DE10326818A1

DE10326818A1 - Verbundwerkstoff, Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE10326818A1
Application number: DE2003126818
Authority: DE
Inventors: Falko Dr. Heutling; Marcus Dr. Ziegler
Original assignee: DaimlerChrysler AG; MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-15
Filing date: 2003-06-15
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2023-06-16
Also published as: DE10326818B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, insbesondere eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs. DOLLAR A Mindestens eine vorzugsweise beschichtete Faser wird auf einen Formkörper aufgewickelt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die oder jede Faser auf einen torusartigen Formkörper unter Bewicklung durch mindestens einmalige Umschlingung seines Querschnitts mindestens einlagig aufgewickelt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs und die Verwendung desselben.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugzeugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugzeugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl sowie die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen eine entscheidende Rolle.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugzeugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugzeugtriebwerks geeignet.
Eine sehr vielversprechende Gruppe eines neuen Werkstoffs für künftige Generationen für Flugzeugtriebwerke sind sogenannte faserverstärkte Verbundwerkstoffe.
Moderne Verbundwerkstoffe verfügen über ein Trägermaterial, welches als eine Polymer-, eine Metall- oder eine Keramikmatrix ausgebildet sein kann, sowie über in das Trägermaterial eingebettete Fasern. Die hier vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei welchem das Trägermaterial als Metallmatrix ausgebildet ist. Einen derartigen Werkstoff bezeichnet man auch als Metallmatrix-Verbundwerkstoff-kurz MMC genannt. Bei hochfesten MMC-Werkstoffen, bei denen Titan als Trägermaterial zum Einsatz kommt, kann das Gewicht von Bauteilen um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Titanlegierungen reduziert werden. Als Verstärkungen werden Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul verwendet.
Um einen MMC-Werkstoff mit guten Materialkennwerten, insbesondere guter Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und Scherfestigkeit, zu erhalten, müssen die Fasern im Trägermaterial mit einem hohen Ordnungsgrad – d.h. möglichst gleichmäßig – angeordnet sein. Des weiteren muss die Anzahl der Defekte, also die Anzahl der Faserenden im Trägermaterial, möglichst niedrig gehalten werden. Der Ordnungsgrad der Fasern im Trägermaterial und die Anzahl an Faserenden im Trägermaterial sind die wichtigsten Parameter im Hinblick auf positive Werkstoffeigenschaften.

Aus dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Gruppen von Verfahren zur Herstellung von MMC-Werkstoffen bekannt. Die Verfahren der ersten Gruppe erreichen einen hohen Ordnungsgrad der Fasern, wobei jedoch eine hohe Anzahl an Faserenden im Trägermaterial in Kauf genommen wird. Die Verfahren der zweiten Gruppe minimieren die Anzahl der freien Faserenden im Trägermaterial, verzichten jedoch auf einen hohen Ordnungsgrad der Fasern. Als Stand der Technik wird verweisen auf EP 0 490 629 B1 und EP 0 909 825 B1 . Bislang ist kein Herstellverfahren für MMC-Werkstoffe bekannt, mit welchem sowohl ein hoher Ordnungsgrad der Fasern als auch eine Minimierung der Anzahl der freien Faserenden im Trägermaterial realisiert werden kann.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Verbundwerkstoff und ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die oder jede Faser auf einen torusartigen Formkörper unter Bewicklung durch mindestens einmalige Umschlingung seines Querschnitts mindestens einlagig aufgewickelt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einerseits einen hohen Ordnungsgrad der Fasern bei gleichzeitiger Minimierung von Faserenden im Trägermaterial. Es kombiniert demnach die Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, vermeidet jedoch die Nachteile derselben.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in die Oberfläche des torusartigen Formkörpers eine Führungsstruktur für die oder jede Faser eingebracht. Die Führungsstruktur ist insbesondere als eine Ausnehmung, insbesondere als eine Rille, mit einer definierten Steigung ausgebildet, derart, das eine Faser so um den torusartigen Formkörper wickelbar ist, dass benachbarte Faserabschnitte innerhalb einer Lage dicht aneinander liegen, einander berühren und eine Führung für eine auf dieser aufzuwickelnden zweiten Faserlage bilden.

Der erfindungemäße Verbundwerkstoff ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gekennzeichnet. Vorzugsweise ist die Faser mehrlagig um den torusartigen Formkörper gewickelt, wobei die Wickelrichtung für jede Lage gleich ist, wobei Faserabschnitte innerhalb einer Lage sowie Faserabschnitte benachbarter Lagen dicht aneinander liegen und einander berühren, und wobei von benachbarten Faserabschnitten einer Lage begrenzte Sicken den Faserabschnitten der benachbarten Lage als Führung dienen.

Die erfindungsgemäße Verwendung des Verbundwerkstoffs ergibt sich aus Patentanspruch 14.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1: einen torusartigen Formkörper.
Bei der Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs (MMC-Werkstoffs) wird mindestens eine vorzugsweise beschichtete Faser auf einen Formkörper aufgewickelt, wobei anschließend der mit der oder jeder Faser bewickelte Formkörper vorzugsweise durch heißisostatisches Pressen kompaktiert wird. Bei den Fasern handelt es sich, wie bereits erwähnt, vorzugsweise um beschichtete Fasern. Die Beschichtung der Fasern erfolgt zuerst mit Kohlenstoff, um Reaktionen zwischen der Faser und dem Matrixmaterial bei der Verarbeitung zu vermeiden. Weiterhin ist die Beschichtung der Fasern mit einer Titan-Legierung möglich, was üblicherweise durch Abscheidung aus einer Gasphase erfolgt. Die so beschichteten Fasern werden dann auf den Formkörper aufgewickelt. Der so gebildete Faserring wird dann durch heißisostatisches Pressen kompaktiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch unbeschichtete Fasern verwendet werden können. So kann zum Beispiel eine keramische Faser zusammen mit einer metallischen Faser aus Matrixmaterial um den Formkörper gewickelt werden. Auch ist es möglich, eine oder mehrere unbeschichtete Fasern um den Formkörper zu wickeln und dieselben beim Aufwickeln z. B. durch Aufspritzen mit Matrixmaterial zu beschichten.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie den Verfahrensschritt des Aufwickelns der oder jeder beschichteten Faser auf den Formkörper. Im Sinne der Erfindung wird als Formkörper ein Torus verwendet. Ein derartiger torusartiger Formkörper 10 ist in 1 gezeigt.
Bevor nun die vorzugsweise beschichtete Faser auf den torusartigen Formkörper aufgewickelt wird, wird nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in eine Oberfläche 11 des Torus 10 eine Führungsstruktur für die Faser eingebracht. Bei dieser Führungsstruktur handelt es sich um eine Ausnehmung bzw. eine Rille mit einer definierten Steigung, die in die Oberfläche 11 helixartig eingebracht wird. Die Ausnehmung bzw. Rille kann zum Beispiel durch Schneiden oder ein anderes Verfahren in die Oberfläche 11 des Torus 10 eingebracht werden.
Die Steigung sowie Dicke der Rille sind einerseits an die geometrischen Maße des Torus 10 und andererseits an die Dicke der aufzuwickelnden Faser angepasst. Die Rille bzw. Ausnehmung ist dabei derart in die Oberfläche 11 des Torus 10 eingebracht, dass die Faser derart um den torusartigen Formkörper wickelbar ist, dass nach dem Aufwickeln einer ersten Faserlage die Oberfläche 11 des torusartigen Formkörpers allseitig von der Faser bedeckt ist. Die Faser 10 wird hierbei helixartig oder spulenartig um den Torus 10 gewickelt. Mit anderen Worten ausgedrückt, bedeutet dies, dass die Faser so um den Torus 10 wickelbar ist, dass benachbarte Faserabschnitte der Faser innerhalb einer Lage dicht aneinander liegen sowie einander berühren.
Die Steigung der als Rille ausgebildeten Führungsstruktur ist vorzugsweise groß. Bei Bewicklung des Torus entlang seines Umfangs wird der Querschnitt des Torus mindestens einmal umschlungen. Zur Erzeugung einer ersten Faserlage, welche die Oberfläche den Torus allseitig bedeckt, muss demnach die Faser mehrfach entlang des Torusumfangs um denselben gewickelt werden, wobei bei jeder Umschlingung des Umfangs der Querschnitt des Torus mindestens einmal umschlungen wird.
Die einander berührenden sowie im Querschnitt vorzugsweise kreisrunden oder auch hexagonalen Fasern einer Lage begrenzen Sicken, die für eine auf diese Lage aufzuwickelnde, weitere Faserlage eine Führung bilden. Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, eine beschichtete Faser mehrlagig um den torusartigen Formkörper zu wickeln. Eine erste Lager der Faser wird unmittelbar auf die Oberfläche 11 des Torus 10 gewickelt, wobei die Wicklung durch die in die Oberfläche 11 eingebrachte Rille bestimmt wird. Auf diese erste Lage wird mindestens eine weitere, zweite Lage aufgewickelt, wobei die Wickelrichtung für beide Lagen sowie jede weitere Lage gleich ist. Die von den einander berührenden Faserabschnitten der ersten Lage begrenzten Sicken bilden die Führung für die Faserabschnitte der zweiten Lage, wodurch demnach für jede aufzuwickelnde Lage eine definierte Führung mit definierter Steigung vorgegeben wird. Daraus folgt mittelbar, dass ein sehr hoher Ordnungsgrad der Faser realisierbar ist. Des weiteren wird die Anzahl von Faserenden minimiert, da sämtliche Lagen mit einer einzigen Faser realisiert werden können. Es lässt sich eine ringförmige Struktur mit nahezu beliebigen Durchmessern des Querschnitts ohne Absetzen aus einer einzigen, hinreichend langen Faser erzeugen.
Es liegt demnach im Sinne des hier vorliegenden, erfindungsgemäßen Verfahrens, beim Aufwickeln der Faser auf den Formkörper als Formkörper einen Torus 10 zu verwenden. In den Torus 10 kann vor dem Aufwickeln der Faser eine entsprechende Führungsstruktur eingebracht werden.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die Faser auch auf einen Torus mit einer glatten Oberfläche gewickelt werden kann. Beim Wickeln der ersten Faserlage wird dieselbe dann vorzugsweise durch Kleben oder durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen, an der Oberfläche des Torus befestigt. Die erste Lage bildet dann wieder eine Führungsstruktur für die Faserabschnitte der zweiten Lage.
Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff verfügt demnach über ein Trägermaterial, welches durch den als Torus 10 ausgebildeten Formkörper bereitgestellt wird. Der Torus 10 weist vorzugsweise in seiner Oberfläche 11 eine Führungsstruktur für die Faser auf. Eine erste Lage der Faser ist unter Ausnutzung dieser Führungsstruktur, die als Rille ausgebildet ist, unmittelbar auf die Oberfläche 11 des Torus 10 gewickelt. Die Oberfläche 11 des Torus 10 ist dann allseitig von der Faser bedeckt, d.h. benachbarte Faserabschnitte innerhalb dieser ersten Lage liegen dicht aneinander bzw. berühren einander. Auf diese erste Lage ist mindestens eine weitere, zweite Lage aufgewickelt. Die Wickelrichtung ist für jede Lage gleich. Von benachbarten Faserabschnitten einer Lage begrenzte Sicken dienen Faserabschnitten der benachbarten Lage als Führung. Demnach liegen Faserabschnitte innerhalb einer Lage sowie Faserabschnitte benachbarter Lagen dicht aneinander.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines MMC-Werkstoff sowie mit dem erfindungsgemäßen MMC-Werkstoff lassen sich eine Vielzahl von Vorteilen erzielen. So kann die gesamte Struktur aus einer Faser ohne Unterbrechungen und Anstückeln erzeugt werden. Der lokale Ordnungsgrad der Faser ist immer dicht am idealen Hexagon. Etwaige Dickeschwankungen der Fasern werden ebenso wie ein möglicher lokaler Wickelfehler auf den Umfang des Torus verteilt und mitteln sich daher gegenseitig weg. Der innere Torus kann dabei aus beliebigen Materialien hergestellt sein, so z. B aus Titan, Titanlegierungen oder Keramik. Weiterhin ist von Vorteil, dass beim Kompaktieren durch heißisostatisches Pressen die Faser an keiner Stelle unter Zugspannung gesetzt wird. Eine Anisotropie des Werkstoffs lässt sich durch die Variation der Führungsstruktur, insbesondere des Winkels der Rille, ausgleichen.
Bevorzugt ist ein massiver Torus als Formkörper. Der innere Torus kann insbesondere auch hohl ausgeführt sein oder eine beliebige innere Struktur aufweisen. In dem Fall, in dem der Torus hohl ausgebildet ist, ist beim heißisostatischen Pressen für einen Druckausgleich zwischen dem Druck im Inneren des Torus und dem äußeren Druck zu sorgen.
Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff eignet sich insbesondere zur Verwendung als Werkstoff bei der Herstellung von Ringen oder Scheiben mit integraler Beschaufelung für Flugzeugtriebwerke, die auch als sogenannte Bladed Rings (Blings) oder Bladed Disks (Blisks) beizeichnet werden. Hierzu wird der durch heißisostatisches Pressen kompaktierte Faserring in eine Scheibe oder einen Ring mit anschließendem Fügen durch ebenfalls heißisostatisches Pressen eingesetzt. Der kompaktierte Faserring kann auch mittels Kraftschluss (Reibschluss) und/oder Formschluss in eine Scheibe oder einen Ring eingesetzt werden.

10: Torus
11: Oberfläche

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, insbesondere eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs, wobei mindestens eine vorzugsweise beschichtete Faser auf einen Formkörper aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Faser auf einen torusartigen Formkörper unter Bewicklung durch mindestens einmalige Umschlingung seines Querschnitts mindestens einlagig aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bewickelte Formkörper durch vorzugsweise heißisostatisches Pressen kompaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bewicklung des torusartigen Formkörpers in eine Oberfläche des torusartigen Formkörpers eine Führungsstruktur für die oder jede Faser eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des torusartigen Formkörpers eine Ausnehmung, insbesondere eine Rille, mit einer definierten Steigung eingebracht wird, derart, dass eine Faser derart um den torusartigen Formkörper wickelbar ist, dass nach dem Aufwickeln einer ersten Faserlage die Oberfläche des Formkörpers allseitig von der Faser bedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des torusartigen Formkörpers eine Ausnehmung, insbesondere eine Rille, mit einer definierten Steigung eingebracht wird, derart, das eine einzige Faser so um den torusartigen Formkörper wickelbar ist, dass benachbarte Faserabschnitte innerhalb einer Lage dicht aneinander liegen, einander berühren und eine Führung für eine auf dieser aufzuwickelnden zweiten Faserlage bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Faser auf einen torusartigen Formkörper mit einer glatten Oberfläche gewickelt wird, wobei beim Aufwickeln einer ersten Faserlage die oder jede Faser durch Kleben oder Schweißen am torusartigen Formkörper befestigt wird.
Verfahren nach einem oder mehren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser mehrlagig um den torusartigen Formkörper gewickelt wird, wobei die Wickelrichtung für jede Lage gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Faserabschnitte innerhalb einer Lage sowie Faserabschnitte benachbarter Lagen dicht aneinander liegen und einander berühren, wobei von benachbarten Faserabschnitten einer Lage begrenzte Sicken den Faserabschnitten der benachbarten Lage als Führung dienen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der torusartige Formkörper aus Titan, aus einer Titanlegierung oder aus einem Keramikwerkstoff gebildet ist.
Verbundwerkstoff, mit einem Trägermaterial und mit mindestens einer vorzugsweise beschichteten Faser, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial von einem torusartigen Formkörper gebildet ist, wobei die oder jede Faser auf den torusartigen Formkörper unter Bewicklung durch mindestens einmalige Umschlingung seines Querschnitts mindestens einlagig aufgewickelt ist. 1 1. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wobei der torusartige Formkörper eine Führungsstruktur für die oder jede Faser aufweist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des torusartigen Formkörpers eine Ausnehmung, insbesondere eine Rille, mit einer definierten Steigung aufweist, und dass eine Faser derart um den torusartigen Formkörper gewickelt ist, dass nach dem Aufwickeln einer ersten Faserlage die Oberfläche des Formkörpers allseitig von der Faser bedeckt ist.
Verbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser mehrlagig um den torusartigen Formkörper gewickelt ist, wobei die Wickelrichtung für jede Lage gleich ist, wobei Faserabschnitte innerhalb einer Lage sowie Faserabschnitte benachbarter Lagen dicht aneinander liegen und einander berühren, und wobei von benachbarten Faserabschnitten einer Lage begrenzte Sicken den Faserabschnitten der benachbarten Lage als Führung dienen.
Verwendung eines Verbundwerkstoffs nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, zur Herstellung von rotationssymmetrischen, ringförmigen oder scheibenförmigen Bauteilen mit integraler Beschaufelung, d.h. von sogenannten Bladed Rings (Blings) oder Bladed Disks (Blisks).