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Verfahren zum heißisostatischen Pressen kompliziert geformter poröser
Körper Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum heinisostatischen Pressen
kompliziert geformter poröser Körper.
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Formkörper aus Keramik, wie z.B. aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid
finden immer mehr Anwendung. Derartige Formkörper oder Bauteile aus Keramik sind
häufig porös und erfordern daher eine Behandlung, um die Porösität zu verringern.
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Als Verfahren zur Verringerung der Porösität ist z.B. das heißisostatische
Pressen zu nennen. Poröse Körper, die heißisostatisch verdichtet werden sollen,
müssen mit einer gasundurchlässigen Kapsel umgeben werden, um den Gasdruck auf den
Formkörper übertragen zu können.
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In der DE-OS 25 48 740 wird ein Verfahren zur Herstellung von Körpern
aus Siliciumnitrid durch verdichtendes Pressen eines Pulvers aus Siliciumnitrid
oder eines aus dem Pulver vorgeformten Körpers bei einer Temperatur von mindestens
1600"C beschrieben, bei dem das Pressen isostatisch bei einem Druck von mindestens
100
MPa mit einem Gas als Druckmittel erfolgt, wobei das Pulver bzw. der aus dem Pulver
vorgeformte Körper in einer Kapsel aus Glas mit hohem Erweichungspunkt eingeschlossen
ist.
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Aus der DE-OS 27 37 266 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers
aus Keramik, beispielsweise aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid bekannt, bei
dem der Formkörper, in einer evakuierten Kapsel aus hochtemperaturbeständigem Glas
befindlich, mit allseits auf ihn einwirkendem Druck bis zur Porenlosigkeit verdichtet
wird, wobei die Ausgangsmaterialien der Glaskapsel im nicht-verglasten Zustand auf
den Formkörper aufgetragen und im Vakuum so lange ihrer Reaktionstemperatur ausgesetzt
werden, bis sich eine den Formkörper einschließende, zusammenhängende, die Kapsel
bildende Glasschicht gebildet hat.
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In beiden genannten Offenlegungsschriften kommt Glas als Kapselwerkstoff
zur Anwendung, das in direktem Kontakt zum Bauteil steht. Wegen der Porosität des
Ausgangsmaterials kann Glas, wenn sein Erweichungspunkt überschritten ist, und der
Gasdruck erhöht wird, in die Poren des Siliciumnitrid-WerkstUcks eindringen. Dies
führt neben einer mechanischen Verzahnung zur Reaktion in der Grenzschicht Siliciumnitrid-Glas,
was wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und der dadurch auftretenden
Spannungen besonders bei komplizierten dünnwandigen Bauteilen zur Zerstörung des
Teils beim Abkühlen führen kann. Daher lassen sich diese Verfahren auf kompliziert
geformte poröse Körper nicht anwenden.
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Die DE-PS 27 37 173 beschreibt ein Verfahren zur Kapselung eines Formkörpers
aus Keramik, insbesondere Siliciumkeramik für das heißisostatische Pressen, in dessen
Verlauf die Oberfläche des Formkörpers mit siliciumhaltigem Material in Kontakt
gebracht wird, wobei der Formkörper zunächst evakuiert und mit Stickstoffgas gefüllt
wird und danach
eine Siliciumschmelze eingetaucht wird.
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Die DE-PS 27 37 209 beschreibt ein Verfahren zur Kapselung eines Formkörpers
aus Keramik, insbesondere Siliciumkeramik, mittels einer durch thermische Behandlung
auf das Werkstück aufgebrachten, Si-haltigen druckdichten Schicht für das heißisostatische
Pressen, wobei der Formkörper mit einer dichten Oberflächenschicht aus Si-Schmelze
überzogen wird, und danach einer N2-Atmosphäre bei 800 bis 1400"C so lange ausgesetzt
wird, bis die Si-Schicht in eine Si3N4-Schicht umgesetzt ist.
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Bei beiden Patentschriften wird das Si3N4-Bauteil mit flüssigem Silicium
abgedichtet, und zwar entweder im Vakuum oder durch äußerlichen Druck. Diese Siliciumschicht
wird dann durch Glühen in Stickstoff zu Si3N41nitridiert11.
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Um die hohen Drucke von 2000 bis 3000 bar aushalten und auf das Bauteil
übertragen zu können, muss diese Schicht relativ dick sein (Größenordnung mm). Eigene
Untersuchungen der Anmelderin ergaben aber, daß 1.) wegen der geringen Diffusionsgeschwindigkeiten
von N2 in Si bzw. von N2 in Si3N4 maximal Si-Schichtdicken von ca 40 ßm vollständig
in Si3N4 umgewandelt werden können, und 2.) bei der Nitridierung von dichten Si-Schichten
aufgrund der Entstehungsmechanismen von Si3N4 (Verdampfung von Si, Reaktion von
Si (g) mit N2 (g) zu Si3N4 und Kornneubildung bei Kondensation) poröse Si3N4-Schichten
entstehen. Dies ist auch durch Untersuchungen an Einkristallen in anderen Laboratorien
bestätigt worden.
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Dies führt dazu, daß die genannten Schichten nicht zur Druckübertragung
geeignet sind. Darüber hinaus sind diese Verfahren - tauchen von Si3N4-Körpern in
Si-Schmelze ( >1400°C) unter Vakuum oder unter Druck und anschließende Nitridierung
mit einer Dauer von ca. 50 - 100 Stunden -sehr aufwendig und kompliziert. Kompliziert
geformte poröse
Körper lassen sich damit nicht herstellen.
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Aus einem Bericht des ARMY MATERIALS AND MECHANICS RESEARCH CENTER,
Watertown, Mass., USA aus dem August 1977 abgekürzt AMMRC CTR 77-20 mit dem Titel
BRITTLE MATERIALS DESIGN, HIGH TEMPERATURE GAS TURBINE geht hervor, daß man die
zu verdichtenden Formkörper zunächst mit Bornitrid beschichtet und dann unter Vakuum
eingekapselt hat, worauf Druck angewendet wurde. Es wird von Turbinenschaufeln als
zu verdichtende Körper gesprochen. Aus diesem Bericht geht nicht hervor, in welcher
Weise die Turbinenschaufeln mit Bornitrid ummantelt wurden. Aus den Abbildungen
scheint hervorzugehen, daß diese Bornitrid-Schicht aufgeschlämmt wurde , d.h. daß
die Turbinenschaufel in eine Bornitridsuspension getaucht und anschließend getrocknet
wurde.
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Dieses Teil wurde dann in einem Glascontainer vakuumdicht verschlossen.
Aus der entsprechenden Abbildung ist zu entnehmen, daß die Glaskapsel nicht an der
Turbinenschaufel bzw. der Bornitridhülle anliegt, was zu negativen Ergebnissen führt,
da das Glas sehr stark verformt werden muss und dabei zum Reißen neigt. Weiterhin
wird in diesem Bericht vermutet, daß es doch zu Kontakt zwischen der Glasschicht
und dem Bauteil gekommen ist, wodurch Spannungen auftraten, die das Bauteil zerstörten.
Dies spricht für eine sehr dünne Bornitrid-Schicht, wie sie auch durch die oben
erwähnten Tauchverfahren entsteht.
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In diesem Bericht wird auf S. 106 und übergehend auf S. 107 davon
gesprochen, daß versucht wurde, eine Turbinenschaufel zu verdichten, wobei jedoch
alle Proben brachen und man annahm, daß dies aufgrund der verschiedenen thermischen
Ausdehnung zwischen dem Glas und dem Siliciumnitrid erfolgte.
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In den Schlußfolgerungen wird am Ende dieses Berichtes auf S. 108
ausgeführt, daß das beschriebene Einkapselungssyst nicht für die isostatische Verdichtung
von komplexen Baukörpern wie z.B. dünnen Turbinenschaufeln geeignet ist.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen,
mit dessen Hilfe es möglich ist, auch kompliziert geformte poröse Keramikbauteile
oder Formkörper heißisostatisch zu verdichten, ohne daß dabei die vorstehend geschilderten
Nachteile auftreten.
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Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
zum heißisostatischen Pressen oder Verdichten kompliziert geformter poröser Körper
oder Bauteile. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man a) den geformten
porösen Körper in ein Preßpulver in an sich bekannter Weise einbettet, b) danach
das um den Körper befindliche Preßpulver kaltisostatisch verdichtet und c) anschließend
in eine Glaskapsel in an sich bekannter Weise unter Vakuum einschmilzt.
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Als geformte poröse Körper kommen z.B. kompliziert geformte Bauteile
aus Keramikmaterial wie z.B. aus Siliciumnitrid (Si3N4) oder aus Siliciumcarbid
(SiC) infrage. Beispiele für kompliziert geformte Bauteile sind Turbinenschaufeln,
Antriebskränze usw.
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Bevorzugt lässt sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf
Bauteile aus porösem reaktionsgesintertem Siliciumnitrid anwenden.
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Als Preßpulver kommen die auf diesem Gebiet üblichen Preßpulver infrage.
Dieses Preßpulver soll sich bei den angewandten hohen Temperaturen, z.B. zwischen
1600 und 20000C, und hohen Drucken, z.B. um 200 MPa passiv verhalten, d.h.
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weder mit dem Formkörper noch mit der Kapsel chemische Reaktionen
eingehen. Beispiele sind Bornitrid oder Graphitpulver. Graphitpulver eignet sich
jedoch nicht so sehr für Si3N4, da dieses mit Graphit zu SiC reagieren kann und
dabei N2 frei wird, der die Kapsel aufreißt.
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Bevorzugt als Preßpulver wird Bornitrid (BN).
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Gemäss dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird das um den geformten
Körper oder das Bauteil befindliche Preßpulver zunächst kaltisostatisch verdichtet.
Diese Vorverdichtung oder das kaltisostatische Pressen hat den Vorteil, daß einmal
eine Reaktionszone zwischen Bauteil und Pulver verhindert und zum anderen die Eigenschaften
des Kapselwerkstoffs nicht variiert werden. Weiterhin wird das Entformen des Bauteils
nach dem darauffolgenden heißisostatischen Pressen nicht erschwert und eine Nachbearbeitung
ist nicht nötig.
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Erfindungsgemäss werden bei einer bevorzugten Ausführungsform Turbinenschaufeln
aus reaktionsgesintertem Siliciumnitrid in Bornitridpulver in üblicher Weise eingebettet
und daraufhin das um den Körper befindliche Bornitridpulver bei Raumtemperatur kaltisostatisch
verdichtet. Die dabei entstehenden vorgefertigten Teile werden nun in einfach geformten
Kapseln, z.B. aus Glas,evakuiert und gasdicht verschlossen. Beispielsweise können
Kieselglasrohre verwendet werden.
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Die Eigenschaften des Kieselglases erlauben es, daß nach Aufheizen
der Teile auf eine Temperatur über dem Transformationspunkt des Glases (ungefähr
1100°C) ein Gasdruck aufgebracht werden kann, wodurch sich das Glas verformt, an
das vorverdichtete Pulver anlegt und den Umgebungsdruck auf das zu verdichtende
Teil überträgt.
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Die angewandten Temperaturen bei der heißisostatischen Verdichtung
liegen im Bereich von 1600 bis 20000C und die Drucke um 200 MPa, z.B. im Bereich
von 180 bis 250 MPa.
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Nach erfolgtem heißisostatischen Pressen können die verdichteten Körper
oder Bauteile einfach aus dem Glas und dem Bornitridpulver entfernt werden ohne
daß die Bauteile beschädigt werden. Dies ist von großem Vorteil gegenüber den bisherigen
bekannten Verfahren.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
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Beispiel 1 Ausgangsmaterial bildeten Turbinenschaufeln aus reaktionsgebundenem
(=reaktionsgesintertem)Siliciumnitrid, RBSN, die aus der Industrie bezogen wurden.
Diese Schaufeln haben einen Porenanteil von ca. 20 %. In eine einseitig geschlossene
Gummihülse (Durchmesser 20 mm) wurde Bornitrid eingestreut, Füllhöhe ca 10 mm. Nun
wird der Schaufelfuß in das Pulver gedrückt und die Schaufel von Hand zentriert.
Anschließend wird wiederum Bornitridpulver eingestreut, bis zu einer Füllhöhe, die
etwa 10 mm über dem Schaufelblatt liegt.
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Zur Vorverdichtung und besseren Handhabung wird die Hülle auf einen
Rütteltisch gestellt und etwa 15 Minuten gerüttelt. Dabei erhöht sich die Schüttdichte
des Pulvers.
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Nun wird die Hülse am offenen Ende mit einem Gummistopfen verschlossen.
Die Hülse wird in das Druckmedium (Wasser-Ol-Emulsion) der kaltisostatischen Presse
eingebracht und der Druck wird innerhalb von etwa 5 Minuten auf 250 MPa erhöht (bei
Raumtemperatur). Nach Erreichen des Enddrucks wird entspannt und die im Pulverpreßling
befindliche Schaufel aus der Gummihülse entnommen. In diesem Zustand lässt sich
der Preßling sehr gut handhaben.
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Er wird in ein einseitig geschlossenes Kieselglasrohr eingebracht.
Am offenen Ende wird darauf ein Schlauch befestigt, der mit dem Pumpstand verbunden
ist. Man evakuiert auf etwa 2 bis 3 x 10 5 mbar. Dies ist ohne Vorverdichten des
Pulvers nur schwer möglich, da das Pulver sonst aus dem Glasrohr gesaugt wird. Nun
erhitzt man das Glas und es legt sich wegen der Druckdifferenz (Vakuum innen, Atmosphärendruck
außen) an den Preßling an, wird am Ende abgeschmolzen und in die heißisostatische
Presse eingebracht.
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Die eingekapselten Turbinenschaufeln werden in das Reaktorgefäß
der
heißisostatischen Press-Anlage eingebracht. Die Kammer wird evakuiert und mit Argon
gespült (auf 0,1 MPa).
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Dann wird die Temperatur erhöht (Aufheizgeschwindigkeit ca 600°C/Std.).
Bei Erreichen der Transformationstemperatur des Kieselglases (etwa 1100°C) wird
das Glas duktil und es kann der Druck erhöht werden ohne daß die Glaskapsel bricht
(Druckanstieg etwa 600 MPa/Std.).
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Nach Erreichen des Enddrucks werden Temperatur und Druck wieder reduziert
( etwa gleiche Geschwindigkeit wie beim Aufheizen).