DE2822627C2

DE2822627C2 -

Info

Publication number: DE2822627C2
Application number: DE2822627A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Geophys. 3180 Wolfsburg De Siebels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1988-02-18
Also published as: DE2822627A1; US4335998A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Verbindung zwischen einem aus einem nichtoxydischen, keramischen Werkstoff und einem aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung und auf Verwendung der Verbidnung.

Auf verschiedenen Anwendungsgebieten ist man heute aus unterschiedlichen Gründen bestrebt, die üblicherweise verwendeten metallischen Werkstoffe durch solche aus Keramik zu ersetzen. Auf diese Weise versucht man beispielsweise bei Gasturbinen die bei der Verwendung von metallischen Werkstoffen durch deren relativ geringe Warmfestigkeit begrenzten Arbeitstemperaturen, insbesondere bei Turbinenschaufeln und rädern, heraufzusetzen, um so den Wirkungsgrad und die Leistung der Turbine erhöhen zu können. Bevorzugt ist dabei an nichtoxydische keramische Werkstoffe, wie Siliziumkarbid und Siliziumnitrid, gedacht.

Schwierigkeiten ergeben sich bei der Verwendung solcher keramischer Werkstoffe vor allem dort, wo diese mit den weiterhin aus metallischen Werkstoffen bestehenden Bauteilen verbunden werden sollen, so beispielsweise bei der Befestigung eines keramischen Turbinenrades auf einer metallischen Turbinenwelle oder bei der Halterung der keramischen Schaufeln in einer metallischen Radscheibe. Diese Schwierigkeiten rühren insbesondere von der relativ hohen Sprödigkeit der keramischen Werkstoffe her, die praktisch kein Fließen, das heißt eine plastische Verformung unter Belastung, zeigen und darum auch nicht die im Betrieb auftretenden örtlichen Spannungsspitzen, wie dies metallische Werkstoffe tun, abbauen können. Solche Spannungsspitzen können durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen oder auch durch ungleichmäßige Temperaturdehnung der metallischen und keramischen Bauteile verursacht werden. Auch darf aus diesem Grund keine Linien- oder gar Punktberührung der Bauteile zugelassen werden, so daß die miteinander zu verbindenden Bauteile in aufwendigen Fertigungs- Bearbeitungsverfahren mit hoher Oberflächengüte und -genauigkeit hergestellt werden müssen.

Aus der DE-OS 22 50 563 ist zwar bereits ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten Turbinenrotors bekannt, bei dem die zwischen einer metallischen Nabe und den Füßen der in die Nabe eingesetzten keramischen Turbinenschaufeln verbleibenden Spalte mit einem Lotmaterial gefüllt werden. Durch eine anschließende Erwärmung auf Löt- bzw. Hartlöttemperatur unter inerter Atmosphäre wird dann eine Lötverbindung zwischen den keramischen Schaufeln und der metallischen Nabe hergestellt.

Auch aus der DE-OS 18 10 998 ist bereits ein Verfahren zum Verlöten eines Teils aus Metallkarbid mit einem Teil aus Stahl bekannt, bei dem der für die Bildung einer Lötverbindung zwischen diesem Teil notwendige Spalt infolge der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Teile beim Erhitzen auf Löttemperatur erzeugt und dann mit Lötmaterial gefüllt wird.

Nun hat sich jedoch gezeigt, daß bei solchen praktisch durch Schrumpfsitz bewirkten Metall-Keramik-Verbindungen insbesondere an den Stellen, an denen das keramische Bauteil aus dem metallischen herausragt, in dem keramischen Bauteil Druckspannungen erzeugt werden, die ihrerseits für das keramische Material gefährliche Zugspannungen induzieren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, eine sichere Verbindung zwischen aus nichtoxydischen keramischen Werkstoffen und metallischen Werkstoffen bestehenden Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile auch hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann. Insbesondere soll eine problemlose Halterung von keramischen Schaufeln in metallischen Radscheiben, bzw. eine standfeste Verbindung zwischen keramischen Turbinenrädern und metallischen Turbinenwellen, geschaffen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Durch die von der Erfindung vorgeschlagene Querschnittsschwächung des metallischen Bauteils im Übergangsbereich zwischen dem metallischen und dem keramischen Bauteil wird ein spürbarer Abbau der durch den bei der Lötung entstandenen Schrumpfsitz erzeugten Druckspannungen und damit auch eine wesentliche Reduzierung der von den Druckspannungen induzierten Zugspannungen erreicht. Dabei erweist es sich als zweckmäßig, wenn der Bauteilquerschnitt des metallischen Bauteils in Richtung auf die Übergangsstelle kontinuierlich abnimmt.

Zur Herstellung der Metall-Keramik-Verbindung wird eine Hochtemperaturlötung vorgeschlagen, bei der die mit dem Lot versehenen Bauteile in einem Lötofen unter Vakuumatmosphäre durch stufenweise Temperaturerhöhung und unter mehrmaligem, länger andauerndem Anhalten der Temperatur auf den Temperaturstufen bis auf die Löttemperatur erwärmt und nach der Lötung kontinuierlich abgekühlt werden. Zweckmäßigerweise soll dabei als Lot ein Hochtemperaturlot der Nickel- Basis-Hartlot-Gruppe verwendet werden, insbesondere ein Bor- und/oder Mangan enthaltendes Hochtemperaturlot. Sofern Bor- und/oder Mangan enthalten ist, ergibt sich neben dem Schrumpfverbund auch ein chemisch-mechanischer Verbund durch eine Reaktion dieser Elemente mit dem Siliziumnitrid, bzw. Siliziumkarbid. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, den Loten zur Duktilisierung noch eine Kobalt-Basis-Legierung, beispielsweise das bekannte Tribaloy mit der Zusammensetzung 55% Kobalt, 35% Molybdän und 10% Silizium, zuzumischen.

Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Metall-Keramik-Verbindung bei der Halterung einer einen Schaufelfuß aufweisenden keramischen Turbinenschaufel in einer mit einer hinterschnittenen Nut versehenen metallischen Radscheibe verwendet werden, wobei der Querschnitt des Schaufelfußes im wesentlichen die Form einer schlanken Ellipse mit in Schaufellängsrichtung verlaufender großer Halbachse aufweist und die Nut der Radscheibe im Querschnitt etwa kreisförmig ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird eine den verwendeten Werkstoffen optimal angepaßte Formgebung erreicht, die bei geringsten Spannungen eine standfeste und sichere Halterung der Turbinenschaufel in der metallischen Radscheibe ermöglicht.

Bei der Befestigung eines mit einer zentrischen Bohrung versehenen keramischen Turbinenrades auf einer metallischen Welle ergibt sich eine besonders günstige Ausgestaltung dann, wenn das Turbinenrad zwischen einem ersten auf der als Hohlwelle ausgebildeten Turbinenwelle vorgesehenen Wellenbund und einem an einem in die Hohlwelle eingesteckten und in dieser durch Verlötung befestigten Wellenstift vorgesehenen zweiten Wellenbund unter Bildung von das Hochtemperaturlot aufnehmenden Lötspalten gehalten ist. Bei dieser Ausführung wird nicht nur das keramische Turbinenrad mit den Wellenbünden durch eine Hochtemperaturlötung verbunden, sondern es erfolgt auch eine Lötverbindung zwischen dem Wellenstift und der Hohlwelle. Beim Abkühlen ergibt sich wiederum ein Schrumpfsitz des Turbinenrades zwischen den beiden Wellenbünden, der noch durch die beim Abkühlen erfolgte Schrumpfung des aus dem Wellenstift und der Hohlwelle gebildeten Wellenverbundes unterstützt wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in teils schematischer Darstellungsweise in

Fig. 1 eine Darstellung der Lötung einer in einem metallischen Turbinenrad gehaltenen keramischen Turbinenschaufel,

Fig. 2 eine Darstellung einer auf diese Weise gehaltenen Turbinenschaufel in einem Querschnitt durch das Turbinenrad,

Fig. 3 einen Längssschnitt durch eine Zapfenverbindung mittels Hochtemperaturlötung zwischen einem keramischen Turbinenrad und einer metallischen Turbinenwelle,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Turbinenrad-Turbinenwellen-Verbindung, bei der das keramische Turbinenrad zwischen zwei Wellenbünden der durch eine zentrische Bohrung des Turbinenrades gesteckten Turbinenwelle verlötet ist, und

Fig. 5 den Temperaturverlauf bei der Hochtemperaturlötung der erfindungsgemäßen Keramik-Metall-Verbindung.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist in einem Längsschnitt eine in einer axialen Nut 4 eines metallischen Turbinenrades 1 mit einem Schaufelfuß 3 gehaltene keramische Turbinenschaufel 2 gezeigt. Dabei wird der zwischen der hinterschnittenen und, wie aus der Fig. 2 näher hervorgeht, im Querschnitt etwa kreisförmigen Nut 4 des metallischen Turbinenrades 1 und dem etwa ellipsenförmig ausgebildeten Schaufelfuß 3 verbleibende Spalt 5, der in der Fig. 2 übertrieben dargestellt ist, durch ein Hochtemperaturlot ausgefüllt. Die Lötung erfolgt im Vakuum, wobei die Temperaturführung gegenüber der Lötung von Metallen verändert wurde, da die keramischen Komponenten längere Durchwärmzeiten als üblich erfordern. Gemäß der Darstellung in der Fig. 5 erfolgte daher die Temperaturerhöhung stufenweise gemäß dem Kurvenzug 31, wobei die Temperaturen auf den einzelnen Stufen 32 jeweils längere Zeit, das heißt eine halbe bis eine Stunde, gehalten wurde. Im Anschluß an die etwa nur eine Viertelstunde dauernde Lötphase 33 bei Löttemperatur erfolgte die Abkühlung gemäß dem Verlauf 34.

Als Lote verwendbar sind die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten handelsüblichen Hochtemperaturlote, von denen die Lote des Typs 50, 65, 130, 220 und 230 sich als besonders günstig erwiesen. Bei diesen Loten führten vor allem die Mangan und Bor enthaltenden Lote zusätzlich auch zu einem chemisch-mechanischen Verbund durch eine Reaktion mit dem Siliziumnitrid beziehungsweise Siliziumkarbid der Ceranox-Werkstoffe. Zur Aufmischung der Lote zum Zwecke ihrer Duktilisierung wurde vor allen bei den Loten des Typs 65, 130 und 230 eine Kobaltbasislegierung in Form des bekannten Tribaloy T 100 mit der Zusammensetzung 55 Prozent Kobalt, 35 Prozent Molybdän und 10 Prozent Silizium verwendet.

Bei den mangan- und borlegierten Loten kommt es bei einigen reaktionsgesinterten Siliziumnitrid-Qualitäten zu heftigen Reaktionen, die zum Aufschäumen des Lotes führen . Dieses konnte durch Aufbringen einer dünnen Aluminiumoxydschicht auf die Keramik im Lötbereich weitgehend vermieden werden. Ein solches Aluminium-Pulver α-Al₂O₃ kann, wie aus der Fig. 1 hervorgeht und mit 11 bezeichnet ist, auch zur Verhinderung von Lotabfluß von der Lötstelle herangezogen werden. Um genügend Lotmaterial für die Lötung zur Verfügung zu stellen, ist in der Fig. 1 ein beipsielsweise aus einem Keramikmaterial oder einem hochtemperaturfesten Metallmaterial bestehendes Röhrchen 9 zur Aufnahme des pulverförmigen Lotes 10 über der Lötstelle angeordnet.

Bei der Darstellung der Radscheiben-Schaufelfuß-Verbindungen in der Fig. 2 ist eine Schwächung des Metallquerschnittes im Bereich 8 dadurch vorgesehen, daß konkave Ausnehmungen 7 an der Turbinenradoberfläche zwischen den einzelnen Schaufeln vorgesehen sind. Mit 6 ist dabei der Konturenverlauf bei Aufrechterhaltung des kreisförmigen Querschnitts der Radscheibe angedeutet. Durch die Schwächung des Metallquerschnitts 8 wird in dem Bereich, in dem die Keramikschaufel aus der metallischen Radscheibe herausragt, ein Abbau der durch den Schrumpfsitz verursachten Druckspannungen infolge der Gewährung einer plastischen Deformation des metallischen Bauteils erreicht. Durch diesen Abbau der Druckspannungen in dem Übergangsbereich wird andererseits eine Minimierung der durch solche Druckspannungen induzierten Zugspannung erreicht, so daß in der Keramik günstige Belastungsverhältnisse und damit eine hohe Standfestigkeit sichergestellt ist.

In der Fig. 3 ist eine Ausführung einer Verbindung zwischen einem keramischen Turbinenrad 15 und einer metallischen Welle 13 durch Hochtemperaturlötung dargestellt, wobei die Turbinenwelle 13 mit einem rohrförmig aufgeweiteten Teil 14 konzentrisch um einen an dem Turbinenrad 15 angebrachten Zapfen 16 greift. Der zwischen dem rohrförmigen Wellenteil 14 und dem Turbinenradzapfen 16 verbleibende Ringspalt wird durch das Hochtemperaturlot ausgefüllt, für das in dem Bereich 18 durch Vergrößerung des Innendurchmessers des Wellenrohres 14 ein Reservoir 18 gebildet ist. Am Endbereich des Wellenrohres 14 ist eine Materialschwächung 17 durch eine zum Ende hin kontinuierliche Außendurchmesserverringerung vorgenommen worden, die, wie oben bereits beschrieben wurde, eine Minimierung der in dem keramischen Material induzierten Zugspannung bewirken soll. Mit 19 ist wiederum α-Aluminiummoxyd-Pulver zur Verbindung von Lotabfluß von der Lötstelle angedeutet.

In der Fig. 4 ist eine andere Ausführung einer Verbindung zwischen einem keramischen Turbinenrad 20 und einer metallischen Turbinenwelle 21 dargestellt, wobei das Turbinenrad 20 eine zentrische Bohrung 30 besitzt, durch die die Turbinenwelle 21 hindurchgeführt ist. Die Halterung des Turbinenrades erfolgt dabei durch an den beiden Stirnseiten 24 und 28 des Turbinenrades 20 unter Belassung von durch ein Hochtemperaturlot ausgefüllten Lötspalten 23 und 27 anliegenden Wellenbünden 22 und 26. Während der Wellenbund 22 direkt auf der als Hohlwelle ausgebildeten Turbinenwelle 21 ausgebildet ist, ist der Wellenbund 26 Teil eines von dem offenen Ende der Turbinenwelle 21 her in deren Bohrung eingeführten und darin durch Lötung ebenfalls mit einem Hochtemperaturlot 29 befestigten Wellenstiftes 25. Durch diese bei hohen Temperaturen spannungsfrei erfolgende Einlötung des Wellenstiftes 25 in die Hohlwelle 21 ergibt sich nach dem Abkühlen wegen der unterschiedlichen Dehnungskoeffizienten der metallischen Wellenteile und des keramischen Turbinenrades eine von den Wellenbünden 22 und 26 auf das Turbinenrad ausgeübte Druckspannung, die zusammen mit den stirnseitigen Lötungen einen festen, gegebenenfalls durch mechanisch-chemischen Verbund unterstützten Schrumpfsitz des keramischen Turbinenrades 20 in der metallischen Welle 21 bringt.

Nicrobraz-Legierungen

Richtanalysen, Lötbereiche und Lötatmosphären

Claims

1. Thermisch und mechanisch hochbeanspruchbare Lötverbindung zwischen einem aus einem nichtoxydischen keramischen Werkstoff und einem aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Bauteil, wobei das keramische Bauteil an mindestens zwei einander gegenüberliegenden Seiten unter Bildung von Spalten von dem metallischen Bauteil umfaßt ist und die Spalten durch eine unter Vakuum stattfindende Hochtemperaturlötung mit einem Lot ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des metallischen Bauteils (1; 14; 22, 26) in dem Bereich, in dem das keramische Bauteil (2, 3; 15, 16; 20) aus dem metallischen herausragt, zur Verringerung der in dem keramischen Bauteil induzierten Zugspannungen geschwächt ist.

2. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des metallischen Bauteils (1; 14; 22, 26) in Richtung auf die Übergangsstelle, an der das keramische Bauteil (2, 3; 15, 16; 20) aus dem metallischen herausragt, kontinuierlich abnimmt.

3. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Lot versehenen Bauteile in einem Lötofen unter Vakuumatmosphäre durch stufenweise Temperaturerhöhung und unter mehrmaligem, länger andauerndem Anhalten der Temperatur auf den Temperaturstufen bis auf die Löttemperatur erwärmt und nach der Lötung kontinuierlich abgekühlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Hochtemperaturlot der Nickelbasis-Hartlot-Gruppe verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bor- und/oder Mangan enthaltendes Hochtemperaturlot verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lot zur Duktilisierung eine Kobalt-Basis-Legierung zugemischt ist.

7. Verwendung der Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Halterung einer einen Schaufelfuß aufweisenden keramischen Turbinenschaufel in einer mit einer hinterschnittenen Nut versehenen metallischen Radscheibe, wobei der Querschnitt des Schaufelfußes (3) im wesentlichen die Form einer schlanken Ellipse mit in Schaufellängsrichtung verlaufender großer Halbachse aufweist, und die Nut (4) der Radscheibe (1) im Querschnitt etwa kreisförmig ausgebildet ist.

8. Verwendung der Verbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Befestigung eines mit einer zentrischen Bohrung versehenen keramischen Turbinenrades (20) auf einer metallischen Welle (21), wobei das Turbinenrad zwischen einem ersten, auf der als Hohlwelle ausgebildeten Turbinenwelle angeordneten Wellenbund (22) und einem an einem in die Hohlwelle eingesteckten und in dieser durch Verlötung befestigten Wellenstift (25) vorgesehenen zweiten Wellenbund (26) unter Bildung von das Hochtemperaturlot aufnehmenden Lötspalten (23, 27) gehalten ist.