DE2651311C2

DE2651311C2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Keramik

Info

Publication number: DE2651311C2
Application number: DE2651311A
Authority: DE
Inventors: Takashi Tokyo Ishii; Michiyasu Yokohama Komatsu; Tadashi Sagamihara Kanagawa Miyano; Kiyoshi Yokohama Nakamura; Masae Yokohama Nakanishi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-11-10
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE2651311A1; GB1497990A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 23 53 551 bekannt. Nach diesem Verfahren sollen Schaufelräder für Turbinen hergestellt werden, deren Nabe eine höhere Dichte aufweist als die Schaufeln, Zum Verbinden der einzelnen Bestandteile werden bei dem bekannten Ver» fahren Im wesentlichen zwei Möglichkeiten vorgeschlagen, nämlich (a) beim Heißpressen soll ein Binden oder Sintern zwischen den Bestandteilen eintreten, wozu die Form der Vrrblndungsberelche sorgfältig aneinander angepaßt sein muß und (b) es kann ein feuerfester Zement verwendet werden, um die Bestandteile zu einem einheitlichen, Integralen Laufrad zu verbinden. In der Praxis hat sich verschiedentlich die Zusammensetzung schnell drehender Teile aus Bestandteilen unterschiedlicher Dichte nicht bewahrt.

Aus der DE-^S 2! 54480 ist ein Verfahren bekannt, nach dem zuerst ein Bestandteil des Verbundkörpers durch Warmpressen hergestellt wird, so daß dieser Bestandteil Im wesentlichen bereits die endgültige Dichte aufweist. Damit vermeldet dieses Verfahren die Schwierigkeiten, d£s bei der weiteren Verdichtung eines kompliziert gestalteten Körpers auftreten könnten. Auch bei einem aus der DE-OS 2458 691 bekannten Verfahren ist eine nachträgliche Verdichtung eines aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzten Körpers nicht vorgesehen.

Für die Herstellung von Keramlkkörpera ist ein Verfahren, bei dem die Körper geformt und gesintert werden, unerläßlich. Die Herstellung hochdichter Keramikkörper erfordert jedoch eine lange Sinterdauer, je größer dabei das keramische Produkt ist, unso länger Ist die erforderliche Zeitspanne zum Formen und Sintern. Dieses Verfahren leidet gewöhnlich unter den Nachteilen, daß das erhaltene Produkt springt oder bricht, und daß ausgedehnte Herstellungsanlagen erforderlich sind. Aus diesen Gründen wird ein Verfahren zur Formgebung und Sinterung eines einzelnen großen Keramikkörpers von der einschlägigen Industrie verschiedentlich nicht günstig aufgenommen. Mit der Japanischen Patentpublikation 42 812/1972 wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung hochdichter Keramikkörper beschrieben, wobei ein Formkörper mit niedriger Dichte in einem pulverförmlgen Druckübertragungsmedium warmgepreßt wird. Das dort beschriebene Verfahren weist nicht nur den Nachteil auf, daß das gesamte Produkt wertlos wird, wenn nach der Formgebung oder Sinterung in irgendeinem Teil des Produkts ein Riß oder Bruch auftritt, sondern dieses bekannte Verfahren ist auch zur Herstellung großer Keramikkörper im Tonnenmaßstab nicht gut geeignet.

Um die obengenannten Schwierigkeiten zu beseitigen, ist ein anderes Verfahren vorgeschla&iP worden, bei dem zwei oder mehr Bestandteile vorgeformt werden und diese abschließend zu einem Stück vereinigt werden, um das gewünschte Produkt zu erhalten; nach diesem Verfahren sollen Keramikkörper mit relativ großen Abmessungen oder komplizierter Form in einem für die industrielle Fertigung vorteilhaften Verfahren erhalten werden.

Beispielsweise wird mit der Japanischen Patentpublikation 75 910/1974 auf die Schwierigkeiten beim Warmpressen von Keramikkörpern hingewiesen, wenn diese sowohl komplizierte Form wie große mechanische Festigkeit aufweisen sollen; beispielsweise werden zur Herstellung eines zusammengesetzten Turbinen rotors aus keramischem Material die Schaufelabschnitte gegossen, wie üblich gesintert und gebunden, getrennt davon der Nabenabschnitt warmgepreßt und anschließend die Schaufelabschnitte mit der Nabe mittels hochschmelzendem Zement zu einem einstückigen Körper verbunden.

Üblicherwelse wird ein Turbinenrotor bei Umdrehungsgeschwindigkeiten bis mehr als 60 000 Upm gedreht und neben den thermischen Beanspruchungen sowohl Zugkräften In Richtung des Umfanges wie In radialer Richtung ausgesetzt. Während des Betriebs des Turbinenrotors werden die Schaufelspitzen bis auf Temperaturen von 1100 bis 1200° C erhitzt. Deshalb muß der Turbinenrotor ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um solch hohen Temperaturen zu widerstehen.

Wie dargelegt, wird gemäß dem Verfahren nach der Japanischen Patentpubllkatlon 75 910/1974 ein Turbi-

nenroior erhalten, bei dem UIe Verbindungen Bber hochschmelzenden Zement erfolgen, woraus Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Dicke der Schaufelabschnltte und der Nabe ader der gesamten Struktur erfolgen, welche erwartungsgemäß die hohe mechanische Festigkeit nachteilig beeinflussen,

Aufgabe de. Erfindung Ist es, ein Verfahren zur Herstellung hochdichter Verbundkörper aus Keramik anzugeben, die völlig einstückig ausgebildet sind, In allen Teilen eine einheitliche Dichte von mehr als 98% der theoretischen Dichte aufweisen, sowie bei 1200° C eine Biegefestigkeit von mehr als 50 kg/cm' aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachstellend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die beillegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigten

Fig. 1 bis 4 Schrägdarstellungen von Proben von Verbundkörpern, an denen Belastungsversuche durchgeführt werden;

Fig.5 und 6 Seitenansichten der Proben .-sich den Fig. 1 bis 4, wobei die Maßnahmen zur Durchführung der Bruchversuche dargestellt sind;

Fig. 7 eine Schrägdarstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenrotors;

Fig. 8 eine Schrägdarstellung einer geformten Schaufel an dem Turbinenrotor nach Fig. 7,

Fig.9 eine Schrägdarstellung des Nabenabschnittes des Turbinenrotors nach FI g. 7 und

Fig. 10 bis 12 Darstellungen weiterer, nach dem Verfahren gemäß der Erfindung herstellbarer Verbundkörper.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Verbundkörper aus Keramik weist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

(1) Der Körper besteht aus einer einstückigen Anordnung der Bestandteile, welche besonders komplizierte Form aufweist;

(2) der zusammengesetzte Block weist einheitliche Dichte auf, die mehr als 98% der theoretischen Dichte ausmacht;

(3) das Produkt weist bei 1200° C eine größere Biegefestigkeit als SO kg/cm¹ auf;

(4) zur Ausbildung der Verbindungen wird kein fremdes Material wie z. B. Klebemittel verwandt; und

(5) der Gegenstand ist insbesondere für die Verwendung als Turbinenrotor geeignet, für den bei hoher Temperatur große mechanische Festigkeit gefordert wird.

Mit dem Ausdruck »komplizierte Form« wird ein erfindungsgemäß hergestellter Formkörper bezeichnet, dessen Querschnitte deutlich variieren und/oder unregelmäßig ausgebildet sind mit Bezug auf einander folgende horizontale Ebenen, die in einer Richtung senkrecht zur Preßrichtung bei der Verdichtung des Körpers unter einaxialem Druck durch den Körper führen; beispielsweise wird damit auch ein Körper mit einer dreidimensional gekrümmten Fläche verstanden. Mit dem Ausdruck »einheitliche Dichte« wird ausgedrückt, daß die Dichte der entsprechenden Bestandteile des Verbundkörpers aus Keramik nicht mehr als ±5% von der vorgesehenen Dichte abweichen. Mit dem Ausdruck »einstückig ausgebildet, bzw. In einem Stück ausgebildet« wird ein verbundener Block aus mehreren Bestandteilen bezeichnet, bei dem die Verbindungsstellen zu den Bestandteilen eine mechanische Festigkeit aufweisen, die gleich groß oder größer Ist, als die Festigkeit anderer Abschnitte dieser Bestandteile,
Vorzugsweise besteht das keramische Material für die erflndungsgemSßen Verbundkörper, welche große mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisen sollen, Im wesentlichen nicht aus oxidischen keramischen Materialien. Zweckmäßigerwelse sollen die Verbundkörper aus Keramik ausschließlich aus solchen

to Materialien bestehen, die hauptsächlich aus Nitriden wie etwa Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, oder aus Karbiden wie beispielsweise Siliciumcarbid bestehen. In Abhängigkeit vom Verwendungszweck für den fertigen Verbundkörper aus Keramik können dem rohen keramlsehen Material weitere und andere Zusätze oder Verunreinigungen zugefügt werden. In allen Fällen soll das Produkt wenigstens zu 50 Gew.-% oder vorzugsweise zu mehr als 70 Gew.-% aus keramischem Material bestehen. Wenn das rohe keramische Pulver aus Siliciumnitrid besteht, dann wird es angestrebt, dem Material weniger als 30 Gew.-% Yttriumoxid und wender als 5 Gew.-% Aluminiumoxid zuzusetzen, um die nrcchanische Festigkeit des Endprodukts zu erhöhen. Andeie Zusätze wie etwa Magnesiumoxid (MgO), Berylliumoxid (BeO), SiIiciumdloxid (SiO₂), Calciumoxid (CaO), sowie die Oxide von Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym <Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tu), Ytterbium (Yb), Lute· tium (Lu) und Scandium (Sc), ferner Siliciumcarbid (SiC) und Bornitrid (BN) können einzeln oder im Gemisch miteinander zugesetzt werden.

Wie bereits ausgeführt, ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Keramik zuerst erforderlich, die Bestandteile zu formen. Bestandteile mit einer einfachen Form werden gewöhnlich in einer Metallform hergestellt; es kann jedoch jedes beliebige andere gebräuchliche Formgebungsverfahren angewandt werden. Bestandteile mit relativ komplizierter Form werden gewöhnlich nach einem Spritzgußverfahren, einem Gießverfahren oder mittels spanabhebender Bearbeitung hergestellt. Für die Industrielle Fertigung wird unter diesen Verfahren das Spritzgußverfahren am meisten bevorzugt. In diesem Falle wird dar. rohe keramische Pulver mit einem geeigneten bekannten organischen Bindemittel wie etwa Polystyrol oder Polypsopylen vermischt, und das erhaltene Gemisch wird unter Erwärmung in eine Metallform eingespritzt.
Die erhaltenen Formkörper werden einer Vorsinterung

so ausgesetzt. Werden die Formkörper zu einer vorgegebenen Form zusammengesetzt, ohne daß die Vorsinterung durchgeführt wurde, so neigen sie dazu, leicht zu zerbrechen oder sich zu verformen. Diese Eigenschaft 1st besonders beachtlich bei einem zusammengesetzten Block mit komplizierter Form. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vorsinterung bei solchen Temperatur ren durchgeführt, die 90 bis 99%, oder vorzugsweise 93 bis 99% derjenigen Temperatur entsprechen, die beim Warmpressen In der abschließenden Verfahrensstufe angewandt wird. DiJ Vorsinterung erfolgt unter einer solchen Atmosphäre, daß die Formkörper vor Oxidation geschützt sind. Zweckmäßigerwelse werden die konkreten Bedingungen der Vorsinterung wie etwa die Temperatur, die Atmosphäre und die Sinterdauer, In Abhänglgkelt vom rohen keramischen Material, und von der Form und Größt der herzustellenden Bestandteile ausgew ählt. Sofern als rohes keramisches Material ein Nitrid gewählt wird, kann Üblicherwelse Stickstoff als Schutzgas ver-

wendet werden. Sofern das ausgewählte rohe keramische Material aus einem Carbid besteht, wird vorzugsweise eine nichtoxldlerende Atmosphäre wie etwa Stickstoff oder Argon angewandt.

In jedem Falle wird angestrebt, daß die vorgesinterien Bestandteile eine Dichte aufweisen, die mehr als 65% und vorzugsweise mehr als 70% der theoretischen Dichte ausmacht. Mit einer solch hohen Dichte können die Bestandteile den Drücken standhalten, die beim Warmpressen angewandt werden; ferner ergibt sich bei einer solch hohen Dichte eine gute Bindung. Wenn die Dichte weniger als 65% der theoretischen Dichte beträgt, dann zeigt der zusammengesetzte Block im Verlauf des Warmpressens einen gleichmäßigen Schrumpf, wodurch die angestrebte hohe Formgenauigkeit nicht erreicht wird. Diese Schwierigkeiten werden besonders bedeutsam, wenn der Verbundkörper aus Keramik komplizierte Form aufweist.

5 kg/cm² angewandt. Innerhalb von 15 min wird die Temperatur auf 800° C gesteigert, und der Druck auf 75 kg/cm¹ erhöht. Später wird der Druck stufenweise erhöht, nämlich auf 150 kg/cm² bei 1600° C, auf 225 kg/cm¹ bei 1650° C, auf 300 kg/cm^! bei 1700° C, auf 375 kg/cm¹ bei 1750° C und schließlich auf 450 kg/cm² bei 178O⁰C. Die Temperatur wird In ungefähr 30 min von 800 auf 1780° C erhöht; der abschließende Druck von 450 kg/cm² bei 1780° C wird für 2 Std. aufrechterhalten. Später wird die Druckeinwirkung unmittelbar beendet, und die Temperatur wird Innerhalb von 15 min von der Abschlußtemp^ratur auf 1300⁰C erniedrigt und fällt daraufhin schrittweise bis beispielsweise auf Raumtemperatur ab. Nachdem die Wärmequelle abgeschaltet worden Ist, läßt man die warmgepreßte zusammengebaute Masse In der heißen Presse abkühlen. Die Regelung von Druck und Temperatur beim oben erläuterten Warmpressen Ist zweckmäßig für die angegebene Sorte von rohem keraml-

/-Ul JIlItClUlIg MJIIHCH UIC DCSldl IUlCIIC clllläCll ifi CIMC

Form eingebracht werden. Es Ist jedoch zweckmäßig, die Bestandteile In gebranntem Zustand in einer Pulverpakkung zu sintern, da dann eine Verformung der Bestandteile im Verlauf der Sinterung verhindert wird und gesinterte Bestandteile mit einheitlicher Dichte erhalten werden. Die Pulverpackung kann aus inerten hltzebeständigen Pulvern bestehen, wie z. B. aus Kohlenstoff, Siliciumcarbid. Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, oder aus beliebigen Mischungen dieser Materlallen. Sofern als rohes keramisches Material Siliciumnitrid verwendet wird, führt die Verwendung von Aluminiumnitrid als Pulverpackung dazu, daß die nicht-kristalline Phase der vorgesinterten Bestandteile In eine kristalline Phase umgewandelt wird, womit gewährleistet wird, daß die erhaltenen Verbundkörper aus Keramik eine noch welter verbesserte mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisen.

Nachdem die vorgesinterten Bestandteile zu der vorgegebenen Form zusammengebaut worden sind, weiden diese warmgepreßt. Al? Folge dieses Warmpressens wird die zusammengebaute Masse schließlich sehr kompakt und nimmt eine Dichte von mehr als 98% der theoretischen Dichte an. Das Warmpressen kann in einer Form durchgeführt werden, wobei getrennte Pulver als Druckübertragungsmedium verwendet werden. Die Anwendung eines pulverförmigen Druckübertragungsmediums ist erforderlich, wenn ein Verbundkörper aus Keramik mit komplizierter Gestalt hergestellt wird. Am stärksten bevorzugt wird pulverförmiges Bornitrid als Drucküberiragungsmedium eingesetzt: jedoch können für diesen Zweck auch Pulver aus Siliciumcarbid (SiC), Sillciumnitrid (Si₁Ni). Titannitrid (TiN). Borcarbid (B₄C) und Mischungen dieser Materialien eingesetzt werden. Am besten wird zum Warmpressen zu Beginn ein Druck von ungefähr 5 kg/cm² angewandt; anschließend werden sowohl Druck wie Temperatur schrittweise gesteigert: schließlich wird der Druck dahingehend geregell, daß er seinen abschließenden Wert dann erreicht, wenn die Temperatur beim Warmpressen 90 bis 100% ihres abschließenden Wertes erreicht hat. Um diese Bedingungen im einzelnen zu beschreiben, wird ein Gemisch aus rohem Pulver hergestellt, beispielsweise aus 93 Gew.-% Siliciumnitrid, 5 Gew.-% Yttriumoxid und 2 Gew.-% Aluminiumoxid; dieses Gemisch wird vorgesintert, um erfindungsgemäß die Bestandteile zu erhalten. Nachdem dia verges:P.terten Bestandteile zu der vorgesehenen Form zusammengebaut worden sind, werden diese vorgesinterten Bestandteile nach folgendem Verfahren warmgepreßt. Zu Beginn wird ein Druck von ungefähr Größe des zusammengebauten Blockes.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Keramik bringt die folgenden Vorteile:

(1) Da die Bestandteile einfach miteinander verbunden werden, entfällt die Notwendigkeit, hierzu eine große Fabrikationsanlage einzurichten, selbst für d*n Fall, wo ein zusammengesetzter Block von erheblicher Größe hergestellt werden soll;

(2) sofern ein oder mehrere Bestandteile im Verlauf der Formgebung und Sinterung unerwünschterweise springen oder zert.echen, können dieser schadhafte Teil oder die Teile beseitigt werden; ein handelsüblich verwertbares Verbundprodukt kann einfach dadurch erhalten werden, daß die unbrauchbaren Teile gegen gute Teile ausgewechselt werden, wodurch die Möglichkeit, daß ein fertiges Endprodukt als Ganzes als unbrauchbar angesehen werden muß, stark vermindert wird:

(3) da das Produkt aus einem einfach zusammengesetzten Block besteht. Ist für die Vorsinterung der Bestandteile eine relativ kurze Sinterdauer erforderlich; dies trifft ebenfalls für die abschließende Sinterung des zusammengesetzten Blockes zu, woraus wirtschaftliche Vorteile resultieren:

(4) die vorgesinterten Bestandteile sind vor einer Verformung im Verlauf des Warmpressens geschützt;

(5) da die Formgenauigkeit der Bestandteile im Verlauf der Zwischenstufen der Herstellung überprüft werden kann, kann leicht ein Verbundkörper mit hoher Formgenauigkeit hergestellt werden· und

(6) da an den Verbindungsstellen der Bestandteile kein fremdes Material wie etwa ein Klebemittel aufgebracht wird, weist das erhaltene Produkt als Ganzes eine größere mechanische Festigkeit auf.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Keramik mit Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Es wurden drei verschiedene Sorten von rohem pulverförmigen keramischem Material hergestellt, die nachfolgend als Proben A, B und C bezeichnet werden; die Probe A bestand aus einem Pulvergemisch aus 93 Gew.-% Siliciumnitrid, 5 Gew.-% Yttriumoxid und 2 Gew.-96 Aluminiumoxid; die Probe 3 bestand aus einem Pulvergemisch aus 96,5 Gew.-5B AluminiumnUrid, 0,5 Gew.-% Yttriumoxid (Y₂O₃) und 3 Gew.-% Siliciumdi-

oxid (SIOi); die Probe C bestand aus einem Pulvergemisch aus 95 Gew.-% Siliciumcarbid und 5 Gew.-% Aluminiumoxid. Die meisten der genannten Pulver wiesen eine Teilchengröße von weniger als 1 μπι auf. Jede Probe dieser Pulvermlschu.ngen wurde geknetet, wozu ein organisches Bindemittel wie z. B, Polystyrol benutzt wurde und anschließend mittels Kaltverformung zu quadratischen Platten verarbeitet. Die entsprechenden Formkörper wies-, ■< die nachfolgenden dreidimensionalen Gestalten auf. Für den Fall, daß die mittels Warmpressen erzeugte Verbindung parallel zur Preßrichtung (vertikale Verbindung) oder fast parallel dazu ausgerichtet war (schräge oder gekrümmte Verbindung), betrug die

Tabelle 1

Abmessung »a« 15 mm, die Abmessung »b« 50 mm, und die Abmessung »c« IO mm, wie das mit den Flg. 1. 3 und 4 dargestellt Ist. Für den Fall, daß die mittels Warmpressen erzielte Verbindung rechtwinklig zu der Preßrichtung ausgerichtet war (horizontale Verbindung) betrug die Abmessung »a« 30 mm, die Abmessung »b« 50 mm und die Abmessung »c« 5 mm. wie das mit Flg. 2 dargestellt ist. In den Flg. I bis 4 entspricht die Preßrichtung der mit Pfeilen angedeuteten Richtung. Die

ίο Proben wurden unter den nachfolgend in Tabelle 1 aufgeführten Bedingungen behandelt; hierbei sind vorgesinterte Proben und einfach geformte Proben mit ihrer jeweils unterschiedlichen Dichte gegenübergestellt.

Versuchs-Nr. Art der Behandlung

Dichte nach
der Behandlung
(in % der
theor. Dichte)

1 keine Behandlung 51%

2 in einer Packung aus Aluminiuninitrid-Pulver 90 min lang

auf 1700⁰C erhitzt 65%

3 in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 240 min lang

auf 1700⁰C erhitzt 70%

4 in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 150 min lang

auf 1750° C erhitzt 75%

5 in einer Packung aus Kohlenstoff-Pulver 120 min lang auf

1750° C erhitzt 65%

6 in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 120 min lang

auf 175O⁰C erhitzt 70%

7 in einer Packung aus Siliciumcarbid-Pulver 120 min lang auf

1750° C erhitzt 75%

Verschiedene Gruppen von jeweils 2 Proben wurden 120 min lang bei 178O⁰C unter einem Druck von 350 kg/cm^! warmgepreßt; bei jeweils gleichen Gruppen bestand die eine Probe aus einem vorgesinterten Formkörper und die andere aus einem einfach geformten Formkörper; bei einer weiteren Gruppe waren beide Proben vorgesintert und bei einer weiteren Gruppe waren beide Proben einfach geformte Formkörper.
Aus den erhaltenen warmgepreßten miteinander verbundenen Blöcken wurden Verbundstäbe für einen Bruchversuch herausgeschnitten mit den Abmessungen 3 χ 3 χ 25 mm; an diesen Proben wurde deren mechanische Festigkeit bestimmt. Im Falle der Proben mit der vertikalen, schrägen und gekrümmten Verbindung gem. den Flg. 1, 3 und 4 wirkte die mit einem Pfeil angedeu-

Tabelle 2

tete Bruchkraft parallel oder fast parallel zu der Verbindungsebene 1 der Verbundstäbe. Im Falle der mit Flg. 2 dargestellten horizontalen Verbindung wirkte die mit einem Pfeil angedeutete Biegekraft rechtwinklig zu der Verbindungsebene 2 der Verbundstäbe.
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind verschiedene Kombinationen von einfach geformten Proben und vorgeslnterten Proben (welche mit der Versuchs-Nr. gem. Tabelle 1 bezeichnet sind; die Formen der Verbindung (nämlich vertikal, schräg, gekrümmt oder horizontal); die Dichte der warmgepreßten Verbundstäbe nach dem Warmpressen (bezogen auf die theoretische Dichte); die Veränderungen der Dichte der völlig gesinterten Verbundstabe; die Biegefestigkeit der geprüften Proben; und die Formgenauigkeit aufgeführt.

Versuch

Probe Kombi- Verlauf Dichte d. Veränd. d. Biegefestigkeit (kg/cm²) bei Form

nation der Ver- warmgepr. Dichte im Raum- genauig-

aus bindung Proben ges. Block temp. 800° C 1000°C 1200°C U00°C keit

Kontrollvers.	1	A	1-1
Kontrollvers.	2	A	1-1
Kontrollvers.	3	A	1-1
Kontrollvers.	4	A	1-1
Beispiel	1	A	3-3
Beispiel	2	A	3-3
Beispiel	3	A	3-3
Beispiel	4	A	3-3

Vertikal

99,0% ± 1,0% 90 81 64 51

verformt

Horizontal 99,0% ± 1,0% 87 84 66 51 - verformt

Schräg 99,0% ± 1,0% 88 82 63 50 - verformt

Gekrümmt 99,0% ± 1,0% 88 81 63 50 - verformt

Vertikal 99,0% ±1,0% 83 100 92 75 65 gut

Horizontal 100,0% ±0,5% 107 101 96 80 70 gut

Schräg 99,9% ±0,6% 85 100 93 76 66 gut

Gekrümmt 99,9% ±0,6% 86 100 95 79 67 gut

Tabelle 2

ίο

Versuch
Nr.

Probe Kombination
aus

Verlauf
der Verbindung

Dichte d. Veränd. d. Biegefestigkeit (kg/cm²) bei Form-

warmgepr. Dichte im Raum- genauig-

Proben ges. Block temp. 800⁰C 1000⁰C 1200⁰C 1300°Ckeit

Kontrollvers.	5	A	1-3	Vertikal	99,1%	± 4,0%	74	78	47	49	-	verformt
Kontrollvers.	6	A	1-3	Horizontal	99,1%	± 3,5%	87	-	-	56	45	verformt
Kontrollvers.	7	A	1-3	Schräg	99,1%	± 3,5%	76	79	47	46	-	verformt
Kontrollvers.	8	A	1-3	Gekrümmt	99,0%	± 3,5%	82	80	-	50	-	verformt
Beispiel	5	A	2-2	Vertikal	99,5%	± 0,3%	85	88	83	70	58	gut
Beispiel	6	A	4-4	Vertikal	99,8%	±0,1%	100	103	97	82	77	gut
Beispiel	7	A	5-5	Vertikal	99,3%	± 0,2%	83	85	79	60	58	gut
Beispiel	8	B	6-6	Vertikal	99,8%	± 0,2%	78	65	60	51	40	gut
Beispiel	9	B	6-6	Horizontal	99,8%	± 0,3%	80	70	62	50	40	gut
Beispiel	10	B	6-6	Schräg	99,8%	± 0,2%	80	68	60	51	40	gut
Beispiel	U	B	6-6	Gekrümmt	99,8%	± 0,3%	80	68	61	52	41	gut
Beispiel	12	C	7-7	Vertikal	99,3%	± 0,2%	81	70	65	60	55	gut
Beispiel	13	C	7-7	Horizontal	99,3%	± 0,2%	80	73	66	63	56	gut
Beispiel	14	C	7-7	Schräg	99,3%	± 0,2%	81	72	66	61	55	gut
Beispiel	15	C	7-7	Gekrümmt	99,3%	± 0,3%	81	73	67	63	56	gut

Die oben mit Tabelle 2 aufgeführten Versuchsergebnisse belegen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörper aus Keramik, die unter Warmpressen verbunden wurden, wobei eine Pulverpackung als Druckübertragungsmedlum diente, bei hoher Temperatur eine im wesentlichen genauso hohe mechanische Festigkeit aufweisen, wie ein einzelner, fester, warmgepreßter Körper. Es wurde weiterhin festgestellt, daß die Verbindungsstellen der Bestandteile des erfindungsgemäßen Verbundkörpers aus Keramik, die frei von jedem fremden Material wie z. B. einem Klebemittel waren, eine vollständige Verbindung der Bestandteile gewährleisteten: als Folge davon wies der Verbundkörper eine einheitliche Dichte auf.

Eine Kombination von zwei einfach geformten Proben (in Form eines Prüfstabes) entsprechend dem Versuch 1 gem. Tabelle 2 zeigten tuisächlich eine größere mechanische Festigkeit als 50 kg/cm* bei 1200° C, nachdem diese unter Warmpressen verbunden wurden. In vielen Fällen zerbrachen die als Proben verwendeten Verbundstäbe jedoch leicht oder verformten sich im Verlauf des Warmpressens und erwiesen sich für die praktische Anwendung als ungeeignet.

Aus obigen Versuchsergebnissen geht ohne weiteres hervor, daß die mechanische Festigkeit der erfindungsge- so mäßen Verbundkörper aus Keramik von der Form der durch Warmpressen erzeugten Verbindung nur wenig

Tabelle 3

beeinflußt wird, nämlich ob der Körper in vertikaler, horizontaler oder schräger Richtung relativ zur Preßrichtung während des Warmpressens verbunden worden ist. Deshalb treten bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Verbundkörper aus Keramik nur geringe Schwierigkeiten hinsichtlich der mechanischen Festigkeit auf, selbst dann, wenn die Bestandteile in einer solchen Richtung zusammengebaut werden, die aus Gründen der leichteren Fertigung zweckmäßig ist.

Beispiel 2

Siliciumnitrid wurde mit 5 Gew.-% Yttriumoxld und 2 Gew.-% Aluminiumoxid vermischt. Das gesamte Gemisch wurde bis zu einer Teilchengröße unter 1 μΐη zerkleinert. Das Pulvergemisch wurde mit einem Bindemittel geknetet. Aus der erhaltenen Masse wurde nach dem Spritzgußverfahren eine Vielzahl der mit Fig. 8 dargestellten Turbinenschaufeln hergestellt. Weiterhin wurde in einer Metallform die mit Fig. 9 dargestellte Nabe mittels Kaltverformung hergestellt. Die Formkörper wurden bei 400° C entfettet. Ein Teil der entfetteten Formkörper wurde in dieser Form verwendet. Der andere Teil wurde bei 1700 bis 175O⁰C 250 min lang in einer Packung aus Aluminiumnitridpulver vorgesintert. An den behandelten Proben wurden die in der nachfolgenden Tabelle 3 aufgeführten physikalischen Eigenschaften ermittelt.

Probe
Nr.

Gestalt

Behandlung Dichte (% der
theor. Dichte)

1	Schaufel	lediglich geformt
2	Schaufel	vorgesintert
3	Schaufel	vorgesintert
4	Schaufel	vorgesintert
5	Nabe	lediglich geformt
6	Nabe	vorgesinttit
7	Nabe	vorgesintert
8	Nabe	vorgesintert

50%
60%
65%
72%
50%
61%
65%
70%

Entsprechend der Zahl der anzubringenden Schaufeln wurden längs des gesamten Umfange= der Nabe Kerben herausgeschnitten. In diesem Falle wurden die Schaufeln ^% bis Ί mit den Naben 5 bis 8 verbunden. Jede Kombination von Schaufeln und Naben wurde bei 1780" C 150 min lang unter einem Druck von 350 kg/cm^! In einer Packung aus Bornitridpulver als Druckübertragungsme-

dium warmgepreßt; hierbei wurde der mit Flg. 7 dargestellte Turbinenrotor erhalten. In der nachfolgenden Tabelle 4 1st die Anzahl von Sprüngen und Brüchen aufgeführt, c'ic· im Verlauf .ies Warniprcssens an den entsprechenden Kombinationen von Schaufeln und Naben auftraten; weiterhin ist die Formgenauigkeit dieser Kombinationen aufgeführt.

Tabelle 4

Kombination	Bestandteile	Anteil an Sprüngen und Rissen	Formgenauig keit
Λ	1-5	äußerst bemerkenswert	sehr gering
B	2-6	kaum bemerkenswert	gering
C	3-7	überhaupt nicht bemerkenswert	hoch
D	4-8	überhaupt nicht bemerkenswert	sehr hoch
E	2-8	kaum bemerkenswert	gering in der Schaufel
F	4-6	kaum bemerkenswert	gering in der Nahe

Die zusammengesetzten keramischen Turbinenrotoren gem. den Kombinationen C und D nach Tabelle 4 waren vollständig in einem Stück ausgebildet und ihre einheitliche Dichte betrug mehr als 98% der theoretischen Dichte; ihre Biegefestigkeit w_ar großer als 50 kg/cm² bei !2CO⁰C. Die durch Warmpressen eines Formkörpers geringer Dichte ohne Vorsinterung erhaltene Kombination A zeigte eine relativ kleine Biegefestigkeit von ungefähr 50 kg/cm² und ein starkes Auftreten von Rissen und Sprüngen. Die Bestandteile dieser Kombination A waren nicht erfolgreich miteinander verbunden, so daß der daraus resultierende zusammengesetzte Turbinenrotor eine sehr schlechte Formgenauigkeit aufwies. Auch die Kombination B der Bestandteile, deren Dichte nach der Vorsinterung weniger als 65% betrug, ergab einen Turbinenrotor, der geringe Formgenauigkeit aufwies, obwohl dieser Rotor keine so geringe Biegefestigkeit aufwies, wie die Kombination A. Die Kombination C besaß eine zufriedenstellende Biegefestigkeit und Formgenauigkeit und war frei von Rissen oder Sprüngen. Die Kombination D war der Kombination C in allen Punkten überlegen. Die Kombinationen E und F, von denen ein Bestandteil wie angegeben, vorgesintert war, wiesen eine Dichte von weniger als 65% der theoretischen Dichte auf; in den Abschnitten mit niedriger Dichte war die Formgenauigkeit gering; diese Kombinationen E und F waren den Kombinationen C und D unterlegen.

Mit obiger Beschreibung ist der Fall erläutert worden, wo die Schaufeln getrennt hergestellt wurden und d.-nn mit der Nabe verbunden wurden. Es ist jedoch auch möglich, vorher eine einstockige Anordnung aus den Schaufein herzustellen und diese Anordnung in die Nabe einzusetzen, oder die Nabe selbst in mehrere Abschnitte zu unterteilen.

Zur Verbesserung der Säurefestigkeit der Schaufeln hat es sich als wirksam erwiesen, auf den Schaufeloberflä-•::isii e.in säurefestes Mateüai aufbringen oder die Schaufein aus einem besonders säurefesten Material' herzustellen.

Aus obiger Beschreibung geht ohne weiteres hervor, daß die erfindungsgemäßer! Verbundkörper aus Keramik vollständig in einem Stück ausgebildet sind: an den Verbindungsstellen der Bestandteile ist kein frermiai Material wie etwa ein Klebemittel enthalten, dadurch ist ein Schutz gegen Unfälle oder sonstige Schwierigkelten gewährleistet, die ansonsten an diesen Verbindungsstellen auftreten könnten; weiterhin ist der erfindungsgemäße Verbundkörper frei von solchen Schwierigkeiten, die mit ungleichmäßiger Dichte zusammenhängen und beispielsweise die Anwendungsmöglichkelten beschränken könnten; weiterhin weist der erfindungsgemäße Verbundkörper bei 1200° C eine größere mechanische Festigkeit als 50 kg/cm² auf; seine Dichte beträgt mehr als 98% der theoretischen Dichte. Aus all diesen Gründen ist der erfindungsgemäße Verbundkörper aus Keramik gut geeignet für die Anwendung als Turbinenrotor, welcher bekanntlich komplizierte Form aufweist und beim Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt wird: mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Herstellung solcher Turbinenrotoren aus Keramik erleichtert. Dies stellt jedoch nur ein Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar; die Erfindung ist nicht auf die Herstellung großer Gegenstände beschränkt.

Beispiel 3

Dieses Beispiel ist auf die Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers in Form eines Flügelra-5b des (vergl. Fig. 12) gerichtet, das im einzelnen aus der Nabe nach Fig. 11 und mehreren Flügeln nach Fig. 10 besteht.

Zur Herstellung dieses Flügelrades aus Keramik wird Siliciumnitrid mit 5 Gew.-% Yttriumoxid und 2 Gew.-% Aluminiumoxid vermischt. Das gesamte Gemisch wird bis zu einer Teilchengröße kleiner als 1 μτη pulverisiert. Das Pulvergemisch wird zusammen mit einem Bindemittel geknetet. Die erhaltene Masse wird in eine Anzahl Formen zur Erzeugung der Flügel nach Flg. 10 eingeeo bracht. Weiterhin wird eine mit Fig. 11 dargestellte Nabe in einer MetaHfonn kalt geformt. Ein Teil der ent-■ fetteten Formkörper wird in der erhaltenen Form weiter- '. verarbeitet. Ein anderer Anteil wird in einer Pulverpak-' kung aus Aluminiumnitridpulver 240 min lang bei einer © Temperatur von 1700 bis 1750° C einer Vorsinterung ausgesetzt. Die erha'tt.na; Prc-bcn und ihre physikalischen EigevvschaUen air.d in der nachfolgenden Tabelle 5 ange-

Tabelle 5

Probe

Nr.

Form

Behandlungszustand

Dichte (% der theor. Dichte)

1 2 3 4 5 6 7 8

Flügel

Nabe

lediglich geformt

vorgesintert

lediglich geformt

vorgesintert

vorgesinteit 50% 61% 65% 70% 50% 60% 65% 71%

In der Oberseite der Nabe werden eine Anzahl Nuten ausgespart, deren Zahl an die Anzahl der anzubringenden Flügel angepaßt 1st. In diesem Falle werden die Flügel 1 bis 4 Rih den Naben 5 bis 8 kombiniert. Jede einzelne Kombination von Naben und Flügeln wurde 150 min bei einer Temperatur von 1780"C unter einem Druck von 350 kg/cm² heiß gepreßt, wobei eine Pulverpackung aus

Tabelle 6

Bornltridpulver als Druckübertragungsmedium diente, um das mit Fig. 12 dargestellte Flügelrad zu erhalten. In der nachfolgenden Tabelle 6 ist das Ausmaß an Brüchen und Rißbildungen sowie die erhaltene Abmessungsgenauigkeit im Anschluß an die Heißpressung für jede Kombination von Flügeln und Naben aufgeführt.

Kombination Bestandteile Nr.

Ausmaß an Brüchen und Rissen Abmessungsgenauigkeit

A	1-5	sehr stark
B	2-6	mäßig
C	3-7	nicht feststellbar
D	4-8	nicht feststellbar
E	2-8	mäßig

4-6

sehr gering gering hoch sehr hoch

im Flügel gering

mäßig in der Nabe

gering

Die Flügelräder entsprechend den Kombinationen C und D bestanden vollständig aus einem Stock, und hat* ten In allen Teilen eine einheitliche Dichte von mehr als 98% der theoretischen Dichte. Das Flügelrad der Kombi· nation A wurde durch Heißpressen eines wenig dichten Rohlings ohne Vorslnlerung erhalten und Wies In erheblichem Umfang Risse und Brüche auf. Die Bestandteil« der Kombination A waren unvollständig miteinander verbunden, was zu einer sehr geringen Abmessungsgenauigkeit des fertigen zusammengesetzten Flügelrads fahrte. Das Flügelrad der Kombination B wurde aus Bestandteilen erhalten, deren Dichte nach der Vorslnlerung weniger als 65* betrug; auch dieses fertige Flügelrad weist nur eine geringe Abmessungsgenauigkeit auf. Bei dem Flügelrad der Kombination C wurden eine befriedigende Biegefestigkeit sowie eine befriedigende Abmessungsgenauigkeit festgestellt; Risse und Brüche irateii nicht auf. Das Flügelrad fiäeh def Kombination D war dem Flügelrad C In allen Eigenschaften überlegen. Bei den Flügelrädern nach den Kombinationen E und F hat nur ein Bestandteil nach der Vorslnlerung eine Dichte unter 65% der theoretischen Dichte aufgewiesen; das fahrte am fertigen Flügelrad zu einer niedrigen Abmessungsgenauigkeit dieses Bestandteils mit geringe· rer ursprünglicher Dichte, so daß auch diese Flügelrader gegenüber den Laufradern C und D unterlegen waren, so Dieses Beispiel kann auch dahingehend abgewandelt werden, daß nicht die einzelnen Flügel getrennt an der Nabe befestigt werden, sondern zuerst ein Bauteil mit samtlichen Flügeln hergestellt wird und dieses Bauteil spater unter Heißpressen an der Nabe befestigt wird; weiss terhln Ist es möglich, nicht von einer einstöckigen Nabe auszugehen, sondern von einer aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzten Nabe.

Zur Erhöhung der Säurefestigkeit der Flügel Ist es

zweckmäßig, ein säurefestes Material auf der Flügelober·

6β fische aufzubringen, oder for die Flügel van vornherein

ein säurefestes Material vorzusehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Keramik, bei dein wenigstens zwei Bestandteile des Verbundkörper hergestellt, diese Bestandteile in einer Form zusammengesetzt, und die zusammengesetzten Bestandteile heißgepreßt werden, um die einzelnen Bestandteile einstückig miteinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Herstellung der Bestandteile eine Vorsinterung bis zu einer Dichte von mehr als 65* der theoretischen Dichte durchgeführt wird; und

b) die zusammengesetzten Bestandteile weiter ver- ₎₅ dichtet werden, bis alle Teile des fertigen Verbundkörpers eine einheitliche Dichte von mehr als 98% der theoretischen Dichte aufweisen, wobei eine Pulverpackung als DruckübertragungsmedJum verwendet wird. _Μ

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsinterung solange durchgeführt wird, bis die Bestandteile eine Dichte von mehr als 70% der theoretischen Dichte aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulver für die Pulverpackung wenigstens eines der nachfolgenden Materialien, nämlich Kohlenstoff, Slliciumkarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid ausgewählt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Warmpressen der Druck dahingehend geregelt wir/l, daß zu Beginn ein Druck von 5 kg/cm² vorgesehen ist, im Anschluß daran sowohl Druck und Temperatur gesteigert werden, und daß das abschließende Diuckniveau erreicht wird, wenn die Temperatur 90 bis 95% der Temperatur ' in der Schlußphase des Warmpressens erreicht hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Bestandteile ein rohes keramisches Pulver verwendet wird, das zu mehr als 65 Gew.-« aus Siliciumnitrid, zu weniger als 30 Gew.-* aus Yttriumoxid und zu weniger als 5 Gew.-% aus Aluminiumoxid besteht.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 5 auf die Herstellung eines Verbundkörpers in der Gestatt eines Turbinenrotors, wobei die Schaufeln und die Nabe dieses Turbinenrotors vorher getrennt geformt werden und nach der Vorsinterung zu einem Stück zusammengesetzt werden.

so