DE3029831C2 - Dense, yttrium oxide-containing molded body made of silicon nitride and process for its manufacture - Google Patents
Dense, yttrium oxide-containing molded body made of silicon nitride and process for its manufactureInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen dichten, Y ttriumoxid enthaltenden Formkörper aus gesintertem und/oder bei hohen Temperaturen gepreßtem Siliziumnitrid und richtet sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung solcher dichten Formkörper. J(1 The invention relates to a dense, ytrium oxide-containing shaped body made of sintered and / or silicon nitride pressed at high temperatures and is also directed to a method for producing such dense shaped bodies. J (1
Formkörper aus Siliziumnitrid zeichnen sich insbesondere durch hohe Festigkeit bei Raumtemperatur bis zu 1400° C aus, besitzen eine ausgezeichnete Kriechbeständigkeit und weisen in jedem Temperaturbereich, und zwar bis 14000C, eine hervorragende Oxidationsbe- j-, ständigkeit und TempcraturwechsJbeständigkeii auf. Sie eignen sich dadurch als Konstruktionsteile, die hohen Temperaturen und korrosiver Atmosphäre ausgesetzt sind. Besonders interessant ist Siliziumnitrid auch als Werkstoff für dynamisch hochbeanspruchte Jo Teile in Gasturbinen.Molded bodies of silicon nitride are characterized in particular by high strength at room temperature up to 1400 ° C from, have excellent creep resistance, and have in each temperature range, namely up to 1400 0 C, j- an excellent oxidation-, resistance and TempcraturwechsJbeständigkeii on. This makes them suitable as structural parts that are exposed to high temperatures and a corrosive atmosphere. Silicon nitride is also of particular interest as a material for Jo parts in gas turbines that are subject to high dynamic loads.
Für das Sintern oder Pressen bei hohen Temperaturen von Formkörpern aus dichtem Siliziumnitrid ist die Beigabc sinterfördernder Zusätze erforderlich, um hohe Dichten zu erzielen, die sich der theoretischen Dichte .n annähern.For the sintering or pressing at high temperatures of molded bodies made of dense silicon nitride, the addition of sintering-promoting additives is necessary in order to achieve high densities that are close to the theoretical density. approach n.
Aus der US-PS 4102 698 ist es bekannt, als sinterförderndes Mittel Y2O3 in Mengen zwischen 1 und 25 Gew.-% zuzugeben, wobei zur Vermeidung von Instabilitäten im mittleren Temperaturbereich zwischen -)0 800 und 11000C und damit verbundenen starken Volumen- und Gewichtszunahmen sowie Rißbildungen ein sehr reines Siliziumnitridpulver verwendet werden muß, mit Kationverunreinigungen von weniger als 0,1% bis maximal 1% in Form von Oxiden sowie definiertem y, Sauerstoffgehalt und genauester Zusammensetzung. Da schwankende Rohstoffzusammensetzungen praktisch unvermeidbar sind, ist eine reproduzierbare Materialherstellung nach diesem Verfahren nur im Labormaßstab möglich. Ähnliches gilt auch für die aus den DE-OS b0 27 18 729 und 29 37 740 bekanntgewordenen Lehren.From US-PS 4102 698 it is known to add as a sintering promoting agent Y 2 O 3 in amounts between 1 and 25 wt .-%, wherein, to avoid instability in the middle temperature range between - connected) 0 800 1100 0 C and strong increases in volume and weight as well as cracking, a very pure silicon nitride powder must be used, with cationic impurities of less than 0.1% to a maximum of 1% in the form of oxides as well as a defined y, oxygen content and precise composition. Since fluctuating raw material compositions are practically unavoidable, reproducible material production using this process is only possible on a laboratory scale. The same applies to the teachings known from DE-OS b0 27 18 729 and 29 37 740.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist. löst die Aufgabe, dichte Siliziumnitridkörper mit einem Anteil an Yttriumoxid zu schaffen, und ein ,,=; Verfahren zu deren Herstellung zu entwickeln, bei denen die Materialeigenschaften sowohl bei Raumtemoeratur als auch bei höheren Temperaturen imThe invention aims to provide a remedy here. The invention as characterized in the claims is. solves the problem of creating dense silicon nitride bodies with a proportion of yttrium oxide, and a ,, =; To develop processes for their production, in which the material properties both at room temperature and at higher temperatures in the 79,95 bis 98,95 Gew.-% Si3N4 1,00 bis 20,00 Gew.-°/o Y2O3 0,05 bis 3,00 Gew.-% Li2O79.95 to 98.95 wt% Si 3 N 4 1.00 to 20.00 wt% Y 2 O 3 0.05 to 3.00 wt% Li 2 O
oder eine Verbindung, die bei Temperaturerhöhung Lithiumoxid bildet, verwendet wird.or a compound which forms lithium oxide when the temperature is increased is used.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den zur Herstellung des Siliziumnitridpulvers verwendeten Siliziumpulver vor der Nitridierung das Yttriumoxid und das Lithiumoxid oder die jeweils bildenden Verbindungen in Pulverform zugesetzt werden.3. The method according to claim 2, characterized in that the silicon powder used to produce the silicon nitride powder, the yttrium oxide and the lithium oxide or before nitriding the respective forming compounds are added in powder form.
Kurzzeit- wie auch im Langzeitverhalten durch Oxidation keine drastische Verschlechterung erfahren und die Reproduzierbarkeit gewährleistet ist.Short-term as well as long-term behavior due to oxidation did not experience any drastic deterioration and reproducibility is guaranteed.
Der durch die Erfindung erreichte besondere Vorteil liegt darin, daß es durch Zusatz eines weiteren Bestandteiles zum Versatz möglich ist, zu Materialeigenschaften zu kommen, die durch schwankende Rohstoffzusammensetzung und Analysenschwankungen nicht mehr wesentlich beeinflußt werden.The particular advantage achieved by the invention is that by adding another Component to the misalignment is possible to come to material properties due to fluctuating Raw material composition and analysis fluctuations are no longer significantly influenced.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following, the invention is explained in more detail with the aid of exemplary embodiments.
Ausgangsmaterial kann im wesentlichen vollständig kristallines Siliziumnitridpulver sein, aber auch amorphes Material, das durch Tempern teilweise kristallisiert worden ist, oder eine Mischung .-'Js amorphem und kristallinem Siliziumnitrid. Als kristallines Siliziumnitridpulver wählt man in der Regel ein Pulver aus, von dem sich möglichst >90% in der «Phase befindet und dessen Verunreinigungen an CaO, MgO, Na2O möglichst gering ist, d.h. CaO <0,1%, MgO <O,l°/o, Na2O < 0,05%. Das ausgewählte Si1N4-Ma(CrJaI wird mit I bis 20% Y2O1 und 0,05 bis 3 Gew.-% Li2O bzw. Verbindungen, die sich in die entsprechenden Oxide umwandeln, versetzt und gemischt und unter Zuhilfenahme einer Mahlfiüssigkeit, wie z. B. Methanol, Toluol, Cyclohexan u.dgl., aufgemahlen, um eine reaktive Pulvermischung zu erhalten. Es ist dabei eine spezifische Oberfläche nach der BET-Melhode von >3m2/g anzustreben, wobei sich eine gleichmäßige Kornverteilung mit einer maximalen Korngröße von 20 μτη als vorteilhaft erweist. Die gemahlene Aufschlämmung wird z. B. beim Heißpressen nach dem Trocknen und Absieben in die entsprechende Graphitmatrize geladen, vorgepreßt mit vorzugsweise IO bis 20 N/mm2 und dann bei einem Druck von vorzugsweise 20 bis 60 N/mm2 in Schutzgasatmosphäre, in der Regel Stickstoff, oder Vakuum, bei Temperaturen von vorzugsweise 1700 bis 18000C heißgepreßt. Die Haltezeit bei Druck und Temperaturkonstanz beträgt I bis 2 Sunden. Dies sind hinreichende Bedingungen zur Herstellung von im wesenilichen vollständig verdichteten SijN4-Körpern. Überraschenderweise haben diese Materialien die bisher bekannten yttriumoxidhaltigen Siliziumnitrid-The starting material can be essentially completely crystalline silicon nitride powder, but also amorphous material that has been partially crystallized by annealing, or a mixture of amorphous and crystalline silicon nitride. As a rule, a powder is selected as the crystalline silicon nitride powder, of which> 90% is in the «phase and whose CaO, MgO, Na 2 O impurities are as low as possible, ie CaO <0.1%, MgO <O , l %, Na 2 O <0.05%. The selected Si 1 N 4 -Ma (CrJaI is mixed with I to 20% Y 2 O 1 and 0.05 to 3 wt .-% Li 2 O or compounds that convert into the corresponding oxides, and mixed . to obtain the aid of a Mahlfiüssigkeit such. as methanol, toluene, cyclohexane and the like., is ground to a reactive powder blend It is desirable while a specific surface area by the BET Melhode of> 3 m 2 / g, with a Uniform grain distribution with a maximum grain size of 20 μm proves to be advantageous. The ground slurry is loaded into the corresponding graphite die, e.g. during hot pressing after drying and sieving, prepressed with preferably 10 to 20 N / mm 2 and then at a pressure of preferably 20 hot-pressed to 60 N / mm 2 in a protective gas atmosphere, usually nitrogen, or vacuum, at temperatures of preferably 1700 to 1800 0 C. the hold time at pressure and temperature stability I amounts to 2 Sunden. These are sufficient conditions to r Production of essentially completely compressed SijN 4 bodies. Surprisingly, these materials have the previously known yttrium oxide-containing silicon nitride
materialien deutlich in den Eigenschaften übertroffen.materials clearly outperformed in terms of properties.
An verschiedenen, in dieser Weise hergestellten Materialien wurden Biegefestigkeiten an aus dem SijN^-Körper herausgearbeiteten Biegeproben mit Abmessungen von 3,5 χ 4,5 χ 45 mm bestimmt und in einer 4-Punkt-Biegeanordnung mit den Stützabständen 10 — 20 — 10 mm zwischen Raumtemperatur und 1400°C mit einer Prüfgeschwindigkeit von 0,1 mm pro Minute, ermittelt.In various materials produced in this way, flexural strengths were obtained from the SijN ^ -body worked out bending samples with Dimensions of 3.5 4.5 45 mm determined and in a 4-point bending arrangement with the support spacings 10 - 20 - 10 mm between room temperature and 1400 ° C with a test speed of 0.1 mm per Minute, determined.
Hochtemperaturfestigkeit und Kriechgeschwindigkeit von dichten S i3N4-Form körpern (8% YiO3) mit und ohne Li1O-ZuSaIzHigh temperature strength and creep speed of dense S i 3 N 4 shaped bodies (8% YiO 3 ) with and without Li 1 O-ZuSaIz
Temperatur [0C]Temperature [ 0 C]
Biegefestigkeit [N/mm3]Flexural strength [N / mm 3 ]
mit Li2O ohne Li2Owith Li 2 O without Li 2 O
Temperatur [0C]Temperature [ 0 C]
Gewichtszunahme [g/m2]Weight gain [g / m 2 ]
mit Li2O ohne LhOwith Li 2 O without LhO
Tabelle 2 zeigt in Gegenüberstellung die extrem gute Oxidationsbeständigkeit, die erreicht wird, wenn neben Y2O1 Li2O als sinterfördernder Zusatz verwendet wird.In comparison, Table 2 shows the extremely good oxidation resistance that is achieved when Y 2 O 1 Li 2 O is used as an additive to promote sintering.
Auswirkungen einer jeweils 24/75 Stundenglühung auf die mittlere Raumtemperaturfestigkeit, wobei die Ausgangsfestigkeit einer Si3N4-QUaIiUU mit 8 Gew.-% YiO3 i„ und Li2O bei 813 N/mm2, ohne Li2O bei 793 N/mm2 lagEffects of respectively 24/75 Stundenglühung on the average room temperature strength, wherein the output resistance of a Si 3 N 4 -QUaIiUU with 8 wt .-% Yio 3 i "and Li 2 O at 813 N / mm 2 without Li 2 O at 793 N / mm 2 was
793 76! 734 592 587 666 595 533793 76! 734 592 587 666 595 533
7,5 · 10~6rT7.5 · 10 ~ 6 rT
Tabelle 1 macht deutlich, daß bei Verwendung von L12O neben Y2O3 als sinterfördernder Zusatz zu höheren Temperaturen hin zwar, wie allgemein üblich ein Abfall der Biegefestigkeit zu bemerken ist, jedoch im kritischen Temperaturbereich kein Festigkeitssprung, 4η wie er bei dichtem S13N4 auftritt, das ausschließlich Y2O3 als sinterfördernden Zusatz, nicht jedoch Li2O enthält.Table 1 makes it clear that when L12O is used in addition to Y 2 O 3 as a sinter-promoting additive at higher temperatures, as is generally the case, a drop in flexural strength is noticeable, but in the critical temperature range there is no jump in strength, 4η as occurs with dense S13N4, which only contains Y2O3 as an additive to promote sintering, but not Li 2 O.
Außerdem läßt Tabelle 1 erkennen, daß die Biegefestigkeit bei Zusatz von Li2O stets auf einem höheren Niveau liegtTable 1 also shows that the flexural strength is always at a higher level when Li 2 O is added
Auch die Verbesserung der Kriechgeschwindigkeit ist aus dieser Tabelle erkennbar.The improvement in creep speed can also be seen from this table.
Einfluß der Oxidation auf die Gewichtszunahme im Bereich 5 bis 11% Y2O1 mit und ohne Li3 nach jeweils 100 Stunden bei der angegebenen TemperaturInfluence of the oxidation on the weight increase in the range from 5 to 11% Y 2 O 1 with and without Li 3 after in each case 100 hours at the specified temperature
Tabelle 3 läßt erkennen, daß bei einem Zusatz von 8% Y2O3 und Li2O Glühtemperatur und Glühdauer praktisch keinen Einfluß auf die Raumtemperaturfestigkeit haben. Vor allen Dingen ist im Langzeitverhalten praktisch kein Abfall feststellbar.Table 3 shows that when 8% Y2O3 and Li 2 O are added, the annealing temperature and duration have practically no effect on the room temperature stability. Above all, in the long-term behavior there is practically no discernible drop.
Temperaturwechselbcständigkeit von Li2O dotiertem Y2O3-haltigen Material im Vergleich zu einem Material ohne Li2O, wobei 1 Zyklus die Glühung bei 3 x 1260 C umfaßt (siehe auch die Zeichnung)Resistance to temperature changes of Li 2 O doped Y 2 O 3 -containing material compared to a material without Li 2 O, whereby 1 cycle includes annealing at 3 x 1260 C (see also the drawing)
Ausgangsfesligkcit bei Raumtemperatur [N/mm2]Initial strength at room temperature [N / mm 2 ]
mit
Li-,0with
Li-, 0
ohne Li,Owithout Li, O
813813
Fur den Temperaturwechselbeständigkeitstest wurde ein Prüfzyklus (vgl. Zeichnung) benutzt, der fü? die Untersuchung von herkömmlichen Gasturbinenbauteilen üblich ist. Die ermittelte Zimmertemperaturfestigkeit (Tabelle 4) zeigt auch, daß im kritischen Temperaturbereich wie auch im Langzeitverhalten das erfindungsgemäße Material wiederum dem nach dem Stande der Technik überlegen ist.For the thermal shock resistance test was a test cycle (see drawing) used, which fü? the Investigation of conventional gas turbine components is common. The determined room temperature strength (Table 4) also shows that in the critical temperature range as well as in the long-term behavior Material according to the invention in turn is superior to that of the prior art.
Aufgrund der hohen Verfügbarkeit der verwendbaren Si3N4-Pulver und der Unempfindlichkeit des Versatzes bei der Herstellung kann dieses hochfeste, kriechfeste, temperatur- und oxidationsbeständige Material wirtschaftlich und reproduzierbar in technisch relevanter Menee und Qualität hereestellt werden.Due to the high availability of the usable Si3N 4 powder and the insensitivity of the offset during production, this high-strength, creep-resistant, temperature and oxidation-resistant material can be produced economically and reproducibly in a technically relevant quantity and quality.
Vergleich eier mittleren Hicgcfcstigkeil eines l-ormkörpcrs. hciligcprcBt aus Si1N,-Pulver mit einem MeO-Anteil von 2.46 Cicw.-% und SiO1-AnIeM von nur 1.30 Gew.- ... sowie einem /usal/. von 11 Gew.··1'» YO, und 0,6 Gew.-1'« Li2O mit einem anderen l-.^mkörper. der mit einem der gebräuchlichsten Preßhilfsmittcl 'MpO) heiOgeprcUt wurdeComparison of the middle height wedge of an L-shaped body. made of Si 1 N, powder with a MeO content of 2.46 Cicw .-% and SiO 1 -AnIeM of only 1.30 wt. ... as well as a / usal /. of 11 wt. 1 '"YO, and 0.6 wt. 1 '" Li 2 O with another l -. ^ m body. which was hot-tested with one of the most common pressing aids
IN /IN /
(1 Mill(1 mill
562562
Tabelle 5 weist nach, daß trot/ wesentlich geringerem SiOi-Anteil bei Verwendung von 11% Y2O1 als Zusatz durch die Verwendung von Li>O — in diesem Falle 0.6% -- auch bei Verwendung eines Si,N1-Pulvers mit einem :iohai Anteil an Metalloxidvcrunrcinigungen (MeO) ' "Ii '!isgesaint 2.46% und einem SiO. Anteil irr Versatz von nur 1.30%. also einer Zusammensetzung außerhalb des stabilen Gebietes im Dreistoffsyslem. ein in allen Temperaturbereichen stabiler Sili/iuinnitridkörper erhalten werden kann.Table 5 shows that the significantly lower SiOi content when using 11% Y2O1 as an additive through the use of Li> O - in this case 0.6% - even when using an Si, N 1 powder with a: iohai Proportion of metal oxide compounds (MeO) '"Ii'! Isgesaint 2.46% and an SiO proportion of only 1.30% of the offset, i.e. a composition outside the stable area in the three-substance system. A silicon nitride body that is stable in all temperature ranges can be obtained.
Hs hat sich somit gezeigt, dall nur durch die orfinduni£Sgemäße Zusammensetzung von Y_>O, und l.i>O ein .Siliziumnitridmaterial erhalten werden kann, das in allen Belangen den herkömmlichen Siliz.iumnitridmaterialien überlegen ist.It has thus been shown that only through the orfinduni £ S appropriate composition of Y_> O, and 1.i> O a silicon nitride material can be obtained, which is superior to conventional silicon nitride materials in all respects.
Claims (2)
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DE19803029831 DE3029831C2 (en) | 1980-08-06 | 1980-08-06 | Dense, yttrium oxide-containing molded body made of silicon nitride and process for its manufacture |
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