DE1942170C3

DE1942170C3 - Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen hohlen Metallkörpers

Info

Publication number: DE1942170C3
Application number: DE1942170A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Gruber Glastonbury Conn. Kreider (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-08-19
Publication date: 1975-02-06
Also published as: US3596344A; FR2018986A1; SE365554B; FR2018986B1; GB1258672A; DE1942170A1; DE1942170B2

Description

F«^^«^2S_int(UsA.-Patentschrift2 903 787), wcn ^er'" Metallbändem auf sich drehenden

beim Herstellen, ^ Trommeln geleitete textile

Trommeln aui eine ^ ^ _Emichm _{der ge}_

^Unte ^°_n s_chichtdichte kurze, wirre metallische »5 wunsc™^e . . _{d s0(}jann auf die Unterlage im

Fasern ^au™;"j£ _{Meta|1 au}f_ZUSpritzen Das aufPlasmas
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_{Meta|1 au}f_ZUSpritzen. Das auf^ _hierbei die Fasern zu einem Festigkeit.

Aufgabe zugrunde, ein VergSannte! Art so zu verbessern, Metallkörper _eine erhöhte Festig

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Erfindung bei einem Γίεεηαηηΐεη Art dadurch gelöst, dorn umhüllende Metallfolie

^dab . , . ■ ₇,._m Erreichen der gewünschten abwechse nd b.s zürn^E™ _femi| _mit ,.

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SS, wirren Fasern praktisch ke .

denen der Kraftfluß von der Faser in das Matrixmetall

ges Vertaten ist bekannt (USA.-P.Mt- Z»_g ode, Draek in Längsrichtung beansprucht »nd

folie gelangenden, zumindest teilweise geschmolzenen besteht. Die Ha bzyhnder 12, 14

MetallpartLl nicht auf der Metallfolie festbacken, 6₅ Längsseite mittels '^f

sondern beim Auftreffen erstarren. Aus den so ge- ander befestigt. Zwei nahe

gebenen niedrigen Arbeitstemperaturen ergibt sich Längsseite zwischen ihnen ^JJ^^J^

line nur geringe mechanische Bindung zwischen den sie im Sinne eines Ausemanderklappens. Die Klapp-

bewegung ist mittels eines Sperriemens begrenzbar, der die Größenverteilung der Metallpulverteilchen, die nahe seinem einen Ende einen Längsschlitz 22 auf- Entfernung des Plasmalichtbogens von der Unterlage, weist. Eine Flügelschraube 23 durchsetzt den Längs- die Beschaffenheit der Atmosphäre an der Auslaßschlitz 22. Eine zentrische Bohrung 24 des Spann- öffnung des Plasmabrenners und in der Umgebung der dorns 10 dient zur Aufnahme einer nicht dargestellten 5 Unterlage sowie die Temperatur der Unterlage. Bei Antriebswelle. dem genannten Ausführungsbeispiel wurde bei einer

Beim Herstellen eines Metallkörpers wird Jer Spann- mäßigen Zufuhr, nämlich bei 1,36 kg/h, gearbeitet

dorn 10 mit in geringem Maß auseinandergeklappten Weiter wurde gefunden, daß vorteilhaft die Zufuhr-

Halhrylindern 12, 14 verwendet, wobei der Riemen öffnung für das Metallpulver in der Ionisierungszone

und die angezogene Flügelschraube 23 ein weiteres io des Lichtbogens liegt, sphärisches Metallpulver mit

Auseinanderklappen verhindern. einem Teilchendurchmesser bis zu 64 μηι verwendet

Zu Beginn der Herstellung eines hohlen Metall- wird, die Entfernung des Lichtbogens von der Unterkorpers wird der Spanndorn einschichtig auf seiner ge- lage 10,6 bis 12,7 cm beträgt, die Unterlagetemperatur samten zylindrischen Mantelfläche mit einer Metall- zwischen 204 und 316°C liegt und die Relativgefolie so umhüllt, daß diese glatt und gleichmäßig an- »5 schwindigkeit des Plasma-Lichtbogens in bezug auf liegt. Um Faltenwerf ung während der Herstellung zu die Unterlage parallel zu deren Achse 5.08 bis 20,32 cm/s verhindern, besteht die Folie vorzugsweise aus einem beträgt.

Material, das in bezug auf ihr Wärmeverhalten dem Das Vorwärmen der Unterlage und das anschlk-Spanndorn entspricht, also zumindest annähernd den- ßende Plasmaspritzen bewirken, daß miteinander verselben Ausdehnungskoeffizienten hat. Die Metallfolie 20 schmelzende Partikeln des Matrixmetalls die Fasern verbessert nach Fertigstellung des Metallkörpers dessen umgeben und an ihnen haften. Gleichzeitig dehnt sich Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften, insbe- durch die Erwärmung das Material des Spanndorns sondere dessen Zähigkeit. Wie noch näher erläutert aus, was zur Folge hat. daß sich bei annähernd gleichwird, wird die Metallfolie während des Herstellungs- bleibender äußerer Gestalt des Spanndorns die Halbverfahrens mit den übrigen Schichten des Metall- 25 zylinder 12, 14 entgegen der Federkraft schließen. Das körpers homogen verbunden. Nachgeben der Federn des sich durch Wärmeeinfluß

Auf die Metallfolie wird eine Faser in schrauben- ausdehnenden Spanndorns beschränkt die Verände-

förmigen Windungen aufgewickelt, die eng aneinander rung der Zugspannung, denen die Faser andernfalls

anliegen können und jedenfalls regelmäßig beab- unterworfen wäre, auf ein Mindestmaß. Wenn das

standet sind. Dies kann erfolgen, indem die Faser kon- 30 Plasmaspritzen beendet ist, werden die Unterlage und

tiniiierlich von einer Vorratsrolle abgezogen und unter der Spanndorn auf Zimmertemperatur abgekühlt, und

einer Vorspannung mittels einer geeigneten Führungs- während dieser Abkühlung erfolgt eine entgegenge-

vorrichtung auf den sich drehenden Dorn geleitet wird. setzte Ausgleichsbewegung des Spanndorns; der sich

Nach der Fertigstellung einer Wickellage wird die dann zusammenziehende Spanndorn wird durch die

Faser abgerissen und am Spanndorn befestigt, und der 35 Federkraft mechanisch ausgedehnt. Durch entspre-

Sperriemen wird freigesetzt. Der Spanndorn wird chende Bemessung der Federkraft wird erreicht, daß

hierauf in eine Plasma-Spritzkammer 26 (F i g. 2) ge- die auf Grund der Wärmebewegungen auf die Faser

bracht, wo das Auftragen von Matrixmetall mittels der Unterlage ausgeübte Zugkraft während der ge-

eines Plasmabrenners 28 in einer Argon-Atmosphäre samten Herstellung eine Dehnung der Faser von

erfolgen kann. Vor dem Spritzen werden Spanndorn, 40 höchstens 0,3 ^0/ _o bewirkt.

Metallfolie und gewickelte Faser auf eine genügend Nach der Abkühlung wird die erhaltene einschichtige hohe Temperatur vorgewärmt, um bei dem folgenden Unterlage vorzugsweise geschmirgelt oder kalandriert, Plasmaspritzen die Bindung des Matrixmetalls an die um eine glatte und ebene Wicklungsfläche zu schaffen. Metallfolie und an die Faser zu erleichtern. In der Auf diese einschichtige Unterlage wird dann eine Spritzkammsr 26 erfolgt dann eine weitere Erhitzung 45 weitere Schicht aufgebracht, indem wieder wie zuvor durch infrarote Bestrahlung und durch den Plasma- eine Faser schraubenförmig aufgewickelt und sodann lichtbogen. Wird als Metallfolie eine Folie aus Alumi- auf diese vorgewärmte Unterlage das Matrixmetall nium oder einer Aluminiumlegierung verwendet, so er- aufgespritzt wird. Dies erfolgt abwechselnd, bis tine reicht man bei einer Temperatur von 204 bis 316⁰C gewünschte Gesamt-Schichtdicke erreicht ist.
eine gute Bindung, während bei Temperaturen unter- 50 Um die Dichte des Matrixmetalls in dem erhaltenen halb 93° C keine Bindung mehr erzielt wird. Der dem Rohling und dessen Festigkeit zu erhöhen, unterwirft Plasmabrenner 28 gegenüberstehende Spanndorn wird man danach den mehrschichtigen, die Metallfolie umwährend des Spritzens gedreht, um eine gleichmäßige fassenden Körper nach Entfernung des Spanndorns Schicht von Matrixmetall zu erreichen. Veränderliche einer Heißpressung. Die Heißpressung kann in einer Größen, die den Plasmastrahl beeinflussen, sind die 55 Inertgasatmosphäre erfolgen. Falls der Hohlkörper zu dem Lichtbogen zugeführte Leistung, die räumliche einer Platte weiterverarbeitet werden soll, kann beim Stellung und Größe der Lichtbogenelektroden und die Abnehmen von dem Spanndorn der Hohlkörper gegen-Zusammensetzung und die Strömungsgeschwindigkeit über einer Mantellinie des Spanndorns schräg geder Plasmagase. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde schnitten werden. Der Rohling wird dann zwischen mit einem Lichtbogenstrom von 400 bis 500 A, einer 60 Stahlplatten oder Preßformen gelegt und zwischen Lichtbogenspannung von 30 bis 35 V und einer Zufuhr diesen bei vorgegebenem Druck und vorgegebener von Argon von 3,96 bis 4,53 m³/h (unter Normal- Temperatur gepreßt.

bedingungen) gearbeitet. Außer durch diese ver- Verschiedene Versuche wurden durchgeführt, um änderliche Größen wird die durch das aufgespritzte die Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Matrixmetall erhaltene Unterlage beeinflußt durch die 65 überprüfen. Bei diesen Versuchen wurde ein Spann-Zufuhrgeschwindigkeit des Matrixmetallpulvers zum dorn 10 aus Aluminium von 15,25 cm Breite und Lichtbogen des Plasmabrenners, die Lage der Zufuhr- 50,80 cm Durchmesser verwendet. Zwischen dessen öffnung für das Metallpulver bezüglich des Plasmas, beide Halbzvlinder 12. 14 waren zwei Federn ein«·-

schaltet, die jeweils eine Federkonstante von 16 kp/m aufwiesen. Der Sperriemen konnte mittels der Flügelmutter 23 so eingestellt werden, daß er das Auseinanderklappen der Halbzylinder 12, 14 auf eine maximale Spaltbreite von 0,64 cm begrenzte. Während als Matrixmetall stets Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wurde, wurden bei verschiedenen Versuchen Fasern aus Bor, aus mit Siliziumkarbid beschichtetem Bor und aus Siliziumkarbid verwendet. Materialien für Faser, Matrixmetall und Metallfolie, die sich als für die Herstellung geeignet erwiesen, sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle I
Faser

Material	Durchmesser	Elastizitäts modul 10» kp/cm*	Durchschnitt liche Reiß festigkeit 10» kp/cm«
Bor Bor mit 2,5 bis 3,8 μπι SiC- Beschichtung SiC	99 bis 104 μΐη 99 bis 104 μπι 68 bis 84μτη	3,87 bis 4,22 3,87 bis 4,22 3,52	29,9 35,2 29,9 35,2 19,3 28,1

Metallpulver

Material	1.0%	Gestalt	Teilchen größe
	Al	sphärisch	15 bis 44 μπι
Technisch reines Alumi	4 5°/ ^»^J /o
nium		zerstäubt	bis 64 μπι
Aluminiumlegierung
Mg, 0,5% Si, Rest	zerstäubt	bis 64 μπι
Aluminiumlegierung
Cu, Rest Al

Metallfolie

Material	Behandlung	Dicke
Handelsübliche legierte Aluminiumfolie	geglüht	25 bis 75 μπι

Besonders gute Eigenschaften des hergestellten Metallkörpers wurden erzielt, wenn als Metallpulver die Aluminiumlegierung mit 1,0% Mg, 0,5% Si, Rest Al, als Faser diejenige mit SiC-Beschichtung und als Metallfolie die handelsübliche legierte Aluminiumfolie mit einer Dicke von 25 μπι verwendet wurden. Auch bei der Verwendung von Fas:rn aus Siliziumkarbid und Bor ergaben sich gute Ergebnisse.
Es wurden weiter Versuche mit verschiedenen Ab-Wandlungen der Heißpressung an Rohlingen durchgeführt, die aus den vorgenannten Materialien hergestellt waren. Dabei wurde festgestellt, daß bei einer Heißpressung bei einer Temperatur von 500° C und einem Druck von 281 kp/cm* während einer Preßzeit von 1 h ein Körper von maximaler Dichte, Festigkeit und Dehnbarkeit erzielt wurde. Höhere Temperaturen bedingen niedrigere Drücke, z. B. 70,3 kp/cro² bei 600⁰C. Bei der Verwendung von Fasern aus technisch reinem Bor tritt jedoch bei 560⁰C eine bedeutende Ver-

ao schlechterung der Eigenschaften der Faser ein, was allerdings nicht der Fall ist bei Borfasern mit Siliziumkarbid-Beschichtung. Borfasern, die aus einem bei 560° C gepreßten Probekörper mit verdünnter Salzsäure entfernt wurden, zeigten eine Schwächung der

durchschnittlichen Reißfestigkeit von 33,7 auf 9,14 χ 10* kp/cm⁸, und der Probekörper zeigte eine entsprechend verringerte Festigkeit. Niedrigere Temperaturen können andererseits zu einer ungenügenden Verdichtung des Matrixmetalls führen, die nur durch sehr hohe Drücke ausgeglichen werden kann. So wurde beim Heißpressen eines Probekörpers mit Fasern aus Bor und Aluminium als Matrixmetall bei einer Temperatur von 400⁰C und einem Druck von 70,3 kp/cm² keine vollständige Verdichtung erreicht, und das Matrixmetall blieb etwas brüchig. Eine Heißpressung bei 703 kp/cm* führte jedoch zu völliger Verdichtung. Insbesondere bei der Herstellung größerer Körper ist es also wichtig, im Hinblick auf einen möglichst geringen Preßdruck die Heißpressung bei der höchsten

Temperatur durchzuführen, die im Hinblick auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften der Fasei noch zulässig ist.

Drei auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedener Weise hergestellte Probekörper Nr. 1,

Nr. 2 und Nr. 3 wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht Die Untersuchung? ergebnisse sind in Tabelle II zusammengestellt

Tabelle II

Nr. 1

Bor

Nr. 2

Nr. 3

Bor mit 2£ bis
3,5 pm SiOBe-

ZaH der Schichten

Abstand der Faserwiadungen

lichtbogenieistung

Plasma-Gas

Vorwärmtemperatur

HeospressuiKg ..............

Faserantefl im Volumen

Elastizitätsmodul

Maximale Reißfestigkeit

11

157 μπι
14kVA
4,25 m*/h Aigon

2O4°C

399°C

703 kp/cm²
52%

157 (im
14kVA

4,25 m^s/h Argon
260⁰C
499°C
2Sl kp/cm¹

16kVA

4,81 m*/b Argoi 232°C
499°C

1U4· 10» kp/cm

11,41-1O^S kp/cffl

1,48·1Ο·!φ/{33 4,85-lO⁸kp/cn

Der in der Tabelle II angegebene Abstand der Faserwindungen gilt nicht nur für die Faserwindungen derselben Lage einer schraubenförmig aufgewundenen Faser untereinander, sondern auch für den gleich großen Abstand zwischen den Faserwindungen einer Schicht und derjenigen der darüberliegenden Schicht.

Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den angegebenen Beispielen sind selbstver-

ständlich möglich. So kann das Plasmaspritzen auch in Luft ausgeführt werden, um die Durchführung des Verfallrens zu vereinfachen. Um in diesem Fall eine gute Bindung zwischen einzelnen Aluminiumschichten, die nacheinander an der Luft gespritzt werden, zu begünstigen, ist es empfehlenswert, die Oberfläche der jeweiligen Unterschichten mit feinem Aluminiumoxidpulver mittels eines Strahlgebläses zu bestrahlen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines zumindest annähernd rotationssymmetrischen hohlen Metallkörpers auf einem von einer Metallfolie umhullten Spanndorn durch Plasmaspritzen, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß auf die den Spanndorn umhüllende Metallfolie abwechselnd bis zum Erreichen der gewünschten Schichtdicke eine Faser schraubenförmig mit regelmäßig beabstandeten Windungen aufgewickelt und sodann auf die vorgewärmte Unterlage das Matrixmetall aufgespnUt wird und daß schließlich der die Metallfolie umfassende Körper nach Entfernung des Doms einer

Heißpressung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faser aus Bor, Siliziumkarbid oder mit Siliziumkarbid beschichtetem Bor verwendet wird. _u

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Matrixmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallfolie eine Folie aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage jewe.ls auf 204 bis 316°C vorgewärmt w.rd.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Heißpressung bei einer Temperatur von 500⁰C und unter einem Druck von 281 kp/cm* während einer Preßdauer von 1 h vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden An-

Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus zwei Halbzylindern bestehender Spanndorn verwendet wird, dessen Halbzylinder unter Federkraft an den Innenumfang der Unterlage angedrückt werden, und daß die Federkraft so groß bemessen wird. daß die bei Wärmebewegungen des Spanndorn« und der Unterlage auf die Faser ausgeübte Zugkraft eine Dehnung der Faser von höchstens 0,3 ₀ ^bewirkt·

de _

bildenden Teilchen und damit eine

aisrr as

_Gebrauch ^a ^j _der Weiterflachliegenden Band gerade den uchungen ausgesetzt ist Da bei dem £ £ _keine zusätzliche Verstärkung des

Verfahren ^^cn , _{weist der} hergestellte hohle JJetallttwpers β _{Anwendungsfä}H_e ungenügende