwa ein bis drei Stunden betragen.

Die Fertigung des das zweite Teilstück: bildenden äußeren Schaufelringes, der gewöhnlich, eine ziemlich komplexe Formgebung hat, erfolgt erfindungsgemäß durch ein Spritzgießen von mit einem Trägermittel versetzten Siliziummetallteilchen. Die SiliziümmetaHteilchen sollten dabei eine maximale Teilchengröße zwischen etwa 40 und 60 Mikrons und eine mittlere Teilchengröße zwischen etwa 10 und 13 Mikrons haben und bei Verwendung eines thermoplastischen Bindemittels anteilig zu etwa 60 bis 66 Vol.~$ anwesend sein. Das gießfähige Gemisch wird im Zylinder der Spritzgußmaschine auf eine Temperatur aufgewärmt, die oberhalb des Schmelzpunktes des Thermoplasten liegt, und ist diese Temperatur erreicht, dann wird durch eine Druckbeaufschlagung des Zylinders der Gießv.organg gestartet. Das Vergießen erfolgt in eine kalte Gußform, in welcher dann der Thermopladb augenblicklich erstarrt und dabei die von ihm mitgetragenen Siliziummetallteilchen in die durch die Gußform festgelegte Anordnung bringt, welche im wesentlichen der fertigen Formgebung des zweiten Teilstückes entspricht. Der fertige Gießling wird dann in einem Ofen allmählich auf eine Temperatur von etwa 350°C erwärmt, wobei dieser Srwärniungsvorgang zur Vermeidung irgendwelcher Rißbildung bis zu drei Tagen andauern kann. Zweck dieser Erwärmung ist das Ausbrennen des Thermoplasten, so daß schließlich ein nur aus Siliziummetall bestehender Körper vorliegt.

Das dritte Teilstück, welches also am fertigen Läufer dessen Nabenteil mit dem äußeren Schaufelring verbindet, wird durch das Vergießen in einer Form eines Schlickers hergestellt, der aus in einem Lösungsmittel suspendierten Siliziummetallteilchen besteht. Die dabei verwendete Gußform muß porös ausgebildet sein, damit das Lösungsmittel aus dem Schlicker abgezogen werden kann und die Siliziummetallteilchen in der

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Form zurückbleiben, um einen porösen Gießling zu ergeben, der dann gesindert werden muß, um eine für seine Handhabung ausreichende Festigkeit zu erhalten. Dieses anschließende Sintern muß in einer inerten Schußgasatmosphäre, die vorzugsweise wenigstens im wesentlichen aus Argon besteht, vorgenommen werden, um die Bildung einer zweiten Phase in den Siliziummetallteilchen zu verhindern. Das Sintern wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen etwa 98O⁰C und ll80°C über eine Zeitdauer zwischen etwa 5 Minuten und 12 Stunden vorgenommen werden.

Nach der damit abgeschlossenen Fertigung der drei Teilstücke wird zuerst dieses dritte Teilstück an seiner Außenseite fertigbearbeitet, um ein Fertigmaß zu erhalten, das auf das fertige Innenmaß des zweiten Teilstüokes, also des äußeren Schaufelringes, abgestimmt ist. Bei einem solchen Läufer von Gasturbinen hat das dritte Teilstück vorzugsweise die Form eines Ringes, dessen Außendurchmesser im wesentlichen dem Innendurchmesser des äußeren Schaufelringes entspricht und der eine als Kegel mit einem Steigungswinkel zwischen etwa 1° und 3° ausgebildete Mantelfläche hat, so daß bei einer konzentrischen Anordnung dieser beiden Teilstücke eine keilförmige öffnung zwischen der Mantelfläche des innen angeordneten dritten Teilstückes und des außen angeordneten zweiten Teilstückes besteht. Diese keilförmige öffnung wird dann nach einer vorhergehenden Annässung der beiden Oberflächen mit denselben Schlicker ausgefüllt, der zur Fertigung des dritten Teilstückes benutzt wurde, wobei es dann wegen der porösen Materialeigenschaften dieser beiden Teilstücke dazu kommt, daß auch hier das Lösungsmittel aus dem Schlicker abgezogen wird und nur noch die Siliziummetallteilchen zurückbleiben, um zwischen den beiden Teilstücken eine zunächst noch schwache Verbindung zu ergeben. Diese Verbindung wird anschließend dadurch gestärkt, daß die beiden Teilstücke einer Nitrierung unterworfen werden, was zur Folge hat, daß

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beide Teilstücke einschließlich des dazwischen angeordneten Schlickers weitgehend in reines Siliziumnitrid umgewandelt werden* Bei dieser Nitrierung erhält das spritzgegossene Teilstück einen Verdichtungsgrad'zwischen etwa 70 und 75$ der theoretischen Dichte, während das aus Schlicker geformte Teilstück einen Verdichtungsgrad zwischen etwa 80 und 85$ der theoretischen Dichte erhält.

Mit den so vereinigten zweiten.und dritten Teilstücken wird dann noch das erste Teilstück verbunden, das also ein fertiges Ausmaß haben muß, welches im wesentlichen dem fertigen Innenmaß des dritten Teilstückes entspricht. Alle drei Teilstücke werden dann in konzentrischer Anordnung in einer Preßform einer Wäre\n- und Druckbeaufschlagung unterworfen, wobei der Druck auf das erste Teilstück ausgeübt werden sollte. Zweckmäßig wird hierbei mit einem Druck zwischen etwa 70 und 245 kg/cm und einer Temperatur zwischen etwa I625 C und 1700⁰C über eine Zeitdauer von wenigstens etwa 1,5 Stunden gearbeitet. Während dieses Heißpressens kommt es zu einer innigen Vereinigung des in den ersten und dritten Teilstücken enthaltenen Siliziumnitrids an der Berührungsfläche dieser beiden Teilstücke, so daß zwischen .diesen eine sehr feste Verbindung gebildet wird.

Durch das vorbeschriebene Herstellungsverfahren wird folglich ein Läufer einer Gasturbine erhalten, der aus insgesamt drei Teilstücken unterschiedlicher Dichte zusammengesetzt ist. Die gegenseitige Verbindung dieser einzelnen Teilstücke ist dabei so fest, daß auch die ziemlich hohen Beanspruchungen eines solchen Läufers mit optimaler Sicherheit ausgehalten werden, wobei diese große Sicherheit hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, daß insgesamt ein weitgehend einheitliches Gefüge hinsichtlich des Siliziumnitrids besteht, aus dem die einzelnen Teilstücke gefertigt sind.

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Claims

2A58683 Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers, wie des Läufers einer Gasturbine, aus Siliziumnitrid, daduroh gekennzeichnet, daß zuerst drei in der Gesamtheit den Formkörper bildende Teilstücke separat gefertigt werden, nämlich ein erstes Teilstüok durch Verdichten unter Wärme- und Drückbeaufschlagung auf mindestens etwa 98$ der theoretischen Dichte eines aus etwa 95 bis 99,5 Gew.-^ SiliziumniiBridteilchen und etwa 5 bis 0,5 Gew.-^ eines Verdiohtungshilfsmittels bestehenden Gemisches, ein zweites Teilstück durch Spritzgießen von mit einem Trägermittel versetzten Siliziummetallteilohen und anschließendes Erwärmen des erhaltenen Gießlings zum Ausbrennen des Trägermittels, und ein drittes Teilstück durch Vergießen in einer Form eines Schliokers, der aus in einem Lösungsmittel suspendierten Siliziummetallteilohen besteht, und anschließendes Sintern des erhaltenen Gießlings in einer nicht mit den Siliziummetallteilchen reagierenden inerten Schutzgasatmosphäre, daß dann das dritte und das zweite TeilstUck mittels eines Schlickers miteinander verbunden werden, der aus in einem Lösungsmittel suspendierten Siliziummetallteilchen besteht und in einen mindestens zwischen zugehörigen Teilbereichen ihrer Oberflächen gebildeten Spalt angeordnet wird, daß diese beiden Teilstücke dann zur nahezu vollständigen Umwandlung in weitgehend reines Siliziumnitrid nitriert werden und daß schließlich das erste Teilstück mit dem dritten Teilstück dadurch vereinigt wird, daß beide Teilstücke erwärmt werden und auf das eine Teilstück ein gegen das andere TeilstUck gerichteter Drück solcher Höhe ausgeübt wird, daß an der wechselseitigen Berührungsfläche eine verbindende Vereinigung der jeweiligen Siliziumnitridanteile erfolgt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem letzten Verfahrensschritt der Druck
auf das erste Teilstück ausgeübt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdichtungshilfsmittel Magnesiumoxyd verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Fertigung des
ersten Teilstückes erfolgende Verdichtung bei einer Temperatur zwischen etwa 165O⁰C und l800°C, einem Druck von we-

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nigstens etwa 210 kg/cm und über eine Zeit von wenigstens etwa 1,5 Stunden vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Verfahrensschritt bei einer Temperatur zwischen etwa 1625⁰C und 1700°C, einem

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Druck von wenigstens etwa 70 kg/om und über eine Zeit von wenigstens etwa 1,5 Stunden vorgenommen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet , daß bei der Fertigung des zweiten Teilstückes als Trägermittel ein Thermoplast verwendet wird. '

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Fertigung des
driften Teilstückes erfolgende Sintern in einer im wesentlichen aus Argon bestehenden Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen etwa 98O⁰C und ll80°C über eine Zeitdauer zwischen etwa 5 Minuten und 12 Stunden vorgenommen
wird.

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