DE2617336A1

DE2617336A1 - Verfahren zum herstellen eines mit zwei verschiedenen dichten versehenen siliziumnitrit-produktes

Info

Publication number: DE2617336A1
Application number: DE19762617336
Authority: DE
Inventors: Gerald J Chaundy; George C Debell; Michael U Goodyear; Larry V Reatherford; Karsten H Styhr
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1975-04-25
Filing date: 1976-04-21
Publication date: 1976-11-04
Also published as: JPS51129899A; DE2617336C2; CA1079935A; GB1470949A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. HANS-PETER GAUGER

PATENTANWALT DIPL.-ING. CAUGER · TAL 71 · 8000 MÜNCHEN 2

TAL 71

8000 MÜNCHEN 2 TELEFON 089/29 73 63 PRIVAT: 089/936241 TELEGRAMMADRESSE/CABLE ADDRESS GAUPAT MÜNCHEN

IHR ZEICHEN: YOUR REF.!

UNSERZEICHEN: OURREF.: ϋΓ K

DATUM·

date:

PIiJ 876

l"""' Anwaltsakte: GFK-2715

FORD-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, OTTOPLATZ 2, KOLN-DEUTZ

Verfahren zum Herstellen eines mit zwei verschiedenen Dichten versehenen Siliziumnitrit-Produktes.

Es ist bekannt, daß Siliziumnitrit aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften einen überaus großen Anwendungsbereich hat, der beispielsweise reicht von der Verwendung für Schutz rohre von Thermoelementen über in Gießereien verwendeten Schmelztiegeln bishin zu elektronischen Bauelementen sowie auch im Kraftfahrzeugbau für beispielsweise Gasturbinen,die ja ziemlich hohen

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Beanspruchungen unterworfen sind_o Das Siliziumnitrit lässt sich nun auf verschiedene Art und Weise verarbeiten bzw₀ erhalten, wobei die unterschiedlichen Verarbeitungstechniken hauptsächlich zu unterschiedlichen Dichten führen_o Ausserdem kann allgemein festgehalten werden, daß diese unterschiedlichen Verarbeitungstechniken auch gewissen Beschränkungen hinsichtlich der damit erreichbaren Formgebungen unterliegen, indem es so beispielsweise möglich ist, durch ein Heißpressen von pulverförmigem Siliziumnitrit Produkte einfacherer Formgebung mit einer theoretischen Dichte von in Einzelfällen sogar mehr als 98/£ zu erhalten, während es gleichzeitig unmöglich ist, mittels dieses Heißpressens Produkte komplizierterer Formgebung überhaupt zu erhalten.

Als Alternative für dieses Heißpressen bietet sich daher für solche Produkte komplizierterer Formgebung beispielsweise der Spritzguß an, mit dem es allerdings nur möglich ist, eine Dichte in der Größenordnung von etwa 70 bis 75% der theoretischen Dichte zu erzielen. Bei diesem Spritzguß werden Siliziummetall-Teilchen mit einem Thermoplasten vermischt und anschließend durch ein Spritzen dieses Gemisches in die für das Fertigteil gewünschte Formgebung gebracht, wonach das erhaltene Spritzgußteil zum Ausbrennen des Thermoplasten erwärmt und dann abschließend noch nitriert wird, um hierdurch die zumindest weitgehende Umwandlung des Siliziummetalls in Siliziumnitrit zu erhalten.

Eine andere Alternative in der Herstellung von Produkten mehr komplizierterer Formgebung ist der Schlickerguß, mit dem Dichten in der Größenordnung von etwa 80 bis 85^ der theoretischen Dichte

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erreichbar sind_o Bei diesem Schlickerguß wird ebenfalls von Siliziummetall-Teilchen ausgegangen, die dabei zur Bildung des Schlickers in einem geeigneten Lösemittel gelöst und in einer Form vergossen werden, in welcher dann durch Abziehen des Lösemittels das Produkt seine gewünschte, dann bereits gefestigte Formgebung erhält. Daran anschließend erfolgt auch hierbei eine Nitrierung für eine weitgehende Umwandlung des Siliziummetalls in nahezu reines Siliziumnitrito Nach den vorstehenden Darlegungen erscheint es verständlich, daß beispielsweise der Läufer von Gasturbinen aufgrund der äusserst komplizierten Formgebung seiner Schaufeln völlig unmöglich durch ein Heißpressen von Siliziumnitrit hergestellt werden kann. Andererseits muß es möglich erscheinen, diese komplizierte Formgebung der Schaufeln eines solchen Läufers durch einen Schlickerguß oder auch durch einen Spritzguß zu erreichen, wobei dann aber diesen beiden Techniken wieder zuwiderläuft, daß im Falle der einheitlichen Fertigung des gesamten Läufers durch einen solchen Schlickerguß oder einen Spritzguß dann die Nabe des Läufers eine zu geringe mechanische und auch thermische Festigkeit erhält, um den späteren Beanspruchungen im Betrieb einer Gasturbine standzuhalten. Es besteht folglich in dieser Hinsicht die Zweckvorstellung, nach einem Herstellungsverfahren zu suchen, mittels welchem es möglich ist, der Nabe solcher Läufer eine frühere Festigkeit, also eine andere Dichte, zu geben, als dem Schaufelring, der andererseits im Vergleich zu der Nabe eine wesentlich kompliziertere Formgebung aufweist.

Mithin besteht die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines mit zwei verschiedenen Dichten versehenen Siliziumnitrit-Produktes bereitzustellen, um so unterschiedlich hohen Anforderungen insbesondere an die mechanische und

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an die thermische Festigkeiten zweier entsprechend verschiedener Produktenteile gerecht zu werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst der mit der einen Dichte versehene eine Produktteil durch einen Formgebungsprozeß aus Siliziummetall-Teilchen geformt und anschließend für eine Umwandlung des Siliziummetalls in nahezu reines Siliziumnitrit nitriert wird. Für diese Fertigung des einen Produktenteils, der folglich derjenige mit der komplizierteren Formgebung ist, also im Falle des Läufers einer Gasturbine regelmäßig dessen Schaufelring, eignet sich mithin am zweckmäßigsten entweder der Schlickerguß oder auch der Spritzguß. An diesen Fertigungsschritt schließt siqh dann ein Umhüllen des erhaltenen einen Produktenteils mit Siliziumnitrit an, wobei hiervon allerdings die Haft- bzw_o Bindefläche ausgenommen wird, über welche dann anschließend eine Verbindung mit dem anderen Produktenteil der anderen Dichte, also im Falle des Läufers von dessen Nabe, vorgenommen wirdo Ist dieser Vorgang abgeschlossen, dann wird der mit dem Siliziumnitrit umhüllte Produktenteil in ein Presswerkzeug eingelegt, bei dem eine Teilfläche der den formgebenden Hohlraum begrenzenden Wand durch die vorerwähnte Haft- bzw. Bindefläche gebildet wird, über welche die Verbindung der beiden Produktenteile unterschiedlicher Dichten erfolgte Der formgebende Hohlraum des Presswerkzeuges wird dann mit einem Gemisch aus etwa 94 bis 99₇5 Gew.-% Siliziumnitritteilchen und etwa 6,0 bis 0,5 Gew-% eines Verdichtungshilfsmittels aufgefüllt, und dieses Gemisch wird dann unter gleichzeitiger Anwendung von Hitze und Druck heißgepresst, wobei dieses Heißpressen so gesteuert wird, daß für den anderen Produktenteil eine Dichte von wenigstens etwa 98% der theoretischen Dichte erreicht wird und gleichzeitig die Verbindung mit dem einen Produktenteil an dessen Haft- bzw. Bindefläche stattfindet. Als letzter

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Verfahrensschritt wird daran dann noch die Entfernung des Hüllmittels von dem einen Produktenteil angeschlossen, worauf das fertige Produkt vorliegt, das mithin zwei Teilbereiche der gewünschten verschiedenen Dichte aufweist.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen vorteilhafte Ausbildungen in den einzelnen Unteransprüchen erfasst sind, gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles hervor. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Herstellung des Läufers einer Gasturbine, bei welchem mithin der Schaufelring den zuerst zu fertigenden Produktenteil darstellt, der im Vergleich zu der den anderen Produktenteil darstellenden Nabe die kompliziertere Formgebung aufweist und im Betrieb der Gasturbine geringeren Beanspruchungen unterliegt und mithin auch eine geringere Dichte haben kann.

Dieser eine Produktenteil, also der in den Figuren 2 bis 4 der Zeichnung ausschnittsweise gezeigte Schaufelring 10 des Läufers, wird nach Figur 2 zunächst entweder durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß gefertigt. Dabei kommen die einzelnen Schaufeln 12 zur Ausbildung, und zwar zweckmäßig in einer Anordnung an einem allen Schaufeln gemeinsamen Stützteil 14, an welchem dann auch die Haft- bzw. Bindefläche 16 ausgebildet ist, über welche die spätere Verbindung mit der Nabe des Läufers erfolgt.

Was den Schlickerguß des Schaufelrings 10 anbetrifft, so wird dabei ein aus Siliziummetall-Teilchen und einem Lösemittel bestehender Schlicker verwendet, von dem dann nach dem Einbringen in die Form das Lösemittel wieder abgetrennt wird_o Nach diesem

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Abtrennen des Lösemittels bleibt in der Form ein bereits verfestigtes Teil zurück, das so der anschließenden Nitrierung unterworfen werden kann_o Sofern ein Spritzguß angewendet wird, so wird dafür zweckmäßig ein aus etwa 60 bis 66 Vol.-% Siliziummetallteilchen und 40 bis 34 VoI₀ -% eines thermoplastischen Bindemittels bestehendes Gemisch verwendet, bei dem die Metallteilchen eine maximale Teilchengröße von etwa 40 bis 60 Mikrons und eine mittlere Teilchengröße von etwa 10 bis 13 Mikrons haben sollten. Bei diesem Spritzguß wird der anteilige Thermoplast des verarbeiteten Gemisches in dem Druckzylinder der Spritzgußmaschine auf eine Temperatur höher als der Schmelzpunkt erwärmt und sobald Druck angewendet wird, wird dann die Formmasse in die kalte Spritzgußform geschossen, um in dieser durch das Erstarren des Thermoplasten die Formgebung des Schaufelringes 10 anzunehmen. Sobald der Erstarrungsprozeß abgeschlossen ist, wird dieses Halbfabrikat in einem Ofen allmählich auf eine Temperatur von etwa 350 C erwärmt, wobei dieser Erwärmungsprozeß bis zu drei Tage und mehr dauern kann, um während des dabei erfolgenden Ausbrennens des Thermoplasten keine Spannungen in dem Schaufelring zu erzeugen.

Das mithin durch einen solchen Schlickerguß oder alternativ durch einen Spritzguß erhaltene Produkt wird dann zur Umwandlung des Siliziummetalls in nahezu reines Siliziumnitrit einer Nitrierung unterworfen, bei welcher mithin der Schaufelring 10 unter Anwesenheit von Stickstoff so lange und bis auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß nach Abschluß dieses VerfahrenSchrittes die angestrebte Umwandlung vorliegt. Das erhaltene Produkt hat dann eine Dichte von etwa 80 bis 85/S der theoretischen Dichte, sofern es durch einen Schlickerguß gefertigt wurde und es hat eine Dichte von etwa 70 bis 75% der theoretischen Dichte, sofern seine Fertigung durch einen Spritzguß erfolgt ist.

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Nach Figur 3 wird dann der Schaufelring 10 bis auf die Haft- bzw. Bindefläche 16 mit Siliziumnitrit umhüllt. Da diese Umhüllung später wieder entfernt wird, wird zur Erleichterung dieser späteren Entfernung der Schaufelring zweckmäßig zuerst mit einer dünnen Schicht eines Trennmittels beschichtet, also beispielsweise mit pulverförmigen Bornitrit, wobei auch von dieser Beschichtung wieder die Fläche 16 ausgenommen ist. Es werden dann Siliziummetall-Teilchen im Schlickerguß auf den Schaufelring aufgebracht, sodaß nach dem Abtrennen des Lösemittels insbesondere die Zwischenräume 18 zwischen den einzelnen Schaufeln 12 mit dem dann verfestigten Siliziummetall ausgefüllt sind, das durch eine nachfolgende Nitrierung in Siliziumnitrit umgewandelt wird_o Unter Verwendung einer anderen Form wird dann dieser Schlickerguß nochmals wiederholt, um auch alle bis dahin unbedeckt gebliebenen Teilbereiche des Schaufelringes mit weiterem Siliziummetalls zu umhüllen, das dann wiederum nitriert wird, sodaß dann schließlich nach Figur 4 ein weiterbehandeltes Produkt 20 erhalten wird, bei dem nur die Fläche 16 des Stützteils 14 nicht mit Siliziumnitrit umhüllt ist_o Vor diesem wiederholten Schlickerguß wird zweckmäßig das nach Figur 3 erhaltene Zwischenprodukt nochmals bis auf die Fläche 16 mit Bornitrit beschichtet, sodaß auch dieses später aufgebrachte Siliziumnitrit eine entsprechend unkomplizierte Entfernung innerhalb des abschließenden Verfahrensschrittes erfahren kann.

Das nach Figur 4 erhaltene Zwischenprodukt 20 wird dann in den formgebenden Hohlraum eines Presswerkzeuges eingelegt, das beispielsweise den in Figur 1 gezeigten Aufbau haben kann_o Das Werkzeug besteht demgemäß aus zwei formgebenden Kolben 24 und 32, denen noch zur Begrenzung des formgebenden Hohlraumes des Werk-

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zeuges eine Hülse 30 in konzentrischer Anordnung zu einer weiteren Hülse 34 zugeordnet ist, welch letztere auf Druckkeile 26 und 28 einwirkt. Die Hülse 34 ist weiter von einer konzentrisch angeordneten Führungshülse 36 umgeben, die der Führung eines auf die Hülse 34 einwirkenden Aussenstempels 40 und auch eines innerhalb von diesem angeordneten Innenstempels 38 dient, der auf den durch die Hülse 30 geführten oberen Stempel 32 des Werkzeuges einwirkt. Wenn in dieses Presswerkzeug das weiterzubehandelnde Zwischenprodukt 20 nach Figur 1 eingelegt ist, dann bildet dabei dessen Haft- bzw. Bindefläche 16 eine Teilfläche der Wand, welche den formgebenden Hohlraum 42 des Werkzeuges umgibt, wobei mithin die übrigen Teilflächen dieser Wand durch die formgebenden Oberflächen der beiden Kolben 24 und 32 sowie der Innenwand der Hülse 30 gebildet werden₀

Sobald das Zwischenprodukt 20 in das Presswerkzeug eingelegt worden ist, wird dessen Hohlraum 42 mit einem Gemisch aus etwa 94 bis 99,5 Gew.-75 Siliziumnitritteilchen und etwa 6,0 bis 0,5 Gew_o-$ eines Verdichtungshilfsmittels gefüllte Das Siliziumnitrit dieses Gemisches ist dabei bevorzugt pulverförmiges Alpha-Siliziumnitrit einer Körnchengröße von in der egel weniger als etwa 325 Maschen, und dieses Pulver wird dann in einer mit Gummi ausgekleideten Kugelmühle mittels aus Aluminium oder aus Wolframkarbit bestehenden Kugeln unter Zusetzung von Alkohol nassgemahlen, wobei die Mahlzeit zwischen einem Tag und zwei Wochen dauern kann₀ Während dieses Mahlprozesses wird dann das Verdichtungsmittel, nämlich bevorzugt Magnesiumoxyd, hinzugefügt, und ist der Mahlprozeß abgeschlossen, dann wird das dann noch breiförmige Gemisch getrocknet und anschließend durch ein Sieb hindurchgesiebt, um ein Pulvergemisch einer maximalen Körnchengröße von etwa 100 Maschen zu erhalten.

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Aus diesem also in den Hohlraum 42 des Presswerkzeuges in einer vorbestimmten Menge eingefüllten Gemisch wird unter Anwendung von Wärme und Druck die Nabe 44 des Läufers geformt, wobei dieser Formungsprozeß gekoppelt ist an eine Verbindung mit dem zeitlich zuvor geformten Schaufelring über die zu diesem Zweck an dem in das Werkzeug eingelegten Zwischenprodukt 20 von Umhüllungsmaterial freigebliebene Fläche 16. Da die verschiedenen Werkzeugteile aus Graphit bestehen, sollte zur Verhinderung einer Reaktion damit während des Heißpressens der Hohlraum 42 des Werkzeuges vor der Auffüllung mit dem Gemisch aus den Siliziumnitritteilchen und dem Verdichtungshilfsmittel mit einer geeigneten Abschirmoder Sperrschicht ausgekleidet werden, wofür sich beispielsweise eine Graphitfolie oder auch Bornitrit eignet. Von dieser Auskleidung ist dann selbstverständlich wieder die Fläche 16 auszunehmen, da ja dort die Verbindung mit dem Schaufelring des Läufers stattfinden soll. Das Heißpressen wird beispielsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 1650 C und etwa 1800 C sowie unter einem Druck von etwa 140 bis 280 kg/cm durchgeführt, um so letztlich für die Nabe 44 eine Dichte zu erreichen, die wenigstens etwa 985$ der theoretischen Dichte entsprichto

Ist dieser Pressvorgang abgeschlossen, dann wird das Presswerkzeug und mit ihm das erhaltene Preßstück allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Pressstück wird dann dem Werkzeug entnommen, um abschließend noch das Füllmittel wieder entfernen zu können, was sich besonders dann äusserst einfach gestaltet, wenn vor dem Aufbringen desselben, wie oben erläutert, ein geeignetes Trennmittel, wie Bornitrit, aufgebracht worden war. Zur Entfernung des Füllmittels braucht dann das Preßstück nur beispielsweise in ein Bad ein-

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getaucht zu werden, in welchem es mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird, welche mithin das Füllmittel von dem Schaufelring 10 ablöst, ohne daß es dazu noch weiterer Hilfsmaßnahmen bedarf.

Ist das Füllmittel entfernt worden, dann liegt unmittelbar das fertige Produkt vor, also im vorliegenden Fall der Läufer einer Gasturbine, bei dem der Schaufelring eine kleinere Dichte hat als die damit verbundene Nabe, die im Betrieb der Turbine mithin entsprechend größeren thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen werden kann.

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Claims

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Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines mit zwei verschiedenen Dichten versehenen Siliziumnitrit-Produktes, wie insbesondere des Läufers einer asturbine, bei dem der Schaufelring eine andere Dichte hat als die damit verbundene Nabe, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der mit der einen Dichte versehene eine Produktenteil durch einen Formgebungsprozeß aus Siliziummetall-Teilchen geformt und anschließend für eine Umwandlung des Siliziummetalls in nahezu reines Siliziumnitrit nitriert wird, daß dann dieser Produktenteil bis auf eine bezüglich des anderen Produktenteils der anderen Dichte wirksame Haft- bzw. Bindefläche mit Siliziumnitrit umhüllt und unter Verwendung eines Preßwerkzeuges an seine dabei eine Teilfläche der den formgebenden Hohlraum des Werkzeuges begrenzenden Wand bildende Haft- bzw. Bindefläche dann der andere Produktenteil aus einem Gemisch aus etwa 94 bis 99,5 Gew.-% Siliziumnitrit-Teilchen und etwa 6,0 bis 0,5 Gew_o-% eines Verdichtungshilfsmittels durch ein Verdichten dieses Gemisches auf wenigstens etwa 9d% seiner theoretischen Dichte angeformt und gleichzeitig mit dem einen Produktenteil verbunden wird, und daß schließlich das Hüllmittel wieder von dem einen Produktenteil entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Produktenteil durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß hergestellt wird.

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Verfahren nach Anspruch "I, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung des einen Produktenteils mit dem Siliziumnitrit durch einen mindestens einmaligen Schlickerguß von Siliziummetallteilchen und eine nachfolgende Nitrierung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem einmaligen und vor jedem nachfolgenden Schlickerguß von Siliziummetallteilchen der eine Produktenteil mit einem Trenn- oder Gleit- bzw. Entfernungsmittel beschichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Trenn- oder Gleit- bzw. Entfernungsmittel Bornitrit verwendet wird.

6. Verfahren mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdichtungsmittel Magnesiumoxyd verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der formgebende Hohlraum des Preßwerkzeuges bis auf die Haft- bzw. Bindefläche des einen Produktenteils vor dem Einfüllen des Gemisches mit einer Abschirm- oder Sperrschicht, wie insbesondere mit einer Graphitfolie oder mit Bornitrit, ausgekleidet wird_o

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