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Die
Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundwerkstoffs und die Verwendung desselben.
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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.
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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.
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Eine
sehr vielversprechende Gruppe eines neuen Werkstoffs für künftige Generationen
für Flugzeugtriebwerke
sind sogenannte faserverstärkte
Verbundwerkstoffe.
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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.
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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.
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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 verwiesen 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.
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Die
französische
Offenlegungsschrift
FR
2 713 663 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rotationssymmetrischen,
keramikfaserverstärkten Metallbauteilen,
sogenannten MMC-Bauteilen (Metal Matrix Composites). Hierzu wird
ein rotationssymmetrischer, vorzugsweise zylindrischer Metallkern
in der Weise mit Metalldraht und Keramikfaser(n) bewickelt, dass
benachbarte Keramikfaserwindungen durch Metall voneinander getrennt
sind. Ziel dabei ist, die Fasern allseitig in Matrixmetall einzubetten.
Wicklungsbedingt bilden die Fasern und Drähte auf dem Kern Schraubenlinien
mit minimaler axialer Steigung. Bei einer Umwicklung des Kerns entspricht
der axiale Versatz, d.h. die Steigung nur etwa dem ein- bis dreifachen
der Faser- bzw. Drahtdicke. Siehe hierzu insbesondere die
1. Anders ausgedrückt verläuft die
Faserorientierung weitestgehend in Umfangsrichtung des Kerns. Eine
solche Orientierung ist günstig für primär fliehkraftbelastete
Bauteile. Die Schrift nennt am Ende der Beschreibung Verdichtertrommeln
(tambours de compresseurs) als Anwendungsbeispiele.
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Die
europäische
Patentschrift
EP 0
490 629 B1 schützt
u.a. ein Verfahren zur Herstellung scheiben-, ring- oder zylinderförmiger Faserverbundbauteile
mit metallischer Matrix. Die Bauteile werden unter Hitze und Druck
(heißisostatisches
Pressen) aus scheiben- bzw. ringförmigen Vorformlingen gefügt, wobei
jeder Vorformling eine spiralförmige,
in einer Radialebene angeordnete Nut und mindestens eine Verstärkungsfaser
in der Nut aufweist. Siehe insbesondere
1 und
2.
Somit verläuft
die Faserorientierung in Umfangsrichtung mit zunehmendem Durchmesser
(Spirale). Auch diese Bauweise ist primär zur Aufnahme von Zentrifugallasten
vorgesehen.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde,
einen neuartigen Verbundwerkstoff und ein neuartiges Verfahren zur Herstellung
von Verbundwerkstoffen zu schaffen.
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Dieses
Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die
oder jede Faser auf einen torischen, d.h. 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.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in die Oberfläche des
torischen 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 torischen
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.
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Der
erfindungemäße Verbundwerkstoff
ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gekennzeichnet. Vorzugsweise
ist die Faser mehrlagig um den torischen 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.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
des Verbundwerkstoffs ergibt sich aus Patentanspruch 14.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1:
einen torischen Formkörper.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 10
- Torus
- 11
- Oberfläche