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DE3307791A1 - Komposit-bauteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Komposit-bauteil und verfahren zu dessen herstellung

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DE3307791A1
DE3307791A1 DE19833307791 DE3307791A DE3307791A1 DE 3307791 A1 DE3307791 A1 DE 3307791A1 DE 19833307791 DE19833307791 DE 19833307791 DE 3307791 A DE3307791 A DE 3307791A DE 3307791 A1 DE3307791 A1 DE 3307791A1
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Germany
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metal
ceramic
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composite component
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DE19833307791
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Ralph Ivor Conolly
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Rolls Royce PLC
Original Assignee
Rolls Royce PLC
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Publication date
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Description

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London Sr.JiE 6AT, England
Komposit-Bauteil und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Komposit-Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Kcramik-Metall-Komposit-Bauteile. 5
Solche Konposit-Bauteile können vorteilhaft in -Gasturbinentriebwerken Anwendung finden.
Es ist seit langem bekannt, daß keramische Bauteile, beispielsweise aus keramischen Werkstoffen hergestellte Schaufeln und Rotoren von Gasturbinentriebwerken, eine höhere Temperaturbelastbarkeit besitzen als viele der gegenwärtig verfügbaren Superlegierungen. Das Problem bei der Anwendung keramischer Werkstoffe besteht jedoch in deren Sprödigkeit und Brüchigkeit, die zusammen mit dem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten dieser keramischen
"Ζ"
Werkstoffe zur Zerstörung solcher keramischer Bauteile führen können, wenn diese unmittelbar mit metallenen Konstruktionsteilen des Triebwerks verbunden sind.
Bisherige Versuche zur Bevältigung dieses Problems konzentrieren sich auf die Ausbildung elastischer Verbindungskonstruktionen zwischen den Metallteilen und den Keramikteilen, aber trotzdem finden die keramischen Werkstoffe noch keine weitverbreitete Anwendung in Gasturbinentriebwerken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Komposit-Bauteil der eingancfs genannten Gattung so auszubilden, daß die oben erläuterten Schwierigkeiten bewältigt werden.
Diese Aufgabe wird bei einem solchen Komposit-Bauteil gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst. 20
Zv/ei Verfahren zur Herstellung solcher Komposit-Bauteile sind Gegenstand der Ansprüche 7 und 8.
Das mit dem keramischen bzw. nichtmetallischen tragenden Iiauptteil verbundene metallene Teil kann als Anschlußteil zur Verbindung des Bauteils mit einen weiteren metallenen Konstruktionsteil ausgebildet sein.
Als nichtmetallischer Kompositwerkstoff anstelle eines rein keramischen Werkstoffs korken Kohle-Kohle-Koinpositwerkstoffe oder Hochtemperatur-Glas-Keramik-Kompositwcrkstoffe in Betracht.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 3 wird zunächst die gesamte Oberfläche des nichtmetallischen Hauptteils mit Metall bedeckt, und die anschließende Entfernung
des Metalls von bestimmten Flächenbereichen des Hauptteils kann mittels jedes geeigneten Verfahrens erfolgen, beispielsweise durch Ätzen, also auf chemischein Wege, durch elektrochemische Bearbeitung oder durch mechanische bearbeitung.
Beispielsweise können Laufschaufeln, Rotorscheiben und Flammrohre für Gasturbinentriebwerke als Keramik-Metall-Komposit-Bauteile nach der Erfindung hergestellt werden.
Es können verschiedenen Keramik-Metall-Kombinationen Anwendung finden, beispielsweise Siliziumnitrid mit einer der üblicherweise bei hochtemperaturbeanspruchten Gasturbinenbauteilen verwendeten Superlegierungen auf Nickelbasis .
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Ir einer Einrichtung zum ioostati-
sehen Heißpressen eine keramische Rotorscheibe, die von pulverisiertem Metall umschlossen ist,
Fig. 2 die fertiggestellte Koiaposit-Potor-
scheibe nach selektivem Entfernen der Metallverstärkung, 30
Fig. 3 einen Abschnitt eines nach der
Erfindung hergestellton riairvmrohrG mit einem keramischen Hauptkürper und selektiver Meta!!verstärk und
Fig. 4 eine nach der Erfindung hergestellte
Komposit-Laufschaufel.
Gemäß Fig. 1 der Zeichnungen weist eine Rotorscheibe für ein Gasturbinentriebwerk einen tragenden Ilaupthörper 1 auf/ der aus einem keramischen Materiel hergestellt ist und eine mittige Durchgangsbohrung 2 aufweist. Der radial innere Bereich 3 der Keramikscheibe um die Durchqangsbohrung herum ist nach Art eines Schwalbenschwanzprofils beidseitig axial verbreitert. Weitere Durchgangsbohrungen 4 sind mit gegenseitigen Winkelabständen um die Keramikscheibe herum verteilt und sind mit Metall zu füllen, in welches anschließend Schraubenbohrungen eingebohrt werden können.
Die Keramikscheibe ist in einer dosenartigen Hülle 5 angeordnet, die mit Pulver 6 einer geeigneten Superlegierung gefüllt ist, wobei sichergestellt ist, daß die Bohrungen 4 und die mittige Bohrung 2 mit Pulver gefüllt sind. Zur Positionierung und Halterung des keramischen Scheibenkörpers während des v/eiteren FertigungsVorgangs kann das Metallpulver mindestens teilweise in eine Rohform mit einer gewissen Rohfestigkeit vorgepreßt sein.
Die Hülle 5, die aus Glas, Keramik oder Metall hergestellt sein kann, wird durch einen eng anliegenden Deckel verschlossen und evakuiert und abgedichtet. Sodann v/ird die verschlossene Hülle in eine geschlossene Einrichtung 7 zum isosteitischcn Heißpressen eingebracht, wo das Metallpulver bei Temperaturen oberhalb von 300°C
2
und Drücken von bis zu 20 kN/cm verdichtet und an den Keramikwerkstoff gebunden wird.
Na~h dem Herausnehmen aus der Hülle ist der Keramikkörper vollständig mit einer Metallhaut überzogen und die Bohrungen 3 und 4 sind mit Metall gefüllt.
Anschließend wird das nicht erwünschte Metall von dem Keramikkörper v/ieder entfernt, um die Meta 11 verstärkung nur ->.n den erforderlichen Stellen zu erhalten, so daß Metall-Metall-Verbindungen mit anderen metallenen .'onstruktionsteilen hergestellt v/erden können, mit welchen die Rotorscheibe zu verbinden int.
Anstelle einer vollständigen Umhüllung des Keramikkörpers mit Metallpulver kann natürlich das Metallpulver auch nur an denjenigen Stellen aufgepreßt werden, an welchen die Metal!verstärkung erwünscht ist, so daß dann nach Abschluß des isostatischen Jleißpressens kein unerwünschtes Metall von Bereichen des Kerainikkörpers mehr entfernt zu v/erden braucht.
Wie in Fig. 2 sichtbar ist, können in den Metallfüllungen der ursprünglichen Bohrungen 4 wiederum Schraubenbohrungen 4 hergestellt werden, um übliche Schrauben zum Anschrauben der Rotorscheibe an gestrichelt angedeuteten Flanschen benachbarter Scheiben aufnehmen zu können. Entsprechend kann auch in die Metallfüllung der ursprünglichen Bohrung 2 v/ieder eine Bohrung eingebohrt werden, um eine Welle zum Antrieb der Rotorscheibe aufnehmen zu können.
Durch geeignete Formgebung der Hülle, in welcher der iscstatische Heißpreßvorgang ausgeführt v/ird, können die gewünschten Metallflansche an der fertigen Rotorscheibe angeformt werden.
Die gleiche Technik kann zur Herstellung von Metallverstärkungen an keramischen Bauteilen Anwendung finden. Fig. 3 zeigt eir Flammrohr 10, das nach dem gleichen Verfahren hergestellt worden ist, in dem zunächst der ganze Keramikkörper vollständig in Metallpulver
eingebettet und dieses durch isostatisches Heißpressen auf die Keramikoberfläche aufgepreßt worden ist, wonach das Metall an bestimmten Bereichen wieder abgetragen worden ist, um eine skelettartig*:; Struktur von Verstärkungsrippen 11, 12 zur'ickzulassen.
Fig. 4 zeigt eine Laufschaufel mit einem keramischen Schaufelblatt 15 und einem Schaufelfuß in Kompositstruktur. Diese Schaufel wird durch Einsetzen eines vorgeformten Keramikkerns in pulverisiertes r-ietall, Verdichten des Metalles auf dem Keramikkörper im Zv.ge eines isostatischen Ileißpreßvorgangs der oben beschriebenen Weise und anschließendes Abtragen des Metalls vom Schnufelblattbereich des Keramikkernr; hergestellt.
Die jeweils gewählten Materiulkouibinationen hängen von dom herzustellenden. Rauteil und von den Bedingungen am Einsatzort des Bauteil;·; ab. Beispielsweise kann der keramische Ilauptteil aus Siliziumnitrid hergestellt v/erden, während es sich bei dem Metallpulver um eine der Superlegierungen auf Nickelbasis handeln kann, die gegenwärtig verwendet werden, beispielsweise um eine unter dem Handelsname!! IN 100 erhältliche Legierung.
Bei der Anwendung bei einem Flammrohr ist e~ wichtig/ daß zwischen dein keramischen Ilauptteil und den metallenen Verstärlrungsrippen eine gute Bindung hergestellt wird, und die Wärmedehnungskoeffizienten des Keramikwerkstoffs und der> Metalls müssen sorgfältig aufeinander abcrestinimt werden, oder es muß zwischen diesen beiden Werkstoffen eine Zwischenschicht vorgesehen werden, die einen dazwischenliegenden Wärmedehnungskoeffizienten hat. Bei der Anwendung auf Schaufeln und Rotorscheiben braucht eine gute Bindung zwischen dem Metall und dem Keramikwerkstoff nicht unbedingt
notwendig zu sein, da die Keramik- und Metallkomponenten mechanisch-formschlüssig miteinander verbunden sind.
Einer der Vorteile des oben beschriebenen HersuellungnVerfahrens der Komposit-Bauteile liegt darin, daß das Metall und der Keramikwerkstoff bei einer hohen Temperatur verdichtet v/erden, die nahe der Arbeitstemperatur des Bauteils liegt. Folglich werden die Wärmedehnungen der beiden Komponenten gerade, bei derjenigen Temperatur einander angepaßt, die der Betriebstemperatur des Bauteils entspricht, wenn das Bauteil hoch beansprucht ist. Eine gewisse Fehlanpassung der Wärraedehnungen kommt daher nur dann zum Tragen, wenn das Bauteil nach Außerbetriebsetzung abkühlt, also wenn keine äußeren Belastungen zusätzlich zu den durch die Fehlanpassung erzeugten inneren Spannungen auf das Bauteil einwirken.
Alternative Werkstoffe zu reinen Keramikwerkstoffen sind, wie oben schon erwähnt, Hochtemperatur-Glas-Keraraik-Kompositwerkstoffe wie beispielsweise mit Keramik gemischter Cordierit, oder Kohle-Kohle Kompositwerkstoffe.
Leerseite

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    (J/ Komposit-Bauteil, bestehend aus einem tragenden Kauptteil aus keramischem Werkstoff oder einem nichtmetallischen Kompocitwerkstoff und einen damit verbundenen metallenen Teil, dadurch gekennzeichent, daß die Verbindung zwischen dem nichtmetallischen Hauptteil (1) und dem metallenen Teil (6) durch isostatisches Heißpressen von Metall in Pulverform auf mindestens einem gewählten Oberflächenbereich des Hauptteils (1) hergestellt ist.
    10
  2. 2. Keraraik-Hetall-Komposit-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff Siliciumnitrid ist.
  3. 3. Keramik-Mctall-Komposit-Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eine Superlegierung auf Nickelbasis ist.
  4. 4. Als Rotorscheibe für ein Gasturbinentriebwerk
    ausgebildetes Keramik-Metall-Komposit-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  5. 5. Als Laufschaufel für ein Gasturbinentriebwerk ausgebildetes Keramik-Metall-Komposit-Bauteil nach einem der
    25 Ansprüche 1 bis 3.
  6. 6. Als Flammrohr für ein Gasturbinentriebwerk ausgebildetes Kerarnik-Metall-Komposit-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Koinposit-Bauteils, das aus einem keramischen tragenden Hauptteil und einem damit verbundenen metallenen Teil besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das keramische Hauptteil hergestellt, sodann der betreffende Oberflächenbereich des Hauptteils mit Metallpulver umhüllt und sodann der metallene Teil durch isostatisches Heißpressen auf dem keramischen Hauptteil hergestellt und mit diesem verbunden wird.
    10
  8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Komposit-Bauteils, das aus einem keramischen tragenden Haupttei,l und einem damit verbundenen metallenen Teil besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der keramische Hauptteil hergestellt, sodann dessen gesamte Oberfläche mit Metallpulver umhüllt, das Pulver durch isostatisches Heißpressen auf dem keramischen Hauptteil verdichtet und mit diesem verbunden und schließlich das Metall von gewählten Oberflächenbereichen des so hergestellten Koniposit-Bauteils wieder entfernt wird.
DE19833307791 1982-03-05 1983-03-04 Komposit-bauteil und verfahren zu dessen herstellung Withdrawn DE3307791A1 (de)

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