DE2737267C2

DE2737267C2 - Verfahren zum heißisostatischen Pressen (HIP) von Keramikbauteilen

Info

Publication number: DE2737267C2
Application number: DE19772737267
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 8000 München Hüther
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1977-08-18
Filing date: 1977-08-18
Publication date: 1983-04-14
Also published as: DE2737267A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Siliciumkeramik und anderen hochwarmfesten Keramiken durch heißisostatisches Pressen von porösen Vorkörpern, bei dem der Vorkörper vor einem Eindringen des druckübertragenden Mediums geschützt wird und bei dem als druckübertragendes Medium eine Metallschmelze verwendet wird.

Ein solches Verfahren ist z. B. aus der DE-AS 14 163 bekannt. Bei dem vorbekannten Verfahren befindet sich der Vorkörper beim Isostatpressen in einer Dose, die das Eindringen der Metallschmelze verhindern soll. Aus der DE-OS 26 38 718 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem der Keramikvorkörper in einen Behälter eingeschlossen ist, der bei Prozeßtemperatur plastisch verformbar ist. Schließlich ist es aus der FR-PS 15 48 603 vorbekannt, den Keramikvorkörper in eine Metallhülle einzuschließen, die bei Prozeßtemperatur flüssig wird. Durch das Heißisostatpressen lassen sich sowohl mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur als auch die Oxydationsbeständigkeit durch Verringerung der Porösität des Formkörpers verbessert. Die beim Heißisostatpressen angewendeten Drücke liegen in der Größenordnung von 3000 bar, die Temperatur bei 175O°C. Aufgrund der geringen Viskosität, die Metallschmelzen üblicherweise in diesem Temperaturbereich aufweisen, soll eine unerwünschte Deformation des keramischen Formkörpers ausgeschlossen werden.

Ein Problem bei der Verwendung von Metallschmelzen als druckübertragendes Medium besteht jedoch in der Abdichtung der Poren des Keramikformkörpers so, daß die Metallschmelze bei den hohen zur Anwendung kommenden Drücken nicht in die Porösität eindringt, WPS zum einen die aufbringbaren Drücke ganz oder Teilweise abbauen würde, zum andern die Eigenschaften des Formkörpers in unerwünschter Weise ändern würde. Die vorbekannten Verfahren sind deshalb nicht optimal, weil entweder eine unerwünschte Deformation des Vorkörpers beim Isostatpressen zu besorgen ist oder eine Veränderung der Oberflächenzone des Preßlings infolge einer chemischen Reaktion zwischen der Metallschmelze und dem Keramikmaterial.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ausgehend vom Stand der Technik, wie er sich aus den vorgenannten Druckschriften ergibt, bei einem gattungsgemäßen Verfahren hohe Formtreue beim Preßverfahren zu erreichen und gleichzeitig Materialveränderangen in der Oberflächenzone des Vorkörpers zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem gattungsgemäßen Verfahren der Vorkörper mit einer druckdichten Oberflächenschicht aus Siliziumoxid versehen und danach in die Metallschmelze eingetaucht wird.

Die Anwendung von Siliciumoxyd als Oberflächenschicht hat den Vorteil, daß bei dem HIP-Vorgang diese Oberflächenschicht ein glasig viskoses Verhalten aufweist und deshalb besonders gut jegliche Formänderung des Formkörpers mitmacht ohne daß die Gefahr von Rißbildung in dieser Oberflächenschicht besteht. Ein weiterer Vorteil von Siliciumoxyd als druckdichte Oberflächenschicht besteht darin, daß diese Siliciumoxydschicht nach dem Heißisostatpressen des Formkörpers auf dem Formkörper verbleiben kann.

Schließlich besteht ein weiterer Vorteil der Anwendung von Siliciumoxyd als druckdichter Oberflächenschicht darin, daß solche Siliciumoxydschichten relativ leicht erzeugbar sind und daß sie mit den meisten in Frage kommenden Metallschmelzen so gut wie keine chemische Reaktion eingehen.

Aus der DE-AS 16 46 796 ist es zwar bekannt, einen Keramikformkörper zum Zweck der Herabsetzung der Porösität mit einer Oberflächenschicht aus Siliciumoxyd zu versehen. Allerdings lehrt diese Druckschrift, daß die Oberflächenschicht durch Erhitzen an Luft in Gegenwart von Tonerde erzeugt werden soll. Das Ergebnis eines solchen Verfahrens ist eine Siliciumoxydschicht, die porös bleibt, auf jeden Fall aber gasdurchlässig ist und somit das bei der erfindungsgemäßen Merkmalskombination wesentliche Merkmal »druckdicht« nicht aufweist.

Aus der DE-OS 21 52 066 ist ein Verfahren bekannt, mit dem auf einem Si3N₄-Körper eine gasundurchlässige Schicht erzeugt werden soll. Diese Schicht besteht im Ergebnis aus einer S^^Oi-GIasschicht, d. h. aus einem üblichen Borsilikatglas, welches bei hohen Temperaturen, wie sie beim Heißisostatpressen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorkommen, keine ausreichend große Viskosität aufweisen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in an sich bekannter Weise als Metallschmelze eine Zinnschmelze verwendet wird. Durch den niedrigen Schmelzpunkt des Zinns kann der Aufwand für die Herstellung einer Schmelze und das Wiederaufschmelzen zur Rückgewinnung des Formkörpers besonders niedrig gehalten werden. Weitere

Vorteile von Zinn sind die geringe Viskosität aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes und der hohe Verdampfungspunkt. Schließlich ist eine Zinnschmelze zur Verwendung im Zusammenhang mit einer Siliciumoxydkapselschicht deshalb hervorragend geeignet, weil 5 zwischen Zinn und Siliciumoxyd selbst bei höchsten Temperaturen, wie sie beim ///P-Verfahren vorkommen, keinerlei chemische Reaktion eingeht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Oberflächenschicht durch Oxydation einer auf dem Vorkörper aufgebrachten Siliciumschicht erzeugt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Oxydation in einer Atmosphäre von feuchter Luft erzeugt wird. Die Umwandlung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen von 800 bis 1400⁰C. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Siliciumschicht auf den Formkörper im Vakuum aufgedampft. Dabei wird der Vo. körper auf Raumtemperatur gehalten, vorzugsweise jedoch weist er eine Temperatur zwischen 700° C und 1300°C auf. Die Siliciumschicht kann auch durch thermische und/oder chemische Zersetzung flüchtiger Siliciumverbindungen auf dem Vorkörper erzeugt werden. Zu diesem Zweck wird der Vorkörper vorzugsweise in einer Atmosphäre von SiCU und H₂ bei Temperaturen zwischen 700 und 1300°C und Drücken von 10-' bis 100 Torr gehalten. Der Anteil des Wasserstoffs (H₂) an der Atmosphäre soll etwa 0,1 % bis 20% betragen. Bei diesen Verfahrensparametern läuft dann folgende Reaktion ab:

SiCU + 2 H₂ - Si + 4 HCl.

Anhand der Zeichnung, in der eine schematische Anordnung für die Durchführung des erfinJungsgemäßen Verfahrens gezeigt ist, wird das Verfahren erläutert

In der Zeichnung ist eil. Glasbehälter, wie er üblicherweise als Kapsel zur Aufnahme von Formkörpern für das heißisostaüsche Pressen zur Anwendung komn.t, mit 1 bezeichnet. Im Glasbehälter 1 befindet sich eine Metallschmelze 2, die den Keramikformkorper 3 vollständig einhüllt. Der Glasbehälter J wird vor dem Zuschmelzen evakuiert Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird in herkömmlichen Heißisostatpressen mit Gas als druckübertragendem Medium gearbeitet. Durch den Einschluß der Metallschmelze in einer Glasschicht wird dabei jegliche chemische Reaktion zwischen dem verwendeten Metall und dem druckübertragenden Gas vermieden. Außerdem wird eine Verdampfung der Metallschmelze durch die geschlossene Glasschicht verhindert. Im einzelnen läuft ein solches Verfahren etwa wie folgt ab:

a) Das druckübertragende Metall wird in einem Glasbehälter aufgeschmolzen.

b) Nach Einbringen des mit einer druckdichten SiO2-Schicht versehenen Formkörpers in die Metallschmelze wird der Glasbehälter evakuiert und dicht verschmolzen.

c) Der Glasbehälter wird mit Metallschmelze und Formköi per heißisostatisch gepreßt.

d) Nach Beendigung des heißisostatischen Pressens wird der Glasbehälter zerschlagen.

e) Durch erneutes Schmelzen wird der verdichtete Formkörper aus dem Metall zurückgewonnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Siliciumkeramik und anderen hochwarmfesten Keramiken durch heißisostatisches Pressen von porösen Vorkörpern, bei dem der Vorkörper vor einem Eindringen des druckübertragenden Mediums geschützt wird und bei dem als druckübertragendes Medium eine Metallschmelze verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper mit einer druckdichten Oberflächenschicht aus Siliciumoxyd versehen und danach in die Metallschmelze eingetaucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise als Metallschmelze eine Sn-Schmelze verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht durch Oxydation einer auf den Vorkörper aufgebrachten Siliciumschicht erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Si₃N₄-Körper als Vorkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumoxydschicht durch Oxydation der Oberfläche in einer Atmosphäre von feuchter Luft erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschicht auf den Vorkörper im Vakuum aufgedampft wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschicht durch thermische und/oder chemische Zersetzung flüchtiger Siliciumverbindungen auf dem Vorkörper erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörpe·· bei Temperaturen von 700-1300⁰C und Drucken von 10-'-100 Torr einer Atmosphäre aus SiCU und H2 ausgesetzt wird.