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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff wobei die Fasern mit einer
metallischen Beschichtung versehen sind und in einer weiteren metallischen
Matrix eingebettet sind.
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Aus
DE 60104429 T2 ist
ein Verfahren zum Herstellen eines kontinuierlichen länglichen
Metallverbundwerkstoffartikels bekannt. Hierbei werden kontinuierliche
Fasern durch ein geschmolzenes Metallbad, wie Aluminium, Zink, Zinn
und Legierungen von diesen, durchgeführt.
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Aus
US 6,416,876 B1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Kupfermatrixverbundwerkstoffes
bekannt, indem die Faser eine Kohlenstoffbeschichtung aufweist,
sowie eine weitere Beschichtung aus Titan oder seinen Legierungen.
Diese Fasern werden monolagig zwischen zwei Kupferfolien heiß und unter
Druck gewalzt. Das Kupfer hat hier die Hauptmatrixfunktion. Bei
diesem Verfahren werden die Fasern voneinander weggewalzt. Nachteilig
von einer reinen Kupfermatrix ist jedoch, dass das Kupfer keine
gute Anbindung an die Kohlenstoffschicht ermöglicht und somit Titan als
Zwischenschicht benötigt
wird. Hierbei bildet Kupfer mit Titan spröde intermetallische Phasen,
die einige μm
dick sein können
und die zur Rissbildung neigen. Ferner hat die reine Kupfermatrix
eine geringe Festigkeit.
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Fasern
wurden auch schon in Aluminium oder Magnesiumschmelzen beschichtet.
Titan und seine Legierungen eigenen sich hierfür jedoch nicht, da es selbst
so reaktiv ist, das es die Fasern auflöst. Aus diesem Grund werden
Verbundwerkstoffe, insbesondere solche mit hoch schmelzenden metallischen
Matrizes, häufig durch
Pressverfahren wie heiß-isostatisches
Pressen (HIP) hergestellt. Dies bedingt eine Schwindung, thermische
Eigenspannungen und einen Verzug im herzustellenden Bauteil.
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Aus
DE 4021547 A1 ist
ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen bekannt. Bei
diesem bekannten Verfahren wird ein Trägerkörper aus Matrixmaterial mit
einer mit Matrixmaterial beschichteten Endlosfaser umwickelt und
dieser Wickelkörper
anschließend
einem heiß-isostatisches
Pressvorgang unterzogen. Dieses bekannte Verfahren ist für Fasern
aus insbesondere Siliziumcarbid geeignet, die mit einem Matrixmaterial
beschichtet sind, das aus einer Titanbasislegierung besteht.
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Aus
DE 4335558 A1 ist
ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen bekannt, wobei
diese Bauteile eine dreidimensionale unregelmäßige Struktur aufweisen können. Diese
langfaserverstärkten
Bauteile werden auch heiß gepresst.
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Aus
DE 2915412 C2 ist
ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus faserverstärktem Metallwerkstoff
bekannt, bei dem in einen Hohlraum ein vorgefertigtes Röhrchen eingesetzt
wird, dass mit zu einander parallelen einzelnen Fasern gefüllt ist.
Aber auch bei diesem bekannten Verfahren besteht der Nachteil darin,
dass der mit den fasergefüllten
Röhrchen
versehene Formkörper
beim heiß-isostatisches
Pressvorgang relativ starken Schrumpfungen ausgesetzt ist.
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Aus
EP 0997549 A1 ist
ein Verfahren bekannt um langfaserverstärkte Bauteile zu schaffen,
bei dem sich das Bauteil ohne nennenswerte Nachbehandlung kontur-
und formstabil fertigen lässt.
Nachteil dieser Erfindung ist das hier spezielle Hohlräume durch
Erodieren oder chemisches oder mechanisches Bohren von außen in das
Bauteil eingebracht werden. Auch dieses Verfahren verwendet das
heiß-isostatische
Pressen.
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Nach
dem Stand der Technik werden Verstärkungsfasern (z.B. SiC) mit
einem Matrixmetall (z.B. Ti-6Al-4V) beschichtet, in einer Metallhülse verkapselt
und durch heiß-isostatisches
Pressen konsolidiert.
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Während der
Konsolidierung der matrixbeschichteten Fasern zum Verbundwerkstoff
tritt beim heißen Pressen
naturgemäß eine Volumenreduktion
auf. Diese führt
zu einem Verzug und einer Schwindung des Bauteils. Infolgedessen
kann es auch zu Defekten und Brüchen
der Verstärkungsfasern
kommen, d.h. die Fasern im System werden wellig und brechen oder
knicken aus. Zudem bauen sich aufgrund der hohen Temperaturen thermische
Eigenspannungen auf, die die Belastbarkeit des fertigen Werkstoffes
reduzieren können.
Weiterhin zeichnet sich der Stand der Technik durch viele Verfahrenschritte
aus, die zu hohen Kosten führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Verbundwerkstoff bereitzustellen,
der mechanisch äußerst hohe
Festigkeiten aufweist und während
der Herstellung keine Schwindung oder Schrumpfung erfährt. Aufgrund
geringerer fertigungsbedingter Eigenspannungen sollen zudem einige
Eigenschaften dieses neuen Werkstoffs besser als die konventionell
hergestellter Werkstoffe sein.
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In
einer ersten Ausführungsform
wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch
einen Verbundwerkstoff mit keramischen oder Kohlenstofffasern die
mit einer metallischen Beschichtung versehen sind und in einer metallischen
Matrix eingebettet sind, die einen mindestens 100°C niedrigeren
Schmelzpunkt als die Beschichtung aufweist wobei das Volumenverhältnis der
Beschichtung zur Matrix größer 0,5,
insbesondere größer 1 ist.
Sollte die Dicke und der Volumenanteil der Schicht zu gering sein,
so wandelt sich diese durch Diffusionsvorgänge komplett in intermetallische
Phasen um. Das Faserbeschichtungsmaterial hat hier lasttragende
Eigenschaften und das Infiltrierungsmaterial (Matrix) wird hier
hauptsächlich
zur Lasteinleitung verwendet.
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Beim
Stand der Technik werden mit einem hochschmelzenden Metall beschichtete
Fasern durch Temperatur und Druck zu einem kompakten Werkstoff verpresst.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das hochschmelzende Metall der
Beschichtung mittels eines niedrigschmelzenderen Infiltrationsmaterials
(Matrix) ähnlich
dem Hartlöten
miteinander verbunden; hierbei infiltriert das Matrixmaterial die
mit einem hochschmelzenden Metall beschichteten Fasern. Ein Querschnitt
des erhaltenen Verbundwerkstoffes ist 1 zu entnehmen. Hierbei
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Beschichtung einen
mindestens 300°C
höheren
Schmelzpunkt als die metallische Matrix (das Infiltrationsmaterial)
besitzt. Diese Temperaturdifferenz hat zur Folge, dass das hochschmelzende
Material allenfalls weich wird und sich nicht komplett mit dem niedrigschmelzenden
Material vermischt. Erfindungsgemäß werden hierbei die Faserzwischenhohlräume durch
das Matrixmaterial ausgefüllt.
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Vorteilhafterweise
bestehen die keramischen Fasern aus einem Material, das ein Oxid
oder ein Carbid sein kann. Bewährt
haben sich hierbei die Aluminiumoxide oder Siliziumcarbide (SiC).
Diese keramischen Fasern sind im Handel erhältlich. Handelsübliche Diamantfasern,
Kohlenstofffasern und Borfasern sind auch denkbar. Verwendbar sind
auch Aluminiumsilicatfasern, wie sie in
US-A-4,047,965 , oder Aluminiumborsilicatfasern
wie sie in
US-A-3,795,524 beschrieben
sind. Diese eingesetzten Fasern haben den Vorteil den Verbundwerkstoff
zu verstärken.
Nitride als eingesetzte Fasern sind, obwohl möglich, eher untypisch.
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Diese
eingesetzten Fasern haben in der Regel vorzugsweise einen Durchmesser
in einem Bereich von 50 bis 300 μm.
Besonders bevorzugt haben diese einen Durchmesser von 70 bis 170 μm, insbesondere 90
bis 150 μm.
Zu dünne
Fasern sind unwirtschaftlich, da hier die Metallbeschichtung zu
teuer ist und die Beschichtung in der Regel nicht gleichmäßig erfolgen
kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die eingesetzten Fasern des Verbundwerkstoffs kontinuierlich. „Kontinuierliche
Faser" bezeichnet
eine Faser mit einer Länge,
die im Vergleich zum durchschnittlichen Faserdurchmesser relativ
unbegrenzt ist (Endlosfaser). Für
gewöhnlich
bedeutet dies, dass die Faser ein Aspektverhältnis (d.h. Verhältnis der
Länge der
Faser zum durchschnittlichen Durchmesser der Faser) von mindestens 1 × 105, vorzugsweise mindestens etwa 1 × 106 und insbesondere mindestens etwa 1 × 107 hat. Für
gewöhnlich haben
solche Fasern eine Länge
in der Größenordnung
von etwa 50 Metern und können
sogar Längen
in Größenordnung
von Kilometern haben und für
Artikel von weniger als 50 Meter Länge, ist die Länge der
Fasern gewöhnlich
die Länge
des Verbundwerkstoffs. Die Länge
der einzelnen Fasern kann jedoch innerhalb dieser Angaben variieren.
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Das
Beschichtungsmaterial für
die Faser enthält
vorteilhafterweise Titan oder seine Legierungen. Möglich sind
auch Kupfer, Eisen, Nickel und ihre Legierungen, geeignet haben
sich auch Aluminidverbindungen, insbesondere auf der Basis von TiAl
und NiAl. Geeignete Beschichtungen sind hier beispielsweise Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
oder Ti-6Al-4V. Dieses Beschichtungsmaterial wird vorzugsweise mittels
Magnetronsputtern oder Elektronenstrahl-Verdampfung (EB-PVD) auf
die Faser aufgebracht. Das Beschichtungsmaterial sollte ein hochschmelzendes
Material oder eine Legierung hieraus sein mit einem Schmelzpunkt
von mindestens 900°C,
insbesondere mindestens von 1300°C.
Die Schichtdicke der Beschichtung sollte vorteilhafterweise im Bereich
von 3 bis 60 μm
liegen, insbesondere im Bereich von 5 bis 35 μm. Kleinere Schichtdicken sind
eher sinnlos, da diese komplett intermetallische Phasen mit der
Matrix bilden und somit nicht mehr als lasttragende Beschichtung
agieren. Die Hauptbelastung bei äußerer Einwirkung
geht über
die Kombination Faser/Beschichtung, die Matrix trägt hierzu
wenig bei.
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Als
metallische Matrix oder Infiltrationsmaterial eignen sich niedrigschmelzende
Metalle und ihre Legierungen auf der Basis von Cu, Sn, Ag, Ni, Al
oder Ti. Mit niedrigschmelzenden Metallen und ihren Legierungen
sind solche gemeint, die einen Schmelzpunkt von höchstens
1400°C,
insbesondere höchstens
von 1000°C,
vorzugsweise höchstens
900°C aufweisen.
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Vorteilhaft
ist es für
den Verbundwerkstoff, wenn zwischen dem metallischen Beschichtungsmaterial und
dem metallischen Infiltrationsmaterial eine intermetallische Diffusionsschicht
entsteht. Eine intermetallische Diffusionsschicht lässt auf
eine sehr gute Anbindung zwischen dem Matrixmaterial und der Beschichtungsschicht
schließen.
Der Schmelzpunkt der Diffusionsschicht ist in der Regel höher als
der des Matrixmaterials. Vorteilhafterweise können die Diffusionsschichten
auch zusammenwachsen, was dem Verbundwerkstoff eine höhere Stabilität verleiht.
Jedoch sollten zu dicke Diffusionsschichten vermieden werden, da
sonst die Gefahr von Rissausbreitung größer wird. Daher können bei
erfindungsgemäßer Ausführung eines
Verbundwerkstoffes mindestens mit dem Stand der Technik vergleichbare
Eigenschaften erreicht werden, ohne den verfahrenstechnischen Restriktionen
des Standes der Technik zu unterliegen. Siehe auch 1, 3 und 5.
Die Dicke der Faserbeschichtung ist im Querschnitt beim Infiltrieren
konstant, während
sie beim heiß-isostatischen
Pressen eine eiförmige
bzw. hexagonale Struktur annimmt. Dies führt zu Inhomogenitäten, was
sich auf die Festigkeit auswirkt.
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Um
Beschädigungen
der Faser während
des Handlings und durch Reaktionen mit dem Matrixmaterial zu vermeiden,
können
die Fasern mit einer 0,05 μm
bis zu 10 μm
dicken Zwischenschicht insbesondere aus Kohlenstoff, Titanboriden
oder Titannitriden versehen sein. Weiterhin vorteilhaft ist eine
Dicke von 0,5 μm
bis zu 5 μm.
Ferner hat die Zwischenschicht die Funktion eines Haftvermittlers
zum Beschichtungsmaterial. Die Zwischenschicht dient ferner der
definierten Lastübertragung
vom Metall auf die Faser und ist insbesondere bei Mikrorissen im
Metall von Vorteil.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Maximum der Schichtdicke
der hochschmelzenden Beschichtung im Querschnitt senkrecht zur Faserrichtung
vom Minimum der Schichtdicke der hochschmelzenden Beschichtung höchstens
um 25%, insbesondere höchstens
um 10% abweicht.
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Vorteilhafterweise
liegt das Volumenverhältnis
der Faser zum hoch-schmelzendem Beschichtungsmaterial in einem Bereich
von, 0,5:1 bis 5:1.
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Eine
wesentliche Neuheit ist, dass die Konsolidierung dieses neuen Werkstoffes
drucklos erfolgt. Dies hat zum Vorteil, dass die niedrigere Herstelltemperatur,
hier 780°C,
gegenüber
dem heiß-isostatischen
Pressen (T~950°C)
in niedrigeren Eigenspannungen resultiert und somit bessere mechanische
Eigenschaften ergibt. Komplexere Bauteile können einfach verstärkt werden.
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Hervorzuheben
ist, dass die Fasern sich an sich nicht berühren; nur die Beschichtung
der Fasern ist benachbart, bzw. kann sich berühren. Dies hat den Vorteil,
dass von außen
wirkende Kräfte
besser verteilt werden können
und die Gefahr von Faserbrüchen
reduziert ist.
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Vorteilhafterweise
ist das Volumen des Matrixmaterials geringer ist als das doppelte
Volumen des Beschichtungsmaterials, insbesondere das Volumenverhältnis von
Matrixmaterial zu Beschichtungsmaterial liegt in einem Bereich von
0,1:1 bis 1,5:1.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes
gelöst,
indem kontinuierliche metallbeschichtete keramische oder kohlenstoffhaltige
Fasern mit einer Schmelze infiltriert werden, die eine Temperatur
unterhalb des Schmelzpunktes des Beschichtungsmaterials aufweist,
wobei man kontinuierlich metallbeschichtete Verstärkungsfasern
in eine Monolage anordnet, eine metallische Folie oder metallisches
Pulver auf die Monolage auflegt und durch Schmelzen der Folie oder
des Pulvers die Fasern der Monolage konsolidiert. Vorzugsweise findet
dieses Verfahren drucklos statt. Durch ein druckloses Verfahren
kann ein Verbundwerkstoff hergestellt werden, der mechanisch äußerst hohe Festigkeiten
aufweist, jedoch während
der Herstellung keine Schwindung erfährt.
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Dieses
Verfahren hat folgende Vorteile: Die niedrigere Herstelltemperatur
resultiert in niedrigeren Eigenspannungen und ergibt somit bessere
mechanische Eigenschaften. Komplexere Bauteile können einfach verstärkt werden.
Abhängig
vom Bauteil können
einige Verfahrensschritte eingespart werden. Während der Konsolidierung ergibt
sich durch die drucklose Herstellung kein Verschieben von Fasern
und weniger Fasern brechen bei der Herstellung. Mit Hilfe des Verfahrens
können
dünnere
Matrixschichten auf den Fasern realisiert werden, was zu Kosteneinsparung
und höheren
Faservolumengehalten führt.
Die Formgenauigkeit des Verbundwerkstoffes und die Möglichkeit
zur Realisierung komplexer Geometrien werden mit diesem Verfahren erhöht.
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Das
Verfahren wird anhand 3 verdeutlicht. Nach dem Beschichten
mit der hochschmelzenden Metalllegierung wurde die Faser (10)
geschnitten, gebündelt
und in eine Hülse
(20) aus der gleichen Metalllegierung eingebracht. Hiernach
wurde auf die Hülse
(20) ein Trichter (30) aufgesetzt, der mit einigen
Stücken einer
Ag-Cu-Sn Legierung mit einem einen Schmelzbereich von 600 bis 730°C befüllt wurde.
Die so vorbereiteten Proben wurden unter Hochvakuum auf 780°C erhitzt
und die Temperatur für
30 min gehalten. Das Infiltrationsmaterial (40) schmilzt
und infiltriert die matrixbeschichteten Fasern (10). Der
Infiltrationsprozess wird durch die Schwerkraft und die Kapillarkräfte zwischen
den Fasern begünstigt.
Nach dem Abkühlen
des Ofens wurden die Proben entnommen und das Material der Titankapsel
weiter zur gewünschten
Geometrie (50) bearbeitet.
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Sollen
komplexe Bauteile hergestellt werden, kann es von Vorteil sein,
zunächst
so genannte Monotapes als Zwischenprodukte herzustellen. Dies sind
Bänder
aus nebeneinander fixierten matrixbeschichteten Fasern. Diese Fixierung
kann ebenfalls durch niedrigschmelzendere Metalle erfolgen. Ein
Verfahren zur Herstellung dieser Monotapes ist in 7 zu
sehen. Das niedrigschmelzendere Metall ermöglicht eine gewisse Flexibilität der Bänder und
verbessert zugleich die Benetzung mit niedrigschmelzenderem Metall
bei der weiteren Verarbeitung.
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Hierbei
bestehen die Monotapes aus metallbeschichteten Fasern die mit einem
metallischen Beschichtungsmaterial vorteilhafterweise mindestens
4 μm beschichtet
sind und mit einem weiteren Infiltrationsmaterial aus Metall oder
einer metallischen Legierung verbunden sind, wobei die Verstärkungsfasern
in einer Monolage angeordnet sind, wobei zwischen dem Beschichtungsmaterial
und dem Infiltrationsmaterial eine intermetallische Diffusionsschicht
existieren kann (siehe auch 4 und 5).
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Vorteilhafterweise
kann ein Monotape derart hergestellt werden, dass die kontinuierlichen
metallbeschichteten Verstärkungsfasern
in einer Monolage angeordnet, eine metallische Folie auf die Monolage
gelegt und die Folie derart geschmolzen wird, dass die Monolage
infiltriert. Ein Monotape hat einen flexiblen Anwendungsbereich;
so können
unter anderen monolagige Verbundwerkstoffe durch eine Flexibilität an die
gewünschte
Form angepasst werden. Weiterhin können monolagige oder multilagige
Verbundwerkstoffe gestapelt werden und diese wiederum in einer Schmelze
infiltriert werden oder verpresst werden. Hierbei sind unterschiedliche
Orientierungen der Fasern möglich.
Die unidirektionale Orientierung der Fasern hat zum Vorteil, dass
eine Raumrichtung des Verbundwerkstoffs seine besonderen Zugeigenschaften
hat. Eine bidirektionale Stapelung, z.B. Nutzung eines 90°-Winkel oder
gar die Stapelung eines 60°-Winkels
ermöglicht
es, die Zugeigenschaften des Verbundwerkstoff in zwei oder mehr
Raumrichtungen zu steuern.
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6 zeigt
das Herstellverfahren zur Herstellung flächiger Halbzeuge. Die Faser
(10') ist
mit der Beschichtung (20')
versehen. Diese beschichteten Fasern werden zwischen zwei Metallfolien
(20) aus demselben Material wie dem Beschichtungsmaterial
oder einem anderen möglichen
Material wie z.B. Titan und seinen Legierungen angeordnet. Zwischen
den beschichteten Fasern und den Folien werden zusätzlich Folien
aus dem Infiltrationsmaterial (40') angeordnet. Dieser Aufbau wird
jetzt wiederum im Vakuum aufgeheizt, so dass das Infiltrationsmaterial
aufschmilzt und den Werkstoff konsolidiert (Bild unten). Es entspricht
auch dem erfindungsgemäßen Verfahren,
wenn anstatt der Folien aus dem Infiltrationsmaterial Pulver oder
eine pastenförmige
Suspension aus dem Infiltrationsmaterial und einem flüssigen Binder
verwendet wird. Weiterhin können auch
mehr als eine Faserlage und mehr als zwei Folienlagen in einem Arbeitsschritt
verarbeitet werden.
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In
einer Variante dieser Ausführungsform
können
auch Folien aus einem hochschmelzendem Metall verwendet werden,
die mit dem Infiltrationsmaterial bereits beschichtet sind. In diesem
Fall kann die weitere Zugabe von Infiltrationsmaterial entfallen.
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Zur
Weiterverarbeitung von matrixbeschichteten Fasern kann es hilfreich
sein, aus diesen Bänder (Monotapes)
herzustellen, die im Weiteren gewickelt, geschichtet oder verpresst
werden können. 7 dient hier
der Erläuterung.
Zur Herstellung dieser Bänder
wird vorgeschlagen, mittels einer Vorrichtung die matrixbeschichteten
Fasern (10')
und (20')
zueinander anzuordnen und Infiltrationsmaterial (40'') in Form von Folien, eines Drahtes,
eines Pulvers oder einer pastenförmigen
Suspension hinzuzugeben. Nach dem Aufheizen im Hochvakuum erhält man ein
Band für
die Weiterverarbeitung. Dieses kann durch Pressen verdichtet werden oder
der Verbundwerkstoff wird durch Zugabe von weiterem Infiltrationsmaterial
druckfrei konsolidiert.
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Beim
Herstellen des Verbundwerkstoffes werden die Fasern mit einer hochschmelzenden
Beschichtung einer Schichtdicke von mindestens 5 um mit
einem geschmolzenen niedrigschmelzendem Infiltrationsmaterial im
wesentlichen drucklos infiltriert oder die Metallbänder unter
Erwärmung
auf eine Temperatur über
dem Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Infiltrationsmaterials
verpresst.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Aufgabe durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen im
Triebwerks- und Fahrzeugkomponentenbau in der Luft- und Raumfahrt,
im Motorenbau für
den Automobilbereich und im chemischen Anlagenbau gelöst. Hierbei
kann der Verbundwerkstoff in hochbelasteten Bauteilen bei Temperaturen
im Bereich von 100 bis 600°C
eingesetzt werden. Ferner ist der Verbundwerkstoff oxidationsbeständig bis
550°C. Der
Verbundwerkstoff weist ähnliche
Chemikalienbeständigkeiten
wie reines Titan auf.
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Figurenbeschreibung:
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1 zeigt
eine Querschliff-Probe eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes. Erkennbar
ist hierbei die Faser enthaltend SiC, die mit einer Zwischenschicht
aus Kohlenstoff beschichtet ist, umgeben von der hochschmelzenden
titanhaltigen Beschichtung, eingebettet in eine niedrigschmelzende
Metallmatrix enthaltend Ag-Cu-Sn.
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2 zeigt
einen Zugversuch von drei Proben, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt worden sind. Probe 1 (Quadrate) hat eine Ti-haltige
Beschichtung von 5 μm,
Probe 2 (Kreise) hat eine Ti-haltige Beschichtung von 34 μm und Probe
3 (Kreuze) hat keine Ti-Beschichtung.
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3 zeigt
das Herstellverfahren des Verbundwerkstoffes.
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4 zeigt
eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschliffs
von Probe 1 (Ti-haltige Beschichtung von 5 μm). Das Kupfer aus dem Infiltrationsmaterial
ist in die gesamte Titanschicht hinein diffundiert und hat spröde intermetallische
Phasen gebildet.
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5 zeigt
eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschliffs
von Probe 2 (Ti-haltige Beschichtung von 34 μm). Es bildet sich zwischen
dem Matrixmaterial und dem Beschichtungsmaterial eine Diffusionsschicht.
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6 zeigt
eine Möglichkeit
zur Herstellung eines flächigen
Verbundwerkstoffs
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7 zeigt
eine weitere Möglichkeit
zur Herstellung eines flexiblen Monotapes (monolagiger Verbundwerkstoff)
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Ausführungsbeispiele:
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Ausführungsbeispiel
1:
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Es
wurde eine SiC-Faser vom Typ SCS-6 der Fa. Specialty Materials,
USA verwendet. Diese Faser hatte einen Durchmesser von 142 μm und war
an der Oberflache mit einer 3 μm
dicken Kohlenstoffschicht versehen, um Beschädigungen des SiC während des
Handlings und durch Reaktionen mit dem Matrixmaterial zu verhindern.
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Diese
Faser wurde zunächst
mit der Titanlegierung Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Gew.-%, Schmelzpunkt: 1705°C) mittels
Magnetronsputtern (EB-PVD) beschichtet. Es wurden Schichtdicken
von 5 μm
(Probe 1) bzw. 34 μm
(Probe 2) auf der Faser aufgebracht. Das Verfahren wird anhand 3 verdeutlicht.
Nachdem Beschichten wurde die Faser (10) in Längen von
70 mm geschnitten gebündelt
und in eine Hülse
(20) aus der gleichen Titanlegierung eingebracht. Die Hülse (20)
hatte einen Durchmesser von 10 mm außen und 3,5 mm innen. Hiernach
wurde auf die Hülse
(20) ein Trichter (30) aufgesetzt, der mit einigen
Stücken 1,5
mm dickem Draht (40) mit einer nominalen Zusammensetzung
von 60% Ag, 30% Cu und 10% Sn befüllt wurde. Dieser Werkstoff
war als Hartlot für
Sonderlegierungen vorgesehen und wird von der Fa. Brazetec, D unter
dem Namen BrazeTec® 6009 vertrieben. Diese
Legierung wies einen Schmelzbereich von 600 bis 730°C auf. Die
so vorbereiteten Proben wurden unter Hochvakuum auf 780°C erhitzt
und die Temperatur für
30 min gehalten. Das Infiltrationsmaterial (40) schmolz
und infiltrierte die matrixbeschichteten Fasern (10). Der
Infiltrationsprozess wurde durch die Schwerkraft und die Kapillarkräfte zwischen
den Fasern begünstigt.
Nach dem Abkühlen des
Ofens wurden die Proben entnommen und das Material der Titankapsel
zu einer Rundprobe bearbeitet.
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Die
so hergestellten Rundproben wurden auf einer servohydraulischen
Zugprüfmaschine
geprüft.
Zusätzlich
zu den nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Proben wurden
als Referenz noch Proben mit Fasern ohne Titanbeschichtung (Probe
3) nach den gleichen Verfahren hergestellt. Als zweite Referenz diente
eine Probe (Probe 4), die nach dem Stand der Technik mittels heiß-isostatischem
Pressen hergestellt wurde. Die Ergebnisse der Zugversuche sind in
Tabelle 1 aufgetragen. Tabelle 1: Zusammensetzung der hergestellten
Zugproben und Ergebnisse der Zugversuche. Der Gehalt der Titanlegierung
setzt sich zusammen aus dem Gehalt des Materials der matrixbeschichteten
Fasern und dem Anteil des Kapselmaterials, das nach der Probeherstellung
im Prüfquerschnitt
verbleibt.
| Proben-Nr. | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Dicke
der Probe [mm] | 3,999 | 4,022 | 4,015 | 3,5 |
| Dicke
d. Titanschicht [μm] | 5 | 34 | 0 | 34 |
| Faservolumengehalt
[%] | 47 | 25 | 50 | 25 |
| Titanleg.-Volumengehalt
[%] | 31 | 53 | 23 | 75 |
| Infiltrations-Volumengehalt
[%] | 22 | 22 | 27 | 0 |
| E-Modul
[GPa] | 366 | 171 | 296 | 161 |
| Zugfestigkeit
Rm [MPa] | 1086 | 1690 | 934 | 1570 |
| 0,2%
Dehngrenze [MPa] | 1047 | 1644 | 795 | 1320 |
| Bruchdehnung AB[%] | 0,77 | 1,21 | 0,66 | 1,20 |
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Bei
Betrachtung der Ergebnisse, siehe auch 2, fällt auf,
dass trotz des geringen Faservolumengehaltes die Probe 2 die höchste Festigkeit
aufweist. Es werden sogar die Festigkeit und Steifigkeit der nach dem
Stand der Technik hergestellten Probe 4 um 7,6% bezogen auf die
Zugfestigkeit Rm bzw. 6,2% bezogen auf den E-Modul übertroffen.
Die trotz der hohen Faservolumengehalte geringen Festigkeiten der
Proben 1 und 3 können
erklärt
werden durch die Interaktionen zwischen den Metallen und den Fasern. 4 zeigt
eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschliffes
von Probe 1. Es zeigen sich einige Risse in der auf die Faser aufgesputterten
Titanlegierungsschicht. Die energiedispersive Röntgenspektrometrie (EDX) zeigt,
dass das Kupfer aus dem Infiltrationsmaterial in die gesamte Titanschicht
hinein diffundiert ist und sich dort eine spröde intermetallische Phase gebildet
hat, die bereits bei der Probenherstellung rissig wurde. Bei Probe 3,
die keine zuvor aufgesputterte Titanschicht auf den Fasern aufweist,
liegt das Problem vor, dass das Infiltrationsmaterial die Fasern
nicht benetzt und daher keine Haftung vorliegt. Dies führt zu der
im Vergleich zu den anderen Proben sehr geringen Festigkeit.
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5 zeigt
einen Querschliff von Probe 2 in der rasterelektronenmikroskopischen
Aufnahme mit einer EDX-Analyse der unterschiedlichen Phasen. Es
zeigt sich, dass sich zwischen der Titanlegierung und dem Infiltrationsmaterial
Phasenregionen ausbilden, die sich in der Zusammensetzung und Ausdehnung
unterscheiden. Dies lässt
auf eine sehr gute Anbindung zwischen dem Matrixmaterial und dem
Infiltrationsmaterial schließen.
Andererseits hat sich durch die Kupferdiffusion nicht die gesamte
Titanschicht in eine TiyCux-Phase
umgewandelt, wie dies bei Probe 1 der Fall gewesen ist. Daher können bei
erfindungsgemäßer Ausführung eines Verbundwerkstoffes
mindestens mit dem Stand der Technik vergleichbare Eigenschaften
erreicht werden, ohne den verfahrenstechnischen Restriktionen des
Standes der Technik zu unterliegen.
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Ausführungsbeispiel
2:
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6 zeigt
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,
bei dem flächige
Halbzeuge hergestellt wurden. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wurde die SiC-Faser
(10') vom
Typ SCS-6 mit der Titanlegierung (20') beschichtet. Diese beschichteten
Fasern wurden zwischen zwei Titanfolien (20) aus der selben
oder einer anderen Titanlegierung angeordnet. Zwischen den beschichteten
Fasern und den Titanfolien wurden zusätzlich Folien aus dem Infiltrationsmaterial
(40') angeordnet.
Dieser Aufbau wurde jetzt wiederum im Vakuum aufgeheizt, so dass
das Infiltrationsmaterial aufschmolz und den Werkstoff konsolidierte
(6 unten).
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Ausführungsbeispiel
3:
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Zur
Weiterverarbeitung von matrixbeschichteten Fasern kann es hilfreich
sein, aus diesen Bänder
herzustellen, die im Weiteren gewickelt, geschichtet oder verpresst
werden konnten. 7 dient der Erläuterung dieses
Ausführungsbeispiels.
Zur Herstellung dieser Bänder
wurde vorgeschlagen, mittels einer Vorrichtung die matrixbeschichteten
Fasern 10' und 20' zueinander
anzuordnen und Infiltrationsmaterial 40' in Form einer Folien, eines Drahtes,
eines Pulvers oder einer pastenförmigen
Suspension hinzuzugeben. Nach dem Aufheizen im Hochvakuum erhielt
man ein Band für
die Weiterverarbeitung. Dieses konnte durch Pressen verdichtet werden
oder der Verbundwerkstoff wurde durch Zugabe von weiterem Infiltrationsmaterial
druckfrei konsolidiert.