DE102008023495A1 - Component for an aircraft structure, method for producing a component for an aircraft structure and use of the component as a crack stopper - Google Patents
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Abstract
Ein als Rissstopper oder Doppler für eine Flugzeugstruktur geeignetes Bauteil weist zumindest eine erste Decklage (3), die eine erste Hautoberfläche (5) des Bauteils (1) ausbildet, wobei die erste Decklage (3) im Wesentlichen Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, und einen Grundkörper (2) auf, der Titan oder eine Titanlegierung aufweist. Zur Herstellung des Bauteils (1) wird ein erstes Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung bereitgestellt und ein zweites Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Das erste Werkstück wird mit dem zweiten Werkstück durch Plattieren verbunden.A component suitable as a crack stopper or Doppler for an aircraft structure has at least one first cover layer (3) forming a first skin surface (5) of the component (1), wherein the first cover layer (3) comprises substantially aluminum or an aluminum alloy, and Base body (2) having titanium or a titanium alloy. To produce the component (1), a first workpiece made of titanium or a titanium alloy is provided and a second workpiece made of aluminum or an aluminum alloy. The first workpiece is connected to the second workpiece by plating.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Flugzeugstruktur, das beispielsweise als Rissstopper eingesetzt wird. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils.The Invention relates to a component for an aircraft structure, which is used for example as a crack stopper. It concerns Furthermore, a method for producing such a component.
Derzeit werden in hochbelasteten Bereichen, sogenannten „hot-spots”, einer Flugzeugstruktur Rissstopper aus Titan oder einer Titanlegierung eingesetzt. Rissstopper finden auch Anwendung an Verbindungsstellen zwischen Stringer und Spant oder zur Verstärkung von Verbindungsstellen als Doppler oder Strebe. Sie verbessern nachweislich die Festigkeit und die Strukturstabilität der Flugzeugstruktur und sind sowohl im Bereich der Oberschale als auch der Unterschale der Außenhaut einsetzbar. In Laborversuchen zeigten mit Rissstoppern oder Dopplern aus Titanwerkstoffen verbundene Stringer-Proben deutlich gesteigerte Lebensdauern zu den unverstärkten Stringern.Currently are used in highly polluted areas, so-called "hot spots", an aircraft structure crack stopper made of titanium or a titanium alloy used. Crackstops are also used at joints between stringer and frame or for reinforcement of joints as a doppler or strut. They demonstrably improve the strength and the structural stability of the aircraft structure and are both in the area of the upper shell and the lower shell of the outer skin used. In laboratory experiments showed with crack stoppers or Dopplers Titanium materials associated stringer samples significantly increased Lifetimes to the unreinforced stringers.
Die Rissstopper aus Titan oder einer Titanlegierung werden herkömmlicherweise mit der Flugzeugstruktur aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vernietet. Nachteilig ist dabei der hohe Aufwand für das Anbringen der Nieten. Insgesamt bedeutet das einen hohen Fertigungsaufwand für eine Flugzeugstruktur mit Rissstoppern.The Tear stopper made of titanium or a titanium alloy are conventionally with the aircraft structure of aluminum or an aluminum alloy riveted. The disadvantage here is the high cost of the Attaching the rivets. Overall, this means a high production cost for an aircraft structure with crack stoppers.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines als Rissstopper geeigneten Bauteils für eine Flugzeugstruktur anzugeben, das mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand anbringbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein als Rissstopper geeignetes Bauteil für eine Flugzeugstruktur anzugeben.task It is therefore the object of the present invention to provide a process for the preparation a suitable as a crack stopper component for an aircraft structure to be stated that with relatively little technical Expenditure is attachable. It is another task of the present Invention, a suitable as a crack stopper component for a Specify aircraft structure.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is solved according to the invention the subject of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Flugzeugstruktur mit zumindest einer ersten Decklage, die eine erste Hautoberfläche des Bauteils ausbildet, wobei die Decklage im Wesentlichen Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, und mit einem Grundkörper, der Titan oder eine Titanlegierung aufweist, weist folgende Schritte auf: Es wird ein erstes Werkstück aus Titan oder einer Titanlegierung bereitgestellt. Ferner wird ein zweites Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bereitgestellt. Das erste Werkstück wird mit dem zweiten Werkstück durch Plattieren verbunden.One inventive method for producing a Component for an aircraft structure with at least one first cover layer, which is a first skin surface of the component formed, wherein the cover layer is substantially aluminum or a Aluminum alloy, and having a base body, comprising titanium or a titanium alloy, has the following steps on: It will be a first piece of titanium or a Titanium alloy provided. Further, a second workpiece made of aluminum or an aluminum alloy. The first Workpiece goes through with the second workpiece Plating connected.
Unter einem Titanwerkstoff wird hier und im folgenden Titan oder eine Titanlegierung verstanden, in der Titan einen wesentlichen und/oder die Materialeigenschaften wesentlich bestimmenden Anteil hat. Unter einem Aluminiumwerkstoff wird analog Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verstanden, in der Aluminium einen wesentlichen und/oder die Materialeigenschaften wesentlich bestimmenden Anteil hat.Under a titanium material is here and in the following titanium or a Titanium alloy understood in the titanium a substantial and / or has the material properties significantly determining proportion. Under An aluminum material is analogous to aluminum or an aluminum alloy understood, in the aluminum, a material and / or the material properties has a significantly determinative share.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sollte die Vernietung des Bauteils mit der Flugzeugstruktur durch ein Verkleben ersetzt werden können. Ein Verkleben von Titan ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und im Flugzeugbau kein Standardprozess. Es erfordert eine verhältnismäßig umfangreiche Vorbereitung der zu verklebenden Oberflächen. Darüber hinaus liegen gegenwärtig noch zu wenige Erfahrungen mit der Alterung derartiger Klebestellen mit Titan vor, ein spontanes Versagen nach Alterung ist jedoch bekannt. Ein Einsatz derartiger Klebeverfahren für Titan im Flugzeugbau ist somit nicht möglich.a The basic idea of the invention according to the riveting of the component can be replaced with the aircraft structure by gluing. Bonding titanium, however, is relatively complicated and not a standard process in aircraft construction. It requires a relatively extensive preparation the surfaces to be bonded. Furthermore At present there are too few experiences with aging such splices with titanium before, a spontaneous failure after aging is known, however. A use of such adhesive methods for Titanium in aircraft is therefore not possible.
Andererseits sollte aber auch nicht auf den Einsatz von Titanwerkstoffen verzichtet werden, da diese durch ihre hohe Festigkeit als Rissstopper und Doppler besonders geeignet sind.on the other hand But should not be dispensed with the use of titanium materials because of their high strength as crack stopper and Doppler are particularly suitable.
Daher wird der den eigentlichen Rissstopper bildende Titanwerkstoff mit mindestens einer Decklage aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung versehen, so dass er über die Decklage mit der Flugzeugstruktur unter Nutzung standardmäßiger Klebeverfahren für Aluminiumwerkstoffe verklebt werden kann.Therefore is the the actual crack stopper forming titanium material with at least one cover layer made of aluminum or an aluminum alloy, so he is laying on the top layer with the aircraft structure underneath Use of standard bonding methods for Aluminum materials can be glued.
Für die Verbindung der Decklagen mit dem Grundkörper wird ein Plattierverfahren wie Walzplattieren oder Accumulative Roll Bonding eingesetzt. Wie sich herausgestellt hat, eignet sich das Plattieren sehr gut zur Verbindung der Decklagen mit dem Grundkörper.For the connection of the cover layers with the main body is a Plating methods such as roll cladding or accumulative roll bonding used. As it turns out, plating is very suitable good for connecting the cover layers with the base body.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass es an dem Bauteil eine Oberfläche bereitstellt, die durch Standardprozesse dauerhaft haltbar verklebt werden kann. Eine aufwendige Vorbehandlung der zu verklebenden Oberflächen ist nicht mehr notwendig. Andererseits ermöglicht die Verwendung des Titangrundkörpers eine hohe Festigkeit und Belastbarkeit des Bauteils.The inventive method has the advantage that it provides a surface on the component, the can be permanently bonded by standard processes. A elaborate pretreatment of the surfaces to be bonded is no longer necessary. On the other hand, the use allows of the titanium basic body a high strength and resilience of the component.
Da auf die Verwendung von Nieten verzichtet werden kann, ergibt sich darüber hinaus eine insbesondere im Flugzeugbau vorteilhafte Gewichtseinsparung.There can be dispensed with the use of rivets, results In addition, a particularly advantageous in aircraft Weight savings.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird ferner ein drittes Werkstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bereitgestellt zur Bildung einer zweiten Decklage, die eine zweite Hautoberfläche des Bauteils ausbildet. Das erste Werkstück wird dann zwischen dem zweiten und dem dritten Werkstück angeordnet und mit dem zweiten Werkstück und dem dritten Werkstück durch Plattieren verbunden.In one embodiment of the method, a third workpiece made of aluminum or an aluminum alloy is further provided to form a second cover layer having a second skin surface surface of the component. The first workpiece is then placed between the second and third workpiece and connected to the second workpiece and the third workpiece by plating.
Ein derartiges Bauteil kann auf zwei Seiten verklebt werden. Es ist auch denkbar, weitere Bereiche des Grundkörpers mit weiteren Decklagen aus Aluminiumwerkstoffen zu versehen. Da jedoch zum Verbinden Plattierverfahren eingesetzt werden, ist es besonders vorteilhaft, nur auf einer oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers Decklagen anzubringen. Die Grenzflächen zwischen den Werkstücken sind dann im Wesentlichen zueinander parallele Ebenen und die Werkstücke können besonders gut durch Plattieren miteinander verbunden werden.One Such component can be glued on two sides. It is also conceivable, other areas of the body with more Cover layers of aluminum materials to provide. However, to connect Plating methods are used, it is particularly advantageous only on one or two opposite sides of the Base body cover layers to install. The interfaces between the workpieces are then substantially parallel to each other Layers and the workpieces can be particularly good be joined together by plating.
Zum
Plattieren kann ein herkömmliches Walzplattierverfahren
eingesetzt werden oder auch ein Accumulative Roll Bonding-Prozess
(ARB), wie er beispielsweise aus
Beim ARB werden zwei Bänder aufeinander gelegt und durch Walzen miteinander verbunden. Anschließend wird das entstandene Band in zwei Hälften geteilt, die übereinander gelegt und wiederum miteinander durch Walzen verbunden werden. Dieses Vorgehen wird beliebig oft wiederholt. Auf diese Weise bildet sich ein Körper aus zahlreichen einzelnen Schichten und mit hoher Festigkeit aus.At the ARB two ribbons are placed on each other and by rolling connected with each other. Subsequently, the resulting Band split in half, one above the other placed and in turn connected to each other by rollers. This The procedure is repeated as often as desired. This is how it forms a body of numerous individual layers and with high strength.
Das ARB hat im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass verhältnismäßig gängige und preiswerte Materialien wie Titan Grade 2 verwendet werden können, die durch die Verarbeitung eine außerordentlich hohe Festigkeit erhalten.The ARB has with regard to the inventive method the advantage that relatively common and inexpensive materials such as titanium grade 2 can be used which by processing an extremely high strength receive.
In einer Ausführungsform werden vor dem ARB-Prozess die Oberflächen der einzelnen Schichten von Oxiden gereinigt, um eine gute Verbindung zu erzielen.In In one embodiment, prior to the ARB process, the surfaces become The individual layers of oxides are purified to make a good connection achieve.
Der ARB-Prozess wird beispielsweise bei einer Temperatur T1 mit 50°C ≤ T1 ≤ 250°C durchgeführt. Bei diesen Temperaturen ist der Titanwerkstoff ausreichend duktil, um gut verarbeitet zu werden, es tritt aber noch keine Rekristallisation auf.The ARB process is performed, for example, at a temperature T 1 of 50 ° C ≤ T 1 ≤ 250 ° C. At these temperatures, the titanium material is sufficiently ductile to be well processed, but recrystallization does not occur.
Das Plattieren zum Verbinden der Decklagen mit dem Grundkörper wird beispielsweise bei einer Temperatur T2 mit 15°C ≤ T2 ≤ 150°C durchgeführt. Die Temperatur wird ausreichend niedrig gewählt, damit der Aluminiumwerkstoff der Decklagen nicht so stark erweicht, dass er unkontrolliert vor den Walzen hergetrieben wird.The plating for bonding the cover layers to the base body is carried out, for example, at a temperature T 2 of 15 ° C ≤ T 2 ≤ 150 ° C. The temperature is chosen low enough so that the aluminum material of the cover layers does not soften so much that it is driven uncontrollably in front of the rollers.
Bevor die Werkstücke durch Plattieren miteinander verbunden werden, werden vorteilhafterweise ihre Oberflächen von Oxiden gereinigt. Dies erfolgt beispielsweise durch beizen und/oder bürsten. Eine derartige Reinigung erfolgt vorteilhafterweise auch bei den einzelnen miteinander zu verwalzenden Lagen beim ARB-Prozess.Before the workpieces are joined together by plating, Advantageously, their surfaces are cleaned of oxides. This is done, for example, by pickling and / or brushing. A Such cleaning is advantageously carried out in the individual layers to be rolled together in the ARB process.
Bei einem Verfahren zum Verbinden des Bauteils mit einer Flugzeugstruktur, die Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, erfolgt wie bereits beschrieben zunächst die Herstellung eines Bauteils. Anschließend wird das Bauteil mit seiner ersten Hautoberfläche und gegebenenfalls auch mit einer zweiten Hautoberfläche (Dopplern oder Stringern) mit der Flugzeugstruktur verklebt.at a method for connecting the component to an aircraft structure, which has aluminum or an aluminum alloy takes place as already first described the manufacture of a component. Subsequently becomes the component with its first skin surface and, where appropriate also with a second skin surface (Doppler or stringer) glued to the aircraft structure.
In einer Ausführungsform werden die erste Hautoberfläche und/oder die zweite Hautoberfläche und/oder mit der ersten Hautoberfläche und der zweiten Hautoberfläche zu verklebende Oberflächen der Flugzeugstruktur vor dem Verkleben oberflächenbehandelt. Diese Vorbehandlung der Oberflächen ist für das Verkleben von Aluminiumwerkstoffen miteinander bekannt und verhältnismäßig einfach durchzuführen.In an embodiment, the first skin surface and / or the second skin surface and / or with the first Skin surface and the second skin surface To be bonded surfaces of the aircraft structure before the Bonding surface treated. This pretreatment of Surfaces is for bonding aluminum materials known and proportionate easy to perform.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil für eine Flugzeugstruktur weist zumindest eine erste Decklage auf, die eine erste Hautoberfläche des Bauteils ausbildet. Die Decklage weist im Wesentlichen Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf. Ferner umfasst das Bauteil einen Grundkörper, der Titan oder eine Titanlegierung aufweist, wobei die erste Decklage mit dem Grundkörper durch Plattieren verbunden ist.One Component according to the invention for an aircraft structure has at least a first cover layer, which has a first skin surface of the component is formed. The cover layer essentially comprises aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, the component comprises a Basic body comprising titanium or a titanium alloy, wherein the first cover layer with the main body by plating connected is.
In einer Ausführungsform weist das Bauteil ferner eine zweite Decklage auf, die eine zweite Hautoberfläche des Bauteils ausbildet. Die zweite Decklage weist ebenfalls im Wesentlichen Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf.In In one embodiment, the component further comprises a second one Cover layer on which a second skin surface of the component formed. The second cover layer also essentially comprises aluminum or an aluminum alloy.
Typischerweise sind die erste und die zweite Hautoberfläche des Bauteils weitgehend parallel zueinander ausgebildet und beispielsweise weitgehend planar. In einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine Mehrzahl von Schichten auf, die im Wesentlichen parallel zu der ersten Hautoberfläche und gegebenenfalls der zweiten Hautoberfläche ausgerichtet sind. Derartige Schichten können in einem ARB-Prozess wie oben beschrieben entstanden sein. Dann sind die Schichten durch Plattieren miteinander verbunden und bestehen alle im Wesentlichen aus dem gleichen Material.typically, are the first and the second skin surface of the component formed largely parallel to each other and, for example, largely planar. In one embodiment, the base body a plurality of layers substantially parallel to the first skin surface and optionally the second Skin surface are aligned. Such layers can in an ARB process as described above. Then The layers are connected by plating and exist all essentially of the same material.
Das erfindungsgemäße Bauteil hat den Vorteil, dass es vorteilhaft als Rissstopper oder Doppler in einer Flugzeugstruktur verwendet werden kann. Es ermöglicht damit gleichzeitig den Einsatz von Titan als Material für Rissstopper und den Verzicht auf genietete Verbindungen, da die Hautoberflächen des Bauteils aus einem Aluminiumwerkstoff gut und mit Standardprozessen klebbar sind.The component according to the invention has the advantage that it is advantageous as a crack stopper or Doppler can be used in an aircraft structure. At the same time, it enables the use of titanium as a material for crack arrestors and the elimination of riveted connections, since the skin surfaces of the component made of an aluminum material can be bonded well and with standard processes.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigtin the Below is an embodiment of the invention based a drawing explained in more detail. It shows
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.Same Parts are identified in both figures with the same reference numerals.
Das
Bauteil
Die
Decklagen
Die
Dicke der Decklagen
Für
die Schichten
- 11
- Bauteilcomponent
- 22
- Grundkörperbody
- 33
- erste Decklagefirst topsheet
- 44
- zweite Decklagesecond topsheet
- 55
- erste Hautoberflächefirst skin surface
- 66
- zweite Hautoberflächesecond skin surface
- 77
- erste Grenzflächefirst interface
- 88th
- zweite Grenzflächesecond interface
- 99
- Schichtlayer
- 1010
- Oberflächesurface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - Saito et al: „Novel ultra-high straining process for bulk materials-development of the accumulative roll bonding (ARB) process”, Acta mater. Vol. 47, Nr. 2, Seiten 579 bis 583, 1999 [0016] - Saito et al: "Novel ultra-high straining process for bulk materials-development of the accumulative roll bonding (ARB) process", Acta mater. Vol. 47, No. 2, pages 579 to 583, 1999 [0016]
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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