DE4435866A1

DE4435866A1 - Verfahren zur Herstellung von SiC/MoSi¶2¶-Formkörpern

Info

Publication number: DE4435866A1
Application number: DE19944435866
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof Dr Schulten; Aachen Dipl Ing Kusnanto; Harald Dipl Ing Lorson; Behzad Dipl Ing Sahabi
Original assignee: Lorson Harald Dr Ing
Current assignee: LINDEN, GERRIT, 59427 UNNA, DE
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1994-10-07
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-10-08
Also published as: DE4435866C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes auf MoSi₂-Basis, der gegebenenfalls mit SiC modifiziert werden kann.

Bei modernen heißbetriebenen Bauteilen von thermischen Maschinen und Apparaten besteht zunehmendes Interesse, die momentan üblichen im Einsatz befindlichen Werkstoffe, z. B. auf Nickelbasis etc., durch andere Werkstoffe zu ersetzen, die temperaturbeständiger, kostengünstiger bzw. einfacher zu bearbeiten sind.

Unter diesen Werkstoffen hat MoSi₂ wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit große Bedeutung (z. B.: Verwendung als Heizleiter, als Legierungselement in Turbinenschaufeln etc.). Um die mechanischen Eigenschaften von MoSi₂ zu verbessern, werden diese Werkstoffe mit SiC modifiziert. Je nach Anwendung und Einsatzgebiet kann der Zusatz von SiC zwischen 0-15 Gew.-% bzw. 80-90 Gew.-% variiert werden.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines reaktionsgebundenen bzw. infiltrierten Werkstoffes anzugeben, der die Herstellung von Bauelementen mit ausreichender thermischen und mechanischen Eigenschaften ermöglicht.

Zur Realisierung dieser Aufgabe wird ein Pulvergemisch aus MoSi₂-Pulver der Korngröße kleiner 20 µm und elementares Mo der Korngröße kleiner 5 µm gemischt. Die Homogenisierung erfolgt zum Zweck intensiver Mischung in einer Achatmühle. Andere Möglichkeiten der Homogenisierung, z. B. Planetenmühle etc., sind denkbar.

Die Formgebung erfolgt durch uniaxiales oder kaltisostatisches Pressen bis zu einem Druck von ca. 600 MPa. Um eine bessere Handhabung der Grünlinge zu erzielen, kann in die Ausgangsmischung ein temporäres Bindemittel, Polysaccharid, Polyvinylalkohol etc., zugegeben werden. Zur Herstellung komplizierter Bauteile kann die Formgebung durch ein Extruderverfahren, das ähnlich den Verfahren ist, die z. B. in der Kunststofftechnik angewandt werden, erfolgen. Bei dieser Art der Formgebung muß der Pulvermischung ein geeignetes Gleitmittel, z. B. Paraffin etc. zugegeben werden.

Der Formgebung schließt sich eine Temperaturbehandlung an, bei der dem Formkörper Silizium zugeführt wird. Das Silizium reagiert mit dem im Körper vorhandenen Mo zu MoSi₂. Das Silizium kann in dampfförmiger bzw. flüssiger Form zugegeben werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Formkörperherstellung besteht darin, der Ausgangsmischung das Silizium im stöchiometrischen bzw. überstöchiometrischen Verhältnis zu Mo beizumischen. Die Formgebung erfolgt wie oben beschrieben. Bei der Temperaturbehandlung setzt sich das im Formkörper befindliche Silizium mit Mo zu MoSi₂ um.

In einer anderen Verfahrensvariante wird die Silizierung der Grünlinge bei Drücken bis zu 2000 bar mit Hilfe der bekannten Technologie des heißisostatischen Pressens durchgeführt. Dabei wird bei der Schmelztemperatur von Silizium (ca. 1420°C) der erforderliche Druck ausgeübt. Das Silizium kann sowohl außerhalb (Fremdsilizierung) als auch im Formkörper (Eigensilizierung) dem Reaktionspartner zur Verfügung gestellt werden.

Diese Technologie ist auch für die Herstellung von TiSi₂ bzw. TiSi₂-SiC-Formkörper anwendbar. Der Herstellungsprozeß ist für beide Varianten der gleiche.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes auf MoSi₂-Basis, bei dem MoSi₂, Mo und je nach Anwendung SiC homogenisiert, unter Einwirkung von Druck, der uniaxial oder kaltisostatisch aufgebracht wird, in Form gebracht, daß danach der Formkörper von außen mit flüssigem oder pastösem Silizium beaufschlagt wird, bzw. durch Beimischung von Si in stöchiometrischem bzw. überstöchiometrischen Verhältnis in die Ausgangsmischung (Eigensilizierung) zugegeben wird und sich danach eine Temperaturbehandlung oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium vorzugsweise bei 1500-1700°C anschließt, so daß Mo und Si zu reaktionsgebundenem MoSi₂ reagiert.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Silizierung bei Drücken bis 2000 bar bei Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur des Siliziums nach der Technologie des heißisostatischen Pressens erfolgt. Das Silizium kann sowohl von außen (Fremdsilizierung) als auch innerhalb des Formkörpers (Eigensilizierung) dem Mo als Reaktionspartner zur Verfügung gestellt werden.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, 2, bei dem die Formgebung mit Hilfe eines Extruderverfahrens, ähnlich dem Kunststoffspritzen oder dem Metal Injection Moulding (MIM)-Verfahren, erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, mit einem Pulvergemisch, das aus etwa 70 Gew.-% MoSi₂, 15 Gew.-% Mo und 15 Gew.-% SiC oder 10 Gew.-% MoSi₂, 5 Gew.-% Mo, 85 Gew.-% SiC oder 85 Gew.-% MoSi₂ und 15 Gew.-% Mo besteht. Die Korngröße von MoSi₂ liegt in einer Größenordnung kleiner 20 µm, Mo in einer Größenordnung kleiner 5 µm und SiC in einer Größenordnung kleiner 20 µm vor.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, bei dem die Ausgangsmischung mit einem Anteil von Germanium von ca. 2-4 Gew.-% versehen wird, um die Oxidationseigenschaften bei niedrigen Temperaturen (< 1000°C) zu verbessern.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, bei dem anstelle von MoSi₂ und Mo Titan und Titansilizid verwendet werden, um Formkörper bestehend aus reaktionsgebundenem TiSi₂ herzustellen.

7. Ein Verfahren, bei dem die Formkörper hergestellt nach Anspruch 1-6, bei einer Temperatur über 800°C unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre verglast und dadurch die Oxidationseigen schaften verbessert werden.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 1-7, bei dem eine an siliziumärmere Molybdänsilizidmodifikation (z. B.: Mo₃Si, Mo₅Si₃ etc.) der Ausgangsmischung, die entweder MoSi₂ oder kein MoSi₂ enthält, zugegeben wird und der daraus hergestellte Körper pyrolysiert und anschließend von außen mit flüssigem und/oder gasförmigen, elementarem Silizium infiltriert wird, derart, daß die oben erwähnten siliziumärmeren Molybdänsilizide vollständig zu dem erwünschten Molybdändisilizid (MoSi₂) umgewandelt werden.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 1-7, bei dem der Ausgangsmischung, die entweder MoSi₂ oder kein MoSi₂ enthält, elementares Molybdän (Mo) zugegeben wird und der daraus hergestellte Formkörper pyrolysiert wird und während der Temperaturbehandlung zur Silizierung das Molybdän teilweise mit dem im Formkörper befindlichen Kohlenstoff zu Molybdäncarbid (Mo₂C) reagiert, das dann bei der Anwesenheit von flüssigem und/oder gasförmigen Silizium durch die Infiltration in SiC und MoSi₂ umgewandelt wird.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 1-7, bei dem der Ausgangsmischung Molybdänverbindungen zugegeben werden, die dadurch gekennzeichnet sind, daß diese sich entweder thermisch zersetzen und/oder durch die Anwesenheit von flüssigem und/oder gasförmigen Silizium zersetzt werden und das frei werdende Molybdän mit dem flüssigen und/oder gasförmigen Silizium zu MoSi₂ reagiert.