DE1533351C - Verwendung eines hochtemperaturfesten Tränk-Werkstoffs für Raketenteile und Bauteile schneller Flugzeuge sowie von Raumfahrzeugen - Google Patents
Verwendung eines hochtemperaturfesten Tränk-Werkstoffs für Raketenteile und Bauteile schneller Flugzeuge sowie von RaumfahrzeugenInfo
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Description
1 2
Ziel der Erfindung ist die Verwendung eines hoch- dieser Metalle zu tränken, um die imprägnierten
temperaturfesten Tränk-Werkstoffs mit hoher Oxy- Körper einer Schneidbearbeitung zu unterwerfen und
dationsbeständigkeit für Bauteile von sehr schnellen anschließend das Tränkmetall wieder herauszudampfen.
Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Raketen. Die Tränkung dient dazu, eine Preßpolierung der
Für Flugkörper' mit sehr hoher Geschwindigkeit 5 Poren an der Oberfläche der porösen Körper bei der
werden Werkstoffe benötigt, die noch bei extrem hohen Schneidbearbeitung zu verhindern und so die erTemperaturen
angemessene mechanische Eigenschaf- wünschte Durchlässigkeit der porösen Körper nach
ten besitzen. Ein typisches Beispiel für stark bean- dem Herausdampfen des Tränkmetalls insbesondere
spruchte Teile sind Düsen für Raketen mit Feststoff- bei ihrer Verwendung als Kathoden zu sichern,
antrieb. Die dabei auftretenden Flammentemperaturen io Überraschenderweise wurde als Lösung der erfinübersteigen die Schmelzpunkte der handelsüblich er- dungsgemäß gestellten Aufgabe gefunden, daß sich hältlichen hochtemperaturfesten Werkstoffe, wie Wolf- ähnliches getränktes Material als Werkstoff für die ram. erfindungsgemäßen Zwecke eignet.
antrieb. Die dabei auftretenden Flammentemperaturen io Überraschenderweise wurde als Lösung der erfinübersteigen die Schmelzpunkte der handelsüblich er- dungsgemäß gestellten Aufgabe gefunden, daß sich hältlichen hochtemperaturfesten Werkstoffe, wie Wolf- ähnliches getränktes Material als Werkstoff für die ram. erfindungsgemäßen Zwecke eignet.
Raketendüsen werden daher bereits aus einem zu- Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines
sammengesetzten hochtemperaturfesten Werkstoff her- 15 hochtemperaturfesten Tränk-Werkstoffs, bestehend
gestellt, der im wesentlichen aus einer porösen hoch- aus ■
temperaturfesten metallischen Matrix aus Wolfram a) einer porösen hochschmelzenden gesinterten
besteht, in die Silber eingelagert ist. Bei der Herstellung metallischen Matrix aus zumindest einem der
wird die poröse Matrix mit geschmolzenem Silber in der Metalle Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob,
Weise getränkt, daß es sich über die Hohlräume der 20 Vanadium und Rhenium und
Matrix verteilt. b) einer die Poren der Matrix ausfüllenden Tränk-
Matrix verteilt. b) einer die Poren der Matrix ausfüllenden Tränk-
Bei den in Raketendüsen auftretenden hohen legierung aus 2 bis 50 Gewichtsprozent Alu-
Flammentemperaturen verdampft dann das Silber an minium, Silizium, Hafnium oder Zirkonium,
der Oberfläche der Matrix, und gleichzeitig fließt Rest Zinn, Kupfer, Silber oder Gold, ,
weiteres Silber an der Oberfläche der Matrix, und 25 für die Fertigung von Raketenteilen oder von Baugleichzeitig fließt weiteres Silber aus der Matrix zur teilen für sehr schnelle Flugzeuge und Raumfahrzeuge,
Oberfläche hin nach. Durch die Verdampfung des die bei ihrem Einsatz in der Atmosphäre auf sehr hohe
Tränkmittels wird die Temperatur des hochtempera- Temperaturen gebracht werden,
turfesten Werkstoffs auf Werten gehalten, bei denen Vorzugsweise enthält die Tränklegierung 10 bis
turfesten Werkstoffs auf Werten gehalten, bei denen Vorzugsweise enthält die Tränklegierung 10 bis
es noch ausreichende mechanische Eigenschaften hat. 30 25 Gewichtsprozent Aluminium, Silizium, Hafnium
Die Verwendung solcher hochtemperaturfester oder Zirkonium.
Tränk-Werkstoffe war jedoch bisherwegendergeringen Die Tränklegierung, die aus einem als Überzugs-
Oxydationsbeständigkeit des Matrixmetalls bei derart material wirkenden Metall (Al, Si, Hf oder Zr) und
hohen Temperaturen auf nichtoxydierendeUmgebungs- einem als Verdünnungsmittel dienenden Metall (Sn,
bedingungen beschränkt. Obgleich diese Beschränkung 35 Cu, Ag oder Au) besteht, wird über die poröse Matrix
für die Anwendung für Raketendüsen, die sich in einer verteilt, so daß der entstehende Werkstoff bei Tempereduzierenden
Atmosphäre befinden, nicht wesentlich raturen unterhalb des Schmelzpunktes dieser Legieins
Gewicht fällt, hat sie jedoch die Verwendung der- rung ein gefüllter Feststoff ist, der praktisch keine
artiger hochtemperaturfester Tränk-Werkstoffe für Hohlräume aufweist. Wenn dieser Werkstoff steigen-Wiedereintrittskörper
in der Raumfahrttechnik und 40 den Temperaturen ausgesetzt wird, wie sie bei Raumfür
Stirn- bzw. Leitkanten von Überschallflugzeugen fahrzeugen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre
verhindert. auftreten, schmilzt die Tränklegierung innerhalb der
Für den Einsatz bei hohen Temperaturen in oxy- Matrix. 1 \
dierender Umgebung wurden daher nichtmetallische Die geschmolzene Tränklegierung tritt dann aus den
Materialien, wie verschiedene Carbide oder Oxyde 45 Poren der Matrix und überzieht die Oberfläche des
oder Graphit als Werkstoffe verwendet. Diese Mate- Werkstoffs. Der Sauerstoff der Umgebung reagiert
rialien haben jedoch viele ungünstige Eigenschaften; mit dem Überzugsmaterial der Tränklegierung unter
so ist die Fertigung schwierig, der Widerstand gegen Bildung eines schützenden Überzugs auf dem Werkthermischen
Schock gering, das Material relativ teuer, stoff. Diese Schutzschicht hemmt bzw; inhibiert die
und es werden relativ starke Dimensionsänderungen 5° Erosion oder andere dimensionsmäßige Änderungen
beobachtet. Die Dimensionsänderungen durch Erosion der Gestalt des Werkstoffs und sie verhindert zusätzin
Luft bei hohen Geschwindigkeiten sind besonders lieh eine Oxydation des Matrixmaterials,
unangenehm, da sie zu einer entsprechenden Verände- Während der Bildung des Schutzüberzuges ver-
unangenehm, da sie zu einer entsprechenden Verände- Während der Bildung des Schutzüberzuges ver-
rung des aerodynamischen Verhaltens der Raumfahr- dampft das Verdünnungsmittel an der Oberfläche des
zeuge führen. 55 Werkstoffs und sorgt für eine Abkühlung durch die
Aufgabe der Erfindung ist daher die Verwendung Verdampfung. Wenn die freie Energie für die Bildung
eines oxydationsbeständigen hochtemperaturfesten der aus dem Überzugsmaterial entstehenden Schutz-Tränk-Werkstoffs
für Bauteile von sehr schnellen schicht wesentlich höher ist als für die Bildung von
Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Raketen, der durch Oxyden des Verdünnungsmittels, reagiert das ÜberVerdampfung
gekühlt wird und dessen Dimensions- 60 zugsmaterial mit dem umgebenden Sauerstoff und
änderungen bei Hochtemperaturanwendungen minimal reduziert gegebenenfalls gebildete Oxyde des Versind,
und schließlich soll eine möglichst hohe Wärme- dünnungsmittels. Dadurch wird die Verdampfungsschockfestigkeit
desselben erreicht werden. . kühlung des Werkstoffs gefördert, da praktisch das
Es ist aus der schweizerischen Patentschrift 309 264 gesamte Verdünnungsmittel verdampfen kann,
bekannt, hochschmelzende Metalle, insbesondere 65 Bei hohen Temperaturen ist die Tränklegierung Wolfram, Molybdän, Tantal, Hafnium, Niob und innerhalb der porösen Matrix flüssig und dringt an die Rhenium zu porösen Körpern zu sintern und diese mit Oberfläche des Werkstoffs, so daß eine kontinuierliche Kupfer, Silber oder Gold oder Legierungen auf Basis Verdampfung unter Kühlung des Werkstoffs erfolgt
bekannt, hochschmelzende Metalle, insbesondere 65 Bei hohen Temperaturen ist die Tränklegierung Wolfram, Molybdän, Tantal, Hafnium, Niob und innerhalb der porösen Matrix flüssig und dringt an die Rhenium zu porösen Körpern zu sintern und diese mit Oberfläche des Werkstoffs, so daß eine kontinuierliche Kupfer, Silber oder Gold oder Legierungen auf Basis Verdampfung unter Kühlung des Werkstoffs erfolgt
und eine stabile nichterodierende Schutzschicht bzw. Schranke gegen das Eindringen von Sauerstoff aufrechterhalten
wird. Es wurde festgestellt, daß die Poren der Matrix einen praktisch stetigen Austritt der
Tränklegierung bei hohen Temperaturen zulassen. Zwar wurde bisher keine vollständig befriedigende Erklärung
gefunden, man nimmt jedoch an, daß der Druck der sich innerhalb der Matrix ausdehnenden
Tränklegierung ausreicht, um zu verhindern, daß die Schutzschicht vollständig über die Poren hinweg gebildet
und der Austritt der Tränklegierung an der Oberfläche behindert wird. Störungen bei der Nachströmung der Tränklegierung führen zu einer Erosion
oder gegebenenfalls zum Schmelzen des Matrixmaterials infolge einer mangelhaften Verdampfungskühlung
und Erosion des Schutzüberzuges.
Das Überzugsmaterial bildet eine stabile Schutzschicht
bzw. Schranke auf der Oberfläche der Matrix. Außerdem darf es nicht rasch mit dem Matrixmaterial
reagieren, damit die Bildung einer intermetallischen Verbindung, die zu einer Beeinträchtigung der mechanischen
Eigenschaften des Matrixmaterials führen kann, verhindert wird.
Das Verdünnungsmittel bildet eine niedrigschmelzende Legierung mit dem Uberzügsmaterial, so daß
die in das poröse Material eingelagerte Tränklegierung anforderungsgemäß flüssig wird. Das Verdünnungsmittel
hat außerdem einen solchen Siedepunkt, daß es nicht vor Erreichen der Matrixoberfläche verdampft^
und es reagiert über den auftretenden Temperaturbereich hinweg mit dem Matrixmaterial praktisch nicht.
Außerdem muß seine Oxydbildungsenergie geringer sein als die des Überzugsmaterials, so daß eine ungestörte
Verdampfungskühlung an der Oberfläche des zusammengesetzten Materials sichergestellt ist.
Bei der Herstellung verschiedener Proben des erfindungsgemäß zu verwendenden hochtemperaturfesten
Werkstoffs wurde Wolframpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 6 μ in einer Presse unter
einem Druck von etwa 30 kg/mm2 verdichtet. Das verdichtete Material wurde dann der Preßform entnommen
und in Wasserstoff etwa 6 Stunden lang bei 1800° C zur Bildung der hochtemperaturfesten Matrix
gesintert. Der Porenanteil der erhaltenen Matrix lag bei 20 bis 25°/a des Gesamtvolumens.
Für spezielle Anwendungen bestimmen die gewünschten mechanischen Eigenschaften die zu verwendende
Teilchengröße, den Verdichtungsdruck und die Sintertemperatur. Es muß jedoch darauf geachtet
werden, daß die Poren der Matrix untereinander in
Verbindung stehen, damit eine wirksame Durchtränkung mit der Tränklegierung erreicht werden kann.
Die so gebildete Matrix wird dann in die flüssige Tränklegierung getaucht. Die Tränklegierung füllt die
Hohlräume der porösen Matrix durch Kapillarwirkung. Die Schmelztemperatur der Tränklegierung ist wesentlich
niedriger als der Schmelzpunkt der Matrix der für Wolfram bei etwa 30000C liegt. Die notwendige Zeit
für die Ausfüllung von 95 °/0 der Hohlräume mit der flüssigen Tränklegierung wurde zu etwa 1 Stunde gefunden.
Die während des Tränkvorganges aufrechtzuerhaltende Temperatur hängt von der verwendeten
Tränklegierung und ihrer Zusammensetzung ab. Die Schmelztemperatur der verwendeten Zinn-Aluminium-Legierung
mit einer Zusammensetzung innerhalb des bevorzugten Bereiches mit 10 bis 25 Gewichtsprozent
Aluminium liegt innerhalb von 250 bis 65O°C. Es wurde gefunden, daß der entsprechende Temperaturbereich
für das Tränken zwischen 400 und 1000°C liegt.
Die Schmelztemperatur der Kupfer-Silicium-Legierangen
mit einer Zusammensetzung innerhalb des bevorzugten Bereiches mit 10 bis 25 Gewichtsprozent
Silicium liegt innerhalb von 800 bis 10000C. Es wurde
gefunden, daß der entsprechende Temperaturbereich für das Tränken zwischen 950 und 115O0C liegt.
ίο Nach Beendigung des Tränkens wird der getränkte
Werkstoff aus dem Bad der flüssigen Legierung entfernt und auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei die
Tränklegierung erstarrt. Es wurde gefunden, daß die Eigenschaften des Werkstoffs durch die tatsächliche
Abkühlungsgeschwindigkeit nicht wesentlich beeinflußt werden. Der Werkstoff kann dann gut maschinell
auf die gewünschten Toleranzen abgearbeitet werden. Für eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des
vorliegenden Werkstoffs für gewisse Anwendungen ist die Zugabe von 1 Gewichtsprozent Chrom zu der
Tränklegierung vorteilhaft. Der Zusatz von Chrom führt zu einer stärkeren Adhäsion der Schutzschicht
am Matrixmaterial. Es wurde festgestellt, daß die Oxydation des Matrixmaterials dadurch noch weiter
as gehemmt wird. .
Die verbesserten Eigenschaften dieser erfindungsgemäß
zu verwendenden Werkstoffe werden durch1 die
nachfolgend zusammengefaßten Ergebnisse von Oxydationsprüfungen, die bei Umgebungsdruck in einem
widerstandsbeheizten Ofen an einem Werkstoff aus mit Zinn-Aluminium-Legierungen getränkter Wolframmatrix
durchgeführt wurden, veranschaulicht.
Tränklegierung | Prüf | Zeit | Ge | |
Dichte | bedingungen | wichts zunahme |
||
der Matrix |
(Gewichtsprozent) | Tem pera |
(Std.) | |
(Volum | Sn-10 Al | tur | 4 | (mg/cm2) |
prozent) | Sn-15 Al | (°Q | 4 | 1,5 |
80 | Sn- 25 Al | 1370 | 1 | 1,2 |
77,7 | Sn-25 Al | 1370 | 4 | 1,6 |
80,3 | Sn-25 Al | 1370 | 8 | 2,9 |
77,7 | Sn-25 Al | 1370 | 16 | 3,4 |
78,2 | Sn- 25 Al—ICr | 1370 | 1 | 3,7 |
78,2 | Sn-25 Al—1 Cr | 1370 | 4. | 0,4 |
76,6 | 1370 | 2,6 | ||
75,2 | 1370 | |||
Die geprüften Proben zeigten weder makroskopisch noch mikroskopisch irgendeinen sichtbaren Anhalt
für Fehlstellen; und in Anbetracht der sehr geringen Gewichtszunahmen pro exponierte Oberfläche wird
deutlich, daß diese erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffe recht oxydationsbeständig sind.
Ergänzende Prüfungen an einer Wolframmatrix wurden unter dem extrem hohen Wärmefluß eines elektrischen Plasmabogens durchgeführt, mit dem ein Strahl von Hochtemperaturluft gebildet und auf das eine Ende der Probe gerichtet wurde. Die bei diesen Prüfungen erhaltenen Ergebnisse sind nachfolgend in Prozent Gewichtsverlust durch Verdampfung und Erosion der Probenoberfläche pro Zeiteinheit ausgedrückt.
Ergänzende Prüfungen an einer Wolframmatrix wurden unter dem extrem hohen Wärmefluß eines elektrischen Plasmabogens durchgeführt, mit dem ein Strahl von Hochtemperaturluft gebildet und auf das eine Ende der Probe gerichtet wurde. Die bei diesen Prüfungen erhaltenen Ergebnisse sind nachfolgend in Prozent Gewichtsverlust durch Verdampfung und Erosion der Probenoberfläche pro Zeiteinheit ausgedrückt.
Tränklegierung
(Gewichtsprozent)
(Gewichtsprozent)
Prüfbedingungen
Wärmefluß
(Watt/cm')
Wärmefluß
(Watt/cm')
Δ (Länge)
Zeit
Zeit
(mm/s)
Sn — 20 Al
Sn — 20 Al
Cu-10 Si
Sn — 20 Al
Cu-10 Si
800
3000
800
0,5 · 10-8
58 · 10-3
7 -10-3
Die Ergebnisse der dynamischen Untersuchungen, insbesondere die gefundenen geringen Dimensionsänderungen, zeigen deutlich die Erosionsfestigkeit des
Tränk-Werkstoffs. Die beobachteten Gewichtszunahmen sind primär auf die Bildung der Schutzschicht
bzw. Schranke zurückzuführen. Weiterhin zeigte keine der geprüften Proben irgendeinen Anhalt für Fehler,
was für die Wänneschockfestigkeit des hochtemperaturfesten Tränk-Werkstoffs spricht.
ao
Claims (3)
1. Verwendung eines hochtemperaturfesten Tränk-Werkstoffs, bestehend aus
a) einer porösen hochschmelzenden gesinterten metallischen Matrix aus zumindest einem der Metalle Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob, Vanadium und Rhenium und
a) einer porösen hochschmelzenden gesinterten metallischen Matrix aus zumindest einem der Metalle Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob, Vanadium und Rhenium und
b) einer die Poren der Matrix ausfüllenden Tränklegierung
aus 2 bis 50 Gewichtsprozent Aluminium, Silizium, Hafnium oder Zirkonium,
Rest Zinn, Kupfer, Silber oder Gold,
für die Fertigung von Raketenteilen oder von Bauteilen für sehr schnelle Flugzeuge und Raumfahrzeuge, die bei ihrem Einsatz in der Atmosphäre auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden.
für die Fertigung von Raketenteilen oder von Bauteilen für sehr schnelle Flugzeuge und Raumfahrzeuge, die bei ihrem Einsatz in der Atmosphäre auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden.
2. Verwendung eines Werkstoffs der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, wobei
die Tränklegierung 10 bis 25 Gewichtsprozent Aluminium, Silizium, Hafnium oder Zirkonium
enthält, für den im Anspruch 1 genannten Zweck.
3. Werkstoff nach der in Anspruch 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzung für den im Anspruch
1 genannten Zweck, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränklegierung zusätzlich 1 Gewichtsprozent
Chrom enthält.
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