EP0477511B1 - Heizkammer und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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EP0477511B1
EP0477511B1 EP19910113416 EP91113416A EP0477511B1 EP 0477511 B1 EP0477511 B1 EP 0477511B1 EP 19910113416 EP19910113416 EP 19910113416 EP 91113416 A EP91113416 A EP 91113416A EP 0477511 B1 EP0477511 B1 EP 0477511B1
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EP
European Patent Office
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heating chamber
layer
heating
precipitated
graphite
Prior art date
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EP19910113416
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English (en)
French (fr)
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EP0477511A1 (de
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Klaus Müller
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Daimler Benz Aerospace AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02—Surface coverings of combustion-gas-swept parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any of groups F27B1/00 - F27B15/00
    • F27B17/02—Furnaces of a kind not covered by any of groups F27B1/00 - F27B15/00 specially designed for laboratory use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
    • F05C2203/0804—Non-oxide ceramics
    • F05C2203/0808—Carbon, e.g. graphite
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/16—Fibres

Definitions

  • the invention relates to a heating chamber for heating systems for the controlled melting of metallic workpieces and samples, consisting of a cylindrical container, the wall of which consists of heating coils made of an electrically conductive material and of an insulation surrounding the heating coils, and also relates to a method for producing such a heating chamber.
  • HFT turbine blades Heating Facility
  • the turbine blades are individually introduced into a heating chamber of the type mentioned at the outset and melted in a controlled manner in the latter and then cooled.
  • the heating chambers used usually consist of a spirally wound tantalum wire, on which beads made of aluminum oxide ceramics are drawn for insulation. By melting these beads on the tantalum wire, caused by the evaporation of the sample materials that are in the heating chamber, such a heating chamber can easily lead to electrical short circuits and thus to the failure of the entire system.
  • the object of the invention is therefore to design a heating chamber of the type mentioned at the outset in such a way that a reliable operating sequence is ensured and, moreover, that the specified temperature or temperature distribution is maintained as precisely as possible. It is also an object of the invention to provide a method for producing such a heating chamber.
  • the problem is solved by a heating chamber with the characterizing features of claim 1.
  • the heating chamber according to the invention also has the advantage that it can deliver a uniformly high heating output over a longer period of time.
  • EP-A-0 193 192 has already disclosed a production process for vapor deposition crucibles made of pyrolytic boron nitride, in which this boron nitride is deposited from the gas phase onto a graphite mold, the mold is removed again after the vapor deposition process has ended and the crucible obtained in this way made of pure boron nitride does not have a heating device integrated into the crucible wall, as is the case with the heating chamber according to the invention. Rather, in order to vaporize materials for epitaxial processes, this known crucible must additionally be provided with an external heating spiral, for example made of tantalum wire, in which the problem already described can occur.
  • FIGS. 1a to c the manufacture of the inner wall layer 1 of the heating chamber, which consists of pyrolytic boron nitride, is shown.
  • a negative form consisting of a graphite mandrel 2
  • Boron nitride 3 is deposited on this in a vacuum evaporation system from the gas phase and then, also by vapor deposition, a graphite layer 4 is deposited, the upper edge surface and the end surface being covered by a corresponding one cover protected, not vaporized with graphite.
  • the resulting blank 5 is removed from the mandrel 2 after solidification and cooling.
  • FIGS. 2a to c The further stages of the manufacturing process are shown in FIGS. 2a to c.
  • the already cylindrical blank 5 has an initially continuous coating 4 made of graphite on the inner boron nitride carrier layer 1. Spiral heating tracks 6 are milled into these mechanically, as shown in FIG. 2b.
  • a second layer 7 of boron nitride two contact shells 9, 10 made of carbon fiber-reinforced carbon (CFRP) are placed on the radially divided lower edge strips 8, 8 'of the graphite layer which have been left open during sealing by a corresponding cover a lead wire 11, 12 made of tantalum was previously soldered for the power supply. The latter takes place at a temperature of approximately 2500 ° C.
  • the two contact shells 9 and 10 are glued to the divided conductor tracks 8 and 8 ′ using a graphite adhesive.
  • Fig. 3 shows the installation of the finished heating chamber 13 in a high temperature heating system.
  • the heating chamber 13 is inserted into a support tube 14 made of tantalum sheet metal and is fixed in the radial direction in this by an insulating ring 15 which bears against the contact shells 9 and 10 from the outside.
  • the support tube 14 is surrounded by several layers 16 of a tantalum foil.
  • the connecting wires 11 and 12 are provided with an insulation 17, 18 made of aluminum oxide beads, to an electrical supply unit, not shown in the figure.
  • the heating chamber 13 is through a flange 19th closed, which also serves as a holder for a workpiece to be treated.
  • the heating chamber described above can also be extended period of time at temperatures up to 2000 o C operated, without causing mechanical failure or thermal output to phenomena which would adversely affect the production process of a workpiece.
  • the heating device variable By vapor deposition of the graphite layer and the subsequent shaping of the heating coils, it is possible to make the heating device variable, the resistance can be changed by varying the layer thickness and the temperature distribution in the heating chamber can be influenced in a targeted manner by the shape of the milled tracks. In this way, a heating chamber with a particularly high power density can be produced, which is suitable, inter alia, for use in a system for processing and directional solidification of turbine blades.
  • the advantage here is the pyrolytic coating of the heating tracks, the heater is encapsulated and resistant to any evaporation of the sample materials.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Heizkammer für Heizanlagen zum kontrollierten Aufschmelzen metallischer Werkstücke und Proben, bestehend aus einem zylindrischen Behälter, dessen Wand aus Heizwicklungen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff sowie aus einer die Heizwicklungen umgebenden Isolierung besteht, ferner betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Heizkammer.
  • Für das kontrollierte Aufschmelzen von Werkstücken und Proben insbesondere auch aus höherschmelzenden Metallen bzw. intermetallischen Phasen werden spezielle Hochtemperatur-Heizanlagen eingesetzt, bei denen hohe Anforderungen, auch über einen längeren Zeitraum, an die Genauigkeit gestellt werden, mit der ein vorgegebener Temperaturverlauf einzuhalten ist. Die Heizkammern werden dabei entweder im isothermen Modus oder aber in einem gradienten Modus betrieben in der Isothermal Heating Facility (IHF).
  • Ein wichtiger Anwendungsfall ist die Herstellung von Turbinenschaufeln in der Heating Facility Turbineblades (HFT) für die Hochtemperatur-Stufen moderner Flugzeugtriebwerke, die durch gerichtetes Aufschmelzen einer Ausgangslegierung bei Temperaturen um 1700o C erfolgt. Die Turbinenschaufeln werden hierzu einzeln in eine Heizkammer der eingangs genannten Art eingebracht und in dieser kontrolliert aufgeschmolzen und anschließend abgekühlt. Die dabei verwendeten Heizkammern bestehen in der Regel aus einem spiralförmig gewickelten Tantaldraht, auf den zur Isolierung Perlen aus Aluminiumoxydkeramik aufgezogen sind. Durch Anschmelzen dieser Perlen an den Tantaldraht, verursacht durch das Abdampfen der Probenmaterialien, die sich in der Heizkammer befinden, kann es bei einer solchen Heizkammer leicht zu elektrischen Kurzschlüssen und damit zum Ausfall der gesamten Anlage kommen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Heizkammer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein zuverlässiger Betriebsablauf gewährleistet ist und daß darüber hinaus eine möglichst exakte Einhaltung der vorgegebenen Temperatur bzw. Temperaturverteilung gegeben ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Heizkammer anzugeben.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Heizkammer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Die erfindungsgemäße Heizkammer weist dabei zugleich noch den Vorteil auf, daß in ihr die Abgabe einer gleichmäßig hohen Heizleistung auch über einen längeren Zeitraum möglich ist.
  • Weiterhin wird ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruches 5 vorgeschlagen, das eine einfache und kostengünstige Möglichkeit gewährleistet, eine derartige Heizkammer in relativ wenigen Arbeitsgängen herzustellen.
  • Zwar ist bereits aus der EP-A-0 193 192 ein Herstellungsverfahren für Aufdampftiegel aus pyrolytischem Bornitrid bekanntgeworden, bei dem dieses Bornitrid aus der Gasphase auf eine Graphitform abgeschieden wird, dabei wird jedoch die Form nach Beendigung des Aufdampfprozesses wieder entfernt und der so erhaltene Tiegel aus reinem Bornitrid weist keine in die Tiegelwandung integrierte Aufheizeinrichtung auf, wie dies bei der Heizkammer nach der Erfindung der Fall ist. Vielmehr muß dieser bekannte Tiegel, um daraus Materialien für epitaktische Prozesse zu verdampfen, zusätzlich mit einer externen Heizspirale, beispielsweise aus Tantaldraht, versehen werden, bei der die bereits beschriebene Problematik auftreten kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Heizkammer nach der Erfindung sowie des Verfahrens zu ihrer Herstellung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Fig. 1
    Erstellung eines Heizer-Rohlings,
    Fig. 2
    Herstellungsprozeß einer Heizkammer und
    Fig. 3
    einen Längsschnitt durch eine Heizkammer.
  • In den Figuren 1a bis c ist zunächst die Herstellung der aus pyrolytischem Bornitrid bestehenden inneren Wandlage 1 der Heizkammer dargestellt. Als Ausgangspunkt dient eine Negativform, bestehend aus einer Graphit-Mandrille 2. Auf diese wird in einer Vakuum-Aufdampfanlage aus der Gasphase 3 Bornitrid und anschließend, ebenfalls durch Aufdampfen, eine Graphitschicht 4 abgeschieden, wobei die obere Randfläche sowie die Stirnfläche, durch eine entsprechende Abdeckung geschützt, nicht mit Graphit bedampft werden. Der so entstandene Rohling 5 wird nach dem Erstarren und Abkühlen von der Mandrille 2 abgezogen.
  • Die weiteren Stadien des Herstellungsprozesses ist in den Figuren 2a bis c dargestellt. Der bereits zylinderförmige Rohling 5 weist auf der inneren Bornitrit-Trägerlage 1 umfangsseitig eine zunächst durchgehende Beschichtung 4 aus Graphit auf. In diese werden auf mechanischem Wege spiralförmige Heizbahnen 6, wie in Fig. 2b dargestellt, eingefräst. Nachdem dieser Körper durch Aufdampfen einer zweiten Lage 7 aus Bornitrit versiegelt wurde, werden auf den bei der Versiegelung durch eine entsprechende Abdeckung freigebliebenen, radial geteilten unteren Randstreifen 8, 8' der Graphitschicht zwei Kontaktschalen 9, 10 aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff (CFK) aufgesetzt, in die zuvor jeweils ein Anschlußdraht 11, 12 aus Tantal für die Stromzuführung eingelötet wurde. Letzteres erfolgt bei einer Temperatur von etwa 2500o C. Die beiden Kontaktschalen 9 und 10 werden mittels eines Graphitklebers auf die geteilten Leiterbahnen 8 bzw. 8' aufgeklebt.
  • Fig. 3 zeigt den Einbau der fertigen Heizkammer 13 in eine Hochtemperatur-Heizanlage. Die Heizkammer 13 ist dabei in ein Stützrohr 14 aus Tantalblech eingesetzt und in diesem durch einen Isolierring 15, der von außen an den Kontaktschalen 9 und 10 anliegt, in radialer Richtung fixiert. Das Stützrohr 14 ist von mehreren Lagen 16 einer Tantalfolie umgeben. Die Anschlußdrähte 11 und 12 sind, mit einer Isolierung 17, 18 aus Aluminiumoxyd-Perlen versehen, zu einer in der Figur nicht dargestellten elektrischen Versorgungseinheit geführt. Die Heizkammer 13 wird durch einen Flansch 19 verschlossen, der zugleich als Halter für ein zu behandelndes Werkstück dient.
  • Durch die Verwendung pyrolytischen Bornitrits kann die vorstehend beschriebene Heizkammer auch über längere Zeit bei Temperaturen bis zum 2000o C betrieben werden, ohne daß es zu mechanischem Versagen bzw. zu thermischen Ausgangserscheinungen kommt, die den Herstellungsprozeß eines Werkstücks nachteilig beeinflussen würden. Durch das Aufdampfen der Graphitschicht und die nachfolgende Formgebung der Heizwicklungen ist es dabei möglich, die Heizvorrichtung variabel zu gestalten, wobei durch Variation der Schichtdicke der Widerstand verändert werden kann und durch die Form der gefrästen Bahnen zugleich die Temperaturverteilung in der Heizkammer gezielt beeinflußt werden kann. Auf diese Weise läßt sich eine Heizkammer mit einer besonders hohen Leistungsdichte herstellen, die sich unter anderen für den Einsatz in einer Anlage zur Prozessierung und gerichteten Erstarrung von Turbinenschaufeln eignet.
  • Hierbei besteht der Vorteil in der pyrolytischen Beschichtung der Heizbahnen, der Heizer ist gekapselt und gegen etwaiges Abdampfen der Probenmaterialien resistent.

Claims (7)

  1. Heizkammer für Heizanlagen zum kontrollierten Aufschmelzen metallischer Werkstücke und Proben, bestehend aus einem zylindrischen Behälter, dessen Wand aus Heizwicklungen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff sowie aus einer die Heizwicklungen umgebenden Isolierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwand aus einer inneren Lage (1) aus einem aus der Gasphase abgeschiedenen keramischen Werkstoff, einer auf diese aufgebrachten, spiralförmig verlaufenden Schicht (4) eines elektrisch leitenden Materials sowie einer äußeren Lage (7) des keramischen Werkstoffs besteht.
  2. Heizkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und äußere Lage (1, 7) aus pyrolytisch abgeschiedenen Bornitrit bestehen.
  3. Heizkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (4) aus Graphit besteht.
  4. Heizkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Kontaktierung über Kontaktbuchsen (9, 10) aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff erfolgt.
  5. Verfahren zur Herstellung der Heizkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Negativform (2) zunächst aus der Gasphase eine innere Lage (1) aus Bornitrit abgeschieden wird, auf die anschließend eine Graphitschicht (4) aufgedampft wird, daß in letztere spiralförmig verlaufende Leiterbahnen (6) eingefräst werden und daß anschließend eine Versiegelung mit erneut pyrolytisch abgeschiedenen Bornitrit erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf von der Versiegelung ausgesparte Endbereiche (8, 8') der Leiterbahnen (6) Kontaktschalen (9, 10) aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff aufgeklebt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung in einer Vakuum-Aufdampfanlage erfolgt.
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