DE844261C - Verfahren zur Herstellung von Maschinenbauteilen aus keramischen Halbleiter-Werkstoffen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Maschinenbauteilen aus keramischen Halbleiter-Werkstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Maschinenteilen atis keramischen Halbleiter-Werkstoffen, insbesondere für Gasturbinen, z. B. Turbinenschaufeln. Der Gasturbinenhau stellt an seine keramischen Werkstoffe ganz besondere Anforderungen hinsichtlich der 'Materialeigenschaften, und zwar insbesondere- der mechanischen Festigkeit bei den hohen Betriebstemperaturen der Kraftmaschinen und eines guten Verhaltens gegenüber schroffen Temperaturwechseln. Beiden Forderungen wird man gerecht durch zweckmäßige Komposition der Werkstoffe, etwa durch Einlagerung von gut wärmeleitenden Zuschlagstoffen, wie z. I'. SiC. in mechanisch feste Grundmaterialien und durch exakt und 7weckmäßig gestaltete Herstellungsverfahren. Auf diese Weise sucht man die Bestwerte der erreichbaren Materialeigenschaften zu erhalten.
• Bisher werden praktisch alle keramischen Werkstiicke mit Fremderhitzung gebrannt, d. h. dem Brenngut wird die zum Einleiten des Sinterttngsprozesses erforderliche Wärme von außen zugeführt. Hierbei verteilt sich die Wärme im Werkstück ausschließlich durch Wärmeleitung. Das führt aber bei großen Werkstücken und großen Scherbenstärken zu Temperaturgradienten, die nur hei ganz langsamer Temperatursteigerung erträglich klein gehalten werden können. Der so durchgeführte keramische Brand wird somit unwirtschaftlich und hat außerdem dadurch gewisse Nachteile. claß größere Stücke ungleichmäßig. sintern und damit an verschiedenen Stellen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften bekommen, was besonders im Maschinenbau mit seinen Forderungen nach hohen Festigkeiten durchaus unerwünscht ist.
• 1?rfindungsgemäß wird zur Beseitigung dieser Mängel die Sinterungstemperatur durch Zufuhr elektrischer Energie unmittelbar im Keramikkörper selbst erzeugt. Keramische Halbleiter-Werkstoffe, die man durch Einlagerung gut wärmeleitender Zuschlagstoffe, z. B. SiC, entwickelt hat, durchlaufen mit fortschreitendem Sinterutigsprozeß-für die Festigkeit und das elektrische Leitvermögen charakteristische Zustände. Zunächst ist das Leitvermögen noch niedrig, die Bindung zwischen den Bestandteilen ist noch schlecht: Rücken mit zunehinendem Sinterungsgrad die gutleitenden Körnchen, z. B. aus SiC, einander näher und nimmt das Grundgefüge eine feinkristalline Struktur an, dann erreicht z. B. das elektrische Leitvermögen ein Maximum und die Festigkeit z. B. ebenso; denn (las feinkristalline Gefüge ist mechanisch das festeste. Mit zunehmendem Sinterungsgrad verändert sich das Grundgefüge weiter, und auch die Leitfähigkeit sinkt wieder ab. Elektrische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit durchlaufen also in dem angeführten Beispiel bei demselben Brennwert etwa gleichzeitig ein Maximum. Die Abhängigkeit zwischen elektrischem und mechanischem Verhalten braucht durchaus nicht immer so zu sein wie in dem angeführten Beispiel. Immer wird aber einem bestimmten Leitvermögen ein ganz bestimmtes mechanisches Verhalten zugeordnet werden können, denn beide geben ein Bild des Gefügezustandes wieder.
• Nach der Erfindung wird daher zumindest die Schlußphase des keramischen Brandes von Werkstücken aus keramischen Halbleiter-Werkstoffen, insbesondere für den Maschinenbau, als Widerstandserhitzung derart durchgeführt, daß der Verlauf des Sinterungsvorganges durch Beobachtung der Stromaufnahme und damit des spezifischen elektrischen Widerstandes verfolgt werden kann. .\uf diese Weise läßt sich der Brand sehr genau an (lern Punkt des Sinterungsvorganges unterbrechen, an dem der Werkstoff die gewünschten Eigenschaften erhält. Der Stromdurchgang wird hierbei durch geeignete Elektrodenanordnungen in zweckmäßiger Weise gesteuert.
• Die im Gasturbinenbau z. B. verwendeten Werkstoffe sind aber infolge der Zumischung von gut wärmeleitenden Zuschlagstoffen, wie z. B. SiC, zu den keramischen Grundmaterialien auch meist Stoffe mit relativ hohem dielektrischem Verlustfaktor. Solche Materialien erwärmen sich auch in hochfrequenten elektrischen Wechselfeldern, wobei die Wärme an allen Stellen des Scherbens entsteht, die von den Feldlinien durchsetzt werden.
• In Weiterausbildung der Erfindung wird daher zumindest die Schlußphase des keramischen Brandes solcher Halbleiter-Werkstoffe auch so durchgeführt, (laß die Wärme als dielektrische Verlustleistung dem Scherben zugeführt wird, derart, daß eine überall gleichmäßige Erhitzung auftritt, ohne unerwünschte Temperaturgradienten. Hierbei läßt sich beispielsweise durch Beobachtung der Verstimmung des Hochfrequenzgenerators der Verlauf des Brandes so kontrollieren, (iaß er an dem Punkt unterbrochen werden kann, an dem der Werkstoff die gewünschten, von der Temperatur abhängigen Eigenschaften erhält. Die gleichmäßige Durchsetzung des Scherbens von dem hochfrequenten Wechselfeld und damit die gleichmäßige Erwärmung des gesamten Weckstückes wird durch geeignete Elektrodenanordnung von außen erzwungen.
• In der Zeichnung sind in schematischer Weise je ein Ausführungsbeispiel für (las elektrische Brennen von Formstücken aus keramischen Halbleitern dargestellt, und zwar zeigt Fig. i ein Schema für die elektrische Widerstandserhitzung und Fig. 2 ein Schema für das Brennen im elektrischen Hochfrequenzfeld.
• In der Fig. i sind die beiden Elektroden i unmittelbar am keramischen Werkstück 2 angelegt. Mit Hilfe des Strommessers 3 und des Spannungsmessers 4 kann die Energieaufnahme im Keramikkörper bestimmt werden. Mit 3 sind die Anschlußklemmen für das Stronitietz bezeichnet.
• In der Fig.2 sind die Kondensatorplatten 6 und 7, zwischen denen sich das Hochfrequenzfeld ausbildet, vom Keramikkörper 2 durch einen Luftspalt getrennt. Mit 8 und 9 sind die Wickelungen eines Hochfrequenzübertragers bezeichnet, von denen die eine mit den Kondensatorplatten 6 und 7 und die andere mit den :ltisclilußklemmen io für die Hochfrequenzquelle verbunden ist. Mittels des Abstimmanzeigers 13 kann hier die Energieaufnahme des Keramikkörpers festgestellt werden.
• Die Ausbildung der Elektroden i und der Kondensatorplatten 6 und 7 richtet sich jeweils nach der Form des keramischen Werkstückes.

Claims (5)

1. PATENT ANSPRt1CHE: i. Verfahren zur Herstellung von Maschinenbauteilen aus keramischen. halbleitenden Werkstoffen, insbesondere für Gasturbinen, dadurch gekennzeichnet, (laß zumindest während der Schlußpliase des Sinterungsprozesses die Sinterungstemperatur durch von außen zugeführte elektrische 'Energie u.imiittelbar im Keramikkörper selbst erzeugt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterungstemperatur durch elektrische Widerstandserhitzung im Keramikkörper erzeugt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterungstemperatur durch dielektrische I?rliitzung z. B. mittels Hochfrequenzstrom im Keramikkörper erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, .daß die Zufuhr an elektrischer Energie durch geeignete I?lektrodenatiorditung so erfolgt, daß in allen Teilen des Keramikkörl)ers eine gleichmäßige Temperatur vorhanden ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal3 die Zufuhr der elektrischen Energie unterbrochen wird, wenn der Keramikkörper den Wert an elektrischer Aufnahmefähigkeit erreicht hat, der den gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften des Keramikkörpers entspricht.