DE3207371C2

DE3207371C2 -

Info

Publication number: DE3207371C2
Application number: DE3207371A
Authority: DE
Inventors: Jan Adlerborn; Bertil Mattsson; Hans Dr.-Phil. Larker; Jan Dipl.-Ing. Robertsfors Se Nilsson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1981-03-10
Filing date: 1982-03-02
Publication date: 1990-09-13
Also published as: SE426815B; JPS57160974A; SE8101509L; DE3207371A1; US4579703A; JPH03347B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Gegenständen aus Pulver gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei der Herstellung von keramischen Gegenständen kann man von einem Pulver ausgehen, welches mit einem Weichmachermit tel gemischt wird, welches beim Formen des Pulvers zu einem Körper nach der für keramisches Material herkömmlichen Tech nik, wie z. B. durch Formpressen, als temporäres Bindemittel dient. Bei dem temporären Bindemittel kann es sich beispiels weise um Methylzellulose, Zellulosenitrat, ein Akrylatbinde mittel, ein Wachs oder einer Mischung aus Wachsen handelt. Das Bindemittel wird nach dem Formen des Pulverkörpers durch Erhitzung entfernt, so daß der Pulverkörper praktisch frei von Bindemittel ist. Nach dem Entfernen des Bindemittels wird der Körper gesintert. Bei einer komplizierten Form des Körpers und schwer zu sinterndem Material, wie z. B. bei Schaufelrädern für Gasturbinen aus Siliziumnitrid, wird isostatisches Heißpressen angewendet, da dieses einen all seitigen Druck, eine gleichmäßige Verringerung der Abmessun gen (Schrumpfung) und nur kleine Verzerrungen bewirkt. Fer ner erhält man eine gute Maßgenauigkeit. Um zu verhindern, daß während des Pressens Druckgas in den Pulverkörper ein dringt, wird der Körper von einer normalerweise aus Glas be stehenden gasundurchlässigen Hülle umgeben.

In den DE-OSen 29 16 223 und 29 50 158 sind verschiedene solcher Preßver fahren beschrieben.

Das Entfernen des temporären Bindemittels erfordert bei Kör pern mit starken massiven Querschnitten oder starken Wand stärken lange Zeit und da bei der Vergasung des Bindemittels ein innerer Überdruck auftreten kann, besteht eine große Rißbildungsgefahr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das besonders für die Herstellung von Gegenständen mit starken Wandstärken oder starken massiven Querschnitten geeignet ist, insbesondere für Gegenstände mit stark variierenden Querschnitten und Wandstärken, wie z. B. Schaufelräder für Gasturbinen mit massivem zentralen Teil, aus dem dünne Schaufeln herausragen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Ober begriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungs gemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfin dung sind in den Unteransprüchen genannt.

Gemäß der Erfindung wird also der Pulverkörper in mehrere Teile aufgeteilt, von denen jedes für sich aus einem mit Weichmachermittel gemischten Pulver geformt wird. Das Weich machermittel wird aus den Einzelteilen entfernt. Teile mit besonders einfacher geometrischer Form können auch durch isostatische Kaltpressung ohne Zusatz eines Bindemittels ge formt werden. Danach werden die einzelnen Teile zu einem Teil zusammengesetzt, von einer gasdichten Hülle umgeben und durch isostatische Heißpressung zu einem dichten, homogenen Körper zusammengesintert. Die Hülle besteht normalerweise aus Glas. Die Verbindungsnähte, also solche Linien, welche die Berührungsflächen zwischen den Teilen begrenzen und/oder die die genannten Berührungsflächen selbst, werden mit Pulver, das mit Weichmachermittel, wie beispielsweise Wachs ge mischt ist, bedeckt, das von dem zusammengesetzten Körper entfernt wird, worauf der Körper durch isostatisches Pres sen gesintert wird. Bei dieser Sinterung werden die Teile zusammengefügt, so daß ein völlig homogener Körper gebil det wird.

Wie bereits erwähnt, eignet sich die Erfindung insbesondere zur Herstellung von Turbinenrädern mit Nabe und Welle. Die Aufteilung erfolgt hierbei so, daß ein Nabenteil mit einem Wellenzapfen als erstes Teil und ein Ringteil mit Schaufeln als zweites Teil hergestellt werden. Das Nabenteil und der Ring werden vorzugsweise mit einer äußeren bzw. inneren konischen Fläche ausgebildet. Vorhandenes Weichmachermittel wird aus den Teilen entfernt. Das Ringteil mit den Schaufeln wird auf das Nabenteil geschoben. Die Verbindungsnähte wer den mit einer Schicht eines mit Weichmachermittel gemischten Pulvers bedeckt. Eventuell kann eine Pulverschicht auf den Flächen angebracht werden, die zusammengefügt werden sollen, so daß jegliches Spiel behoben wird. Das Weichmachermittel wird aus den aufgetragenen Pulverschichten entfernt, worauf das Turbinenrad gesintert wird.

Das Nabenteil mit dem Wellenzapfen hat einen starken massi ven Querschnitt, während der Ring mit den Schaufeln kleine Wandstärken hat. Deshalb ist es schwerer, daß Weichmacher mittel aus dem Nabenteil als aus dem Ringteil mit Schaufeln zu entfernen. Das Verfahren nach der Erfindung hat den gro ßen Vorteil, daß das Nabenteil durch isostatisches Pressen aus einem Pulver hergestellt werden kann, das mit einem Weichmachermittel gemischt ist, welches ein geringes Mole kulargewicht hat und leicht zu entfernen ist. Alternativ kann ein Nabenteil verwendet werden, das isostatisch kalt gepreßt wurde. Das Teil hat in diesem Zustand eine geringe Festigkeit, was hingenommen werden kann, da das Teil eine einfache geometrische Form hat. Das Ringteil mit seinen dünnen Schaufeln, die nach dem Pressen eine hohe Festigkeit haben müssen, kann aus einem Pulver gepreßt werden, das mit einem Weichmachermittel gemischt ist, welches ein höheres Molekulargewicht hat, da die kleinen Wandstärken des Ringes und der Schaufeln das Entfernen erleichtert.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert wer den. Es zeigen

Fig. 1 einen zusammengesetzten Körper mit starken Quer schnitten bzw. Wandstärken, jedoch sehr einfacher Form,

Fig. 2 und 3 Teile für ein Turbinenrad mit Wellenzapfen, welches eine sehr komplizierte Form und stark variierende Querschnitte und Wandstärken hat,

Fig. 4 das aus den Teilen nach Fig. 2 und 3 zusammenge setzte Turbinenrad.

Der in Fig. 1 gezeigte Körper 1 ist aus einem topfartigen zylindrischen Teil 2 und einem Zapfen 3 mit einem Flansch 4 zusammengesetzt. Jedes der Teile wird für sich aus einem mit Weichmachermittel gemischtem Pulver gepreßt. Das Weichmacher mittel wird entfernt. Dieses Entfernen wird dadurch erleich tert, daß der Abstand der innersten Punkte der Teile 2, 3 zur Oberfläche bedeutend kleiner ist, als wenn der ganze Körper 1 in einem einzigen Stück gepreßt worden wäre. Die Teile 2 und 3 werden zusammengesetzt und zweckmäßigerweise so bearbeitet, daß das Spiel zwischen der inneren Zylinder fläche 5 des Teils 2 und der äußeren Zylinderfläche 6 des Zapfens 3 klein ist. Die Länge des Zapfens 3 ist etwas klei ner als die Tiefe des Teils 2, so daß ein Spalt 7 zwischen der Endfläche 8 des Zapfens 3 und dem Boden 9 des topfarti gen Teils entsteht. Die obere Endfläche 10 des topfartigen Teils 2 und die untere Endfläche 11 des Flansches 4 sind so geformt, daß sie gut aneinander anliegen. Da zwischen die sen Flächen kein Spalt oder nur ein außerordentlich kleiner Spalt vorhanden ist, kann kein Hüllenmaterial aus Glas ein dringen.

Das in Fig. 4 gezeigte Turbinenrad ist aus dem in Fig. 2 gezeigten Naben- und Wellenteil 13, und dem in Fig. 3 ge zeigten Ring 14 mit Schaufeln 15 zusammengesetzt. Das Naben- und Wellenteil 13 besteht aus einem konischen Abschnitt 16 und einem zylindrischen Abschnitt 17. Es ist aus einem Sili ziumnitridpulver mit Zusätzen, die eine hohe Festigkeit bis zu ca. 1000°C ergeben, wie z. B. einer Mischung von Al₂O₃ und Y₂O₃, durch Formpressen mit einem niedermolekularen Weichmachermittel hergestellt. Nach dem Entfernen des Weich machermittels beträgt die relative Dichte des Körpers ca. 64% der (maximal möglichen) theoretischen Dichte. Der Ring 14 hat ein konisches Loch 18, das dem konischen Abschnitt 16 des Wellenteils 13 angepaßt ist. Der konische Abschnitt 16 und der Ring 14 sind mit Abschrägungen 19 bzw. 20 ver sehen.

Der Ring mit Schaufeln ist aus einem Siliziumnitridpulver mit Zusätzen, die gute Eigenschaften, wie z. B. hohe Kriech festigkeit bei 1300°C, bewirken, z. B. nur Y₂O₃, durch Form pressen mit einem hochmolekularen Weichmachermittel her gestellt. Die relative Dichte des Ringes nach der Entfernung des Weichmachermittels beträgt ca. 64% der theoretischen Dichte. Nach einer eventuellen Werkzeugmaschinenbearbeitung des konischen Abschnitts 16 des Wellenteils 13 und des konischen Loches 18 im Ring 14 wird der Ring 14 mit den Schaufeln 15 auf den konischen Abschnitt 16 des Wellenteils 13 geschoben. Die durch die Abschrägungen 19 und 20 gebil dete Nut wird mit Pulver 21 mit Weichmachermittel gefüllt. Ferner wird Pulver 22 mit Weichmachermittel auf den Übergang zwischen dem Endabschnitt 23 des Ringes 14 und den zylind rischen Abschnitt 17 aufgetragen. Das Weichmachermittel wird entfernt. Noch vorhandenes Pulver überbrückt eventuelle Spal te zwischen den beiden Teilen und verhindert das Eindringen von Hüllenmaterial beim isostatischen Pressen. Beim Pressen wird dann eine Bindung zwischen den Teilen erreicht, so daß die Festigkeit der Fuge mit der Festigkeit des Grundmate rials übereinstimmt. Das fertige Turbinenrad bekommt außer dem Eigenschaften im Naben- bzw. Schaufelteil, die für die betreffenden Betriebsbedingungen optimiert sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von keramischen Gegenständen aus Pulver, insbesondere zur Herstellung von Gegenständen aus Siliziumnitrid oder aus einem Siliziumnitrid als Haupt bestandteil enthaltenden Material, durch Verformung eines Körpers, der von einer gasundurchlässigen Schicht aus Glas oder einem bei Erwärmung glasbildenden Material umgeben wird, welches bei Erwärmung eine gasundurchlässige Schicht bildet, bevor die Sinterung des vorgeformten Körpers durch isostatisches Heißpressen erfolgt, dadurch ge kennzeichnet, daß der Körper (1, 12) aus mehreren Teilen (2, 3; 13, 14) zusammengesetzt wird, von denen minde stens eines aus einem mit einem Weichmachermittel gemischten Pulver geformt wurde, daß vorhandenes Weichmachermittel aus den hergestellten Teilen (2, 3; 13, 14) entfernt wird, daß die Teile (2, 3; 13, 14) zusammengefügt und die Verbindungs nähte zwischen den Teilen (13, 14) des zusammengefügten Kör pers mit Pulver (21, 22) bedeckt werden, welches Weichma chermittel enthält, daß dieses Weichmachermittel entfernt wird und daß der Körper (12) danach mit einer gasundurchläs sigen Glashülle versehen und isostatisch gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Körper (1, 12) aus einem oder meh reren Teil/Teilen (2, 14) mit kleineren Wandstärken und/oder kleineren massiven Querschnitten und aus einem oder mehreren Teil/Teilen (3, 13) mit größeren Wandstärken und/oder größe ren massiven Querschnitten zusammengesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Teil oder die Teile (2, 14) mit den kleineren Wandstärken und/oder kleineren massiven Quer schnitten aus einem Pulver mit Weichmachermittel mit einem höheren Molekulargewicht als das Teil oder die Teile (3, 13) mit den größeren Wandstärken und/oder größeren massiven Querschnitten gepreßt wird/werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Turbinenrad (12) in ein Ringteil (14) mit herausragenden Schaufeln (15) und ein Nabenteil (13) mit Wellenzapfen (17) aufgeteilt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ringteil mit den Schaufeln aus einem Material mit hoher Kriechfestigkeit bei hoher Tempe ratur und das Nabenteil aus einem Material mit hoher Festigkeit bei niedriger bis mittelhoher Temperatur ge formt wird.