DE3011907C2 - Verfahren zum Verbinden von Körpern auf Siliciumnitridbasis - Google Patents

Description

(a) auf wenigstens eine der in Eingriff kommenden Oberflächen ein Film aus metallischem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus einem Verbundmaterial aus Aluminium und Aluminiumoxid aufgebracht wird,

(b) die geformten Körper so zusammengefügt werden, daß die in Eingriff kommenden Oberflächen angrenzend aneinander und in Kontakt mit dem dazwischen befindlichen Film aus Material auf der Basis von metallischem Aluminium sind und

(c) während die Oberflächen in Kontakt mit dem Film sind, die Anordnung in der nitrierenden Atmosphäre während eines Zeitraumes von wenigstens 0,5 Stunden erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Film aus metallischem Aluminium aufgebracht wird, der auf einer Seite oxidiert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film in Stufe (a) durch Dampfabscheidung zu einer Filmdicke von nicht weniger als 15 nm aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als wenigstens eine der in Eingriff kommenden Oberflächen eine durch Warmpreßtechniken gebildete nichtporöse Oberfläche eingesetzt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Film aus Aluminium oder Aluminiumlegierung eine Folie mit einer Dicke von 13 bis 25 μιη eingesetzt wird und geringer Druck in Stufe (c) angewendet wird, um geschmolzenes Aluminium ai-s der Grenzflächenzone im Überschuß einer Filmdicke herauszuquetschen.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, 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 1600⁰C während etwa I Stunde in der Nitrieratmosphäre unter Bildung einer Si-Al-O-N-Bindung dazwischen erhitzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Film vorzugsweise zu einer Dicke zwischen 15 bis 6000 nm abgeschieden wird.

8. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7 zur Herstellung eines Turbinenrotors.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Körpern auf Siliciumnitridbasis. wobei gesondert geformte Körper aus Materialien auf der Basis von Siliciumnitrid hergestellt werden, von denen 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, auf wenigstens eine der Oberflächen ein aluminiumhaltiges Material aufgebracht wird, die geformten Körper zusammengefügt werden und die Anordnung in einer nitrierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer chemischen Bindung bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1900⁰C erhitz! wird.

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, ausgeseichneten Wärme-Schockeigenschaften 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 geentert 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«.

Bei dem Reaktionssintern wird zunächst die erforderliche Gestalt aus kompaktiertem Siliciumpulver hergestellt, das dann in molekularem Stickstoff oder einer geeigneten stickstoffhaltigen Atmosphäre bei etwa 1400⁰C unter Erhalt eines Produktes mit durchschnittlieh etwa 25% Porosität nitriert wird, obgleich nach dem derzeit besten Verfahren Materialien mit einer Porosität von etwa \5% 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 tatsächlich 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 10⁷ Pa in einer Graphitform bei etwa 1700 bis 1800⁰C unter Herstellung eines Siliciumnitrid-Produktes, das praktisch vollständig dicht ist. Das Material mit der höchsten Festigkeit, wenigstens bei Raumtemperatur, wird lediglich durch Warmpressen erhalten, jedoch ist dies teuer und ist auf ziemlich einfache For-

men beseht änkt Bei hohen Temperaturen ergibt sich eine gewisse Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften, die auf die Wannpreßzusätze zurückzuführen ist.

Ein reaktionsgesintertes Material wird in einfacher Weise 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 Füllen besteht ein Bedarf, die besten Eigenschaften der heißgepreßten und der reaktionsgesinterten Siliciumnitridkörper zu kombinieren, wobei man einen für bestimmte komplexe Bestandteile und den anderen für Bestandteile hoher Festigkeit verwendet und wobei die Bestandteile in einer Anordnung zusammen verbunden sind.

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) eine 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 Reaktionssinterung 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 reaktionsgesin tert. 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 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 Si'icium mit einem Gehalt eines Binders (z. B. Ammoniumalginat) in die Poren des Siliciumnilridkörpers eindringen; der Binder wird durch Erwärmen ausgetrieben, und das Silicium wird unter Bildung einer Siliciumnitrid brücke nitriert Dies wird als vorwiegend mechanische Verbindung angesehen und wird am besten durch die US-PS 39 66 885 erläutert Leider arbeitet dieses Verfahren nicht gut mit warmgepreßtem Siliciumnitrid wegen der Unfähigkeit des Siliciums, in dieses dichte Mate- rial einzudringen. Auch hat man bereits zur Verbindung von Siliciumnitridteilen Glas angewendet, das in pulverisierter Form auf die zu verbindenden Teile aufgebracht und erhitzt wird, wobei die als Bindemittel eingesetzten Gläser aus Silicium-, Aluminium- und Erdalka- lioxiden bestehen, die jedoch nicht die erfindungsgemäß erzielbare außerordentlich feste Verbindung liefern können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfah ren, durch das Grenzschichtoberflächen von Körpern auf der Basis von Siliciumnitrid, ob gesintert, warmge preßt oder reaktionsgesintert, miteinander ve. ounden werden können ohne die Notwendigkeit hchen 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. Auch sollen verschiedene Körper auf Siliciumnitridbasis lediglich durch die Anwendung von Wärme während kurzer Zeiträume ohne die Anwendung von Druck verbunden werden. Dabei sollen Verbindungen außerordentlicher Festigkeit geschaffen werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden von Körpern auf Siliciumnitridbasis. wobei gesondert geformte Körper aus Materialien auf der Basis von Siliciumnitrid hergestellt werden, von denen 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, auf wenigstens eine der Oberflächen ein aluminiumhaltiges Material aufgebracht wird, die geformten Körper zusammengefügt werden und die Anordnung in einer nitrierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer chemisehen Bindung bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1900°C erhitzt wird, das dadurch gekennzeichnet ist. daß (a) auf wenigstens eine der in Eingriff kommende Oberflächen ein Film aus metallischem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder aus einem Verbundmaterial aus Aluminium und Aluminiumoxid aufgebracht wird, (b) die geformten Körper so zusammengefügt werden, daß die in Eingriff kommenden Oberflächen angrenzend aneinander und in Kontakt mit dem dazwischen befindlichen Film aus Material auf der Basis von metallischem Aluminium sind und (c) während die Oberflächen in Kontakt mit dem Film sind, die Anordnung in der nitrierenden Atmosphäre während eines Zeitraumes von wenigstens 0,5 Stunden erhitzt wird.
Spezifische Merkmale des Verfahrens der Erfindung 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 Si₃N* unter Bildung von Verbindungen im Si-Al-ü-N-System hergestellt worden ist (b) das umgewandelte Keramikmaterial erhalten werden kann, indem oine Schicht aus Aluminium zwischen die als Grenzfläche vorliegenden Körper auf der Basis von Siliciumnitrid angeordnet wird und auf eine Temperatur von etwa 1550° C während etwa 1 Studtde 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-N-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.

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 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 (Valen?. —3) mit Sauerstoffatomen (Valenz —2) neutralisiert.

Man nimmt an, daß durch die folgenden Stufen der Erfindung ein leicht herstellbares neues keramisches System (Si-Al-O-N) 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 S13N4 mit einem Gehalt an Preßzusätzen v.ie beispielsweise MgO oder Y2O3 umfassen.

(2) Eine dünne Schicht oder ein Film aus Material auf Aluminiumbasis wird 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-Material im Prinzip erzeugt werden soll, kann jedes der Elemente für dieses System als Bestandteile der Schicht oder des Films dienen. Folglich können Si₃N₄, SiO₂, Al₂O₃, Si und AlN vorliegen.

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 gewünschten letztlichen Stöchiometrie ab. Metallisches Aluminium muß jedoch in der Verbindungjschicht zur Einleitung der Reaktion in seinem geschmolzenen Zustand mit den zu verbindenden Körpern auf Siliciumnitridbasis vorliegen. Da metallisches Aluminium vorliegt, muß die Verbindungsreaktion in einer Nitrierungsatmcsphäre durchgeführt werden, da metallische Rückstände unerwünscht sind.
Die Verbindungsreaktion verläuft so, als ob das geschmolzene Aluminium in der Verbindungsschicht mit dem Oberflächenbereich des Siliciumnitridkörpers und des in den Oxiden vorliegenden Sauerstoffs unter Bildung eines Si-Al-O-N-Materials reagiert, wobei Silicium freigesetzt wird, das wiederum mit dem Stickstoffgas unter Bildung von zusätzlichem Siliciumnitrid reagiert, das weiterreagieren kann. Diese Art der Reaktionsfolge wird aufgrund der Beobachtung vorgeschlagen, daß, wenn ein großer Oberschuß an metallischem Aluminium verwendet wird, ein Rückstand von metallischem Silicium, jedoch kein Aluminium verbleibt. Die tatsächlich in dem Verbindungsbereich gebildete Si-Al-O-N-Phase hängt von den Verhältnissen des vorhandenen Si. Al, O und N und von den Reaktionsbedingungen ab.
Die Verbindungsschicht kann auf einer Reihe von Wegen abgeschieden werden, beispielsweise durch Vakuumverdampfung, Pulverabscheidung oder als Folie. Die Vakuumverdampfung liefert eine gute Regelung der Dicke, Gleichmäßigkeit und Zusammensetzung (es können sowohl Oxide als auch Metalle abgeschieden werden), ist jedoch relativ aufwendig, zeitraubend und etwas schwierig auf bestimmte komplizierte Formen anzuwenden. Pulver sind einfach aufzubringen und liefern vollständige Regelung bezüglich der Zusammensetzung, liefern jedoch eine schlechte Regelung bezüg-Hch der Gleichmäßigkeit und neigen zu ziemlicher Dikke. Folien sind äußerst einfach aufzubringen und sind sehr gleichmäßig, sind jedoch ziemlich dick (13 bis 25 μπι) und liefern, falls nicht anodisiert. Sauerstoff lediglich zu einer Tiefe von etwa 7,5 nm. was die passive Oxidschicht darstellt.

Die anfängliche Dicke der Verbindungsschicht kann zwischen sehr weiten Grenzen variieren. Die untere Grenze bezüglich der Dicke wird durch das Erfordernis an ausreichendem Reakti· msmaterial zur Bildung einer guten Bindung bestimmt, und dies hängt wiederum von der Art der zu verbindenden Materialien ab. Die umgesetzte Zone ist nach dem Verbinden in einem relativ porösen Material, wie beispielsweise reaktionsgesintertem Siliciumnitrid, viel dicker als die in einem sehr dichten Material, wie beispielsweise warmgepreßtem Siliciumnitrid, in typischer Weise etwa zehnmal so dick. Somit kann eine anfänglich dünnere Bindungsschicht bei dem Verbinden von warmgepreßtein Siliciumnitrid gegenüber dem Verbinden von reaktionsgesintertem SiIiciumnitrid toleriert werden. In ähnlicher Weise können glatt in Eingriff kommende Oberflächen mit dünneren Schichten verbunden werden als rauhe Oberflächen, da weniger und kleinere Lücken bzw. Spalten durch die Produkte der Bindungsreaktion gefüllt werden müssen.

Schließlich und offensichtlich können anfänglich dichte Bindungsschichten, wie beispielsweise vakuumabgeschiedene Überzüge und Folien, dünner sein als anfänglich poröse Bindungsschichten, wie beispielsweise abgeschiedene Pulver. Alles in allem ist es unwahrscheinlich.

b5 daß eine Bindungsschicht mit einer Stärke von viel weniger als 10 nm genügend Material zur Bildung einer guten Verbindung im besten Fall liefert. Bevorzugt erfolgt die Bindung ohne wesentliches Durchdringen der

Poren der in Eingriff kommenden Oberflächen.

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 ab, in der die Minimaldicke abhängig ist. 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 660° C erheblich unter der Temperatur der Bindungsreaktion, schmilzt. Somit kann eine Schicht, die anfänglich zu dick ist, dünn genug sein, wenn die Reaktionstemperatur erreicht ist.

Ebenso 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. Wenn somit aus bestimmten Gründen erwünscht ist, daß der Verbindungsbereich eine sogenannte ^-Sialonzusammensetzung aufweist, nämlich S13N4 · X (Al₂O₃ · AlN), 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 Oxidschichten auf dem Aluminium und Siliciumnitrid vorliegt und daß irgendwelcher erforderlicher zusätzlicher Sauerstoff entweder durch Al₂O₃ oder SiO₂ zugeführt werden kann und daß die Menge des erforderlichen metallischen Aluminiums zum Teil von der verwendeten Sauerstoffquelle abhängt Es sei jedoch bemerkt, daß es viele Phasen in dem System Si-Al-O-N gibt (K. H. Jack, j. Materials Sei. 11, 1135 (1976)) und kein offensichtlieher Grund dafür vorliegt, irgendeine bestimmte, z. B. /?-Sialon, vorzuziehen.

(3) Während die in Eingriff stehenden Oberflächen und die Aluminiumschicht sich in innigem Kontakt befinden, wird die Anordnung in einer nitrierenden Atmo-Sphäre während eines Zeitraums von etwa 1 Stunde bei einem Temperaturwert von 1400 bis 1900⁰C oder bevorzugt 1550 bis 1600° C erhitzt Die obere Grenze wird durch die Zersetzung und den Abbau von Si₃N₄ bestimm«. Bei !900⁰C können gute Verbindungen gebildet so werden, jedoch wird das Produkt deformiert. Temperaturen über 1650 bis 1700⁰C 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 ~ φ E₁₁JRT, wobei E_aa die Aktivierungsenergie der Reaktion, J? die Gaskonstante und T die absolute Temperatur sind. Somit können kürzere Zeiten bei höheren Temperaturen oder längere Zeiten bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Obgleich eine Erhitzungszeit von 1 Stunde ein Minimum ist, das bei 1600° C bevorzugt wird, können längere Zeiträume verwendet werden, die natürlich zunehmend unwirtschaftlich werden.

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 1370°C und Raumtemperatur ausgesetzt Dabei erlitt der Keramikverbundkörper keinerlei Bindungsbruch. 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 gemäß der Erfindung verbunden waren), betrug 5bO bis 640 · 10⁵ Pa. In typischer Weise können die Strukturen einen Biegefestigkeitswert von wenigstens 700 ■ 10⁵ Pa erreichen; mehr als 1410 · 10⁵ Pa wurden erreicht, wobei das Material auf Siliciumnitridbasis versagte, bevor der Verbindungsbereich versagte.

Spezielle Anwendung findet das Verfahren der Erfindung bei der Herstellung eines Turbinenrotors. Dabei wird eine Mehrzahl bestimmt konturierter Schaufeln reaktionsgesintert, die jeweils aus Siliciumnitrid gebildet sind und einen Ansatz aufweisen, der zum Verbinden als Träger ausgebildet ist, eine scheibenförmige Nabe heißgepreßt wobei die Nabe aus einem Pulver auf Siliciumnitridbasis gebildet ist und die Schaufeln um diese Nabe in einer vorbestimmten Orientierung angeordnet, wobei sich die Schaufelansätze angrenzend an die radiale Außenfläche der Nabe befinden. Gemäß der Erfindung wird das Material auf der Basis von metallischem Aluminium zwischen die Schaufelansätze und die Nabe gelegt und ein leichter Druck angewendet, um sicheren Grenzschichtkontakt herzustellen. Die Anordnung wird in der Nitrierungsatmosphäre während eines Zeitraumes von 0,5 bis 2 Stunden erhitzt wobei irgendwelches geschmolzenes Aluminium im Überschuß eines dünnen Films aus dem Grenzflächenkontakt herausgequetscht wird.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden von Körpern auf SiIiciumnitridbasis, wobei gesondert geformte Körper aus Materialien auf der Basis von Siliciumnitrid hergestellt werden, von denen einer oder beide derartige Körper drucklos gesintert, reaktionsgesindert oder warmgepreßt werden, wobei jeder Körper eine in Eingriff kommende Oberfläche, längs der die Körper verbunden werden sollen, aufweist,

auf wenigstens eine der Oberflächen ein aluminiumhaltiges Material aufgebracht wird,
die geformten Körper zusammengefügt werden und die Anordnung in einer nitrierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer chemischen Bindung bei einer Temperatur zwischen 1400 und 1900⁰C erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß