DE1527578A1 - Verfahren zur Herstellung von zusammengesetztem metallischem Konstruktionsmaterial - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von zusammengesetztem metallischem Konstruktionsmaterial

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DE1527578A1 DE19651527578 DE1527578A DE1527578A1 DE 1527578 A1 DE1527578 A1 DE 1527578A1 DE 19651527578 DE19651527578 DE 19651527578 DE 1527578 A DE1527578 A DE 1527578A DE 1527578 A1 DE1527578 A1 DE 1527578A1
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Description

* \ Lon cn w.1. (Growbrin.)
■ν · ' Vfer.C^Hren Bur Hri'.ji.eliung von zusammengesetztem.
, K> %, ·ι>η" W talli .joh^n, KonBtrukcion3inaterj.al
,'Die urflniiung besieht sich auf Eusammengesetzce^ metallische Konatrujcciönsmaterialien.
Bb ist allgemnin bekannt, daß einige günstige physikalische Bigenaehaf teai /on einheitlichen und oogar von vielen auaammenge.g^da'Se.n.Materialien oft wegen der Unzulänglichkeit anderer Eigenschaften, die den Materialien eigen sind und die beim Gebrauch in i>Bch3inung treten, nicht voll ausgenutzt werden können. Beispielsweise stehen das Verhältnis \on Festigkeit au Gewicht, die Ermüdungsdauer und die Eigenschaften· bei erhöhter Temperatur, d.h. die Heißfestigkeit lind der Kriechwidergtand. rai-oinan er in Beziehung.
Um einigen aor vorsteh-.n. erv.'ähnsen 3ogren:;ungen durch ^ie UnzullingLicjikeii.511 gewiMS-?r ^igenschaf--on zu b^it-agnen,
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wurden in Ιεόϋϋτΐ· Zeii- :■;usemiring'?3*; ..; ' «ir· ..a" ' ehe Ytix'.ax'ialien ml - bo^onf ron üi'genach^t'Len vorgo3chiar >n.uni ao lar, es beispielsweise bekaiin;, uaß Sanawich-Pla .enmaterialien, ueren zentrale üchicht die größte Dukti it:i. auf-.veirrt, eine gröüera Dauorfeotigkeifc haben ala nicht zusammengesetztes Plattenmaterial. Es ist bj^niplaw-'in» ebenfalls bekannt, daß v'.er einbau von Drüliben hohp-r !•''ici.lriceit in oino metalliechn Matrix zu einem erhöh ,on Vorhä.tnia von Festigkeit au Gnwichb führt üowio zu oinor erhöh.nn Besi,änüigkeit gegenübnr Ermüdung un /o.er Kriechen.
Bisher wuraen aolche zu3ammenge;;o ,zzen Har,- *■ a^ien ia wesentlichen ;.n P".attenform »orgesohla^on, .·ιο .λγΆϊ aer Bereich für Jen Llngafcz dieses Materials auf bes isunse Yerfertigungazwcck? beachränki; i3t.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Heratellung von zusamnengese^zreiiy metai-ischen Kon3^ruktionsmaterial vorgeschlagen, iia3 im v/e β ent liehen daaurch gekennzeichnet ist, r^afl man eine Schicht aus einem Matrix- oder Grundmaterial xna eine verstärkende Schicht übereinander anorlnet, diese susanuaengesteliten Sohichs^n zu einer im wesent lichen zylindrischen Fora aufrollt imct ,in Anordnung dann .lurch V/ärae ur." Druok in einen zylindrischen Ebck cav/· einen walzenkörper us;;an -elt, in Ίβη das iiateria". vsr verstärkenr.en Schicht in 'iem !-!^rriooaaterial enühal «n ist·
B*?1 π i"π»-; riirjarjar.ngorsetaten Material kann (lie verstärken-:o JcIr"'-.ht -on ihror Zusammenstellung mit aor Matrixes chi ent in ·\η.ν Wei".-- gontal "et weracn, daß eine gewünschte ;ir Vnrs'j/irkung bzw. Bewehrung erreicht wird.
ο Art der vorotärkenden Schicht kann auo Drähten hohnr Festigkeit ο ;«r anöf-ren in Längsrichtung ausgedehnten J!j'.c?m<»nton b»s:ehon, öle parallel zur Längsachse des Blocks angeordnet sinn. Eine besonders bevorzugte Verteilung der Verstärkung .<ann durch Einbau einer aus Drähten hoher Festigkeit mit verschiedener Länge aufgebau ,ery verstärkenden Schicht erreicht werden.
Die verstärkende Schicht kann aweckmäßigerweise in einer gewebten oder anderen Maschenform vorliegen, wobei die in, Ri-hrung der Achse ues Blockn ausgedehnten Elemente der Maschen aus ein^m Material hoher Festigkeit und die senkrecht tiasu ausgedehnten Elemente aus einem Material relativ niedriger Festigkeit gebildet werden. Einige dieser Elemente können aus einem Material bestehen, das sich in einer der Zusammenstellung der Rolle nachfolgenden Verfahrenesstufe mit dem Matrixmaterial legiert. Im allgemeinen werden die senkrecht aur Blockachse verlaufenden Elemente aus einem legierungsbildenden Material bestehen.
Bei einer anderen Art von verstärkenden Maschen können
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einige der Elemente mic hoher Festigkeit rohrförmig sein ; und in dieser Weiee weiterhin die spezifische Festigkeit
und den Elastizitätsmodul des resultierendery zusammengesetzten Materials verbessern. Derartige rohrförmige Elemente können auch in den Gegenständen, die aus dem Material gefertigt v/erden, für Kühlzwecke ausgenutzt werden.
In verschiedenen Fällen können die verstärkenden Elemente mit hoher Festigkeit mit einem Metall überzogen sein, das in
■ ' 1
das Grundmaterial eindiffundiert und sich mi(t diesem legiert und so zu einer Verfestigung desselben bei einer der anfänglichen Heißformen nachfolgenden Wärmebehandlung führt. Diese
t τ -
Elemente können durch einen Heißtauchprozeß, durch JSlektrö- .· plattieren oder durch Anwendung irgendeines anderen geeigneten "Verfahrens überzogen werden.
Eine andere Art von verstärkender Schicht kann aus
einer durchgehenden Schicht eines weniger duktilen Materials höherer Festigkeit bestehen, die^wie zuvor beschrieben, mit
einer Schicht aus Grundmaterial aufgerollt wird. Der dabei
erzeugte zylindrische Block besteht aus dem stärker duktilen Material der Matrix, das spiralförmig um die Längsachse des
Blocks von der weniger duktilen Schicht durchsetzt ist.
Die verschiedenen -/orangehend angegebenen Kennzeichen
können zur Herstellung von Blöcken bzw. Walzenkörpern aus .
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e, ' Verbund-Material kombiniert werden, bei deren Herstellung Schichten mit verschiedener Legierungazuäammensetzung mit oder ohne verstärkende (n) Schichte(n) aus Elementen, die sich in Längerichtung erstrecken, zusammengestellt werden« !Derartige Kombinationen machen die Erzeugung von verschiedenen Verbund-Blöoken möglich, die jeweils individuelle physikalische Eigenschaften aufweist, die von der Anordnung und dem Typ der ÖQhiohten, die für die anfängliche Zusammenstellung benutzt werden, abhängen·
B|i allen vorstehend angegebenen Verfahren kann der aus den «ueammengeateilten Schichten gebildete Block bzw. ·, die ,Rolle mit einer Schicht des Matrixmaterial oder einer . : Legierung desselben vor dem Heißformungaprozeß bedookt werden, 'beispielsweise indem man eie in ein Rohr aus einem solchen Material einaetzt.
' Gans allgemein sollte es verständlich eein, d#B ein. , ^ Sohweiflproeeö aur Verbindung der verschiedenen Koaponenten :\ ' des zusammengesetzten Materials miteinander *u irgendeinem ', Zeitpunkt der Zusammenstellung oder Formung angewandt werden
Nachfolgend werden bezugnehmend auf die angefügten Zeich nungen verschiedene Beispiele zur Erläuterung der Erfindung beschrieben.
Auf den angefügten Zeichnungen dienen Pig· 1, 2 und 3 zur Veranschaulichung von Beispiel 1, in dom aie Reihenfolge der Verfahren33chritte des allgemeinen erfindungsgemaßen Verfahrens zur Herstellung von zusammengesetzien. metallischen Blöcken erläutert wird.
Die Fig· 4, 5 und 6 dienen zur Veranschaulichung von Beispiel 2, in den die Herstellung eines zusammengesetzten Materials mit einer speziellen, gezielten Anordnung der Verstärkung nach der in Beispiel 1 angegebenen Methode beschrieben wird.
Die Fig· 7, ö und 9 veranschaulichen die in Beispiel 5 beschriebene Verwendung von rohrförmigen, in Längsrichtung ausgedehnten Elementen zur Verstärkung.
Fig. 10 veranschaulicht Beispiel 4 und entspricht Beispiel 1. und in Pig· 11 wird gezeigt, in welcher Weise die aufgerollten Anordnung/ttach den Fig. 2, 5, β oder 10 mit einer bedeckenden Schicht versehen werden können.
Gemäß fig. 1 wird eine Schioht 10 aus Grundmaterial mit einer verstärkenden Schicht 11 zusammengelegt, wobei die Schicht 11 zu oberst liegt. Die verstärkende Schicht 11 besteht aus einem gewebten Drahtnetz bzw. Maschenmacerial aus Drähten 12 mit hoher Festigkeit und LegierungsärHhxen 15 m±z
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geringer Festigkeit. Das Material der Drähte M mit geringer Festigkeit logiert sich leicht mit dem Material uer Matrixschicht 10.
Die aufeinandergelegten Schichten 10 und 11 werden dann sii einer Rolle 14 aufgerollt, wie in Fig· 2 gezeigt wird. Dieses Aufrollen wird am besten mechanisch vorgenommen, da dann ein gleichmäßiger Zug über die Gesamtlänge der Schichten beim Aufrollen aufrechterhalten werden kann· Es wird darauf hingewiesen, daß die Drähte hoher Festigkeit 12 parallel zur Längachse der Rolle 14 liegen, während sich die Drähte 13 mit geringer Festigkeit leicht biegen lassen und so das Aufrollen der Schichten erleichtern.
Die Rolle 14 wird dann zu einem zylindrischen Block 15 heißgeformt, der die Drähte 12 mit hoher Festigkeit in dem Matrixmaterial in spiralförmiger Verteilung eingebettet enthält, wie es auf der Querschnittsfläche der Fig. 3 zu sehen ist. Die Matrix besteht natürlich aus der Schicht 10 und den damit legierten Drähten 13·
In Beispiel 2, das durch die Fig. 4, 5 und 6 veranschaulicht wird, wird das Verfahren nach Beispiel 1 zur Herstellung eines Blocks oder Walzenkörpers aus Verbund-Material mit einer speziellen Anordnung der Verstärkung verwendet. Wie zuvor werden die verstärkende Schicht 20 (Fig. 4) und die Schicht
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aus Grundmaterial aufeinandergelegt. Die verstärkende Schicht 20 besteht wie zuvor aus einem gewebten Netz aua Drähten hoher Festigkeit 22 und Drähten geringer Festigkeit 23· Die Schicht 20 ist in der Weise ausgebildet, daß die länge der Drähte 22 mit hoher Festigkeit von einem Maximum an dem einen Ende A der Schicht bis zu einer Minimallänge am anderen Bnöe B linear abnimmt. -■ " " .
Nach Herstellen der Rolle 24 und anschließend des Blocks 25 (Fig. 5 und 6) nach dem allgemeinen in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren enthält der zusammengesetzte Block eine sich konisch verjüngende Verstärkung aus Drähten hoher Festigkeit. Dieses besondere Verfahren der Anordnung bzw. Ausbildung der Verstärkung kann der Erzeugung irgendeiner längs der Blockachse veränderlichen Verstärkung durch eine entsprechende Drah-verteilung über den Querschnitt des Blocks angepaßt werden, wie sie für irgendeine spezielle Verwendung erforderlich sein kann*
Die verstärkende Schicht 20 kann in Längsrichtung so ausgebildet werden, daß die länge der Drähte 22 mit hoher Festigkeit in irgendeiner gewünschten Weise variiert. So kann beispielsweise durch sorgfältige und detaillierte Gestaltung der Schicht 20 eine Art der Verstärkung des resultierenden Blocks erreicht werden* die der berechneten Lastverteilung des aus dem Block herzustellenden Gegenstands entspricht. .
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Zahlreiche zylindrische Blöcke-wurden gemäß dem in Bei.fjpiel.-t und 2 angegebenen Verfahren unter Verwendung von reinem Aluminium und duktilen Äluminiumlegierungen für die Matrixschichten 10 und 21 und Drähten aus rostfreiem Stahl als Drähte 12 und 22 mit hoher Festigkeit hergestellt. Bei sahlreiohen Blöcken hatten die Drähte 12 unu 22 einen Durohmesser zwischen 0,051 und 0,254'mm und bildeten bis zu 60?i des BlookvGlumens · Die Drähte 13 und 25 bestanden aus reinem Aluminium. Vom Standpunkt der Bearbeitbarkeit und dem Grad der wesentlichen Einheitlichkeit des zusammengesetzten Materiäla aus ist es im allgemeinen wünschenswert, Drähte zu verwenden, die unter Berücksichtigung der Verarbeitbarkeit so fein wie möglich sind·
Das durch die Figt 7, 8 und 9 veranschaulichte Beispiel 3 bringt eine Erweiterung des Verfahrens nach den Beispielen 1 und 2.
Das zusammengesetzte Material wird wieder durch, gemeinsamesAufrollen einer verstärkenden Schicht 30 und einer Schicht 31 aus Grundmaterial zu einer Rolle 32 und nachfolgendes Heiöformen der Rolle 32 zu einem Block 33 hergestellt. In diesem Beispiel ist die verstärkende Schicht in ähnlicher Weise, wie in Beispiel 2, ausgebildet und enthält Drähte 34 mit geringer Festigkeit und Drähte 35 mit hoher Festigkeit. Die Drähte 35 sind vorwiegend Drähte "-,
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hoher Festigkeit 36, aber ein gewisser Prosentsats der sich in Längarichbung erstreckenden Elemente hoher Pe3feigkeit besteht aus darunter verteilten dickwandigen Kapillarrohren 37» die einen etwas größeren Außendurehmasser als die Drähte 36 haben.
Die dickwandigen Kapillarrohre 37 können als Kühlrohre in dem aus dem Block 33 herzustellenden Gegenstand dienen» Sie verbessern ebenfalls die*spezifische Festigkeit und den Elastizitätsmodul des zusammengesetzten Materials.
Blöcke gemäß Beispiel 3 wurden unter Verwendung der gleichen Materialien, wie gemäß Beispiel 1 und 2 für die MatriXschichten 31 und die Drähte 3ö und 34"hergestellt· Die Kapillarrohre 37 bestanden aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 0,254
fig« 10 dient der Veranachaulichung von Beispiel 4, das sich lediglich dadurch von Beispiel 1 unterscheidet, daß die verstärkende Schicht eine zusammenhängende Platte 40 ist.
Durch irgendein Verfahren nach den Beispielen 1, 2, 3 oder 4 können Folien oder Schichten von verschiedener IegierungszAisammensetaung mit oder ohne weitere.Brahtverstär-. kung in den entstehenden Block eingebaut werden.
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\ienn die Eusanirnengesetz-.-en bzw. Verbund-Blöcke zur Herstellung von Gegenständen durch einen Formungsproseß, der von einer maschinellen (spanabhebende) Bearbeitung verschieden 1st, verwendet werden sollen, ist es wünschenswert, de2i gerollten Körper mit einer äußeren Schicht aus Matrixmaterial oder aus einem Material, das sich mit diesem legieren kann, vor dem Heißforfliungsproseß abzudecken. Diese Art wird beispielsweise durch Pig. 11 veranschaulicht, wo ein aufgerollter Körper 41 eine rohrförmige Umhüllung 42 aufweist. Diese Maßnahme gewährleistet, daß keine Drähte an der Oberfläche des hergestellten Gegenstandes herausragen»
Sine solche Umhüllung kann dem Schutz des Blockes dienen.
Wenn "beispielsweise das Matrixmaterial eine Aluminiumlegierung
■ - ■ ■■- ■ ■ ■ ■ it ■ ■ ist und eine Resistens gegenüber Korosiöix erforderlich ist,' kann das Rohr Ί2 handelsüblich reines Aluminium oder sogar ein Aluminium höherer Reinheit sein. Wenn andererseits eine erhöhte Abriebfestigkeit gewünscht wird, kann das Rohr aus einer duktilen Aluminiumlegierung mit hoher Härte bestehen.
Wenn vorher festgelegte Eigenschaften im Matrixmaterial entwickelt werden sollen, kann die verstärkende Schicht mit einea legierungsbildenden Element überzogen werden, das zu diesem Zweck in die Matrix eindiffundiert. So ist es bei derVerfahrensweise nach den Beispielen 1,2, 3 und 4 bisweilen zweckmäßig, die Vorteile des reinen Aluminiums für die anfängliehe Heiß-
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formung der Komponenten au einer Rolle14» 24, 32 oder 41 t;urch Anwendung von reinem oder im wesentlichen reinem Aluminium für- die Matrixschicht 10, 21, 31 auszunutzen und die verstärkende Schicht 11, 20, 30, 40 mit einem anderen Metall au überziehenj das ein verfestigendes und iegierungsbildendos Element für dieses Matrixmaterial ist und das während einer nachfolgenden Wärmebehandlung in die Matrix diffundiert, sich mit dieser legiert und sie daaurch verfestigt. Beispielsweise kann eine aus einem Drahtnetz bestehende^ verstärkende Schicht durch irgendein allgemein bekanntes Verfahren.wie Elektroplattieren oder Heißtaueheh, beispielsweise mit Kupfer t Zink oder Silber, übersogen werden. V ~ *---.-
Aus einem Block aus wie weiter oben beschrieben zusammengesetztem Material aus Drähten und dickwandigen Kapillarrohren hoher Festigkeit ale verstärkende Elemente^ kann eine Turbinen- oder Kompressorscliäufel hergestellt "werden. Die Hauptrichtung der Beanspruchung ist für solche Schaufeln bekannt und das erf inclungsgemäße Ve rf ahren ermöglicht es, Schaufeln mit planmäßig verteilten Bereichen hoher Festigkeit herzustellen« Bei diesem Verfahren wird eine geeignet^ausgebildete, verstärkende Schicht aus-gewebtem Maechenwerk bzw. Drahtnetz aus Drähten hoher Festigkeit und hochfesten dickwandigen Kapillarrohren innenseifig nit einer Schicht aus Grundmaterial aufgerollt. Die so gebildete Rolle wird in ein Hohr-äus einem Material, das sich mit dem Matrixmaterial legiert, eingesetzt'.und die züsam-
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- "" . - r BAD ORIGINAL
mengeaetate Anordnung zu einem zylindrlachen Block heißgeformt· Bin aolcher Block wird in Schaufelform mit einer οbetigeny kantenioaen. äußeren Oberfläche und planmäßig angeordneter Verstärkung zu einem sich nach einem Ende hin verjüngenden '.Querschnitt ausgewalzt, die an den verstärktenStellen Kühl-Diirehgänge in Form der Kapillarrohre aufweist.
Der grundsätzliche, technische Vorteil des erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Material· iat eine Zunahme de9 Verhältnisses von Festigkeit zu 'Gewicht, der Beatänüigkeit gegenüberErmüdung und/oder Kriechen, besonder 3 bei erhöhten Temperaturen» ins^besondere» wenn verstärkende Schichten aus Drahtan öder anderen in Längsrichtung ausgedehnten Elementen verwendet werden. Diese Verbesserung im Vergleich zu bekannten»zusammengesetzten Materialien wird dadurch möglich, daß das Verfahren zu einer merklichen Zunah1119 des von den verstärkenden Drähten eingenommenenL prozentualen Volumina führt· So wurden Proben hergestellt, die bis zu etwa 60 Volumenprozent Draht hober Festigkeit enthalten·
009809/OOlS ■ BAD0R|G|NAU

Claims (2)

  1. Patentansprüche
    1»]Verfahren zur Herstellung eines zuaaininengesq taten metallischen Konstruktionsina trials, dadurch gekennzeichnet,- daß eine Schicht aus einem Grundmaterial und eine verstärkende Schicht übereinandergelegt und zu einer im wesentlichen sy-* lindfiachen Form aufgerollt werden und daß cieae Anordnung dann durch Wärme unct Druck in einen zylindrischen Block umgewandelt wird, in dem das Material der 7orstärkenden Schicht in dem (Jrundmaterlal enthalten ist.
  2. 2. Verfahren nach Anaprueh 1, dadurch gekennzeichnet, da3 dio vers-tärlceniie Schicht Drähte oder andere in Längsrichtung: ausgedehnte Elemente enthält, die sich in α»τ allgemeinen Hichtung der Blöckachse ergtrecken.
    3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte oder andere in Längsrichtung ausgedehnte Slemento von einer derart unterschiedlichen Länge sind, daß eine geforderte axiale Verteilung des verstärkenden Materials im Block erreicht wird.
    4· Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkende Schicht aus einem gewebten oder anderen Netz besteht, mit Elementen hoher Festigkeit in Hichtung der Achse des Hundstücks und Elementen relativ geringer Festigkeit in senkrechter Richtung dazu.
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    BAD ORiGSNAL
    5» Verfahren--nach Anspruch 4 » dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente mit relativ geringer Festigkeit aus einem Material bestehen, dao gleich dem Matrixmaterial ist oder sich mit. diesem legiert.
    D. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennsetchnet, daß die verstärkende Schicht rohrförmige Elemente .enthält,; die sich in Richtung der Blockachse erstrecken·
    ■7« Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente hoher Festigkeit der verstärkenden Schicht mit einem Metall bedeckt sind, das das gleiche ist wie das Matrixmaterial oder sich mit diesem legieren kann.
    8* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkende Schicht aus einer zusammenhängenden Schicht eines Materials besteht, das weniger duktil und von höhere Festigkeit ist als das Matrixmaterial.
    g. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,,daß die aufgerollte Anordnung, bevor sie der Wärme und dem Druck unterworfen wird, mit einer Schicht aus einem Haterial· bedeckt wird, das das gleiche ist wie das Matrixmaterial oder sich mit diesem legiert.
    0098097 0 03 S bad original
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