DE3344909A1

DE3344909A1 - Verfahren zum herstellen eines keramischen turbinenrotors des radialtyps

Info

Publication number: DE3344909A1
Application number: DE19833344909
Authority: DE
Inventors: Takeyuki Toyohashi Mizuno
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1982-12-15
Filing date: 1983-12-12
Publication date: 1984-06-20
Also published as: JPS59109304A; DE3344909C2; JPS6411444B2; US4550004A

Description

NGK INSULATORS, LTD., NAGOYA CITY / JAPAN

Verfahren zum Herstellen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines hochfesten keramischen Turbinenrotors des Radialtyps, welcher in der Nähe einer Verbindung zwischen einer Nabe und einem Schaufelabschnitt an der Luftaustrittsseite frei von Brüchen und Rissen ist.

Kürzlich hat man Silicium-Keramikmaterialien, wie Siliciumnitrid,, Siliciumcarbid, Sialon und dergleichen, als Strukturmaterialien für Gasturbinen, Dieselmotoren und dergleichen erkannt, und zwar aufgrund ihres leichten Gewichtes und ihrer Überlegenheit hinsichtlich der Wärmewiderstandsfähigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Schockeinwirkungen.

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Insbesondere wurden Turbinenrotoren des Radialtyps aus diesen keramischen Materialien für die Anwendung als Gasturbinenrotoren oder Turboladermotoren für Kraftfahrzeuge hervorgehoben, weil diese keramischen Rotoren leichter sind und bei viel höheren Temperaturen verwendet werden können als Metallturbinenrotoren. Ausserdem sind sie hinsichtlich des thermischen Wirkungsgrades den Metallrotoren überlegen. Ausserdem sind Turbinenrotoren des Radialtyps von komplizierter Form, so dass sie üblicherweise durch Spritzgiessen oder dergleichen gegossen werden, wodurch die keramischen Materialien in enge oder gekrümmte Abschnitte oder Ecken der komplizierten Giessformen gedrückt werden.

Um Rotoren durch Spritzgiessen von keramischen Materialien auszubilden, muss eine grosse Menge an Weichmacher, wie Harz, Wachs oder dergleichen, dem keramischen Material zugegeben werden. Wenn der spritzgegossene keramische Rotorkörper zum Entfernen des Harzes oder des Wachses erwärmt oder gesintert wird, ändert sich die Form in der Nähe der Verbindung zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftaustrittsseite rapide, so dass das als Weichmacher zugeführte Harz oder Wachs nicht gleichförmig entfernt wird. Dementsprechend ist der gegossene Körper hinsichtlich seiner Dichte nicht gleichförmig, so dass lokale Schrumpfungsunterschiede beim Sintern im Körper auftreten und somit Zugkräfte verursachen, die insbesondere im Verbindungsbereich zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftaustrittsseite zu Brüchen führen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps mit hoher mechanischer Festigkeit vorzusehen, bei dem die vorgenannten Brüche nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen eines keramischen Turbinenkörpers des Radialtyps mit einer Welle, einer daran sich anschliessenden Nabe, einem radial von der Nabe ausgehenden Schaufelabschnitt, wobei ein Ende der Nabe an der Luftaustrittsseite über ein Ende des Schaufelabschnittes zur Luftaustrittsseite vorsteht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass folgende Verfahrensschritte vorgenommen werden: Spritzgiessen eines keramischen Rotorkörpers mit einer dickeren Eckenausrund ung als eine vorbestimmte Dicke an einer Verbindungsstelle zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftaustrittsseite, und Bearbeiten dieser überdicken Stelle des gegossenen Rotorkörpers solange, bis die überdicke Eckenausrundung die vorbestimmte Dicke für einen vorbestimmt geformten Turbinenrotor erhält.

Durch dieses erfindungsgemässe Verfahren ist es möglich, keramische Turbinenrotoren des Radialtyps herzustellen, bei denen insbesondere im Verbindungsbereich zwischen Nabe und Schaufelabschnitt im Bereich der Austrittsseite auch bei hohen Drehzahlen keine Brüche auftreten.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt:
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Fig. 1 eine Darstellung für die konkrete Erläuterung

des Verfahrens zum Herstellen eines keramischen Turbxnenradialrotors gemäss der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines keramischen Turbenrotors, welcher nach dem erfindungsgemässen Verfahren hersgestellt ist. Der keramische Turbinenrotor 1 besteht aus einem Wellenabschnitt 2, einer Nabe 3 und einem Schaufelabschnitt 4, der radial von der Nabe 3 absteht. Ein Gas wird durch den Rotor in Richtung eines in der Zeichnung dargestellten Pfeiles ausgestossen, in welche Richtung ein Ende der Nabe 3 ein wenig über das Ende des Schaufelabschnittes 4 vorsteht. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine gekrümmte Auffüllung, die eine kreisförmige Verbindung zwischen der Nabe 3 und dem Schaufelabschnitt 4 bildet.

Der keramische Turbinenrotor wird auf folgende Weise hergestellt. Der Rotor besteht aus einem Material, welches aus folgenden Materialien ausgewählt ist:

Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder Substanzen, die diese Materialien durch Sintern erzeugen. Diesem Ausgangsmaterial wird ein Plastifikator, wie ein Harz, ein Wachs oder dergleichen und vorzugsweise weiterhin zugegeben und zugemischt, zumindest eine Sinterungshilfe wie Y₂°3' ^Μ9^Α12°4' ^{Mg0/ Ce0}2' ^Sr0

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oder dergleichen im Falle von Siliciumnitrid und wie Be, Al, B, C oder dergleichen im Falle von Siliciumcarbid, um das Rohmaterial für den Giessvorgang zu erzielen. Dieses bereitete Rohmaterial wird durch Verwendung einer Spritzgiesskokille spritzgegossen um einen gegossenen Rotorkörper zu erhalten, dessen Eckenausrundung 5 um i , entsprechend den ausgezogenen Linien in Fig. 1 dicker ist als das endgültige Rotorprodukt, entsprechend den unterbrochenen Linien in Fig. 1. Der Wert B beträgt hinsichtlich der maximalen Dicke nicht weniger als 0,5 mm, vorzugsweise nicht ' mehr als 5 mm, liegt aber vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 mm. In diesem Fall ist die Eckenausrundung meist bevorzugt im Längsschnitt durch die Drehachse des Rotors konkav. Sie kann aber auch flach oder konvex sein.

Der gegossenen Rotorkörper wird erwärmt, um den Plastifikator bzw. den Weichmacher, wie Harz und Wachs oder dergleichen, zu entfernen, und zwar bis zu 300 bis 600⁰C in einer Erwärmungsgeschwindigkeit von weniger als 100°C/h, vorzugsweise weniger als 10°C/h. Diese Erwärmungsbedingungen werden in Abhängigkeit von der Art und der Menge des im Körper befindlichen Weichmachers gewählt. Nach dem Entfernen des Weichmachers wird nach dem Vorsintern ein hydrostatischer Druck auf den Rotorkörper aufgebracht.

Das Vorsintern wird bei 800 bis 1.200⁰C durchgeführt, um die Handhabung des Rotorkörpers zu erleichtern und diesem die für die Bearbeitung erforderliche Festigkeit

zu geben. Beim Aufbringen des hydrostatischen Druckes wird der gegossene Rotorkörper nach dem Entfernen des Weichmachers durch einen elastischen Sack abgedeckt. Dann wird der hydrostatische Druck von 500 bis 5.000 kg/cm⁸ auf den abgedeckten Rotorkörper aufgebracht, um diesen dicht zu machen. Danach wird der Rotorkörper für 10 bis 200 Minuten bei einer Temperatur von beispielsweise 1.600 bis 2.200⁰C gesintert, welche Temperatur ausreichend ist, den Körper vollständig in Abhängigkeit von dem Rohmaterial zu sintern. Wenn als Ausgangsmaterial die Substanz verwendet wird, die beim Sintern Siliciumnitrid, Siliciumcarbid oder Sialon erzeugt, so sind die bedeutsamen Parameter zum Erzielen guter Resultate nicht nur die Sintertemperatür, sondern darüber hinaus auch die Sinteratmosphäre. Beispielsweise wird für Siliciumnitrid eine Stickstoffatmosphäre und für Siliciumcarbid eine Argonatmosphäre verwendet. Danach wird der gesinterte Rotorkörper dahingehend bearbeitet, die besonders dicken Abschnitte auf eine vorbestimmte Grosse und Form zu reduzieren. Die Bearbeitung kann natürlich nach dem Erwärmen für das Entfernen des Weichmachers oder dem Vorsintern vorgenommen werden. Klemmbacken oder Werkzeuge können auf geeignete Weise entsprechend den Materialien, der Form und dem Sintergrad der spritzgegossenen Körper ausgewählt werden. Beispielsweise können herkömmliche Schneid- bzw. Fräswerkzeuge oder Diamantschleifscheiben für das Bearbeiten der Körper nach dem Erwärmen für das Deplastifizieren oder nach dem Vorsintern verwendet werden oder aber Diamantschleifscheiben vorzugsweise nach dem Sintern. Das Bearbeiten der besonders

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dicken Bereiche erfolgt vorzugsweise so, dass die vorgenannte Eckenausrundung, deren Krümmungsradius im Schnitt mehr als 0,5 mm beträgt, in den endgültigen Zustand gebracht wird.
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Entsprechend der Erfindung kann ein vollkommener Rotor ohne jegliche Brüche oder Risse aufgrund der Tatsache erzielt werden, dass wenig lokale Kontraktionsunterschiede bestehen und zwar dank der gleichförmigen Dichte, die sich durch das gleichförmige Entfernen des Weichmachers ergibt und aus der geringen Veränderung der Dicke, die durch das Spritzgiessen einer dickeren Eckenausrundung im Verbindungsbereich zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt auf der Luftausgangsseite des Rotors erzielt wird. Je grosser der Krümmungsradius der Eckenausrundung des fertigen Rotorkörpers ist, umso dünner kann die Eckenausrundung des gegossenen Rotorkörpers sein. Je kleiner dagegen der Krümmungsradius der Eckenausrundung ist, umso dicker ist vorzugsweise die Eckenausrundung. Bei jeder Rate muss die Dicke € der Eckenausrundung mehr als 0,5 mn betragen.

Wenn die Eckenausrundung eines spritzgegossenen Rotorkörpers weniger als 0,5 mm beträgt, kann das vorgenannte gleichförmige Entfernen des Weichmachers und somit die gleichförmige Dichte des Körpers nicht erzielt werden, so dass sich ein Kontraktionsunterschied an der Eckenausrundung ergibt. Dies führt dann zu einem Brechen durch Einreissen.

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Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die angegebenen Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Zum Vorbereiten eines Rohmaterials für das Spritzgiessen werden die folgenden Materialien gemischt und geknetet: 100 Gew.-Teile SigN^-Pulver mit einem Durchschnittskorndurchmesser von 0,5 μπι, 3 Gew.-Teile MgO, 2 Gew.-Teile SrO und 2 Gew.-Teile CeO₂ als Sinterungshilfen und 15 Gew.-Teile Propylenharz als Weichmacher. Das so erhaltene Material wurde in einer Kokille spritzgegossen, um keramische Turbinenrotoren zu bilden, die an der Eckenausrundung eine Dicke t von 2 mm haben, und zwar für das Erzeugen eines Turbinenrotors des Radialtyps mit einem maximalen Schaufeldurchmesser von 60 mm (nach dem Brennen) und einem Krümmungsradiums von 0,5 mm der Eckenausrundung im Verbindungsbereich zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftausgangsseite des Rotors. Danach wurden die gegossenen Rotorkörper mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 5°C/h auf 500⁰C erwärmt und weiterhin für das Entfernen des Weichmachers 10 Stunden lang auf einer Temperatur von 500⁰C gehalten. Die Körper wurden dann in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.720⁰C 30 Minuten lang gesintert. In den Eckenausrundungen entstanden keine Brüche und Risse. Auch in den anderen Abschnitten der gesinterten Rotorkörper entstanden keine Risse und Brüche. Die Rotorkörper wurden mit Diamantschleifscheiben geschliffen, um die besonders dicken Abschnitte

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auf einen Krümmungsradius der Eckenausrundungen von 0,5 mm zu reduzieren. Auf diese Weise wurden Turbinenrotoren des Radialtyps erhalten, von denen jeder ein perfekter Rotor ohne Brüche und Risse war, und zwar mit einer vorbestimmten Form, bei der die Eckenausrundung zwischen Nabe und Schaufelabschnitt an der Luftaustrittsseite des Rotors einen Krümmungsradium von 0,5 mm hatte. Wenn im Vergleich dazu das Rohmaterial in einer Kokille spritzgegossen wurde, bei der die Ecken eine Rundung von 0,5 mm hatten, d.h. keine dickeren Eckenausrundungen an den Rotorkörpern vorgesehen wurden, traten Brüche von ungefähr 5 mm an den Enden der Naben auf, wenn der Weichmacher entfernt wurde.

Beispiel 2

Ein Rohmaterial für das Spritzgiessen wurde durch Mischen und Kneten folgender Bestandteile vorbereitet: 100 Gew.-Teile SiC-Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,2 μπι, 2 Gew.-Teile Bor, 2,5 Gew.-Teile Russ und 10 Gew.-Teile Wachs als Weichmacher.

Das Rohmaterial wurde in Spritzgiesskokillen spritzgegossen, um Rotorkörper zu erhalten, deren Eckenausrundungen eine Dicke von 2,1 und 0 mm hatten, und"zwar als Proben Nr. 1, 2 und 3 zum Erzeugen von keramischen Turbinenrotoren des Radialtyps mit einem maximalen Schaufeldurchmesser von 110 mm (nach dem Brennen) und einem Krümmungsradius von 2 mm an der

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Eckenausrundung im Verbindungsbereich zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftausgangsseite des Rotors.

Danach wurden die gegossenen Rotorkörper mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 3°C/h auf 400⁰C erwärmt und dann für 5 Stunden auf dieser Temperatur von 400⁰C gehalten, um den Weichmacher zu entfernen. Die Körper wurden dann in einer Argonatmosphäre bei 2.100⁰C 60 Minuten lang gesindert. Die gesinterten Rotorkörper Nr. 1 und 2 wurden mittels Diamantschleifscheiben geschliffen, um die besonders dicken Abschnitte auf Krümmungsradien der Eckenausrundungen von 2 mm zu reduzieren und dadurch ohne Brüche die erwarteten Rotoren zu erzielen. Andererseits traten bei den gesinterten Rotorkörpern Nr. 3 ohne besondere Dicke C an den Eckenausrundungen Brüche von ungefähr 3 mm in der Nähe der Ausrundungen auf.

Um Drehversuche durchzuführen, wurden die Rotoren Nr. 1, 2 und 3 dynamisch bis zu einem dynamischen Ungleichgewicht von 0,05 g«cm ausbalanciert. Nachdem Metallwellen an den Rotoren befestigt wurden, wurden sie auf ein dynamisches Ungleichgewicht von 0,0005 g*cm eingerichtet. Die Rotoren wurden dann auf einer Drehversuchsmaschine getestet und zwar mit progressiv zunehmender Drehzahl. Bei den Rotoren Nr. 1 und 2 traten sogar bei 70.000 Upm keine Brüche auf, während dies bei den Rotoren Nr. 3 bereits bei nahezu 40.000 Upm der Fall war.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass entsprechend der Erfindung ein Rotorkörper durch Spritzgiessen so ausgebildet ist, dass er eine dickere Eckenausrundung als die vorbestimmte Dicke im Verbindungsbereich zwischen einer Nabe und einem Schaufelabschnitt an der Luftausgangsseite des Rotors hat und dann diese Stelle bearbeitet wird, um die Uberdicke zu entfernen und dann einen hochfesten keramischen Turbinenrotor zu erhalten, bei dem Brüche vollständig ausgeschlossen sind und der somit für einen Turboladerrotor für Diesel- und Otto-Motoren geeignet ist, sowie als Rotor für Gasturbinen. Somit sind diese Rotoren für den industriellen Bereich ausserordentlxch nützlich.

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- Leerseite -

Claims

HOFFMANN · 'EITLE & PARTNER 3344903 PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝβ. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ΙΝβ. W. LEHN DIPU-INa. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-INQ. K. DIPL.-INQ. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 39 577 p/wa NGK INSULATORS, LTD., NAGOYA CITY / JAPAN Verfahren zum Herstellen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erzeugen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps mit einer Welle, einer daran sich anschliessenden Nabe, einem radial von der Nabe ausgehenden Schaufelabschnitt, wobei ein Ende der Nabe an der Luftaustrittsseite über ein Ende des Schaufelabschnittes zur Luftaustrittsseite vorsteht, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte vorgenommen werdens Spritzgiessen eines keramischen Rotorkörpers mit einer dickeren Eckenausrundung (5) als eine vorbestimmte Dicke an einer Verbindungsstelle zwischen der Nabe (3) und dem Schaufel-

* ^ELLASTRASSE 4 · D-SOOO MDNOHEN 31 . TELEFON COSiBJ 91IOS7 . TELEX 5-29C1S CPATHE) . TELEKOPIERER 91835S

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abschnitt (4) an der Luftaustrittsseite, und Bearbeiten dieser überdicken Stelle des gegossenen Rotorkörpers solange, bis die überdicke Eckenausrundung die vorbestimmte Dicke für einen vorbestimmt geformten Turbinenrotor erhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die dickere Eckenausrundung des gegossenen Rotorkörpers zumindest 0,5 mm dicker ist als die genannte vorbestimmte Dicke.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Eckenausrundung im Längsschnitt durch eine Drehachse des Rotors konkav ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass ein keramisches Material spirtzgegossen wird, welches zumindest eines aus folgenden ausgewählten Materialien ist: Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder Substanzen, die beim Sintern diese Materialien erzeugen.