DE2505652B1 - Verfahren zur herstellung eines turbinenrades - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Turbinenrades aus Keramik.

Bei solchen keramischen Turbinenrädern müssen die Turbinenscheibe und die Schaufeln aus verschiedenen Keramiken bestehen, um den unterschiedlichen Beanspruchungen gerecht zu werden.

Die Verbindung zwischen den verschiedenen Keramiken wurde bisher in der Weise herzustellen versucht, daß in den reaktionsgesinterten einstückigen Schaufelkranz aus Ring und Schaufeln die Scheibe eingepreßt wurde. Dieses Verfahren ergab jedoch kein befriedigendes Ergebnis, insbesondere deswegen, weil wegen der Schaufeln der Ring nicht richtig von außen gestützt werden konnte und den großen Drücken beim Heißpressen nicht standhielt. Dieses Verfahren fand deswegen keine weitere Verwendung, ohne daß jedoch ein anderes, brauchbares Verfahren aufgezeigt werden konnte.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades aufzuzeigen, bei dem die einzelnen Teile des Rades aus verschiedenen Keramiken bestehen, trotzdem aber am Ende des Herstellungsverfahrens ein einheitliches Turbinenrad aus Keramik vorliegt, das besonders hohen Beanspruchungen gewachsen ist.

Die der Lösung der Aufgabe dienende Erfindung ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

a) im Reaktionssinterverfahren mit Umwandlung von Si-Pulver in S13N4 wird ein Ring hergestellt,

b) in diesem Ring wird bei konstant gehaltenem Durchmesser des Ringes durch Heißpressen von Keramikpulver die Radscheibe erzeugt,

c) im Reaktionssinterverfahren mit wiederum Umwandlung von Si-Pulver in S13N4 hergestellte Schaufeln oder Kranzsegmente werden mit dem im Reaktionssinterverfahren hergestellten Ring durch ein Diffusionsverfahren bei hoher Temperatur vereinigt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert.

In einem ersten Verfahrensschritt wird aus metallischem Siliziumpulver ein Ring 1 im Reaktionsverfahren hergestellt (Fig. 1). Das Siliziumpulver (Reinheitsgrad etwa 98%) hat den Vorteil, daß gegebenenfalls unter Hinzufügung geeigneter Plastifizierer eine gute Formgebung in isostatischen Formen möglich ist. Nach der Umwandlung des metallischen Siliziumpulvers in Siliziumnitrid (Keramik) hat der Ring 1 eine gute Temperaturbeständigkeit, jedoch eine relativ geringe Festigkeit in der Größenordnung von 20 kp/mm².

In einem zweiten Verfahrensschritt wird der im ersten Verfahrensschritt bei der Umwandlung von Siliziumpulver in Siliziumnitrid entstandene Ring 1 in einer Form eingelegt, die ein Aufweiten des Ringes auch unter erheblichen Innendrücken zuverlässig verhindert, was durch die Pfeile 2 angedeutet ist (F i g. 2). In den abgestützten Ring 1 wird nun aus Siliziumnitridpulver die Scheibe 3 heißgepreßt. Diesem Vorgang dienen die beiden Preßformen 4 und 5, die eine geeignete Kontur aufweisen müssen. Durch die Verwendung von geeigneten Zusätzen, beispielsweise Magnesiumoxid, kann die Scheibe als wenig poröses Gebilde erzeugt werden, so daß es eine hohe Festigkeit in der Größenordnung von 80 kp/mm² hat. Eine entsprechende Maßnahme ist beim Herstellen des Ringes 1 durch Reaktionssintern nicht möglich, weil hier eine gewisse Porosität gewahrt bleiben muß, um dem Stickstoff den Zugang zu allen Partikeln des Siliziumpulvers zu ermöglichen.

Bei der Herstellung der Scheibe 3 durch das Heißpressen von Siliziumnitridpulver erfolgt ein Sintern zwischen dem Ring 1 und der Scheibe 3, so daß zwischen beiden Teilen am Ende des Heißpressens eine sehr innige und feste Verbindung hergestellt ist, die ein Ablösen des Ringes 1 von der Scheibe 3 auch bei hohen Drehzahlen und entsprechenden Fliehkräften zuverlässig verhindert. Der Vorteil der guten Verbindung wird nicht zuletzt dadurch erreicht, daß die beim Heißpressen mit den Preßwerkzeugen 4 und 5 aufgebrachten sehr hohen Drücke auch ungemindert zur Wirkung kommen, weil der Ring 1 an seinem Außenumfang abgestützt und zuverlässig an einer Aufweitung gehindert ist.

Ist nun am Ende des zweiten Verfahrensschrittes aus dem Ring 1 und der Scheibe 3 ein einheitliches Bauteil aus Siliziumnitrid hergestellt worden, so werden in einem dritten Verfahrensschritt auf der Außenseite des Ringes 1 die Schaufeln 6 angesetzt (F i g. 3). Der Ring 1 und die Schaufeln 6 werden hierzu in einer geeigneten Form in der richtigen Lage gegeneinander positioniert. In einem dem Fachmann geläufigen Verfahren wird dann metallisches Silizium (in Form von Pulver oder Schichten), das zwischen die zu versinternden Teile eingebracht wird, im Reaktionsprozeß in Keramik umgewandelt. Dadurch entsteht eine zuverlässige und feste. Verbindung zwischen den Schaufeln 6 und dem Ring 1. Die einzelnen Schaufeln sind wie der Ring 1 im Reaktionssinterverfahren hergestellt. Während für die Herstellung des Rings 1 im ersten Verfahrensschritt metallisches Siliziumpulver (Reinheitsgrad 98%) verwendet wird, kommt für die Herstellung der Scheibe 3 insbesondere Siliziumnitridpulver der chemischen Zusammensetzung S13N4 mit Zusätzen nach der Bezeichnung Annasinid D der Firma Annawerk GmbH in Frage.

Am Ende des Herstellungsverfahrens liegt ein rein keramisches Turbinenrad weitgehend gleicher chemischer und ähnlich mechanischer Werkstoffstruktur vor, das hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen gewachsen ist. Ein solches Rad ist als Verfahrensergebnis wie das Verfahren selbst Gegenstand des Schutzbegehrens.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrades aus Keramik, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

   a) im Reaktionssinterverfahren mit Umwandlung von Si-Pulver in S13N4 wird ein Ring hergestellt,

   b) in diesem Ring wird bei konstant gehaltenem Durchmesser des Ringes durch Heißpressen von Keramikpulver die Radscheibe erzeugt,

   c) im Reaktionssinterverfahren mit wiederum Umwandlung von Si-Pulver in S13N4 hergestellte Schaufeln oder Kranzsegmente werden mit dem im Reaktionssinterverfahren hergestellten Ring durch ein Diffusionsverfahren bei hoher Temperatur vereinigt.