DE3752056T2

DE3752056T2 - Aus Metall und Keramik zusammengefügte Körper

Info

Publication number: DE3752056T2
Application number: DE3752056T
Authority: DE
Inventors: Isao Oda; Takao Soma
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-02-19
Filing date: 1987-02-17
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2007-02-18
Also published as: JPH0336787B2; EP0233772A1; DE3752056D1; EP0233772B1; JPS62191478A; US4874674A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifif einen Metall/Keramik-Verbundkörper in Form eines Rotors eines Turboladers oder einer Gasturbine.
Bezug nehmend auf Fig.7 der beigelegten Abbildungen wurde ein Metall/Keramik- Verbundkörper üblicherweise durch Ausbilden eines vertieften Abschnitts 42 in einer Verbindungsfläche eines Metallelements 41 und Einpassen eines vorspringenden Abschnitts 44 eines Keramikelements 43 in den vertieften Abschnitt 42 hergestellt.
Im Metall/Keramik-Verbundkörper der obigen Struktur ist ein Unterschied in der Wärmedehnung zwischen dem Metallelement 41 und dem Keramikelement 43 zu beobachten, sodaß sich die Verbindung bei hoher Temperatur lockert; in einem extremen Fall löst sich das Keramikelement 43 aus dem Metallelement, was unerwünscht ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Metall/Keramik-Verbundrotor bereitzustellen, bei dem in einem breiten Temperaturbereich eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramik- und dem Metallelement besteht, sodaß das Risiko der Lockerung der Verbindung ausgeschaltet wird.
Weiters konzentrieren sich Spannungen aufgrund der Druckbelastung beim Einpassen am eingepaßten Ende des Keramikelements, weshalb der Verbundkörper möglicherweise bricht. Daher ist es sehr schwierig, Metall/Keramik-Verbundkörper mit hoher Zuverlässigkeit zu erhalten.
EP-A-0161081 offenbart einen Metall/Keramik-Verbundgasturbinen rotor mit einer Nickellegierungsstahlwelle, die ein aufgeschweißtes rohrförmiges Ende mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist. Diese Welle wird in einem sich verjüngenden Bereich durch Aufschrumpfen mit einem Blattabschnitt verbunden.
Es ist - wie bereits erwähnt - ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, Metall/Keramik- Verbundrotoren mit hoher Verbindungsfestigkeit zwischen dem Keramik- und dem Metallelement über einen breiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur bereitzustellen, wodurch auch die Zuverlässigkeit hoch ist. Ein zweites Ziel ist die Verringerung der Spannungskonzentration im Keramikelement.
Gemäß der Erfindung ist ein Metall/Keramik-Verbundrotor nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Vorzugsweise ist zur Verringerung der Spannungskonzentration im Keramikelement eine Nut ausgebildet, die sich im wesentlichen um die gesamte Peripherie des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements herum erstreckt, und der vertiefte Abschnitt des Zwischenelements ist solcherart positioniert, daß sich eine Seite der Nut an einem Ende der eingepaßten Oberflächen des Keramikelements und des Zwischenelements befindet.
Die Länge des Zwischenelements (in Einsetzrichtung des Keramikelements) kann etwas größer als die Länge der Ausnehmung darin sein und ist typischerweise kleiner als die zweifache Axiallänge der Kontaktfläche zwischen Keramikelement und Zwischenelement.
Die Verbindung des Keramik- und des Zwischenelements erfolgt durch Preßpassen im allgemeinen ohne Verwendung eines Klebe- bzw. Verbindungsmaterials.
Das Zwischenelement ist aus Metall mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten von weniger als 12 x 10&supmin;&sup6;/ºC (Raumtemperatur bis 500ºC), noch bevorzugter weniger als 10 x 10&supmin;&sup6;/ºC und typischerweise nicht mehr als 8 x 10&supmin;&sup6;/ºC. Das Metallhauptelement besitzt einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten als das Zwischenelement, d.h. mehr als 12 x 10&supmin;&sup6;/ºC.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung durch Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigelegten Abbildungen, worin:
Figuren 1a bis 1c Teilschnittansichten dreier Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Metall/Keramik-Verbundkörpers sind;
Figuren 2a und 2b eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht bzw. eine schematische Endansicht eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers sind, der für einen Torsionstest verwendet wird;
Fig.3 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Torsionsdrehmoment und 2 δ/dc im Torsionstest darstellt;
Fig.4 eine Teilschnittansicht des für einen Zugversuch verwendeten erfindungsgemäßen Verbundkörpers ist;
Fig.5a ein Graph ist, der die Beziehung zwischen einer Zuglast und a/dc im Zugversuch darstellt;
Fig.5b ein Graph ist, der die Beziehung zwischen einer Bruchlast und dem Krümmungsradius r der Nutkante am Ende der eingepaßten Oberflächen im Zugversuch darstellt;
Fig.6 eine Teilschnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Keramikturboladerrotors ist; und
Fig.7 eine Teilschnittansicht eines bereits beschriebenen herkömmlichen Metall/Keramik-Verbundkörpers ist.
Beim Metall/Keramik-Verbundkörper der Erfindung ist das Zwischenelement aus Metall mit niedriger Wärmedehnung zwischen den zu verbindenden Keramik- bzw. Metallelementen angeordnet, wobei die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des vertieften Abschnitts des Zwischenelements und dem Außendurchmesser des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements bei herausgezogenem vorspringenden Abschnitt nicht weniger als 0,2% des Außendurchmessers des Keramikelements ausmacht, sodaß man über einen breiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu hoher Temperatur eine ausreichende Verbindungsfestigkeit erzielen kann.
Der Grund, weshalb erfindungsgemäß die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements und dem Innendurchmesser des vertieften Abschnitts des Zwischenelements, wenn der vorspringende Abschnitt aus dem vertieften Abschnitt herausgezogen ist, auf nicht weniger als 0,2% des Außendurchmessers des Keramikelements beschränkt ist, liegt darin, daß bei einer Differenz von weniger als 0,2% die Verbindungskraft zwischen dem Keramik- und dem Zwischenelement unzulänglich ist und sich die Verbindung bei hoher Temperatur während der Verwendung lockern kann bzw. sich das Keramikelement in Extremsituationen aus dem Zwischenelement lösen kann (siehe weiter unten).
Außerdem kann die Spannungskonzentration im eingepaßten Ende des Keramikelements, zu der es bei herkömmlichen Verfahren häufig kommt, durch Ausbilden einer Nut um die gesamte Peripherie des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements herum und Positionieren des Zwischenelements, sodaß die Paßflächen an einer Seitenkante der Nut beginnen, vermieden werden. Das Zwischenelement kann dann einen Teil der Nut abdecken.
Vorzugsweise macht die Tiefe dieser um die gesamte Peripherie des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements herum ausgebildeten Nut 2-12%, noch bevorzugter 3- 8% des Außendurchmessers des vorspringenden Abschnitts aus.Wenn die Tiefe viel kleiner ist als die genannte, ist der Effekt der Verringerung der Spannungskonzentration am eingepaßten Ende möglicherweise gering, wogegen, wenn sie größer ist, die Spannungskonzentration aufgrund der Kerbwirkung ansteigen kann, wie dies unten veranschaulicht wird.
in den Ausführungsformen der Figuren 1a-1c sieht man eine Wellenstruktur, in der ein Keramikelement 1, ein Zwischenelement 2 aus Metall mit geringer Wärmedehung und ein Metallelement 3 im allgemeinen gleiche Außendurchmesser aufweisen, obwohl die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt ist. In diesen Ausführungsformen ist ein vorspringender Abschnitt 1a an einem Ende des Keramikelements vorgesehen, das mit dem Zwischenelement 2 verbunden wird, indem der vorspringende Abschnitt 1a in eine Ausnehmung 2b an einem Ende des Zwischenelements 2 eingepaßt wird; dies erfolgt durch Preßpassen oder ein anderes geeignetes Verfahren. Das andere Ende 2d des Zwischenelements 2 wird durch Reibungsschweißen mit dem Metallelement 3 verbunden. In den Ausführungsformen der Figuren 1b und 1c ist eine Nut 4 im wesentlichen um die gesamte Peripherie des vorspringenden Abschnitts 1a herum ausgebildet, und eine Seitenkante 5 der Nut 4 befindet sich am Anfangspunkt 6 der Passung der Oberflächen des Abschnitts 1a und der Ausnehmung 2b des Zwischenelements 2.
Es folgt eine Erklärung der Erfindung durch die folgenden Beispiele, wobei die Beispiele 1 und 2 das Prinzip der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Verbindung erklären.

Beispiel 1

Einige Proben wurden wie folgt gebildet und behandelt.
Wie aus Figuren 2a und 2b ersichtlich, wurde ein Keramikelement 11 aus Si&sub3;N&sub4; in ein Zwischenelement 12 aus einer Legierung mit geringer Wärmedehnung (Incolloy 903, Markenname) bei Raumtemperatur preßgepaßt, das dann an ein Metallelement 13 aus SACM 645 angeschweißt wurde, um einen Verbundkörper für einen Torsionstest zu bilden. Dieser Verbundkörper wurde 8 Stunden lang bei 720ºC und 10 Stunden lang bei 620ºC einer Alterungsbehandlung unterzogen. Nach dem Messen des Torsionsdrehmoments bei 500ºC im Torsionstest wurde das Keramikelement aus dem Zwischenelement herausgezogen, der Innendurchmesser dm des Ausnehmungsabschnitts des Zwischenelements 12 und der Außendurchmesser dc des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements 11 gemessen und die Differenz 2 δ zwischen dem Innendurchmesser dm und dem Außendurchmesser dc, d.h. 2 δ dc - dm, errechnet. Die Ergebnisse sind in Fig.3 veranschaulicht. Der eingepaßte Teil besaß eine solche Form, daß der Durchmesser des vorspringenden Abschnitts 11 10 mm, der Außendurchmesser des Zwischenelements 12 15 mm und die Passungslänge 6 mm betrug. Das Torsionsdrehrnoment und 2 δ wurden unter Verwendung von Incolloy 909 und Kovar als Zwischenelement gemessen, um die aus Fig.3 ersichtlichen Ergebnisse zu erzielen. Ähnliche Versuche erfolgten ohne das Zwischenelement. Der Wärmedehnungskoeffizient jedes der verwendeten Metalle ist ebenso wie der Koeffizient für das in Beispiel 2 verwendete SNCM 439 in nachstehender Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
Wie aus Fig.3 ersichtlich, beträgt das Torsionsdrehmoment bei den Produkten gemäß der Erfindung, die das Zwischenelement 12 aus einem Metall mit niedriger Wärmeausdehnung mit 2 δ/dc von etwa 0,4% enthalten, 3,9-4,4 kgm, während das Torsionsdrehmoment des Produkts ohne Zwischenelement 1,5-1,9 kgm beträgt, was keine ausreichende Verbindungsfestigkeit darstellt. Wenn das Produkt hingegen das Zwischenelement enthält und 2 δ/dc nicht weniger als 0,2% ausmacht, beträgt das Torsionsdrehmoment mehr als 2 kgm, und eine ausreichende Paßkraft wird erzielt; wenn 2 δ/dc weniger als 0,2% ausmacht, wird keine ausreichende Verbindungskraft erzielt.

Beispiel 2

Proben wurden wie folgt hergestellt.
Ein Verbundkörper für den Zugversuch wurde durch Preßpassen eines Keramikelements 21 aus Si&sub3;N&sub4; in ein Zwischenelement 22 aus Incolloy 903 und dessen Anschweißen an ein Metallelement 23 aus SNCM 439 hergestellt (Siehe Fig.4); dann wurde die Bruchlast unter der in Fig.4 gezeigten Zugbelastung P gemessen. Die erzielten Ergebnisse, die als Beziehung zwischen der Tiefe a der Nut des Keramikelements und der Zuglast P ausgedrückt sind, wenn der Krümmungsradius r des konvexen Teils der Nutseite am Anfangspunkt der Passung 0,3 mm beträgt, sind in Fig.5a dargestellt, während die Ergebnisse, die als Beziehung zwischen dem Krümmungsradius r der Nutseite und der Bruchlast P ausgedrückt sind, wenn die Nuttiefe a a/dc = 4% beträgt, in Fig.5b dargestellt sind. Außerdem waren die eingepaßten Teile solcherart, daß der Durchmesser des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements 22 11 mm, der Außendurchmesser des Zwischenelements 22 16 mm, die Passungslänge 8 mm und 2 δ/dc = 0,4% betrug.
Wie aus Fig.5a ersichtlich, wird - wenn die Tiefe a der Nut, die im erfindungsgemäßen Metall/Keramik-Verbundkörper ausgebildet ist, 2-12% des Außendurchmessers dc des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements ausmacht, eine ausreichende Zugfestigkeit erzielt; die Zugfestigkeit ist besonders gut, wenn die Tiefe 3-8% ausmacht.
Wenn - wie aus Fig.5b ersichtlich - das Ende der Nut am Anfangspunkt der Passung in einem Krümmungsradius von r ≥ 0,1 mm abgerundet ist, erzielt man eine hervorragende Verbindungsfestigkeit.

Beispiel 3

Fig.6 zeigt einen erfindungsgemäßen Keramikturboladerrotor. In diesem Beispiel wurde ein großer Wellenabschnitt 32 mit einem Außendurchmesser von 10 mm eines Turbinenrads 31 aus Si&sub3;N&sub4; mit einem Durchmesser von 41 mm in ein Zwischenelement 33 mit einem Außendurchmesser von 15 mm eingepaßt, das durch Reibungsschweißen mit einer Metallwelle 34 aus SNCM 439 verbunden wurde. Eine Nut 35 mit einer Tiefe von a = 0,5 mm wurde um die gesamte Peripherie des vorspringenden Abschnitts der Keramikwelle ausgebildet und das Zwischenelement solcherart positioniert, daß die Nutseite 36 einen Anfangspunkt für die Passungslänge der Elemente bildete. Die Härte des Wellenabschnitts aus SNCM 439 wurde durch Hochfrequenz-Anlassen eingestellt.
Der Keramikturboladerrotor wurde in eine Hochtemperatur-Rotationstestmaschine eingesetzt und ein Rotationstest bei einer Umdrehungsfrequenz von 100.000 U/min in Verbrennungsgas von 800ºC 50 Stunden lang durchgeführt. Es konnte kein Schaden beobachtet werden.
Nach dem Herausziehen des Keramikturboladerrotors stellte sich 2 δ/dc als 0,42% heraus.
Die obigen Ergebnisse bestätigen, daß eine ausreichende Verbindungsfestigkeit über einen breiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu hoher Temperatur aufrechterhalten werden kann, wenn das Zwischenelement aus einem Metall mit niedriger Wärmedehnung zwischen dem Keramik- und dem Metallelement angeordnet ist und die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des vertieften Abschnitts des Zwischenelements und dem Außendurchmesser des herausgezogenen, vorspringenden Abschnitts des Keramikelements nicht weniger als 0,2% ausmacht; weiters zeigte sich, daß die Festigkeit im eingepaßten Teil durch Ausbilden einer Nut um die gesamte Peripherie des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements herum und durch Positionieren des vertieften Abschnitts des Zwischenelements solcherart, daß eine Seite der Nut den Anfangspunkt der Passung bildet, gesteigert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die obigen Beispiele beschränkt und kann zahlreichen Änderungen und Modifikationen unterzogen werden. Beispielsweise können als Keramikelement zusätzlich zu Si&sub3;N&sub4; Siliziumcarbid, Sialon, Zirkondioxid, Mullit, Aluminiumoxid, Berylliumoxid u.dgl. verwendet werden. Weiters können alle Metalle mit geringer Wärmedehnung sowie Incolloy 903, Incolloy 909 und Kovar als Zwischenelement verwendet werden. Als Metallelement eignen sich SNCM 439 und SACM 645 sowie die anderen Metalle.

Claims

1. Metall/Keramik-Verbundkörper in Form eines Rotors eines Turboladers oder einer Gasturbine, bei dem ein vorspringender Abschnitt (1a) eines einen Schaufelabschnitt des Rotors bzw. einen Rotorblattabschnitt bildenden Keramikelements bzw. -glieds (1,11,21,32) in eine Ausnehmung (26) eines einen Wellenabschnitt des Rotors bildenden Metallbauteils eingepaßt ist, wobei der Metallbauteil ein Zwischenelement bzw. -glied (2, 12, 22, 33) aus Metall mit einem Wärmedehnungskoeffizienten von weniger als 12 x 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist, das zwischen dem Keramikelement (1, 11, 21, 32) und einem Metallhauptelement (3, 13, 23, 34) angeordnet ist, wobei das Zwischenelement (2, 12, 22, 33) an einem Ende mit der Ausnehmung (2b) versehen und an seinem anderen Ende durch Schweißen mit dem Metallhauptelement verbunden ist, worin das Zwischenelement (2, 12, 22, 33) im rechten Winkel zur Rotationsachse des Rotors zwischen seiner das Metallhauptelement (3) berührenden Endfläche und dem inneren Ende der Ausnehmung (2b) einen vollen Querschnitt aufweist, und der vorspringende Abschnitt (1a) des Keramikelements (1, 11, 21, 32) über seine gesamte Länge einen vollen Querschnitt aufweist, worin der vorspringende Abschnitt (1a) des Keramikelements in die Ausnehmung (2b) des Zwischenelements preßgepaßt ist, worin die Differenz zwischen dem Außendurchmesser des vorspringenden Abschnitts (1a) des Keramikelements und dem Durchmesser der Ausnehmung (2b) des Zwischenelements bei aus der Ausnehmung herausgezogenem, vorspringenden Abschnitt nicht weniger als 0,2% des Außendurchmessers des vorspringenden Abschnitts ausmacht, worin das Metallhaupt- und das Metallzwischenelement durch Reibungsschweißen miteinander verbunden sind und worin der Wärmedehnungskoeffizient des Metallhauptelements größer als 12 x 10&supmin;&sup6;/ºC ist.

2. Metall-Keramik-Verbundkörper nach Anspruch 1, worin der vorspringende Abschnitt im wesentlichen um seine gesamte Peripherie eine Nut (4, 35) aufweist und die Ausnehmung des Zwischenelements so positioniert ist, daß sich eine Seite (5, 36) der Nut an einem Ende der aneinandergepaßten Oberflächen befindet.

3. Metall-Keramik-Verbundkörper nach Anspruch 2, worin die Nut eine Tiefe aufweist, die 2-12% des Außendurchmessers des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements entspricht.

4. Metall-Keramik-Verbundkörper nach Anspruch 3, worin die Nut (4, 35) eine Tiefe aufweist, die 3-8% des Außendurchmessers des vorspringenden Abschnitts des Keramikelements entspricht.

5. Metall-Keramik-Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Axiallänge des Zwischenelements (2, 12, 22, 33) kleiner ist als die zweifache Axiallänge der Kontaktfläche zwischen Keramikelement und Zwischenelement.