DE3011907A1

DE3011907A1 - Verfahren zum verbinden von keramikkoerpern auf siliciumnitridbasis

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Publication number: DE3011907A1
Application number: DE19803011907
Authority: DE
Inventors: Howard D Blair; Morton E Milberg
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1980-10-09
Also published as: CA1147538A; US4324356A; GB2047151B; GB2047151A; DE3011907C2; JPS644991B2; JPS55130865A

Description

DR. A. KÖHLER M. SCHROEDER PATENTANWÄLTE PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATBNT OR* TELEFON: C089J 374742 8 MÖNCHEN -40 TELEGRAMME: CARBOPAT MÖNCHEN FRANZ-JOSEPH-STRASSE 48

S/Hi
U5-1055

Ford-Werke AG
Köln

Verfahren zum Verbinden von Keramikkörpern auf Siliciumnitridbasis .

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von Keramikkörpern auf Siliciuimitridbasis angegeben. Wenigstens eine Grenzflächenoberfläche der Formkörper (von denen einer oder beide warmgepreßt oder reaktionsgesintert sein können) erhält eine Schicht aus einem Material auf der Basis von metallischem Aluminium. Die Körper mit dem dazwischenliegenden Material auf der Basis von metallischem Aluminium werden einem Erhitzungsvorgang bei 1400 bis 1900⁰C während eines Zeitraums von beispielsweise 0,5 bis 2 Stunden in einer nitrierenden Atmosphäre unterzogen, um eine chemische Bindung herbeizuführen, die in der Umwandlung des Grenzflächenkeramikmaterials in ein Si-Al-O-N-System besteht.

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Die normalerweise für Siliciumnitrid und andere Materialien . auf der Basis von Siliciumnitrid wie Sialon angegebenen Eigenschaften machen sie zu idealen Stoffen für bestimmte Maschinenbestandteile. Diese Eigenschaften bestehen gewöhnlich in hoher Festigkeit, Abnutzungsbeständigkeit, hoher Zersetzungstemperatur, Oxidationsbeständigkeit, ausgezeichneten Wärmeschockeigenschaften und Beständigkeit gegenüber korrosiven Umgebungen. Eine Hauptschwierigkeit besteht jedoch in der Herstellung geeigneter Formen mit diesen erwünschten Eigenschaften.

Obgleich in jüngster Zeit gezeigt wurde, daß Siliciumnitrid mit geeigneten Zusätzen zu beträchtlich hoher Dichte gesintert werden kann, ist die Technik noch nicht bis zu dem Punkt breiter Anwendung entwickelt worden, und die mechanischen Eigenschaften der Sinterprodukte verschlechtern sich bei hoher Temperatur, vermutlich als Ergebnis der verwendeten Zusätze. Die beiden Verfahren, die üblicherweise zur Herstellung von Keramikkörpern auf Siliciumnitridbasis angewendet werden, sind das sogenannte "Reaktionssintern" und das "Warmpressen".

hei dem Reaktionssintern wird zunächst die erforderliche Gestalt aus kompaktiertem Siliciumpulver hergestellt, das dann in molekularem Stickstoff oder einer geeigneten stickstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 14OO"C unter Erhalt eines Produktes nit durchschnittlich etwa 25 % Porosität nitriert wird, obgleich nach dem derzeit besten Verfahren Materialien mit einer Porosität von etwa 15 % hergestellt werden können. Das Reaktionssinterverfahren benötigt gewöhnlich mehrere Tage und verwendet einen komplizierten Erhitzungskreislauf. Zur Beschleunigung der Nitrierung wird wenigstens 1 % Fe gewöhnlich zugesetzt. Die ursprünglichen Dimensionen des Siliciumkompaktmaterials bleiben während des Nitriervorgangs tatsäch-

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lieh unverändert, und daher können sehr komplizierte Formen erhalten werden, wie beispielsweise Turbinenschaufeln.

Die Alternative besteht im Warmpressen von Siliciumnitridpulver mit geeigneten Zusätzen unter Drücken von mehreren 100 at (several thousand psi) in einer Graphitform bei etwa 1700 bis 1800⁰C unter Herstellung eines Siliciumnitridproduktes, das praktisch vollständig dicht ist. Das Material mit der höchsten Festigkeit,wenigstens bei Raumtemperatur,wird lediglich durch V/armpressen erhalten, jedoch ist dies teuer und ist auf ziemlich einfache Formen beschränkt. Bei hohen Temperaturen ergibt sich eine gewisse Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, die auf die Warmpreßzusätze zurückzuführen ist.

Ein reaktionsgesintertes Material wird in einfacher V/eise einfach durch das Nitrierverfahren hergestellt. Leider ist dieses Material für viele Anwendungen nicht fest genug und aufgrund seiner Porosität und folglich seines hohen Oberflächenbereichs nicht sehr oxidationsbeständig. Jedoch verschlechtern sich seine mechanischen Eigenschaften nicht bei hoher Temperatur.

Daher besteht ein Bedarf nach einem einfachen Verfahren, das selektiv die Verbindung entweder von heißgepreßten oder reaktionsgesinterten Keramikkörpern zu einer Form bzw. Gestalt ermöglicht, die in einem Körper nicht erreichbar ist, ausgenommen durch teure maschinelle Bearbeitung. In einigen Fällen besteht ein Bedarf, die besten Eigenschaften der heißgepreßten und der reaktionsgesinterten Siliciumnitridkörper zu kombinieren, wobei man einen für bestimmte komplexe Bestandteile und den andern für Bestandteile hoher Festigkeit verwendet und wobei die Bestandteile in einer Anordnung zusammen verbunden sind.

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In anderen Fällen mag es erwünscht sein, zwei oder mehr heißgepreßte oder reaktionsgesinterte Körper zu kombinieren; einige Formen sind nicht erreichbar selbst durch Reaktionssintern, wegen der Begrenzungen der Pulverkompaktierungstechniken (Kaltpressen, Spritzgußformung, Schlickerguß u.dgl.), wie beispielsweise,wenn Innenräume ohne äußeren Zugang geformt werden sollen.

Nach dem Stand der Technik hat man die Verbindung von Keramikkörpern prinzipiell nach zwei Methoden versucht, (a) eins chemische Verbindung, die sich aus der Verwendung von hohem Druck über äußerst lange Zeiträume ergibt, und (b) eine vorwiegend mechanische Verbindung. Der Typ der hier bis heute verwendeten chemischen Verbindung kann unter Bezugnahme auf eine typische Art zur Herstellung einer keramischen Gasturbinenschaufelanordnung erläutert werden. Der Schaufelring für die Anordnung wird zunächst durch das Verfahren der Reaktienssinterung gebildet. Die Schaufeln besitzen daher ein gewisses Ausmaß an Porosität, sind aber natürlich zu komplexen Gestalten geformt und bestehen aus Siliciumnitrid mit einem Gehalt einer geringen Menge an Eisen (etwa 1 %) und Spuren Verunreinigungen sowie einer Oxidschicht. Die Schaufeln werden dann in eine Form gebracht; Siliciumpulver wird zwischen die Schaufeln gepackt und unter Bildung von Geweben reaktionsgesintert; als nächstes wird mehr Pulver um die Schaufeln und Gewebe gepackt und unter Bildung einer festen Umhüllung reaktionsgesintert. Siliciumnitridpulver wird dann in den Mittelpunkt der Schaufel-, Gewebe- und Gehäuseanordnung gebracht und unter Bildung einer Nabe aus Siliciumnitrid warmgepreßt. Die reaktionsgesinterte Anordnung wirkt als Form und muß beträchtliche Drücke aushalten. Das Pressen erfolgt unter einer Temperatur von etwa 1700⁰C während mehrstündigem kontinuierlichen Warmpressen. In dem Verfahren können natürlich mehrere Schaufeln durch den angewandten Druck zerstört werden. Eine Verbindung

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wird zwischen der heißgepreßten Nabe und der reaktionsgesinterten Schaufel aufgrund einer geringen Diffusion der Preßhilfsmittel, wie beispielsweise Magnesiumoxid oder Yttriumoxid, in das reaktionsgesinterte Material möglich. Der lange Zeitraum bei hoher Temperatur.bewirkt in typischer Weise Verschlechterung der Schaufeln. Das Gesamtverfahren einschließlich der Entfernung des Gewebes und der Umhüllung benötigt mehrere Wochen.

Mechanische Verbindung wurde nach dem Stand der Technik auf verschiedene Art und Weise ausgeführt. Beispielsweise läßt man eine wäßrige Suspension von Silicium mit einem Gehalt eines Binders (z.B. Ammoniumalginat) in die Poren des Siliciumnitridkörpers eindringen; der Binder wird durch Erwärmen ausgetrieben, und das Silicium wird unter Bildung einer Siliciumnitridbrücke nitriert. Dies wird als vorwiegend mechanische Verbindung angesehen und wird am besten durch die US-PS 3 966 885 erläutert. Leider arbeitet dieses Verfahren nicht gut mit warmgepreßtem Siliciumnitrid wegen der Unfähigkeit des Siliciums, in dieses dichte Material einzudringen.

Benötigt wird ein Verfahren, durch das Grenzschichtoberflächen von Körpern auf der Basis von Siliciumnitrid, ob gesintert, warmgepreßt oder reaktionsgesintert, miteinander verbunden werden können, ohne die Notwendigkeit hohen Drucks und ohne die Notwendigkeit der Erhitzung über einen langen Zeitraum. Es ist erwünscht, daß ein Teil der als Grenzfläche vorliegenden Körper aus Siliciumnitrid in ein neues Keramiksystem durch kurzzeitiges Erhitzen ohne Anwendung von Druck überführt werden kann.

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht in einer verbesserten Verbindung zwischen Keramikkörpern auf der Basis von Siliciumnitrid.

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-to*

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht in einen verbesserten Verfahren zur Verbindung verschiedener Körper auf Siliciuimitridbasis lediglich durch die Anwendung von Wärme Avährend kurzer Zeiträume ohne die Anwendung von Druck.

Spezifische Merkmale gemäß den obigen Aufgaben bestehen darin, daß (a) ein Teil der als Grenzfläche vorliegenden Körper auf Siliciumnitridbasis in ein Keramikmaterial überführt wird, das durch eine Reaktion zwischen zugesetztem Aluminium, Sauerstoff (das in dem Oxidfilm auf den in Betracht kommenden Bestandteilen vorliegt und gegebenenfalls als zugesetzte Oxide von Aluminium und/oder Silicium) und SiUi/ unter Bildung von Verbindungen im Si-Al-O-N-Systen hergestellt worden ist, (b) das umgewandelte Keramikmaterial erhalten werden kann, indem eine Schicht aus Aluminium zwischen die als Grenzfläche vorliegenden Körper auf der Basis von Siliciumnitrid angeordnet wird und auf eine Temperatur von etwa 155O⁰O während etwa 1 Stunde ohne Anwendung von Druck, ausgenommen, daß die SiliciumnitridkÖrper mit dem dazwischenliegenden Aluminium leicht aneinandergepreßt werden, erhitzt werden, (c) zum Erhalt der besten Verbindung das zugesetzte Aluminium so begrenzt wird, daß es voll reagiert und ein Si-Al-O-K-System ohne Aluminiumüberschuß bildet, und (d) sichergestellt wird, daß wenigstens ein Teil des zugesetzten Aluminiums in der nichtgebundenen metallischen Form zugesetzt wird und geschmolzen wird.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben. Die chemische Verbindung wird zwischen den Körpern auf Siliciumnitridbasis gemäß der Erfindung durch das Verfahren zur Herstellung eines Si-Al-O-N-Systems an der Grenzfläche in einem relativ kurzen Zeitraum herbeigeführt. Es findet eine Verdrängung von Stickstoff- bzw. Siliciumatomen durch

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Sauerstoff und Aluminium statt. Das keramische Bindungsmaterial (Si-Al-O-N) wird durch Verdrängung bestimmter Siliciumatome (Valenz +4) mit Aluminium (Valenz +3) hergestellt. Dieses elektrische Ungleichgewicht wird durch Verdrängung bestimmter Stickstoffatome (Valenz -3) mit Sauerstoffatomen (Valenz -2) neutralisiert.

Kan nimmt an, daß durch die folgenden Stufen der Erfindung ein leicht herstellbares neues keramisches System (Si-Al-O-IJ) an der Grenzfläche geschaffen wird, das erhebliche Diffusion sowohl in warmgepreßte als auch reaktionsgesinterte Körper fördert.

Eine bevorzugte Methode zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:

(1) Es werden gesondert geformte Körper aus Materialien auf der Basis von Siliciumnitrid hergestellt; ein oder beide Körper können warmgepreßt, reaktionsgesintert oder für diesen Fall drucklos gesintert werden. Beide Körper werden jedoch mit einer in Eingriff kommenden Oberfläche, längs der sie verbunden werden sollen, geformt. Irgendein Material auf Siliciumnitridbasis kann verwendet werden. Diese können beispielsweise solche Materialien wie Sialon oder einfaches Si_xLl; mit einem Gehalt an Preßzusätzen wie beispielsweise MgO oder Y₂O, umfassen.

(2) Eine dünne Schicht oder ein Film aus Material auf Aluminiumbasis wird auf wenigstens eine in Eingriff kommende Oberfläche der geformten Körper aufgebracht. Der Film auf Aluminiumbasis kann aus irgendeiner Kombination aus Aluminium, Silicium und deren Oxiden bestehen. Da ein Si-Al-O-N-IIaterial im Prinzip erzeugt werden soll, kann jedes der Elemente für dieses System als Bestandteile der Schicht oder des Films dienen. Folglich können Si_xNy₁, SiO₉, Al₅O,, Si und AlN vorliegen.

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Da Silicium und Stickstoff in den zu verbindenden Materialien vorliegen, müssen sie nicht unbedingt in der Verbindungsschicht oder dem Verbindungsfilm vorliegen. Sauerstoff ist stets in einer Oxidschicht auf der Oberfläche von Siliciumnitrid und von Aluminium anwesend, so daß es wiederum nicht notwendigerweise als Oxide in der Verbindungsschicht enthalten sein muß. Ob diese Elemente in der Verbindungsschicht enthalten sein müssen oder nicht, hängt von der gev.TJnschten letztlichen Stöchionetrie ab. Metallisches- Aluminium muß jedoch in der Verbindungsschicht zur Einleitung der- Reaktion in seinem geschmolzenen Zustand mit den zu verbindenden Körpern auf Siliciumnitridbasis vorliegen. Da metallisches Aluminium vorliegt, muß die Verbindungsreaktipn in einer Nitrierungsatmosphäre durchgeführt werden, da metallische?. Rückstände unerwünscht sind.

Die Verbindungsreaktipn verläuft so, als ob das geschmolzene Aluminium in der Verbindungsschicht mit dem Qberflächenbe-.· reich des Siliciumnitridkörpers und des in den Oxiden vorlie-. genden Sauerstoffs unter Bildung eines Si-Al-O-N-I'-aterials: reagiert, wobei Silicium freigesetzt wird, das wiederum mit. dem Stickstoffgas unter Bildung von zusätzlichem Siliciumnitrid reagiert, das weiterreagieren kann. Diese Art der Reaktionsfplge wird aufgrund der Beobachtung vorgeschlagen., daß, wenn ein großer Überschuß an metallischem Aluminium verwendet wird, ein Rückstand von metallischem S;ilicium,, jedoch: kein.- Aluminium verbleibt. Die tatsächlich in- dem, Verbindung^-! bereich gebildete Si-Al-O^N-Phase hängt, von_; den sen des vorhandenen Si*. Al, O und N und- ypn den ab..

Die Verbindungsschicht kann auf eineBReihe von Wegen abgeschieden wurden, beispielsweise durch Vakuumyerdampfung,. ^ulyerabscheidung oder-als Folie. Die_r Vakuuravardampfung

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f ert: eine gute Regelung der· Dickey G2..eiahjnaß:±gk.e.iLt und. Zu^ Sammensetzung· (es: können: sjowohiC. Oxide: als auch. Estalle ab.-geschieden werden,)',, ist jedoch: relativ, aufwendig., zeitraubend, und etwas; schwierig; auf bestimmte komplizierte. Eörirasm anzuwenden.. Pulver sind einfach. aMfzuferingen. und liefern, vollirständige.· Regelung· bezüglich; dfesr- Zusannnenseitzung·,= liefern: Je— doch eine sehitechte Regelung- bezüglich dear Gieicnmäßigit-eit und neigen, zu ziemliches: DJtcke.._; ©süeni siiid äußerst: einfacüaufzubringen: und: sind sehr gleüc&mäBaig;·,_. sind je dach ziemlich dick (1? bis: Z5; \m {%5 l3:i& 1 mil)^ und liefern;,, falls nicht anqdiei^rt:, Sauerstoff Jledigliicfr zui einerr liefe; von etwa: 75: ^ a.i.st- passive QxidscMlchte

Die- anfangliche; Djtcke- dfei" UeicbindUngs^scrhicht- kann zwischen* sehr· weiten Grqn.zen. varüiSs^en^; SiLe; untere Grenze, bezüglich, der Dicke wird] durch, das· Erfördfernaus; an: ausireichendeni- Reak— tions.mater:ia-l zur Biildung, eüiear gaa-teiiL Bindung-; bestimmt^- undl dd;es: hängt wiederunt van- disr; Art· der/ zu; verbindendien, liaterialieir. ab. Die umgesetzte·; Zone: ±'s&: nach; &&m Vexbüxden, in-, einean: relativ porösen Matecifiir,,wi^:e? fre^spieiDsjiegbsse reaütiionsgesintertem; Siliciumnitrid^Vi;^. daicketr aäCs? die?, iir- eurem; sehr: äi&hten. Kä&— terial,_f wie^ beispiieitsw;ei.^;sjD warrcgepreiTtetnr SiliciunmitriäiV. in: typischer-WeAsÄ etwa·, zehnmaü;= see dilefe.» Scanüfe kannteinei anfäiig--lieh-. düJinerei Biiidun-gsischiclit- beü. dfemi ^erbürdfenr; voir: tem; Siliciumnitrid^ gegenüber^ dem. Vegrbinden-_; von sintÄiTtem- SÜliaiüiHniifcrdid': -toXmäJeazü: werdferri» Ih: ä^nlücüer ¥eäLsB? k-pnnen.. glarfet. ϋϊ■■ Eürtgrdf f: Kommendes QBerftSMämir. muH: dünneasem Schiciiten· veirbundifem wenden; eä£&; raaih© GberfläibKen^,, d& wenigear und^; kl^iiier-es Wjs&e&i bzw., aparliten: äiwchi d3ie·: BSojäüktfe; dfers-Bitr-ri: ge.ftiX33te werdeni müs^ni.» SMiiaieEßiaxiii unäi

; und! E5ö3jtfenr_#i diinner ; wilee

weise abgeschiedene Pulver. Alles in allem ist es unwahrscheinlich, daß eine Bindungsschicht mit einer Stärke von viel weniger als 100 A genügend Material zur Bildung einer guten Verbindung im besten Fall liefert.

Die obere Grenze der Anfangsdicke der Bindungsschicht wird durch die Unerwünschtheit eines metallischen Rückstandes nach der Verbindung bestimmt. Wiederum hängt die Dicke, oberhalb der ein metallischer Rückstand verbleibt, von der Art der verbundenen Materialien in analoger Weise zu derjenigen, in der die Mnimaldicke abhängig ist, ab. Zusätzlich kann jedoch überschüssiges geschmolzenes Aluminium aus dem Verbindungsbereich, bevor irgendeine Verbindungsreaktion auftritt, durch den angewendeten Druck, um die entsprechenden Oberflächen in Kontakt zu halten, ausgequetscht werden, da Aluminium bei etwa 66O⁰CI, erheblich unter der Temperatur der Bindungsreaktion, schmilzt. Somit kann eine Schicht, die anfänglich zu dick ist, dünn genug sein, wenn die Reaktionstemperatur erreicht ist.

2Lcnso wie die Dicke kann die Ausgangszusammensetzung der Verbindungsschicht erheblich variieren, sofern metallisches Aluminium und eine Quelle für Sauerstoff vorhanden sind. Wenn eine gewisse spezielle Stöchiometrie in dem Bindungsbereich erwünscht ist, muß die Ausgangszusammensetzung der Verbindungsschicht entsprechend eingestellt werden. Y/enn somit aus bestimmten Gründen erwünscht ist, daß der Verbindungsbereich eine sogenannte ß^f-Sialonzusammensetzung aufweist, nämlich Si^N^-X (Al₂O^-AUO, so muß darauf geachtet werden, daß die erforderlichen Mengen an Aluminium und Sauerstoff in der Verbindungsschicht zugeführt werden, wobei zu berücksichtigen ist, daß Stickstoff durch die Nitrierungsatmosphäre zugeführt wird, daß etwas Sauerstoff in den passiven Oxidschich-

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ten auf dem Aluminium und Siliciumnitrid vorliegt und daß irgendwelcher erforderlicher zusätzlicher Sauerstoff entweder durch ALjO, oder SiC>2 zugeführt werden kann und daß die Menge des erforderlichen metallischen Aluminiums zum Teil von der verwendeten Sauerstoff quelle abhängt.. Es sei jedoch bemerkt, daß es viele Phasen in dem System Si-Al-O-W gibt (K.H. Jack. J. Materials Sei. 1J_, 1135 (1976)) und kein offensichtlicher Grund dafür vorliegt, irgendeine bestimmte, z.B. ß'-Sialon, vorzuziehen.

(3) V/ährend die in Eingriff stehenden Oberflächen und die Aluminiumschicht sich in innigem Kontakt befinden, wird die Anordnung in einer nitrierenden Atmosphäre während eines Zeitraums von etwa 1 Stunde bei einem Temperaturwert von 1400 bis 190O³C oder bevorzugt 1550 bis 160O³C erhitzt. Die obere Grenze wird durch die Zersetzung und den Abbau von Si,N. bestimmt. Bei 190O⁰C können gute Verbindungen gebildet werden, Jedoch wird das Produkt deformiert. Temperaturen über 1650 bis 170O⁰C neigen dazu, in etwa 1 Stunde merklichen Abbau zu ergeben. Der Temperaturwert und die Aussetzungszeit stehen miteinander in einer Exponentialfunktion in Beziehung. Die Exponentialfunktion kann ausgedrückt werden als Ausmaß = k f(c), wobei f(c) eine Funktion der Konzentration der Reaktionsteilnehmer ist und k ^s ^,E-./RT, wobei E . die Aktivierungsenergie der Reaktion, R die Gaskonstante und T die absolute Temperatur sind. Somit können kürzere Zeiten bei höheren Temperaturen oder längere Zeiten bei niedrigeren Temperaturen verwendet werden. Obgleich eine Erhitzungszeit von 1 Stunde ein Minimum ist, das bei 1600⁰C bevorzugt wird, können längere Zeiträume verwendet werden, die natürlich zunehmend unwirtschaftlich werden.

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Die sich ergebende chemisch verbundene Anordnung ist durch eine unterschiedliche Wärmeausdehnung gekennzeichnet, die der Leistungsfähigkeit des Verbundteils nicht abträglich ist. Körper auf Siliciumnitridbasis, wie oben beschrieben, wurden verbunden und wurden Erhitzungs- und Abschreckvorgängen zwischen Temperaturextremen von 137O⁰C (2500⁰F) und Raumtemperatur ausgesetzt. Außerdem liefert die unter Ausführung der erfindungsgemäßen Stufen erreichte Bindungsfestigkeit beständig einen Festigkeitswert über dem Schwellenwert für eine annehmbare Bindungsfestigkeit bei Anwendungen in Gasturbinenmotoren. Die schwächste Verbindung, bestimmt durch einen Vierpunkt-Bindungsfestigkeitstest (mit sämtlichen Variationen von Proben, die Ende an Ende an einem Stab gemaß der Erfindung verbunden waren), betrug 560 bis 640 kg/cm (8-9000 psi). In typischer Weise können die Strukturen einen Biegefestigkeitswert von wenigstens 700 kg/cm (10 000 psi) erreichen; mehr als 1410 kg/cm (20 000 psi) wurden erreicht, wobei das Material auf Siliciumnitridbasis versagte, bevor der Verbindungsbereich versagte.

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US-1055
Ford-Werke AG

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verbinden von Körpern auf Siliciumnitridbasis, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) gesondert geformte Körper aus Materialien auf der Basis von Siliciumnitrid hergestellt werden, wobei einer oder beide derartige Körper drucklos gesintert, reaktionsgesintert oder warmgepreßt werden, wobei jeder Körper eine in Eingriff kommende Oberfläche, längs der die Körper verbunden werden sollen, aufweist,

(b) auf wenigstens eine der Oberflächen ein Film aus metallischem Aluminium oder einem Material auf der Basis von metallischem Aluminium aufgebracht wird,

(c) die geformten Körper zusammengefügt werden, wobei die in Eingriff kommenden Oberflächen angrenzend aneinander und in Kontakt mit dem dazwischen befindlichen Film aus Material auf Aluminiumbasis sind und

(d) während die Oberflächen in Kontakt mit dem Film sind, die Anordnung in einer nitrierenden Atmosphäre während eines Zeitraums von wenigstens 0,5 Stunden bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1900⁰C zur Herbeiführung einer chemischen Bindung erhitzt wird.

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- d. —

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Bindung herbeigeführt wird, indem Silicium- und Stickstoffatome der geformten Körper durch Aluminium- bzw. Sauerstoffatome verdrängt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Aluminium und ein Teil der Sauerstoffatome durch den aufgebrachten Film geliefert werden und ein Teil des Sauerstoffs durch die Oxidschicht auf den Körpern auf Siliciumnitridbasis geliefert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Film metallisches Aluminium aufweist und auf einer Seite unter Bildung eines vorbestimmten Kationenverhältnisses zwischen dem Aluminium und dem Sauerstoff oxidiert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Film in Stufe (b) durch Dampfabscheidung aufgebracht wird und die Filmdicke auf nicht weniger als 150 A geregelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindung ohne wesentliches Durchdringen der Poren der in Eingriff kommenden Oberflächen bewirkt wird.

7« Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine der Oberflächen nicht porös ist und durch Warmpreßtechniken gebildet wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindung durch eine chemische Reaktion herbeigeführt wird, wobei das Silicium angrenzend an die in Eingriff kommenden Oberflächen in beiden Keramikkörpern durch Aluminium verdrängt wird und der Stickstoff in beiden Körpern an der Grenzflächenzone durch Sauerstoff unter Bildung eines Si-Al-O-N-Systems ersetzt \vird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Film aus einer Folie aus Aluminium oder Aluminiumlegierung mit einer Dicke von 13 bis 25 μπι (0,5 - 1,0 mils) besteht und wobei geringer Druck in Stufe (d) angewendet wird, um geschmolzenes Aluminium aus der Grenzflächenzone im Überschuß einer Filmdicke herauszuquetschen.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Film aus einem Verbundmaterial aus Aluminium und Aluminiumoxid besteht.

11. Verfahren zum Verbinden von Oberflächen von Körpern auf der Basis von Siliciumnitrid, dadurch gekennzeichnet , daß

(a) ein Film aus metallischem Aluminium auf wenigstens einer zu verbindenden Oberfläche dampfabgeschieden wird und

(b) während die Oberflächen unter dichtem Kontakt aneinandergedrückt werden, die Körper auf eine Temperatur von etwa 16OO°C während etwa 1 Stunde in einer Nitrieratmosphäre unter Bildung einer Si-Al-O-N-Systembindung dazwischen erhitzt werden.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erhaltene Produkt dieses Verfahrens ein Keramikverbundkörper ist, der keinen Bindungsbruch erleidet, wenn er bei 137O⁰C (2500⁰F) erhitzt und auf Raumtemperatur abgeschreckt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß das erhaltene Produkt der Durchführung des Verfahrens eine Keramikverbundstruktur mit einer mittleren statistischen Bindungsfestigkeit von wenigstens 560 kg/cm² (8000 psi) ist.

14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13_f dadurch gekennzeichnet , daß der Film vorzugsweise auf eine Dicke zwischen 150 bis 60 000 A geregelt ist.

'15. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrotors, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine Mehrzahl bestimmt konturierter Schaufeln reaktionsgesintert werden, wobei jede aus Siliciumnitrid gebildet ist und einen Ansatz aufweist, der zum Verbinden als Träger ausgebildet ist,

(b) eine scheibenförmige Nabe heißgepreßt wird, wobei die Nabe aus einem Pulver auf Siliciumnitridbasis gebildet ist,

(c) die Schaufeln um diese Nabe in einer vorbestimmten Orientierung angeordnet werden, wobei die Schaufelansätze angrenzend an die radiale Außenfläche der Nabe sind,

(d) ein Material auf der Basis von metallischem Aluminium zwischen die Schaufelansätze und die Nabe gelegt wird und ein leichter Druck angewendet wird, um sicheren Grenzschichtkontakt herzustellen, und

(e) die Anordnung in einer NitrierungsatmoSphäre während eines Zeitraums von 0,5 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 1400 bis 1900⁰C erhitzt wird, wobei irgendwelches ge-

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schmolzenes Aluminium im Überschuß eines dünnen Films aus dem Grenzflächenkontakt herausgequetscht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß das Material auf Aluminiumbasis in Form einer Folie mit einer Dicke von nicht mehr als 25 μιη vorliegt.

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