DE3836533A1

DE3836533A1 - Process for producing shaped bodies

Info

Publication number: DE3836533A1
Application number: DE19883836533
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Huether; Siegfried Sikorski
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1987-08-06
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1990-05-03

Abstract

Process for producing shaped bodies made of fibre-reinforced ceramic by shaping a green part made of coal or ceramic fibres and a material which is converted on heating into a ceramic gaseous material. The shaped part is surrounded by a gas impermeable encapsulation (cladding) and exposed to high pressure and high temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkter Keramik.The invention relates to a process for the production of moldings made of fiber-reinforced ceramic.

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkter Keramik sind bekannt. Hierbei wird ein Gelege aus keramischen Fasern oder aus Kohlefasern mit einem Precursor getränkt. Durch langsames Aufheizen wird der Pre cursor zersetzt, es entstehen flüchtige Anteile und Keramik, z. B. Si₃N₄. Diese Keramik bildet die Matrix der faserverstärkten Keramik. Nach Abkühlung wird erneut infiltriert und aufgeheizt, so daß weitere Keramik zwischen den Fasern abgeschieden wird.Processes for producing fiber-reinforced ceramics are known. Here, a scrim made of ceramic fibers or carbon fibers is soaked with a precursor. Slow heating up decomposes the pre cursor. Volatile components and ceramics, e.g. B. Si ₃ N ₄ . This ceramic forms the matrix of the fiber-reinforced ceramic. After cooling, it is infiltrated again and heated up, so that further ceramic is deposited between the fibers.

Nachteilig bei diesen Herstellverfahren wirkt sich aus, daß lange Prozeßzeiten erforderlich sind. So dauert je nach Wandstärke des Form teils ein Wärmebehandlungszyklus Tage bis Wochen, so daß sich Gesamt zeiten von mehreren Monaten ergeben können, wenn der Vorgang des Harztränkens einige Male wiederholt wird. A disadvantage of this manufacturing process is that it is long Process times are required. So lasts depending on the wall thickness of the form sometimes a heat treatment cycle days to weeks, so that total times of several months if the process of Resin soaking is repeated a few times.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die entstehenden Form körper bei größeren Wandstärken als einige mm eine gewisse Restporosi tät aufweisen.Another disadvantage is the fact that the resulting shape body with wall thicknesses greater than a few mm a certain residual porosity act.

Das Hauptpatent P 37 26 106, zu dem dieser Anmeldung ein Zusatz ist, betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Glaskoh lenstoff oder kohlefaserverstärktem Kohlenstoff (CFC). Dabei war es Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches die Herstellung von Form körpern bei niedrigen Prozeßzeiten ermöglicht und so beliebig geformte Körper ohne aufwendige Arbeit hergestellt werden können.The main patent P 37 26 106, to which this application is an addition, relates to a process for the production of molded articles from glass carbon lenstoff or carbon fiber reinforced carbon (CFC). It was there Task to create a process that the production of form body with low process times and thus arbitrarily shaped Bodies can be made without expensive work.

Die Aufgabe des Hauptpatentes wurde dadurch gelöst, daß ein Rohteil aus einem Duromer und gegebenenfalls Kohlefasern geformt wird, dieses mit einer formangepaßten und druckfesten Umhüllung versehen wird, welche für entstehendes Wasserstoffgas durchlässig ist, wobei bei hohem Druck und hoher Temperatur eine Wasserstoffdiffusion erfolgt.The task of the main patent was achieved in that a raw part a duromer and possibly carbon fibers is formed, this with a form-fitting and pressure-resistant envelope is provided, which is permeable to hydrogen gas produced, at high pressure and high temperature, hydrogen diffusion takes place.

Es wurde nun herausgefunden, daß dieses Verfahren ebenfalls zur Her stellung von Formkörpern aus faserverstärkter Keramik geeignet ist. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaf fen, welches die Herstellung von Formkörpern aus faserverstärkter Keramik bei niedrigen Prozeßzeiten ermöglicht und so beliebig geformte Körper ohne aufwendige Arbeit hergestellt werden können.It has now been found that this method can also be used to produce position of moldings made of fiber-reinforced ceramic is suitable. It is therefore an object of the present invention to provide a method fen, which is the production of molded articles from fiber-reinforced Ceramics with short process times possible and so arbitrarily shaped Bodies can be made without expensive work.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Rohteil aus einer formangepaßten druckfesten Umhüllung versehen wird, welche durch einen Precursor und keramische Fasern geformt wird und dieses mit einer formangepaßten und druckfesten Umhüllung versehen wird, welche für entstehendes Gas durchlässig ist, wobei die Umhüllung aus einem Werk stoff besteht, der bei hohen Temperaturen einen großen Diffusionskoef fizienten für die entstehend flüchtigen Bestandteile aufweist und ein Druck zwischen 10 und 5000 bar und eine Temperatur zwischen 600°C und 1000°C für eine Dauer von 10 bis 400 Stunden aufgebracht wird.According to the invention the object is achieved in that a blank a form-fitting pressure-resistant envelope is provided, which by a precursor and ceramic fibers are formed and this with a Form-fitting and pressure-resistant envelope is provided, which for resulting gas is permeable, the envelope from a factory There is a material that has a large diffusion coefficient at high temperatures efficient for the resulting volatile components and a Pressure between 10 and 5000 bar and a temperature between 600 ° C and 1000 ° C is applied for a period of 10 to 400 hours.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß durch die hohe Temperatur sich der Precursor zu keramischer Matrix und zu Gasen wie H₂, NH₃, O₂, CO, CO₂ zersetzt. Die Gase diffundieren an die Außenwand des Formteils. Je nach Ausführung der Umhüllung diffundieren die Gase weiterhin durch die Umhüllung hindurch oder treten durch geeignete Öffnungen der Umhüllung nach außen in die Umgebungsatmosphäre. Vor teilhafterweise wird durch Verwendung von Werkstoff mit großem Diffu sionskoeffizienten die Prozeßzeit verkürzt.The process according to the invention ensures that the high temperature causes the precursor to decompose into a ceramic matrix and into gases such as H ₂ , NH ₃ , O ₂ , CO, CO ₂ . The gases diffuse onto the outer wall of the molded part. Depending on the design of the casing, the gases continue to diffuse through the casing or enter the surrounding atmosphere through suitable openings in the casing. Before geous enough, the process time is shortened by using material with a large diffusion coefficient.

Im Formkörper bleibt lediglich die Keramik als Matrix und andere Pre cursor vorhandene Elemente zurück. Der den Formkörper beaufschlagende Außendruck bewirkt gleichzeitig eine Verdichtung des Teils, so daß ein faserverstärkter Formkörper in kurzer Zeit hergestellt werden kann. Es ist durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Zykluszeit von etwa 10 bis 400 h erreichbar, so daß die Herstellungsdauer, die hohen Maschi nenzeit- und Heizkosten drastisch gesenkt werden können. Es kann dabei ein Werkstoff für die Umhüllung gewählt werden, der diese Forderung im gesamten Temperaturbereich, oder der - wie beispielsweise Titan - nur bei hohen Temperaturen erfüllt.Only the ceramic as a matrix and other pre-cursor elements remain in the molded body. The external pressure acting on the molded body simultaneously causes the part to be compressed, so that a fiber-reinforced molded body can be produced in a short time. It can be achieved by the inventive method, a cycle time of about 10 to 400 h, so that the manufacturing time, the high Maschi nenzeit- and heating costs can be drastically reduced. A material can be selected for the covering that fulfills this requirement in the entire temperature range, or that - such as titanium - only at high temperatures.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Umhüllung des Formkör pers vorher allseitig verschlossen. Durch das sich bei Erwärmung im Inneren der Umhüllung bildende Gas entsteht dort ein Überdruck, der jedoch wegen des von außen aufgebrachten Druckes der Umgebungsatmos phäre keine Zerstörung der Umhüllung bewirkt. In a preferred embodiment, the envelope of the molded body pers previously closed on all sides. Because of the warming up in the Inside the envelope forming gas there is an overpressure that however, due to the pressure exerted by the outside atmosphere cause no destruction of the envelope.

In einer alternativen Ausführung ist die Umhüllung an geeigneten Stel len mit Öffnungen zum Durchtritt von Gas versehen. Dies ermöglicht eine verbesserte Gasabfuhr und verringert die Prozeßzeiten.In an alternative embodiment, the covering is in a suitable position len with openings for the passage of gas. this makes possible improved gas removal and reduced process times.

Damit eine Diffusion der Gase aus dem Inneren des Formkörpers in die heiße Umgebungsatmosphäre stattfinden kann, muß ein Partialdruckgefäl le beidseitig der Umhüllung vorhanden sein. Damit dieses anfänglich automatisch vorhandene Partialdruckgefälle auch bei zunehmendem Gas austritt in die Umgebungsatmosphäre aufrechterhalten bleibt, ist es insbesondere bei geringeren Umgebungsatmosphärenvolumen erforderlich, Maßnahmen vorzusehen, die das aufgenommene Gas wieder entfernen. Vor zugsweise geschieht das über eine Vorrichtung, die in der Lage ist, die Gase chemisch abzubinden (Getter). Die Umgebungsatmosphäre wird zu diesem Zweck über den aktiven Werkstoff des Getters, der bevorzugt aus Ti, Zr, Cu oder Mischungen bzw. Verbindungen hiervon bestehen soll, geleitet.So that a diffusion of the gases from inside the molded body into the hot ambient atmosphere can take place, a partial pressure drop le be present on both sides of the envelope. So that this initially Partial pressure drop automatically present even with increasing gas leakage into the surrounding atmosphere is maintained, it is necessary especially in the case of lower ambient atmosphere volumes, Take measures to remove the absorbed gas. Before preferably this is done using a device that is capable of to chemically bind the gases (getters). The surrounding atmosphere becomes too this purpose via the active material of the getter, which preferably consists of Ti, Zr, Cu or mixtures or compounds thereof should exist, headed.

Claims

1. A process for the production of moldings made of fiber-reinforced ceramic, characterized in that a blank made of carbon and / or ceramic fibers and a material which converts under the action of high temperature into a ceramic and into gaseous fractions (precursor) is formed , and this is provided with a shape-matched and pressure-resistant envelope, which is permeable to the resulting gases, the envelope being made of a material that has a high diffusion coefficient for emerging gases at high temperatures, and a pressure between 10 and 500 bar and a temperature between 600 and 1000 ° C is applied for a period of 10-400 h.

2. The method according to claim 1, characterized in that as a work material for the coating titanium is used.

3. The method according to claim 1, characterized in that the envelope is sealed on all sides before heating.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the Wrapping after heat treatment on chemical and / or mecha niche way is removed.

5. The method according to claim 1, characterized in that the envelope openings at suitable points for the passage of has the gases.

6. The method according to claim 5, characterized in that the envelope tion consists of two stamps from a high temperature press and the Opening is the gap between the punches.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in net that the covering deformable to compensate for shrinkage is.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized Signs that measures are provided that maintain tion of the partial pressure gradient of the resulting gases on both sides of the Ensure wrapping.

9. The method according to claim 8, characterized in that the par tial pressure gradient chemical bonding of the resulting gases is obtained.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fibers consist of C, SiC, Si ₃ N ₄ , Al ₂ O ₃ , Mg-Al spinel or mixtures thereof.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a substance is used as a precursor, which converts to SiC, Al ₂ O ₃ , MgO, ZrO ₂ , B ₄ C, BN, AlN and volatile constituents.

12. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in net that silicon imide is used as a precursor.

13. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in net that polycarbosilane is used as a precursor.

14. The method according to claim 1, characterized in that as a pressure solid sheathing a porous sheathing for the resulting gases is used.