DE2617336C2 - Verfahren zum Herstellen eines aus Siliziumnitrid bestehenden Produktes, das zwei Bereiche unterschiedlicher Dichte aufweist, und seine Anwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines aus Siliziumnilrid bestehenden Produktes, das zwei Bereiche unterschiedlicher Dichte aufweist, bei dem zunächst ein erster Produktenteil mit der einen Dichte aus Silizium geformt und anschließend nitridiert wird und danach ein die abweichende Dichte aufweisender zweiter Produktenteil an einer Stoßfläche des dabei einen Werkzeugteil eines zur Formgebung verwendeten Preßwerkzeuges bildenden ersten Produktenteils unter Verwendung eines Gemisches aus pulverförmigem Siliziumnitrid vorzugsweise der α-Phase zu etwa 94 bis 99,5 Gew.-°/o und eines Verdichtungsmittels, wie Magnesiumoxid, zu etwa 6,0 bis 0,5 Gew.-% angeformt und heiß aufgepreßt wird.

Ein nach der DE-OS 21 35 648 bekanntes Verfahren der vorgenannten Art wird zum Herstellen von Produkten einfacher Formgebung angewandt. Dabei wird zuerst ein erster zylindrischer Produktenteil aus reaktionsgebundenem oder alternativ aus heißgepreßtem Siliziumnitrid hergestellt und dann in einen seiner Formgebung angepaßten Teilbereich des formgebenden Hohlraumes eines Preßwerkzeuges so eingesetzt, daß er ein integriertes Werkzeugteil dieses für die Formgebung eines die abweichende Dichte aufweisenden zweiten Produktenteils verwendeten Preßwerkzeuges bildet. Der zweite Produktenteil wird dann mittels dieses Preßwerkzeuges an eine Stoßfläche des ersten Produktenteils angeformt und heiß aufgepreßt, wobei ein Gemisch aus pulverförmigem Siliziumnitrid der «-Phase und eines Verdichtungsmittels, wie Magnesiumoxid, zur Verwendung kommt. Sofern bei dem fertigen Produkt der zuerst herzustellende eine Produktenteil der einen Dichte eine komplizierte Formgebung erhalten muß, wie es beispielsweise bei dem Schaufelring des Läufers einer Gasturbine der Fall ist, bei dem dann die eine abweichende Dichte aufweisende Nabe einen anschließend herzustellenden zweiten Produktenteil bildet, dann kann diese kompliziertere Formgebung eines solchen ersten Produktenteils nur duich einen beispielsweise aus der GB-PS 7 79 474 bekannten ίο Sciilickerguß oder alternativ dazu auch durch einen Spritzguß erhalten werden. Wenn nach dem bekannten Verfahren an ein solches im Schlickerguß oder im Spritzguß hergestelltes Produktenteil einer mithin komplizierteren Formgebung dann der die abweichende Dichte aufweisende andere Produktenteil einer vergleichbar einfacheren Formgebung angeformt und heiß aufgepreßt wird, dann erweist sich seine Benutzung als ein Werkzeugteil des zur Formgebung dieses anderen Produktenteils verwendeten Preßwerkzeuges darin nachteilig, daß die für den anderen Produktenteil maximal erreichbare Festigkeit durch die maximale Festigkeit des einen Produktenteils begrenzt wird. Da sowohl mit dem Schlickerguß als auch mit dem Spritzguß regelmäßig nur niedrigere Festigkeiten als mit dem Heißpressen erreichbar sind, nämlich Festigkeiten, die beim Schlickerguß der Erreichbarkeit einer Dichte in der Größenordnung von etwe 80 bis 85% der theoretischen Dichte und beim Spritzguß der Erreichbarkeit einer Dichte in der Größenordnung von etwa 70 bis /5% der theoretischen Dichte entsprechen, während mittels des Heißpressens immerhin Festigkeiten erreichbar sind, die einer Dichte von wenigstens etwa 98% der theoretischen Dichte entsprechen, ist mithin das bekannte Verfahren in einer entsprechenden Abwandlung allenfalls auf das Herstellen solcher Produkte mit einem dabei wegen einer komplizierteren Formgebung zunächst durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß hergestellten ersten Produktenteil anwendbar, bei denen der an diesen ersten Produktenteil anschließend angeformte zweite Produktenteil eine verleichbar kleinere Festigkeit bzw. Dichte aufweisen kann. Die mit dem Heißpressen erreichbaren Vorteiie der Erzielbarkeit eines größeren Festigkeit bzw. Dichte können daher bei dem bekannten Verfahren beispielsweise für die Herstellung des Läufers einer Gasturbine nicht ausgenutzt werden, weil dabei die gegenüber dem Schaufelring eine einfachere Formgebung aufweisende Nabe wegen der Belastungen im Betrieb eine größtmögliche und jedenfalls gegenüber dem Schaufelring höhere Festigkeit bzw. Dichte aufweisen muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das nach der Gattung bekannte Verfahren so weiterzubilden, daß damit auch Produkte herstellbar sind, bei denen der zweite Produktenteil eine höhere Dichte aufweisen soll als der erste Produktenteil, wenn sich für diesen ersten Produktenteil aufgrund einer relativ komplizierteren Formgebung die Notwendigkeit für ein Herstellen durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß ergibt.

Ausgehend von dem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der dabei in Abwandlung durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß hergestellte eine Produktenteil vor der Anformung des zweiten Produktenteils bis auf seine Stoßfläche mit einer im mindestens einmaligen Schlickerguß über eine aus einem Trennmittel, wie Bornitrid, bestehende

Beschichtung aufgebrachten und nachfolgend nitridierten Umhüllung aus Siliziumpulver versehen wird, die nach der Fertigstellung des Produktes wieder von dem einen Produktenteil entfernt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich damit auch beispielsweise auf die Herstellung des Läufers einer Gasturbine anwenden, bei derr> folglich der gegenüber der Nabe eine kompliziertere Formgebung aufweisende Schaufelring den einen Produktenteil bildet, der zunächst durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß auf sein Fertigmaß hergestellt wird. Indem dieser eine Produktenteil dann vor der Anformung des zweiten Produktenteils zunächst mit einer im Schlickerguß aufgebrachten und nachfolgend nitridierten Umhüllung aus Siliziumpulver versehen wird, wird damit seine Festigkeit so weit erhöht, daß die sich dann anschließende Anformung des zweiten Produktenteils an die von der Umhüllung freigebliebene Sto3fläche auch mittels eines Heißpressens ohne eine Beschädigungsgefahr für den einen Pr^xiuktenteil vorgenommen werden kann und mithin ein fertiges Produkt erhalten wird, bei dem dieser zweite Produktenteil eine gegenüber dem ersten Produktenteil größere Festigkeit aufweist. Die gefahrlose Anformung des zweiten Produktenteils an die von der Umhüllung frei bleibende Stoßfläche des ersten Produktenteils kann dabei mit einem entsprechend größeren Sicherheitsfaktor durchgeführt werden, wenn die Umhüllung durch eine Wiederholung des Schlickergusses mehrschichtig ausgeführt wird, wobei es dann aber für eine einfache Entfernung einer solchen mehrschichtigen Umhüllung von dem fertigen Produkt zweckmäßig ist, wenn vor jedem erneuerten Schlickerguß die vorhergehende Schicht der Umhüllung mit dem Trennmittel versehen wird. Das Trennmittel stellt dabei sicher, daß nach der Fertigstellung des Produktes die Umhüllung wieder auf einfache Weise von dem einen Produktenteil entfernt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich somit auch für die Herstellung des Läufers einer Gasturbine anwenden, bei dem die Nabe die mittels des Heißpressens ohne weiteres erreichbare Festigkeit aufweisen soll, die einer Dichte von wenigstens 98% der theoretischen Dichte entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung für die Herstellung des Läufers einer Gasturbine näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein Preßwerkzeug, mittels welchem an den ein erstes Produktenteil bildenden Schaufelring die ein zweites Produktenteil bildende Nabe des Läufers einer Gasturbine angeformt wird, und

Fig. 2 bis 4 eine Perspektiviansicht eines Teils des Läufers in den verschiedenen, aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen.

Die Herstellung des Läufers einer Gasturbine läßt sich mittels konstruktiver Maßnahmen unterteilen in die Einzelherstellung eines Schaufelringes 10, bei dem die einzelnen Schaufeln 12 an einem gemeinsamen Stützring 14 ausgebildet sind, und einer Nabe 44, die dann in einer weiteren Fertigungsstufe an diesen gemeinsamen Stützring 14 der Schaufeln 12 angeformt wird. Weil der Schaufelring 10 eine kompliziertere Formgebung erfordert, wird er durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß hergestellt, wobei der Schlickerguß für eine Vereinheitlichung der nachfolgenden Verfahrensschritte bevorzugt wird. Für den Schlickgeruß wird ein aus Siliziummetallteilchen und einem Lösemittel bestehender Schlicker verwendet, von üem das Lösemittel nach dem Füllen der Gießform wieder entfernt wird, so daß in der Gießform ein bereits verfestigtes Produktenteil zurückbleibt, das anschließend sofort nitridiert werden kann. Für einen Spritzgv'3 wird andererseits zweckmäßig ein Gemisch aus 60 bis 66 Vo!.-% Siliziummetallteilchen und 40 bis 34 Vol.-% eines thermoplastischen Bindemittels verwendet, bei dem die .Siliziummetallteilchen eine maximale Teilchengröße von etwa 40 bis 60 μπι und eine mittlere Teilchengröße von 10 bis 13 μιτι haben. Dieses Gemisch wird zunächst in dem Druckzylinder einer Spritzgußmaschine auf eine Temperatur höher als der Schmelzpunkt des thermoplastischen Bindemittels erwärmt und dann anschließend in die kalte Gießform gedrückt, wobei das thermoplastische Bindemittel beim Erstarren die gewünschte Formgebung des Schaufelrings annimmt. Ist der Erstarrungsprozeß abgeschlossen, dann 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, damit während des dabei erfolgenden Ausbrennens des Bindemittels in dem Schaufelring keine Spannungen erzeugt werden. Sobald dieses Ausbrennen des thermoplastischen Bindemittels abgeschlossen ist, wird auch hier der erhaltene Produklenteil nilridiert.

Der im Schlickerguß hergestellte Schaufelring 10 weist eine Dichte von etwa 80 bis 85% der theoretischen Dichte auf, während er bei einer Herstellung im ^J0 Spritzguß eine Dichte von etwa 70 bis 75% der theoretischen Dichte besitzt. Dieser Schaufelring wird dann für die Anformung der Nabe 44 an die dafür vorgesehene Stoßfläche 16 des Stüti'.ringes 14 zunächst mit Ausnahme dieser Stoßfläche 16 mit einer Umhüliung aus Siliziumpulver versehen, die nach der abgeschlossenen Anformung der Nabe 44 wieder entfernt wird. Für die Anbringung der Umhüllung wird der Schaufelring 10 zunächst mit einem Trennmittel, wie pulverförmiges Bornitrid, beschichtet, wobei auch diese •to Beschichtung die Stoßfläche 16 ausschließt. Der Schaufelring wird dann mit der im Schlickerguß aufgebrachten Umhüllung versehen, wobei insbesondere die zwischen den einzelnen Schaufeln 12 bestehenden Zwischenräume 18 mit dem Schlicker ausgefüllt werden, von dem dann wieder das Lösemittel vor einer anschließenden Nitridierung abgetrennt wird. Das erhaltene Zwischenprodukt gemäß F i g. 3 wird dann unter Verwendung einer größeren Gießform mit einer nochmals im Schlickerguß aufgebrachten weiteren so Umhüllung versehen, mit der alle bis dahin frei gebliebenen Bereiche wieder mil: Ausnahme der Stoßfläche 16 abgedeckt werden, wobei auch vor diesem erneuerten Schlickerguß eine Beschichtung mit dem Trennmittel vorgenommen wird. Das gemäß F i g. 4 erhaltene Zwischenprodukt 20 des Schaufelringes 10 wird dann in den formgebenden Hohlraum eines Preßwerkzeuges eingelegt, das aus zwei formgebenden Kolben 24 und 32 besteht. Zur Begrenzung des formgebenden Hohlraumes weist das Preßwerkzeug eine Hülse 30 in konzentrischer Anordnung zu einer weiteren Hülse 34 auf, die auf Druckkeile und 28 einwirkt. Die Hülse 314 ist von einer konzentrisch angeordneten Führungslülse 36 umgeben, die der Führung eines auf die Hülse 34 einwirkenden Außen-tempels 40 und eines Innenstempels 38 dient, der auf den durch die Hülse 30 geführten oberen Stempel 32 einwirkt. Der formgebende Hohlraum 42 des Preßwerkzeuges wird mithin außer durch die Stoßfläche 16 des

Zwischenprodukts 20 noch durch die formgebenden Oberflächen der beiden Kolben 24 und 32 und die Innenwand der Hülse 30 begrenzt.

Für das Anformen der Nabe 44 an die Stoßfläche 16 des Zwischenprodukts 20 wird der Hohlraum 42 mit einem Gemisch aus pulverförmigem Siliziumnitrid vorzugsweise der α-Phase zu etwa 94 bis 99,5 Gew.-% und eines Verdichtungsmittels, wie Magnesiumoxid, zu etwa 6,0 bis 0,5 Gew.-% gefüllt. Dieses Gemisch wird dann heißgepreßt, wobei die Nabe 44 mit einer Anformung an die Stoßfläche 16 die für sie gewünschte Formgebung erhält. Wenn die einzelnen Werkzeugteile bevorzugt aus Graphit bestehen, dann ist zur Verhinderung einer Reaktion während des Heißpressens der Hohlraum 42 des Preßwerkzeuges vor der Füllung mit dem Gemisch zweckmäßig mit einer Graphitfolie auszukleiden, wobei mit Ausnahme der Stoßfläche 16 alternativ auch eine Beschichtung mit einem Trennmittel, wie Bornitrid, vorgenommen werden kann. Das Heißpressen des Gemisches wird beispielsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 1650°C und 1800⁰C unter einem Druck von etwa 140 bis 280 bar durchgeführt, um damit für die Nabe 44 eine bevorzugte

ι Dichte von wenigstens 98% der theoretischen Dichte zu erhalten. Nach dem Heißpressen wird das erhaltene Produkt gemeinsam mit dem Preßwerkzeug auf Raumtemperatur abgekühlt und dann dem Preßwerkzeug zur Entfernung der Umhüllung entnommen. Das

in Produkt braucht dafür nur beispielsweise in ein Bad eingetaucht zu werden, in welchem es mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird, wobei sich dann die Umhüllung, begünstigt durch das Trennmittel, von dem Schaufelring 10 ohne jede weitere sonstige Hilfsmaßnähme ablöst. Der somit fertige Läufer einer Gasturbine weist dann eine Nabe mit einer gegenüber dem Schaufelring größeren Dichte auf, die im Betrieb der Gasturbine auch größeren thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines aus Siliziumnitrid bestehenden Produktes, das zwei Bereiche unterschiedlicher Dichte aufweist, bei dem zunächst ein erster Produktenteil mit der einen Dichte aus Silizium geformt und anschließend nitridiert wird und danach ein die abweichende Dichte aufweisender zweiter Produktenteil an einer Stoßfläche des dabei einen Werkzeugtei! eines zur Formgebung verwendeten Preßwerkzeuges bildenden ersten Produktenteiis unter Verwendung eines Gemisches aus pulverförmigem Siliziumnitrid vorzugsweise der »-Phase zu etwa 94 bis 99,5Gew.-% und eines Verdichtungsmittels, wie Magnesiumoxid, zu etwa 6,0 bis 0,5 Gew.-% angeformt und heiß aufgepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Produktenteil durch einen Schlickerguß oder durch einen Spritzguß hergestellt und vor der Anformung des zweiten Produktenteils bis auf seine Stoßfläche mit einer im mindestens einmaligen Schlickerguß über eine aus einem Trennmittel, wie Bornitrid, bestehende Beschichtung aufgebrachten und nachfolgend nitridierten Umhüllung aus Siliziumpulver versehen wird, die nach der Fertigstellung des Produktes wieder von dem einen Produktenteil entfernt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für die Herstellung des Läufers einer Gasturbine, wobei als erster Produktenteil der Schaufelring und als zweiler Produktenteil die auf wenigstens 98% der theoretischen Dichte verdichtete Nabe des Läufers vorgesehen sind.