DE2651311A1

DE2651311A1 - Verbundkoerper aus keramik und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2651311A1
Application number: DE19762651311
Authority: DE
Inventors: Takashi Ishii; Michiyasu Komatsu; Tadashi Miyano; Kiyoshi Nakamura; Masae Nakanishi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1975-11-10
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1977-05-18
Also published as: DE2651311C2; GB1497990A

Description

BLUMBACH · WESER . BERGEN - KRAMEiR

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsuit 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsuit 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237

76/8750

TOKYO SHIBlURA ELECTRIC CO., LTD.

72 Horikawa-cho, Saiwai-ku, Kavfasaki-shi, Japan

Verbundkörper aus Keramik und Verfahren zu seiner Herstellung

Diese Erfindung "betrifft hochdichte Verbundkörper aus Keramik, die aus zwei oder mehr vorgeformten Bestandteilen mit vorgegebener Form in einem Stück ausgebildet sind; insbesondere betrifft die Erfindung hochdichte Verbundkörper aus Keramik mit besonders komplizierter Form; weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundkörper.

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach - Dr. Bergen - Zwirner

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Für die Herstellung von Keramikkörpern ist ein Verfahren₉ "bei dem die Körper geformt und gesintert werden, unerläßlich. Die Herstellung hochdichter Keramikkörper erfordert jedoch eine lange Sinterdauer5 je größer dabei das keramische Produkt ist, umso langer ist die erforderliche Zeitspanne zum Formen und Sintern. Dieses Verfahren leidet gewöhnlieh unter den Nachteilen, daß das erhaltene Produkt springt oder "bricht_s und dass ausgedehnte Herst ellungs anlagen erforderlich sind«, Aus diesen Gründen wird ein Verfahren zur Formgebung und Sinterung eines einzelnen großen Keramikkörpers von der einschlägigen Industrie verschiedentlich nicht günstig aufgenommen. Mit der Japanischen Patentpublikation 42812/1972 wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung hochdichter Keramikkörper beschrieben, wobei ein Formkörper mit niedriger Dichte in einem pulverförmigen Druckübertragungsmedium warmgepreßt wird. Das dort beechriebene Veifahren weist nicht nur den Nachteil auf_s daß das'gesamte Produkt wertlos wird, 'wenn nach der Formgebung oder Sinterung in irgendeinem Teil des Produkts ein Riß oder Bruch auftritt, sondern dieses bekannte Verfahren ist auch zur Herstellung großer Keramikkörper im Tonnenmaßstab nicht gut geeignet.

Um die oben genannten Schwierigkeiten, zu beseitigen, ist ein anderes Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem zwei oder mehr Bestandteile vorgeformt werden und diese abschliessend zu einem Stück vereinigt v/erden, um das gewünschte Pro-

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dukt zu erhalten? nach, diesem Verfahren sollen Keramikkörper mit relativ großen Abmessungen oder komplizierter Form in einem für die industrielle Fertigung vorteilhaften Verfahren erhalten werden.

Beispielsweise wird mit der Japanischen Patentpublikation 75910/1974 auf die Schwierigkeiten beim V/armpressen von Keramikkörpern hingewiesen, wenn diese sowohl komplizierte Form wie große mechanische Festigkeit aufweisen sollen; beispielsweise werden zur Herstellung eines zusammengesetzten Turbinenrotors aus keramischem Material die Schaufelabschnitte gegossen, wie üblich gesintert und gebunden, getrennt davon der Nabenabschnitt warmgepreßt und anschließend die Schaufelabschnitte mit der Nabe mittels hochschmelzendem Zement zu einem einstückigen Körper verbunden.

Üblicherweise wird ein Turbinenrotor bei TJmdrehungsgesehwin-"digkeiten bis mehr als 60 000 Upm gedreht und neben den thermischen Beanspruchungen sov/ohl Zugkräften in Richtung des Umfanges wie in radialer Richtung ausgesetzt. Während des Betriebs des Turbinenrotors v/erden die Schaufelspitzen bis auf Temperaturen von.1100 bis 1200⁰C erhitzt. Deshalb muß der Turbinenrotor ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um solch hohen Temperaturen zu widerstehen.

Viie dargelegt, wird gem. dem Verfahren nach der Japanischen Patentpublikation 75910/1974 ein Turbinenrotor erhalten, bei

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dem die Verbindungen über hochschmelzenden Zement erfolgen₅ woraus Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Dichte der Schaufelabschhitte und der Nabe oder der gesamten Struktur erfolgen ρ welche erwartungsgemäß die hohe mechanische Festigkeit nachteilig beeinflussen»

Mit dieser Erfindung sollen diese genannten Nachteile beseitigt und hochdichte Keramikkörper bereitgestellt werden, welche auch bei hohen Temperaturen große mechanische Festigkeit aufweisen.,"

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin_s ein Verfahren zur Herstellung von Yerbundkörpern aus Keramik anzugeben/ welche durchgehend im wesentlichen einheitliche Dichte und Struktur aufweisen und auch bei hoher Temperatur große mechanische Festigkeit besitzen»

Die erfindungsgemäße lösung obiger Aufgabe ist gekennzeichnet durch einen hochdichten Verbundkörper aus Keramik , der völlig in einem Stück ausgebildet .ist«, eine hohe einheitliche Dichte von mehr als 98>£ der theoretischen Dichte aufweist_s dessen Biegefestigkeit bei 1200⁰C mehr als 50 kg/cm beträgt, und bei dem zur Verbindung der Bestandteile kein Klebemittel angewandt wird.

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Die Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung hochdichter Verbundkörper aus Keramik gerichtet^ gem. dem, aus dem rohen keramischen Pulver eine Vielzahl der Bestandteile mit vorgegebener Form geformt werden." diese Formkörper .vorgesintert werden^ bis ihre Dichte mehr als 65% der theoretischen Dichte beträgt; die vorgesinterten Formkörper zu einein Block der vorgegebenen Form zusammengesetzt v/erden; und dieser zusammengesetzte Block v/armgepreßt v/ird₉ bis seine lachte mehr als 98% der theoretischen Dichte beträgt„

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen auch 2 Blatt Abbildungen mit den Figo 1 bis 9s im einzelnen zeigen:

Fig_o 1 bis 4 Schrägdarstellimgen von Proben von Verbundkörper!!_s an denen Belastungsversuche durchgeführt v/erden ξ

Fig. 5 und 6 Seitenansichten der Proben nach den Fig. 1 bis 4p wobei die Maßnahmen zur Durchführung der Bruchversuche dargestellt sind|

Figs 7 eine Schrägdarstellung eines erfindungsgemäßen Turbinenrotors|

Fig. 8 eine Schrägdarstellung einer geformten Schaufel an dem Turbinenrotor nach Fig. 7; und

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Fig. 9 eine Schrägdarstellung des Nabena/b schnitt es des Turbinenrotors nach Pig» 7»

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Verbundkörper aus Keramik v/eist die nachfolgenden Eigenschaften auf:

(1) Der Körper besteht aus einer einstückigen Anordnung der Bestandteiles welche besonders komplizierte Form aufweist j

(2) der zusammengesetzte Block weist einheitliche Dichte auf, die mehr als 98% der theoretischen Dichte ausmacht;

(3) das Produkt v/eist bei 1200 C eine grö.ßere Biegefestigkeit als 50 kg/cm auf;

(4) zur Ausbildung der Verbindungen v/ird kein fremdes Material wie z.B. Klebemittel verwandt; und

(5) der Gegenstand ist insbesondere für die Verwendung als Turbinen-rotor geeignet, für den bei hoher Temperatur große mechanische Festigkeit gefordert wird.

Mit dem Ausdruck "komplizierte Form" v/ird ein erfindungsgemäß hergestellter Formkörper bezeichnet, dessen Querschnitte deut-

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lieh variieren und/oder unregelmäßig ausgebildet sind mit Bezug auf einander folgende horizontale Ebenen, die in einer Richtung senkrecht zur Preßrichtung bei der Verdichtung des Körpers unter einaxialem Druck durch den Körper führen; beispielsweise wird damit auch ein Körper mit einer dreidimensional gekrümmten Fläche verstanden. Mit dem Ausdruck "einheitliche Dichte" wird ausgedrückt, daß die Dichte der entsprechenden Bestandteile des Verbundkörpers aus Keramik nicht mehr als + 5% von der vorgesehenen Dichte abweichen. Mit dem Ausdruck "einstückig ausgebildet, bzw. in einem Stück ausgebildet" wird ein verbundener Block aus mehreren Bestandteilen bezeichnet, bei dem die Verbindungsstellen zu den Bestandteilen eine mechanische Festigkeit aufweisen, die gleich groß oder größer ist, als die Festigkeit anderer Abschnitte dieser Bestandteile.

Vorzugsweise besteht das keramische Material für die erfindungsgemäßen Verbundkörper, welche große mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisen sollen, im wesentlichen nicht aus oxidischen keramischen Materialien. Zweckmäßigerweise sollen die Verbundkörper aus -Keramik ausschließlich aus solchen Materialien bestehen, die hauptsächlich aus Nitriden wie etwa Siliciumnitrid und Aluminiumnitrid, oder aus Karbiden wie beispielsweise Siliciumkarbid bestehen. In Abhängigkeit vom Verwendungszweck für den fertigen Verbundkörper aus Keramik können dem rohen keramischen Material v/eitere und an-

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dere Zusätze oder Verunreinigungen zugefügt werden. In allen-Fällen soll das Produkt wenigstens zu 50 Gew.-?o oder vorzugsweise zu mehr als 70 &e\i_o-% aus keramischem Material bestehen. Wenn das rohe keramische Pulver aus Siliciumnitrid "besteht, dann wird es angestrebt, dem Material weniger als 30 Gew.-?o Yttriumoxid und weniger als 5 G-eWo-% Aluminiumoxid zuzusetzen, um die mechanische Festigkeit d§s Endprodukts zu erhöhen_o Andere Zusätze wie etwa Magnesiumoxid (MgO), Berylliomoxid (BeO), Siliciumdioxid (SiOp)₉ Calciumioxid (CaO), sowie die Oxide von Cer (Oe), Praseodym (Pr), Neodym (Nd)₉ Promethium (Pm), Samarium (Sm)₅ Europium (Eu)₅ Gadolinium (Gd)_s Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho)₉ Erbium (Er), Thulium (Tu), Ytterbium (Yb)₅ Lutetium (Lu) und Scandium (Sc)_; ferner Siliciumkarbid (SiC) und Bornitrid (BN) können einzeln oder im Gemisch miteinander zugesetzt werden,,

Wie bereits ausgeführt«, ist es beim erfindungsgemäßen Terfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Keramik zuerst erforderlich, die Bestandteile zu formen» Bestandteile mit einer einfachen Form werden gewöhnlich in einer Metallform hergestellt; es kann jedoch jedes beliebige andere gebräuchliche Formgebungsverfahren angewandt werden_o Bestandteile mit relativ komplizierter Form v/erden gewöhnlich nach einem Spritzgußverfahren, einem Gießverfahren oder mittels spanabhebender Bearbeitung hergestellt. Für die industrielle Fertigung wird unter diesen Verfahren das Spritzgußverfahren am meisten be-

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vorzugt. In. diesem Falle wird das rohe keramische Pulver mit einem geeigneten bekannten organischen Bindemittel wie etwa Polystyrol oder Polypropylen vermischt, und das erhaltene Gemisch wird unter Erwärmung in eine Metallform eingespritzt.

Die erhaltenen formkörper werden einer Vorsinterung ausgesetzte ¥erden die Formkörper zu einer vorgegebenen Form zusammengesetzt , ohne daß die Vorsinterung durchgeführt wurde, so neigen sie dazu_s leicht zu zerbrechen oder sich zu verformen. Diese Eigenschaft ist besonders beachtlich bei einem zusammengesetzten Block mit komplizierter Form. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Vorsinterung bei solchen Temperaturen durchgeführt, die 90 bis 99%₉ oder vorzugsweise 93 bis 99/£ derjenigen Temperatur entsprechen, die beim "viarmpressen in der abschließenden Verfahrensstufe angewandt wird. Die Vorsinterung erfolgt unter einer solchen Atmosphäre, daß die Formkörper vor Oxidation geschützt sind«, Zweekmäßiger-Veise v/erden die konkreten Bedingungen der Vorsinterung wie etwa die Temperatur, die Atmosphäre und die Sinterdauer, in Abhängigkeit vom rohen keramischen Material, und von der Form und Größe der herzustellenden Bestandteile ausgewählt. Sofern als rohes keramis.ches Material ein Hitrid gewählt wird, kann üblicherweise Stickstoff als Schutzgas verwendet v/erden. Sofern das ausgewählte rohe keramische Material aus einem Karbid besteht, wird vorzugsweise eine nicht-oxidierende Atmosphäre wie etwa Stickstoff oder Argon angewandt.

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In jedem Falle wird angestrebt, daß die vorgesinterten Bestandteile eine Dichte aufweisen, die mehr als 65% und vorzugsweise mehr als 70% der theoretischen Dichte ausmacht. Mit .einer solch hohen Dichte können die Bestandteile den Drücken standhalten, die beim Warmpressen angewandt werden; ferner ergibt sich bei einer solch hohen Dichte eine gute Bindung« Wenn die Dichte weniger als 65% der theoretischen Dichte beträgt, dann zeigt der Zusammengesetze Block im Verlauf des Vfermpressens einen gleichmäßigen Schrumpf, wodurch die angestrebte hohe lOrmgenauigkeit nicht erreicht wird. Diese Schwierigkeiten werden besonders bedeutsam, wenn, der Verbundkörper aus Keramik komplizierte Form aufweist.

Zur Sinterung können die Bestandteile einfach in eine Form eingebracht werden. Es ist jedoch zweckmäßig, die Bestandteile in gebranntem Zustand in einer Pulverpackung zu sintern, da dann eine Verformung der Bestandteile im Verlauf der Sinterung verhindert wird und gesinterte Bestandteile mit einheitlicher Dichte erhalten werden. Die Pulverpackung kann aus inerten hitzebeständigen Pulvern bestehen, wie z.B. aus Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, oder aus beliebigen Mischungen dieser Materialien. Sofern als rohes keramisches. Material Siliciumnitrid verwendet wird,führt die Verwendung von Aluminiumnitrid als Pulverpackung dazu, daß die nicht-kristalline Phase der vorgesinterten Bestandteile in eine kristalline Phase umgewandelt wird, womit

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Λ»

gewährleistet wird, daß die erhaltenen Verbundkörper aus Keramik eine noch weiter verbesserte mechanische Festigkeit bei- hoher Temperatur aufweisen.

Nachdem die vorgesinterten Bestandteile zu der vorgegebenen Form zusammengebaut worden sind, werden diese warmgepreßt. Als Folge dieses Warmpressens wird die zusammengebaute Masse schließlich sehr kompakt und nimmt eine Dichte von mehr als 98?£ der theoretischen Dichte an. Das Warmpressen kann in einer Form durchgeführt werden, wobei getrennte Pulver als Druckübertragungsmedium verwendet v/erden. Die Anwendung eines pulverförmigen Druckübertragungsmediums ist erforderlich, wenn ein Verbundkörper aus Keramik mit komplizierter Gestalt -hergestellt wird. Am stärksten bevorzugt wird pulverförmiges Bornitrid als Druckübertragungsmedium eingesetzt; jedoch können für diesen Zweck auch Pulver aus Siliciumkarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₅II.), Titannitrid (TiH), Borkarbid • (B.C)und Mischungen dieser Materialien eingesetzt v/erden. Am besten wird zum .Warmpressen zu Beginn ein Druck von ungefähr 5 kg/cm angewandt; anschließend werden sowohl Druck wie Temperatur schrittweise gesteigert;schließlich wird der Druck dahingehend geregelt, daß er seinen abschließenden Viert dann erreicht, wenn die Temperatur beim Warmpressen 90 bis 10050 ihres abschließenden Wertes erreicht hat. TJm diese Bedingungen im einzelnen zu beschreiben, wird ein Gemisch aus rohem Pulver hergestellt, beispielsweise aus 93 Gew.-?6 Silicium-

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-vt- 2551311

ν»

nitrid, 5 Gew.-% Yttriumoxid und 2 Gew.~% Aluminiumoxid; dieses Gemisch, wird vorgesintert, um erfindungsgemäß die Bestandteile zu erhalten. Nachdem die vorgesinterten Best.andteile zu der vorgesehenen Form zusammengebaut worden sind, werden diese vorgesinterten Bestandteile nach folgendem Verfahren warmgepreßt. Zu Beginn wird ein Druck von ungefähr 5 kg/cm angewandt. Innerhalb von 15 Mn wird die Temperatur auf 800⁰C gesteigert, und der Druck auf 75 kg/cm erhöht. Später wird der Druck stufenweise erhöht, nämlich auf 150 kg/cm² bei 16OO°C, auf 225 kg/cm² bei 165O⁰C, auf 300 kg/cm² bei 1700⁰C, auf 375 kg/cm² bei 175O°C und schliesslich auf 450 kg/cm bei 1780⁰C. Die Temperatur wird in ungefähr 30 min von 800 auf 1780⁰C erhöht; der abschließende Druck von 450 kg/cm bei 178o°C wird für 2 Std. aufrechterhalten. Später wird die Druckeinwirkung unmittelbar beendet, und die Temperatur wird innerhalb von 15 min von der Abschlußtemperatur auf 1300⁰C erniedrigt und fällt daraufhin schrittweise bis beispielsweise auf Raumtemperatur ab. Nachdem die Wärmequelle abgeschaltet worden ist, läßt man die warmgepreßte zusammengebaute Masse in .der heißen Presse abkühlen. Die Regelung von Druck und Tenperatur beim oben erläuterten Warmpressen ist zweckmäßig für die angegebene Sorte von rohem keramischem Material und für die abschließende Form und Größe des zusammengebauten Blockes.

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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Keramik bringt die folgenden Vorteile:

(1) Da die Bestandteile einfach miteinander verbunden v/erden, entfällt die Notwendigkeit, hierzu eine grosse Fabrikationsanlage einzurichten, selbst für den Fall, wo ein zusammengesetzter Block von erheblicher Größe hergestellt werden soll;

(2) sofern ein oder mehrere Bestandteile im Verlauf der Formgebung und Sinter-ung unerwünschterweise springen oder zerbrechen, können dieses schadhafte Teil oder die Teile beseitigt werden; ein handelsüblich verwertbares Verbundprodukt kann einfach dadurch erhalten werden, daß die unbrauchbaren Teile gegen gute Teile ausgewechselt werden, wodurch die Möglichkeit, daß ein fertiges Endprodukt als Ganzes als unbrauchbar angesehen werden muß, stark vermindert wird;

(3) da das Produkt aus einem einfach zusammengesetzten Block besteht, ist für die Vorsinterung der Bestandteile eine relativ kurze Sinterdauer erforderlich; dies trifft ebenfalls für die abschließende Sinterung des zusammengesetzten Blockes zu, woraus wirtschaftliche Vorteile resultieren;

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(4) die vorgesinterten Bestandteile sind vor einer Verformung im Verlauf des V/armpressens geschützt;

(5) da die Pormgenauigkeit der Bestandteile im Verlauf der Zwischenstufen der Herstellung -überprüft v/erden kann, kann leicht ein Verbundkörper mit hoher Eormgenauigkeit hergestellt werden\ und

(6) da an den Verbindungsstellen der Bestandteile kein fremdes Material wie etwa ein Klebemittel aufgebracht wird, v/eist das erhaltene Produkt als Ganzes eine größere mechanische Festigkeit auf.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus Keramik mit Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.

Beispiel 1:

Es wurden drei verschiedene Sorten von rohem pulverförmigen keramischem Material hergestellt, die nachfolgend als Proben A, B und C bezeichnet werden; die Probe A bestand aus einem Pulvergemisch aus 93 Gew.-% Siliciumnitrid, 5 Gew.-% Yttriumoxi'd und 2 Gew.-% Aluminiumoxid; die Probe B bestand aus einem Pulvergemisch aus 96,5 Gew.-^Aluminiumnitrid, 0,5 Gew.-?£ Ytt-

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riumoxid (Y₀O,,) und 3 Gew.-% Siliciumdioxid (SiO₀); die Probe C bestand aus einem Pulvergemisch aus 95 Gew.-% Siliciumkarbid und 5 Gew.-% Aluminiumoxid. Die meisten der genannten Pulver wiesen eine Teilchengröße von weniger als 1 um auf. Jede Probe dieser Pulvermischungen wurde geknetet, v/ozu ein organisches Bindemittel v/ie z.B. Polystyrol benutzt wurde und anschließend mittels Kaltverformung zu quadratischen Platten verarbeitet. Die entsprechenden Formkörper wiesen die nachfolgenden dreidimensionalen Gestalten auf. Für den Fall, daß die mittels Vfarmpressen erzeugte Verbindung parallel zur Preßrichtung (vertikale Verbindung) oder fast parallel dazu ausgerichtet war (schräge oder gekrümmte Verbindung), betrug die Abmessung "a" 15 mm, die Abmessung "b" 50 mm, und die Abmessung "c" 10 mm, wie das mit den Fig. 1,3 und 4 dargestellt ist. Für den Fall, daß die mittels Warmpressen erzielte Verbindung rechtwinklig zu der Preßrichtung ausgerichtet war (horizontale Verbindung) betrug die Abmessung "a" 30 mm, die Abmessung "b" 50 mm und die Abmessung "c" 5 mm, v/ie das mit Fig.2 dargestellt ist. In den Fig. 1 bis 4 entspricht die Preßrichtung der mit Pfeilen angedeuteten Richtung. Die Proben wurden unter den nachfolgend in Tabelle 1 aufgeführten' Bedingungen behandelt; hierbei sind vorgesinterte Proben und einfach geformte Proben mit ihrer jeweils unterschiedlichen Dichte gegenübergestellt.

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T ab eile

Versuchs-Kr. Art der Behandlung

Dichte nach der Behandlung (in % der theor. Dichte)

1 2 3 4 5 6

keine Behandlung

in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 90 min lang auf 1700⁰C erhitzt

in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 240 min lang auf 1700⁰G erhitzt

in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 150 min lang auf 1750 C erhitzt

in einer Packung aus Kohlenstoff-Pulver 120 min lang auf 1750⁰C erhitzt

in einer Packung aus Aluminiumnitrid-Pulver 120 min lang auf 1750⁰C erhitzt

in einer Packung aus Siliciumcarbid-Pulver 120 min lang auf 175O⁰C erhitzt

6596 70%

75%

10% 15%

Verschiedene Gruppen von jeweils 2 Proben wurden 120 min lang bei 1780⁰C unter einem Druck von 350 kg/cm warmgepreßt; bei jeweils gleichen Gi-uppen- bestand die eine Probe aus einem vorgesinterten Formkörper und die andere aus einem einfach geformten Formkörperj bei einer weiteren Gruppe waren beide Proben vorgesintert und bei einer weiteren Gruppe waren beide Proben einfach geformte Formkörper.

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Aus den erhaltenen warmgepreßten miteinander verbundenen Blöcken wurden Yerbundstäbe für einen Bruchversuch herausgeschnitten mit den Abmessungen 3 x 3 x 25 ma; an diesen Proben vjurde deren mechanische Festigkeit bestimmt. Im !Falle der Proben mit der vertikalen, schrägen und gekrümmten Verbindung gem, den Fig. 1, 3 und 4 wirkte die mit einem Pfeil angedeutete Bruchkraft parallel oder fast parallel zu der Yerbindungsebene 1 der Verbundstäbe. Im Falle der mit FIg₀ 2 dargestellten horizontalen Verbindung wirkte die mit einem Pfeil angedeutete Biegekraft rechtwinklig zu der Verbindungsebene 2 der Verbundstäbe.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind verschiedene Kombinationen Ton einfach geformten Proben und vorgesinterten Proben (welche mit der Versuchs-ITr. gem. Tabelle 1 bezeichnet sind)ι die Formen der Verbindung (nämlich vertikal, schräg, gekrümmt oder horizontal); die Dichte der warmgepreßten Ver-

bundstäbe nach dem Warmpressen (bezogen auf die theoretische Dichte); die Veränderungen der Dichte der völlig gesinterten Verbundstäbe; die Biegefestigkeit der geprüften Proben; und die Eor-Mgenauigkeit aufgeführt.,

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	. 1	Probe	Kombi	T a	belle	2	Raum-	Biegefestigkeit	1000⁰C 1	bei	1300⁰C	ΈΌ rm-
	. 2		nation	Verlauf	Dichte d.	Verand.d.	temp.		64			genauig-
• Versuch ·	. 3		aus	der Ver	warmgepr.	Dichte im	90	800⁰O	66	200⁰G	-	keit
Nr.	. 4	A	1-1	bindung	Proben	ges.Block	87	81	63	51	-	verformt
.Kontrollvers	1	A	1-1	Vertikal	99,0%	+ 1,0%	88	84	63	51	-	verformt
Kontrollvers	2	A	1-1	Horizontal	99,0%	+ 1,0%	88	82	92	50	65	verformt
Kontrollvers	3	A	1-1	Schräg	99,0%	+ 1,0%	83	81	96	50	70	verformt
Kontrollvers	4	A	3-3	Gekrümmt	99,0%	+ 1,0%	107	100	93 '	75	66	gut
Beispiel	. 5	A	3-3	Vertikal	99,0%	+ 1,0%	85	101	95	80	67	gut
Beispiel	. 6	A	3-3	Horizontal	100,0%	+ 0,5%	86	100	47	76	-	gut
Beispiel	. 7	A	3-3	Schräg	99,9%	+ 0,6%	74	100	-	79	45	gut *
_o Beispiel	. 8	A	1-3	Gekrümmt	99,9%	+ 0,6%	87	78	47	49	-	verformt I
^(ύ Kontrollvers	5	A	1-3	Vertikal	99,1%	+ 4,0%	76	-	-	56	-	I verformt ,
<"*> Kontrollvers	6	A	1-3	Horizontal	99,1% .	+ 3,5%	82	79	83	46	58	verformt
*v, Kontrollvers	7	A	1-3	Schräg	99,1%	+ 3,5%	85	80	97	50	77	verformt
_o Kontrollvers	8	A	2-2	Gekrümmt	99,0%	+ 3,5%	100	88	79	70	58	gut
tfBeispiel	9	A	4-4	Vertikal	99,5%	+ 0,3%	83	103	60	82	40	gut
Beispiel	10	A	5-5	Vertikal	99,8%	± °»1#	78	85	62	60	40	gut
Beispiel	11	B	6-6	Vertikal	99,3%	+ 0,2%	80	65	60	51	40	gut
Beispiel	12	B	6-6	Vertikal	99,8%	+ 0,2%	80	70	61	50	41	gut
Beispiel	13	B	6-6	Horizontal	99,8%	+ 0,3%	80	68	65	51	55	gut
Beispiel	14	B	6-6	Schräg	99,8%	+ 0,2%	81	68	66	52	56	gut
Beispiel	15	C	7-7	Gekrümmt	99,8%	+ 0,3%	80	70	66	60	55
Beispiel		C	7-7	Vertikal	99,3%	+ 0,2%	81	7-3	67	63	56	gut CJi
Beispiel	C	7-7	Horizontal	99,3%	+ 0,2%	81	72		61		gut oo
Beispiel	C	7-7	Schräg	99,3%	+ 0,2%		73	63	gut —*
Beispiel		Gekrümmt	99,3%	+ 0,3%

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it

Die oben mit Tabelle 2 aufgeführten Versuchsergebnisse belegen, daß die erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörper aus Keramik, die unter Warmpressen verbunden wurden, wobei eine Pulverpackung als Druckübertragungsmedium diente, bei hoher Temperatur eine im wesentlichen genauso hohe mechanische Festigkeit aufweisen, wie ein einzelner, fester, warmgepreßter Körper. Es wurde v/eiterhin festgestellt, daß die Verbindungsstellen der Bestandteile des erfindungsgemäßen Verbundkörpers aus Keramik, die frei von jedem fremden Material wie z.B. einem Klebemittel waren, eine vollständige Verbindung der Bestandteile gewährleisteten; als Folge davon wies der Verbundkörper eine einheitliche Dichte auf.

Eine Kombination von zwei einfach geformten Proben (in Form eines Prüfstabes) entsprechend dem Versuch 1 gem. Tabelle 2 zeigten tatsächlich eine größere mechanische Festigkeit als 50 kg/cm bei 1200⁰C, nachdem diese unter Warmpressen verbunden wurden. In vielen Fällen zerbrachen die als Proben verwendeten Verbundstäbe jedoch leicht oder verformten sich im Verlauf des Warmpressens und erwiesen sich für die praktische Anwendung als ungeeignet.

Aus obigen Versuchsergebnissen geht ohne weiteres hervor, daß die mechanische Festigkeit der erfindungsgemäßen Verbundkörper aus Keramik von der Form der durch Warmpressen erzeugten Verbindung nur wenig beeinflußt wird, nämlich ob

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der Körper in vertikaler, horizontaler oder schräger Richtung relativ zur Preßrichtung während des Warmpressens verbunden worden ist. Deshalb treten bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Verbundkörper aus Keramik nur geringe Schwierigkeiten hinsichtlich der mechanischen Festigkeit auf, selbst dann, wenn die Bestandteile in einer solchen Richtung zusammengebaut v/erden, die aus Gründen der leichteren Fertigung zweckmäßig ist.

Beispiel 2:

Siliciumnitrid wurde mit 5 Gew.-% Yttriumoxid und 2 Gew.-% Aluminiumoxid vermischt. Das gesamte Gemisch wurde bis zu einer Teilchengröße unter 1 jm zerkleinert. Das Pulvergemisch wurde mit einen Sindemittel geknetet. Aus der erhaltenen Masse wurde nach dem Spritzgußverfahren eine Vielzahl der mit Pig. 8 dargestellten Turbinenschaufeln hergestellt. Weiterhin wurde in einer Metallform die mit Fig. 9 dargestellte Nabe mittels Kaltverformung hergestellt. Die Formkörper wurden bei 4OO°Centfettet. Ein Teil der entfetteten Formkörper wurde in dieser Form verwendet. Der andere Teil wurde bei 1700 bis 175O⁰C 250min lang in einer Packung aus Aluminiumnitridpulver vorgesintert. An den behandelten Proben wurden die in der nachfolgenden Tabelle 3 aufgeführten physikalischen Eigenschaften ermittelt.

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Ta b e 1 1 e

Probe Gestalt Nr.

Behandlung

Dichte (% der theor. Dichte)

1	Schaufel	lediglich geformt
2	Schaufel	vorgesintert
3	Schaufel	vorgesintert
4	Schaufel	vorgesintert
5	Nabe	lediglich geformt
6	Nabe	vorgesintert
7	Nabe	vorgesintert
8	Nabe	vorgesintert

5096 60% 65% 12%

65% 10%

Entsprechend der Zahl der anzubringenden Schaufeln wurden längs des gesamten Umfanges der Nabe Kerben herausgeschnitten. In diesem Falle wurden die Schaufeln 1 bis 4 mit den 'Naben 5 bis 8 verbunden. Jede Kombination von Schaufeln und Naben wurde bei 1780⁰C 150 min lang unter einem Druck von 350 kg/cm in einer Packung aus Bomitridpulver als Druckübertragungsmedium warmgepreß";; hierbei wurde der mit Fig. 7 dargestellte Turbinenrotor erhalten. In der nachfolgenden Tabelle 4 ist die Anzahl von Sprüngen und Brüchen aufgeführt, die im Verlauf des Varmpressens an den entsprechenden Kombinationen von Schaufeln und l-Taben auftraten; weiterhin ist die Formgenauigkeit dieser Kombinationen aufgeführt.

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Tabelle

Kombination Bestand- Anteil an Sprüngen Formgenauigkeit teile und Rissen

A	1-5	äußerst bemerkenswert	sehr gering
B	2-6	kaum bemerkenswert	gering
C	3-7	.überhaupt nicht bemerkens wert	hoch
D	4-8	überhaupt nicht bemerkens wert	sehr hoch
E	2-8	kaum bemerkenswert	gering in der Schaufel
	4-6	kaum bemerkenswert	gering in der Nabe

Die zusammengesetzten keramischen Turbinenrotoren gem. den Kombinationen C und D nach Tabelle 4 waren vollständig in einem Stück ausgebildet (fully integrated) und ihre einheitliche Dichte betrug mehr als 98Jo der theoretischen

Dichte; ihre Biegefestigkeit war größer als 50 kg/cm bei 1200 C. Die durch Warmpressen eines lOrmkörpers geringer Dichte ohne Vorsinterung erhaltene Kombination A zeigte

eine relativ kleine Biegefestigkeit von ungefähr 50 kg/cm und ein starkes Auftreten von Rissen und Sprüngen. Die Bestandteile dieser Kombination A waren nicht erfolgreich miteinander verbunden, so daß der daraus resultierende zusammengesetzte Turbinenrotor eine sehr schlechte Pormgenauigkeit

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aufv/ies. Auch die Kombination B der Bestandteile, deren Dichte nach der Vorsinterung weniger als 65% betrug, ergab einen Turbinenrotor, der geringe Formgenauigkeit aufwies, obwohl dieser Rotor keine so geringe Biegefestigkeit aufwies, wie die Kombination A. Die Kombination C besaß einezufriedenstellende Biegefestigkeit und Formgenauigkeit und war frei von Rissen oder Sprüngen. Die Kombination D war der Kombination C in allen Punkten überlegen. Die Kombinationen E und F, von denen ein Bestandteil wie angegeben, vorgesintert war, wiesen eine Dichte von weniger als 65% der theoretischen Dichte auf; in den Abschnitten mit niedriger Dichte war die Formgenauigkeit gering; diese Kombinationen E und F waren den Kombinationen C und D unterlegen.

Mit obiger Beschreibung ist der Fall erläutert worden, wo die Schaufeln getrennt hergestellt wurden und dann mit der Nabe verbunden wurden. Es ist jedoch auch möglich, vorher eine einstückige Anordnung aus den Schaufeln herzustellen und diese Anordnung in die Nabe einzusetzen, oder die Nabe selbst in mehrere Abschnitte au unterteilen.

Zur Verbesserung- der Säurefestigkeit der Schaufeln hat es sich als wirksam erwiesen, auf den Schaufeloberflächen ein säurefestes Material aufzubringen oder die Schaufeln aus einem besonders säurefesten Material herzustellen.

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Aus obiger Beschreibung geht ohne weiteres hervor, daß die erfindungsgemäßen Verbundkörper aus Keramik vollständig in einem Stück ausgebildet sind; an den Verbindungsstellen der Bestandteile ist kein fremdes Material wie etwa ein Klebemittel enthalten, dadurch ist ein Schutz gegen Unfälle oder sonstige Schwierigkeiten gewährleistet, die ansonsten an diesen Verbindungsstellen auftreten könnten; weiterhin ist der erfindungsgemäße Verbundkörper frei von solchen Schwierigkeiten, die mit ungleichmäßiger Dichte zusammenhängen und beispielsweise die Anwendungsmöglichkeiten beschränken könnten; v/eiterhin v/eist der erfindungsgemäße Verbundkörper bei 1200⁰O eine größere mechanische Festigkeit als 50 kg/cm auf; seine Dichte beträgt mehr als 98?6 der theoretischen Dichte. Aus all diesen Gründen ist der erfindungsgemäße Verbundkörper aus Keramik gut geeignet für die Anwendung als Turbinenrotor, welcher bekanntlich komplizierte Form aufweist und beim Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt wird; mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Herstellung solcher Turbinenrotoren aus Keramik erleichtert. Dies stellt jedoch nur ein Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar; die Erfindung ist nicht auf die Herstellung großer Gegenstände beschränkt.

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Claims

Patentansprüche :

Völlig in einem Stück ausgebildeter Verbundkörper aus Keramik aus mehreren vorgeformten Bestandteilen, mit einer Dichte von mehr als 98% der theoretischen Dichte, mit einer Biegefestigkeit von mehr als 50 kg/cm bei 1200⁰C, mit einer einheitlichen Dichte, der an den Verbindungsstellen der Bestandteile kein fremdes Material aufweist.

2. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine komplizierte Form aufweist.

3. Verbundkörper nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine komplizierte Form mit dreidimensional gekrümmten Flächen aufweist.

4. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Turbinenrotor ausgebildet ist.

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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5. Verbundkörper nach. Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel und die Habe des Turbinenrotors getrennt hergestellt und später zu einem einstückigen Körper verbunden sind.

6. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennζeichnet, daß dieser eine Biegefestigkeit von mehr als 60 kg/cm bei 1200⁰C aufweist.

7. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennz ei chne t, daß mehr als 70 Qew.-% des rohen keramischen Materials aus Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und/oder Siliciumkarbid bestehen.

8. Verbundkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das rohe keramische Material aus einem Gemisch aus mehr als 65 Gew.-% Siliciumnitrid, weniger als 30 Gew.-/o Yttriumoxid und weniger als 5 Gew.-?o Aluminiumoxid besteht.

9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Keramik nach den Ansprüchen 1 bis 8,'gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrenestufen:

a) aus rohem keramischen Pulver werden mehrere Bestandteile von vorgegebener Gestalt geformt;

b) diese Formkörper werden vorgesintert, bis ihre Dichte mehr als 65% der theoretischen Dichte beträgt;

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c) die vorgesinterten Formkörper werden zu einem Block mit vorgegebener Gestalt zusammengesetztj und

d) der zusammengesetzte Block' wird warmgepreßt_s

um .die einzelnen Bestandteile einstückig miteinander zu verbinden und um den Block auf mehr als 98% der theoretischen Dichte zu verdichten.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als vorgegebene Gestalt eine komplizierte Form ausgewählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsinterung solange durchgeführt v/ird, bis die Formkörper eine Dichte, von mehr als 70 % der theoretischen Dichte aufweisen.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmpressen mittels einer Pulverpackung als Druckübertragungsmedium durchgeführt v/ird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsmedium dienende Pulverpackung pulverförmiges Bornitrid und/oder Kohlenstoff verwendet v/ird.

14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Vorsinterung die Formkörper in der PuI-

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■verpackung gebrannt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14₉ dadurch gekennzeichnet, daß als Pulver für die Pulverpackung wenigstens eines der nachfolgenden Materialien_s nämlich Kohlenstoff₉ SiliciumkarlDidp Siliciumnitrid«, Aluminiumnitrid oder Bornitrid ausgewählt wird=,

16. Verfahren nach Anspruch 9₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsinterung "bei einer Temperatur durchgeführt wird, die 90 bis 99/0 der Temperatur der abschließenden Phase des Warmpressens beträgt„

17. Verfahren nach Anspruch 9₃ dadurch gekennzeichnet, daß beim Warmpressen der Druck dahingehend geregelt wird, daß zu Beginn ein Druck von 5 kg/cm vorgesehen ist, im Anschluß daran sowohl Druck und Temperatur gesteigert v/erden und daß das 'abschließende Druckniveau erreicht wird, wenn die Temperatur 90 bis 95$> der Temperatur in der Schlußphase des Warmpressens erreicht hat.

18. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbundkörper aus Keramik ein Turbinenrotor hergestellt wird, und die Schaufeln und die Nabe dieses Turbinenrotors vorher getrennt geformt worden sind und nach der Vorsinterung zu einem Stück zusammengesetzt v/erden.

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19i Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohes keramisches Pulver verwendet wird, das zu mehr als 70 Gew.-°o aus Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid und/oder SiliciumkarMd "besteht.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohes keramisches Pulver verwendet wird, das zu mehr als 65 Gew.-So aus Siliciumnitrid, zu weniger als 30 Gew.-% aus Yttriumoxid und zu weniger als 5 Gew.-?o aus Aluminiumoxid besteht.

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