DE3344909C2

DE3344909C2 - Verfahren zum Erzeugen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps

Info

Publication number: DE3344909C2
Application number: DE3344909A
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: 1987-03-05
Also published as: US4550004A; JPS6411444B2; DE3344909A1; JPS59109304A

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps mit einer Welle (2), einer daran sich anschließenden Nabe (3) und einem Schaufelabschnitt (4), welcher radial von der Nabe ausgeht, deren Ende an der Luftausgangsseite über den Schaufelabschnitt vorsteht, umfaßt das Spritzgießen eines keramischen Materials zu einem keramischen Rotorkörper und das Bearbeiten von überdicken Stellen des gegossenen Rotors zu einem vorbestimmt geformten Turbinenrotor. Entsprechend der Erfindung wird der gegossene Rotor durch Spritzgießen so ausgebildet, daß die Eckenausrundung zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftausgangsseite des Rotors um zumindest 0,5 mm dicker ist als die vorbestimmte Dicke dieser Eckenausrundung, wonach der spritzgegossene Rotor mittels einer Diamantschleifscheibe bearbeitet wird, um die Überdicke soweit zu reduzieren, daß die Eckenausrundung die vorbestimmte Dicke erhält und somit ein gewünscht geformter Turbinenrotor erzielt ist, der frei von Brüchen ist und zugleich eine hohe Festigkeit hat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 23 49 277 bekannt. Bei einem derartigen Verfahren ergeben sich die nachfolgend diskutierten Nachteile. Für das Spritzgießen von keramischen Materialien zur Herstellung von Turbinenrotoren muß eine große Menge an Weichmacher dem keramischen Material zugegeben werden. Der spritzgegossene keramische Rotorkörper muß daher zum Entfernen dieser Weichmacher erwärmt werden. Im Zusammenhang damit hat man festgestellt, daß in der Nähe der Verbindung zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftauftrittsseite aufgrund der sich rapide ändernden Form der Weichmacher nicht gleichförmig entfernt werden kann. Dies hat zur Folge, daß der gegossene Körper hinsichtlich seiner Dichte ungleichförmig wird und somit lokale Schrumpfungsunterschiede beim Sintern im Körper auftreten und dabei Zugkräfte verursachen, die insbesondere im Verbindungsbereich zwischen der Nabe und dem Schaufelabschnitt an der Luftaustrittsseite zu Brüchen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Turbinenrotors des Radialtyps mit hoher mechanischer Festigkeit zu schaffen, bei dem die genannten Brüche nicht auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch dieses 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.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus dem Unteranspruch.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Darstellung für die konkrete Erläuterung des Verfahrens zum Herstellen eines keramischen Turbinenradialrotors.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines keramischen Turbinenrotors, welcher nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren hergestellt 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 Plastifizierungsmittel, wie ein Harz, ein Wachs oder dergleichen und vorzugsweise weiterhin zugegeben und zugemischt, zumindest eine Sinterungshilfe wie Y₂O₃, MgAl₂O₄, MgO, CeO₂, SrO 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 l, entsprechend den ausgezogenen Linien in Fig. 1 dicker ist als das endgültige Rotorprodukt, entsprechend den unterbrochenen Linien in Fig. 1. Der Wert l 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 gegossene Rotorkörper wird erwärmt, um das Plastifizierungsmittel bzw. den Weichmacher, wie Harz und Wachs oder dergleichen, auszutreiben, und zwar bis zu 300 bis 600°C 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 1200°C 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 480 bar auf den abgedeckten Rotorkörper aufgebracht, um diesen dicht zu machen. Danach wird der Rotorkörper für 10 bis 200 Minuten bei einer Temperatur von beispielsweise 1600 bis 2200°C gesindert, 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 Sintertemperatur, 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 Größe 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 Austreiben des Plastifizierungsmittels oder nach dem Vorsintern verwendet werden oder aber Diamantschleifscheiben vorzugsweise nach dem Sintern. Das Bearbeiten der besonders 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.
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 größer 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. Die Dicke l der Eckenausrundung muß mehr als 0,5 mm betragen.
Wenn die Dicke der 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.
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 Si₃N₄-Pulver mit einem Durchschnittskorndurchmesser von 0,5 µm, 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 l 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 Krümmungsradius 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 500°C erwärmt und weiterhin für das Entfernen des Weichmachers 10 Stunden lang auf einer Temperatur von 500°C gehalten. Die Körper wurden dann in einer Stickstoffatmosphäre bei 1720°C 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 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 Krümmungsradius 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 µm, 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 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 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 400°C erwärmt und dann für 5 Stunden auf dieser Temperatur von 400°C gehalten, um den Weichmacher zu entfernen. Die Körper wurden dann in einer Argonatmosphäre bei 2100°C 60 Minuten lang gesintert. 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 l 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 Überdicke 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 außerordentlich nützlich.

Claims

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, bei welchem Verfahren keramisches Material aus der Gruppe Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Sialon oder Substanzen, die beim Sintern diese Materialien erzeugen, versetzt mit einem Plastifizierungsmittel spritzgegossen wird, welches Plastifizierungsmittel anschließend durch Erwärmen des spritzgegossenen Rotorkörpers ausgetrieben wird, und das Material gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzgießen so erfolgt, daß die Eckenausrundung (5) des dabei geschaffenen Rotorkörpers an der Verbindungsstelle zwischen Nabe (3) und Schaufelabschnitt (4) an der Luftaustrittsseite eine Vordicke hat, die um mindestens 0,5 mm größer ist als die Enddicke beim fertigen Produkt, und daß die Eckenausrundung frühestens nach dem Austreiben des Plastifizierungsmittels auf die Enddicke mechanisch bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eckenausrundung im Längsschnitt eine Konkavität hat, die durch die Rotorachse verläuft.