DE1608765B1

DE1608765B1 - Verfahren zur herstellung faserverstaerkter werkstuecke aus borfaeden

Info

Publication number: DE1608765B1
Application number: DE19681608765
Authority: DE
Inventors: Malcolm Basche; Roy Fanti; Galasso Salvatore Francis
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1967-02-24
Filing date: 1968-02-21
Publication date: 1971-10-14
Also published as: FR1562265A; JPS5020011B1; GB1214355A; US3443301A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung möglichsten Easeranteil entgegen. Die Lage und die faserverstärkter Werkstücke aus Borfäden mit maxi- Größe der auftretenden Hohlräume sind dem Zufall malern Faseranteil, für welches die Nacharbeitbarkeit überlassen. Somit sind " die Festigkeitswerte dieser gesichert ist. Erfindungsgemäß werden Borfäden mit Werkstücke nicht nur relativ gering, sondern die einem Kern aus Wolfram und einem Überzug aus 5 mechanischen Eigenschaften im Werkstück selbst sind Sih'ciumkarbid, wobei letzterer einen Überzug aus ungleichmäßig und von Werkstück zu Werkstück duktilem Matrixmetall bzw. duktiler Matrixlegierung verschieden. Abhandlungen, die sich mit den Eigenaufweist, unter solchem Druck und bei solcher Tem- schäften des Fertigproduktes befassen, sind bekannt peratur zu einem Fertigprodukt von fast theoretischer Darin wird z. B. ein Verbundfaden aus Bor vorge-Dichte heißgepreßt, daß ein Fließen des Matrix- ίο stellt, der eine dünne Schutzschicht von Siliciummetallles bzw. der■ Mätrixlegierung bewirkt wird. karbid hat. Ein solcher Faden wird als Erfindung

Es ist bekannt; daß das Verstärken mit Fasern/ von Malcolm B asche, Roy Fanti und Salvatore wesentliche Verbesserungen bei der Herstellung be- F. Galasso, »Verbundfaden aus Bor«, in der nicht kannter WerkstofEe^biingt. Die Idee der Faserverstär- zum Stand der Technik zählenden britischen Patentkung beruht auf der Erkenntnis, daß Werkstoffe in 15 schrift 1214 352 beschrieben.
Faderüform oft bessere Dehnungs- und Zugfestigkeits- Bor ist einer der meistversprechenden Werkstoffe, werte aufweisen als das volle Material. Um" diese Jedoch hat die Reaktionsfähigkeit des Bors mit 'anEigenschaften auszunützen, ist es notwendig,-die deren Metallen nicht nur die Verfahrenstemperaturen Fäden im Gefüge so anzuordnen, daß der Bruch ein,- begrenzt, sondern auch die Temperaturen eingezelner Fäden nicht auf die umliegenden Fäden über- 20 schränkt, bei denen das Fertigprodukt eingesetzt tragen wird und die Belastung gleichmäßig auf das werden ,soll. Die vorhin erwähnten Verbundfäden ganze Fadenbündel zu verteilen. Um dies zu errei- umgehen viele von diesen Schwierigkeiten, da das chen, wird der Faden in eine Matrix gebettet, die Siliciumkarbid dem Bor eine gewisse Reaktionsträgplastisch verformt wird. heit verleiht, solange der Siliciumkarbid-Uberzug un-

Eine der größten Schwierigkeiten zur Erzielung 25 beschädigt ist. So erreicht man, daß der Verbundhoher Festigkeitswerte und Module ist das Einbetten faden sich mit einer großen Anzahl von Matrixwerkder Fäden in der Matrix. Bekannte Verfahren be- stoffen chemisch verträgt.

treffen die Pulvermetallurgie, das Tränken mit der Γη einer typischen Anwendung werden diese Fäden

Matrix und das Versprühen der Matrix mittels Pias- auf einen Dorn gewickelt, so daß verschiedene Fadenmastrahlen. Aber alle diese Verfahren werfen Schwie- 30 lagen vorliegen, wobei die einzelnen Lagen anschlie-

rigkeiten auf. Um ein Maximum an Verfestigung im ßend mit dem gewünschten Matrixwerkstoff getränkt

Fertigprodukt zu bekommen, ist normalerweise ein werden. Beim Aufwickeln bricht der Fäden relativ

maximaler Fas,eranteil. notwendig, Pulvermetalrur- häufig, weil kleine Radien anfallen, wenn ein Faden

gisch und beim Tränken ist dieses Maximum nicht über einen anderen gelegt wird, der eine andere

zu erreichen, da viel Hohlraum um die einzelnen 35 Wickelrichtung hat. Selbst wenn die Verbundfäden

Fäden und Fadenschichten belassen werden muß, nicht sofort brechen, kann der Siliciumkarbidüberzug

damit die benötigte Einbettung stattfindet. Ähnliches wegen der kleinen Biegeradien beschädigt werden und

gilt für die Plasmasprühverfahren, obwohl dabei somit bewirken, daß das Borsubstrat durch eine che-

höhere Faseranteile leichter zu erreichen sind als mische Reaktion zwischen dem Substrat und der

beim Tränken. 40 Matrix angegriffen wird.

Bei diesen Verfahren besteht ein Mangel an Nach- Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur

arbeitbarkeit,- da man nicht voraussagen kann, ob die Herstellung faserverstärkter Werkstücke verwendeten

Matrix in gleicher Verteilung, in gleichen Mengen Verbundfaden sind wegen ihres auf der Schutzschicht

und von gleicher Qualität in jedem einzelnen Werk- aus Siliciumkarbid aufgebrachten Überzuges aus

stück vorliegt; .Die'.Werkstücke, die so. hergestellt 45 Miatrixmetal! dicker und weniger bruchanfällig als

werden, können ihre physikalischen Eigenschaften die/Fäden ohne diesen Überzug. Wegen der guten

wesentlich ändern, selbst dann, wenn das Verfahren Leitfähigkeit des Matrixmetalles werden thermische

sorgfältig überwacht wird. Spannungen im gewickelten Fertigprodutt verringert.

In den meisten Verfahren, in denen faserverstärkte Zur Herstellung der Werkstücke werden die Fäden Werkstücke hergestellt werden und bei denen das 5° mit oder ohne Verwendung zusätzlichen Matrix-Wickeln um^:"'einen'Dbm am häufigsten angewendet metalls auf einen Dorn gewickelt oder in erne Form wird, liegen die einzelnen Fäden eng aneinander oder eingebracht.

berühren einander-r-Daraus folgt, daß es unmöglich Das Verfahren zur Herstellung von faserverstärkist, eine Hülle herzustellen, die jeden einzelnen Faden ten Werkstücken ist somit vereinfacht, da gegebenenganz umgibt, wemi^ir pulvermetallurgisch gearbeitet, 55 falls kerne Zwischenarbeitsgange erforderlich' sind, wenn getränkt oder wenn das Sprühverfahren ange- um die Matrix aufzubringen. Da die genauen Fadenwendet wird. Dies ist aber fundamental, wenn der Matrix-Volumenverhältnisse vorgewählt und einge-Gegenstand angenähert die theoretisch maximale stellt werden können, sind Schwankungen durch da-Festigkeit haben-soll, da die Festigkeit eine Funktion zwischengeschaltete Sprühoperationen ausgeschaltet, der Wirksamkeit der Verbindung Faden—Matrix ist, 60 Da eine vollständige Umhüllung des Fadens erreicht die ihrerseits von der Größe der Kontaktfläche ab- werden kann, ist die spezielle Anordnung des Drahhängt Dazu kommt, daß es bei 'dichter Packung tes nicht länger kritisch, weil für eine anschließende praktisch unmöglich ist, den Hohlraum aufzufüllen, flüssige Infiltration kein Raum gelassen werden muß. der dadurch entsteht, daß die Faser unvollständig mit Als Folge davon wird die maximale Draht-Matrix-Matrixwerkstoff umgeben ist. Der Hohlraum kann 65 Bmdefestigkeit mit einem Minimum an Änderungen durch ein Überbrücken der Fasern oder durch das der Eigenschaften von Werkstück zu Werkstück er-Überziehen des Matrixwerkstoffes verringert werden, reicht,
aber diese beiden Alternativen wirken dem größt- Es ist denkbar, daß bei gewissen Anwendungen

der maximale Fadenanteil nicht erforderlich ist oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht erwünscht sein wird. Es ist auch möglich, die für einen bestimmten Anwendungszweck benötigte Festigkeit des Werkstückes mit weniger als dem maximalen Faseranteil 5 zu erreichen. Dann kann eine dickere Matrixüberzugsschicht auf die einzelnen Fäden angebracht werden oder die Fadenanordnungen können zusätzlich mit Matrix getränkt werden oder mittels des Plasmasprühverfahrens in Matrix eingebettet werden. Selbst in diesen Fällen sollen aber die Fäden mit Matrix überzogen sein. Man wird dann faserverstärkte Werkstücke herstellen, welche bessere, reproduzierbare mechanische Eigenschaften haben.

Erfindungsgemäß werden Fäden mit einem Matrixüberzug verwendet, dessen Dicke ausschlaggebend ist. Das Fertigprodukt wird unter Temperatur-Dnickbedingungen gepreßt, bei denen sich die aneinanderliegenden Fäden verbinden. Da eine sorgfältige Kontrolle der Fadenanordnung und des Fadendurchmessers möglich ist, können Werkstücke mit sehr genauer, wiederholbarer Porosität hergestellt werden.

Im allgemeinen ist der Preßdruck um so kleiner, je höher die Verfahrenstemperatur liegt. Die besonderen Parameter müssen auf die verwendeten Werkstoffe angepaßt werden.

Der maximale Fadenanteil in einem gegebenen Werkstück mit dichtestem Gefüge-Aufbau ohne Fadenverdrehung ist 90,7 Flächenprozent. Daraus ergibt sich, daß der minimale Matrixanteil für das fadenverstärkte Fertigprodukt 9,3% sein muß. Dieses Maximum gilt, wenn die Fäden in dichtgepackter Dreieckanordnüng gelegt sind. Andere Anordnungen bedingen eine ,größere Dicke des Überzuges, damit die Hohlräume vollständig beseitigt sind und die Füllung maximal ist.

Versuche wurden !durchgeführt, um die Wirksamkeit der beschriebenen Arbeitsweisen zu belegen, Borfäden mit Siliciumkarbidüberzug wurden mit einem Überzug aus Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen, wie AlCuMa, versehen. Verschiedene Preß- und Sintermethoden wurden verglichen. Im allgemeinen hatten die Fäden Durchmesser von 76,2 bis 127 um und die Überzüge Dicken von 2,54 bis 5,08 μΐη.

Die Borfäden wunden hergestellt, indem ein 12,7 μπι dicker Wolframdraht durch einen Gasstrom aus Bortrichlorid und Wasserstoff gezogen wurde. Nachdem sich Bor abgeschieden hatte, war der Durchmesser 76,2 bis 127 μπι groß. Ein 5,08 μηι dicker Überzug aus stöchiometrischem SiHciumkarbid wurde durch chemisches Abscheiden auf den erhitzten Bordraht aus einem Gas, welches Methyldichlorosilan, Wasserstoff und Methan enthielt, hergestellt.

Anschließend wurden die Fäden mit einem Überzug aus einem der genannten duktilen, spezifisch leichten Werkstoff durch Plattieren, Eintauchen oder durch ein Niederschlagen aus der Dampfphase versehen. Die Überzugswerkstoffe sind duktil genug, um die Verteilung der Last auf dem Faden dadurch zu ermöglichen, daß sie sich plastisch verformen. Der Überzug betrug im allgemeinen wenigstens 10% der Schnittfläche des Drahtes, wenn eine vollständige Beseitigung der Hohlräume verlangt war.

Beispiel 1

Ein mit SiHciumkarbid überzogener Borfaden mit einem Überzug aus reinem Aluminium wurde in ein kurzes Pyrexrohr von 0,2997 cm Außendurchmesser und 0,1981 cm Innendurchmesser eingebettet. Das Rohr wurde auf halber Höhe auf ungefähr 600° C erhitzt. Diese Temperatur liegt gerade unter dem Schmelzpunkt des Aluminiums. Dann wurde das Rohr gezogen, um eine Einschnürung mit einem Außendurchmesser von 0,09525 cm und einem Innendurchmesser von 0,0635 cm zu erzeugen. Die anschließende Untersuchung des Querschnitts ergab, daß in dem eingeschnürten Teil keine Hohlräume vorlagen.

Beispiel 2

Mit Siliciumkarbid überzogene Borfäden wurden mit 'einem Aluminiumüberzug versehen und unter einem Druck von 700 kp/cm² und bei einer Temperatur von 500° C in einer Form heißgepreßt. Die Form war anfänglich auf 550° C erhitzt und die Temperatur durfte auf 500° C absinken, bevor der Druck aufgegeben wurde. Die Untersuchung des erzeugten Flachstabes ergab, daß jegliche Hohlräume fehlten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Werkstücke aus Borfäden mit einem Kern aus Wolfram und einem Überzug aus Siliciumkarbid, wobei letzterer einen Überzug aus duktilem Matrixmetall aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden in einer festgelegten Beziehung zueinander in ein Matrixmetall bzw. eine Matrixlegierung gebettet und unter solchem Druck und bei solcher Temperatur zu einem Fertigprodukt von fast theoretischer Dichte heißgepreßt werden, daß ein Fließen des Matrixmetalles bzw. der Matrixlegierung bewirkt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Matrix aus der Gruppe Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Borfäden mit einem Überzug aus Matrixmetall bzw. -legierung in einer Dicke, die wenigstens 10 % der Fadenquerschnittsfläche beträgt.

4. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Matrixmetall bzw. -legierung überzogenen Borfäden ohne Einbettung in zusätzliches Matrixmetall bzw. zusätzliche Matrixlegierung zu einem Fertigprodukt heißgepreßt werden.