DE1621379C - Hochtemperaturbestandige Werkstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft hochtemperaturbeständige Werkstoffe aus in einer Matrix eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, wobei letztere vorzugsweise aus Garnen bestehen oder parallel angeordnet sind. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkstoffe.

Bei der Herstellung von Raumfahrzeugen, Geschossen, Raketen u. dgl. wird ein Konstruktionsmaterial benötigt, das besondere physikalische Eigenschaften hat, wie beispielsweise eine geringe Dichte, eine hohe Festigkeit und eine gute Steifheit. Hierzu verwendet man häufig zusammengesetzte Stoffe.

Aus Kohlenstoff oder Graphit bestehende Textilien, die handelsüblich in jeder Textilien-Form erhältlich sind, sind hierfür besonders vielversprechend. Man hat auch schon zusammengesetzte Stoffe aus solchen Textilien und Kunstharzen verwendet.

Es ist auch schon versucht worden, zusammengesetzte Stoffe aus solchen Kohlenstoff-Fasern und Metallen herzustellen. Hierbei soll die Festigkeit der Metall-Matrix durch Einschluß der sehr festen Fasern aus Kohlenstoff verbessert werden.

Es liegt nahe, Aluminium als Matrix zu verwenden, da es ein geringes spezifisches Gewicht hat. Geschmolzenes Aluminium benetzt aber reinen Graphit nicht, wenn nicht eine Zwischenschicht von Aluminiumcarbid gebildet wird. Das Aluminiumcarbid ist aber thermisch so wenig stabil, daß eine praktische Verwendung nicht möglich ist.

Es ist ferner nach der deutschen Auslegeschrift 1204 501 bekannt, Gold und Tantal enthaltende Legierungen zum Verlöten von Gegenständen aus Graphit mit Gegenständen aus Metall zu verwenden. Hierbei wurde angenommen, daß Legierungen mit einem Gehalt von mehr als 25 °/o Tantal nicht geeignet sind. Über die Verlötbarkeit von Graphit mit Aluminium läßt sich der Vorveröffentlichung nichts entnehmen.

Zur Überwindung der Schwierigkeit, daß Fasern aus Kohlenstoff von geschmolzenem Aluminium nicht benetzt werden, wurden zahlreiche Versuche mit solchen Kohlenstoff-Fasern durchgeführt, die einen dünnen metallischen Überzug hatten. Hierbei zeigte es sich, daß die meisten Metalle mit Aluminium über seinem Schmelzpunkt reagieren und eine

5 oder mehrere spröde, intermetallische Phasen bilden. Hierdurch werden entweder die mechanischen Eigenschaften verschlechtert oder es wird das Benetzen durch das geschmolzene Aluminium verhindert. Ausgedehnte Versuche wurden durchgeführt, um das

ίο Verhalten von Titan, Chrom, Nickel, Kupfer, Niob, Silber, Molybdän, Wolfram und Tantal in Berührung mit geschmolzenem Aluminium zu prüfen. Hierbei wurde überraschenderweise festgestellt, daß lediglich Tantal zufriedenstellende Ergebnisse gibt.

Ziel der Erfindung sind Werkstoffe aus in einer Matrix eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, die sich durch Beständigkeit bei hohen Temperaturen und hohe Festigkeit auszeichnen.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch er-

ao reicht, daß die vorzugsweise aus Garnen bestehenden oder parallel angeordneten Fasern einen Überzug aus Tantal aufweisen und in einer Matrix aus Aluminium eingelagert sind.

Der Überzug aus Tantal hat vorzugsweise eine

as Dicke von etwa 0,2 bis 2 μΐη.

Die erfindungsgemäßen Werkstoffe können so hergestellt werden, daß die mit Tantal überzogenen Fasern unter vermindertem Druck erhitzt, in geschmolzenes Aluminium eingetaucht, unter erhöhtem Druck mit dem geschmolzenen Aluminium getränkt und dann abgekühlt werden.

Diese Werkstoffe können in an sich bekannter Weise in die gewünschte Form gebracht werden.
Die Abbildung zeigt beispielsweise einen Gegenstand aus einem erfindungsgemäßen hochtemperaturbeständigen Werkstoff. Der Gegenstand ist mit 1 bezeichnet; in ihm befinden sich aus Graphit bestehende, parallel zueinander angeordnete Garne 2, die an ihrer Oberfläche einen zusammenhängenden, etwa 1 bis 2 μΐη dicken Überzug 3 aus Tantal haben. Die Fasern befinden sich in einer Matrix 4 aus Aluminium. Im vorliegenden Falle hatten die Graphitfasern 2 eine Länge von etwa 5 cm, senkrecht zur Schnittebene.

Fasern aus Kohlenstoff können in beliebiger Form verwendet werden. Vorzuziehen sind Fasern aus Kohlenstoff in Form von Garnen oder Einzelfäden. Die Herstellung solcher Fasern ist in den USA.-Patentschriften 3 107 152 und 3 116 975 beschrieben.

Tantal kann auf den Fasern aus Kohlenstoff nach verschiedenen Verfahren abgelagert werden. Zu diesen gehört das. elektrolytische Niederschlagen aus einem geschmolzenen Salzbad, die thermische Zersetzung geeigneter Metallhalogenide oder das Aufsprühen. Das zu verwendende Verfahren hängt von verschiedenen Umständen ab. Ein Aufsprühen kann vorgenommen werden bei Gegenständen verhältnis= mäßig komplizierter Bauart; die hierbei erhaltene Bindung zwischen der Faser aus Kohlenstoff und dem dünnen Überzug aus Tantal ist sehr fest, was für die erfindungsgemäßen Gegenstände erwünscht ist. Bei der thermischen Zersetzung geeigneter Halogenide muß man die Faser aus Kohlenstoff erhitzen, was der Form der zu überziehenden Gegenstände gewisse Grenzen setzt. Das elektrolytische Niederschlagen von Tantal aus einem geschmolzenen Salzbad ist ein ausgezeichnetes Verfahren zum Überziehen von Fasern aus Kohlenstoff mit einem dünnen

Film von Tantal; auch hierbei können aber nur verhältnismäßig einfache Formen verwendet werden.

Das Beispiel erläutert im einzelnen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Verwendet wurde ein Garn, aus Kohlenstoff, das durch Erhitzen in Graphit übergeführt und zu Stücken von etwa 5 cm Länge geschnitten war. Durch Elektrolyse wurde ein Film aus Tantal mit einer Dicke von 0,2 bis 2,0 μΐη auf den Fasern niedergeschlagen. Dieses Verfahren ist in der USA.-Patentanmeldung 609 683 beschrieben. Dann brachte man diese Fasern in paralleler Anordnung in ein zylindrisches Rohr, das oben und unten verschlossen war. Das Rohr hatte unregelmäßig angeordnete Löcher oder Öffnungen, um den Zutritt des Aluminiums zu ermöglichen. Der Rohrabschnitt mit den Fasern wurde in eine luftdichte Kammer gebracht, die auch ein Gefäß mit Aluminium enthielt. Die Kammer wurde dann auf einen Druck von etwa 2 · 10~⁶ mm Hg-Säule evakuiert, um die Fasern aus Kohlenstoff zu entgasen. Das Aluminium wurde auf eine Temperatur von etwa 700° C erhitzt. Dann tauchte man den Rohrabschnitt mit den Fasern unter die Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums. Anschließend füllte man die Kammer mit gasförmigem Argon, bis ein Druck von etwa einer Atmosphäre erreicht war. Das geschmolzene Aluminium drang in das Rohr ein und füllte alle Hohlräume zwischen den Fasern aus. Nach etwa 30 Sekunden wurde das Rohr aus dem Aluminiumbad herausgezogen, abgekühlt und aus der Kammer entfernt.

Eine metallographische Prüfung zeigte, daß ■ das Aluminium die mit Tantal überzogenen Fasern gut benetzt hat und zwischen die Fasern eingedrungen ist, ohne den Überzug aus Tantal zu zerstören, und ohne daß an der Berührungsfläche zwischen dem Aluminium und dem Tantal irgendwelche Umsetzungen stattgefunden hatten. .

ίο Die so hergestellten Stoffe sind ausgezeichnet brauchbar als Konstruktionsmaterial für Flugzeuge, auch für Überschallflugzeuge, für Raumschiffe und verschiedene andere Anwendungen.

Das Beispiel beschreibt Gegenstände, bei welchen die Fasern parallel zueinander und nebeneinander angeordnet sind. Es ist aber klar, daß ein Fachmann die Fasern innerhalb der Matrix aus Aluminium auch unregelmäßig anordnen kann, wenn stärker isotrope physikalische Eigenschaften erforderlich sind. Ebenso

so ist es klar, daß die Dicke des Überzuges aus Tantal geändert werden kann. Voraussetzung ist nur, daß der Überzug so dick ist, daß kein geschmolzenes Aluminium mit dem Kohlenstoff in Berührung kommt. An Stelle von Fasern oder Garnen oder Geweben aus Graphit können natürlich auch noch Fasern, Garne oder Gewebe aus nichtgraphitischem Kohlenstoff verwendet werden. Schließlich können auch selbstverständlich andere Verfahren zum Tränken der Fasern mit geschmolzenem Aluminium verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hochtemperaturbeständige Werkstoffe aus in einer Matrix eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, wobei letztere vorzugsweise aus Garnen bestehen oder parallel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Aluminium besteht und die Fasern einen Überzug aus Tantal aufweisen.

2. Hochtemperaturbeständige Werkstoffe nach Anspruch 1, .dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus Tantal eine Dicke von etwa 0,2 bis 2 μΐη hat.

3. Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Werkstoffen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Tantal überzogenen Fasern unter vermindertem Druck erhitzt, in geschmolzenes Aluminium eingetaucht, unter erhöhtem Druck mit dem geschmolzenen Aluminium getränkt und dann abgekühlt werden.