DE1951168C

DE1951168C - Hochfestes Verbundblech

Info

Publication number: DE1951168C
Application number: DE19691951168
Authority: DE
Inventors: Kenneth Gruber Glaston bury Conn Kreider (V St A )
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1968-11-13
Filing date: 1969-10-10
Publication date: 1973-05-30

Description

Die Erfindung betrifft ein hochfestes Verbundblech »us Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Matrix mit darin eingebetteten parallelen Fäden aus Bor oder Siliciumcarbid.

Es wurden bereits zahlreiche Versuche unternommen, hochfeste Verbundblechs aus einer Matrix mit darin eingebetteten parallelen Fäden herzustellen.

So sind bereits faserverstärkte Bleche aus Aluminiumlegicrungen bekannt, wobei der Anteil der zwischen den Blechen ausgerichtet angeordneten Fasern bzw. Fäden aus Bor 45 bis 50 Volumprozent beträgt. Die Verbindung erfolgt durch Pressen allein oder durch Pressen und anschließendes Lös'ingsglühen und 'Warmauslagern. Auf diese Weise lassen sich in Faserrichtung Zugfestigkeitswerte von 100 kg/mm² und Spitzenwerte von 140 kg/mm² erzielen (»Journal of Metals«, März im

Bei einem anderen bekannten Verbundwerkstoff aus Aluminium sind^Siliciumcarbidfasern rnit einem Durchmesser von. 0,08 mm mit einem Anteil von 20 Volumprozent in Aluminium eingebettet. Bei einem "> derartigen Verbundwerkstoff hat man Zugfestigkeiten von etwa 55 kg/mm² gemessen (Metal Progress«, April 1967, S. 105 bis 114).

Schließlich wurde bereits festgestellt, daß uer Abstand zwischen den einzelnen, parallellaufenden Fasern

ίο bzw. Fäden groß genug sein muß, um eine ausreichende Umhüllung der Fäden mit dem besser verformbaren Matrixwerkstoff und dadurch eine bessere Haltbarkeit

': der Fäden bei Belastung zu erreichen. Dabei wird noch auf Titan oder Titanlegierungen als Matrixwerkstoff hingewiesen in dem Borfäden eingebettet sind (»Modem Composite Materials«, Addison-Wesley Publishing Company, 1967, S. 412 bis 421).

Man weiß zwar, daß Titan eine um 65% höhere Dichte und auch bei höheren Temperaturen wesentlich bessere Festigkeitseigenschaften als Aluminium hat. Es ist jedoch bisher noch nicht gelungen, Titan als Werkstoff in Verbundblechen der vorstehenden Art so zu verarbeiten, daß dadurch die Eigenschaften des Verbundes aus Matrix' und Fasern wesentlich verbessert wurden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verbundblech der eingangs genannten Art mit wesentlich verbesserten Fesligkeilseigenschaften, insbesondere quer zur Faserrichtung zi: schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verbundblech der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens eine Folie aus Titan oder einer Titanlegierung mit Matrix und Fäden verbunden ist.

Die Matrix aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen kann zweckmäßigerweiv; dureh eine solche aus Magnesium ersetzt sein.

Eine besonders günstige Zusammensetzung des Verbundbleches in Volumprozent besieht aus 10 bis 35% Titanfolie, 30 bis 50% Fäden und der Matrix aus Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Magnesium als Rest.

Eine besondes günstige Wirkung erhält man dadurch, daß die Borfäden mit Siliciumcarbid oder einem Nitrid überzogen sind.

Die Herstellung eines solchen Verbundbleches erfolgt dadurch, daß eine Spindel mit einem Blatt Titanfolie bedeckt wird. Dann wird auf die Folie ein Faden schraubenförmig odc· in parallelen Lagen einschichtig gewunden, wonach dann die Metallmatrix oder die Matrixlegierung durch Plasmaspritzen auf den Faden und die Folie aufgespritzt wird. Anschließend wird die Verbundschicht durch einen Längsschnitt von der Spindel getrennt und zu einem Blech ausgebreitet.

Ein derartiges Blech kann umgekehrt auf der Spindel befestigt werden, so daß die Titanfolie außen liegt. Auf diese Folienseite wird der Faden aufgewunden und die Matrix aufgespritzt, wodurch man ein zweischichtiges Blech mit einem Titankern erhält.

Das einseitig bespritzet Verbundblech kann jedoch auch mit einem gleichartigen Verbundblech durch Warmpressen zu einem mehrschichtigen Blech verbunden werden.

Erfindungsgemäße Verbundbleche habenden Vorteil, daß sie auf einfache Weise und billig mit gleichbleibenden Eigenschaften hersteilbar sind, wobei insbesondere die Festigkeit quer zur Faserrichtung gegenüber den bekannten Verbundblcchen erheblich vcr-

bessert ist. Das Verbundblech insgesamt hat somit hervorragende Festikeitseigenschaften und einen hohen Modul.

An Hand der Zeichnung wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundbleches beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Spindel zur Herstellung eines Verbundbleches;

F i g. 2 zeigl die Spindel in einer Plasmasprit7-kammer.

Die in Fig. \ gezeigte hohle, zylindrische Spindel 10 ist längs eines Durchmessers in die Spindelhälften 12 und 14 unterteilt. Die beiden Spindelhälflen 12 und 14 sind auf der einen Seite des sie teilenden Durchmessers durch ein Scharnier 16 und auf der anderen Seite durch einen Sperriegel 20 verbunden, der an der Spindelhälfte 14 angeienkt und an. der Spindelhälfte 12 durch eine in einem Langloch 22 des Riegels 20 sitzende Schraube mittels einer Flügelmutter 23 befestigbar ist. Auf der dem Scharnier 15 gegenüberliegenden Seite sind zwi-M.lien einer Ausnehmung des Gesamtumfangs der Spindel 10 zwischen den Spindelhälflen »2 und 14 Druckfedern If! angeordnet. Mittig ist in der Spindel 10 eine Ausnehmung 24 für die Aufnahme einer nicht gezeigten Antriebswelle vorgesehen, die eine radiale und axiale Beweglichkeit zuläßt.

Die Titanfolie wird auf die Spindel 10 auf deren AuOenumfang jufgelegt, wobei durch die Feder 18 die Hälften 12 und 14 etwas nach auL'en gedrückt werden. Danach wird der Verstärkungsfaden gleichmäßig schraubenförmig um die auf der Spindel 10 angeordnete Titanfolie gewickelt, wobei gewünschtenfalls auch entsprechend bemessene Fadenstücke in parallelen Lagen im gleichen Abstand zueinander angeordnet werden können. Dabei ist jeweils für eine entsprechende Befestigung der Fadenenden zu sorgen.

Danach wird die Spindel 10 in der Plasma-Spntzkammer 26 gegenüber dem Plasmabrenner 28 angeordnet, wobei (iie Flügelschraube 23 geöffnet wird, so daß sich die Spindelhälften 12 und 14 in oder gegen die Spannrichtung der Feder 18 bewegen können. Vor dem Anordnen der Spindel 10 in der Plasma-Spritzkammer 16 wird die Spindel 10 entsprechend vorerhetzt, so daß die Temperatur der Titanfolie zwiscnen 204 und 316°C liegt. Während des Spritzern wird die Spindel 10 gedreht und an dem ortsfesten Plasmabrenner 28 vorbeigeführt, so daß eine gleichmäßige Beschichtung mit dem Matrixmaterial erreicht wird. Im vorliegenden Fall beträgt die F.ntfernung zwischen dem Brenner und der Folie 10 bis 12 cm, wobei sich die Folie mit einer Geschwindigkeit zwischen 5 und 20 cm/s am Brenner 28 vorbeibewegt. Die Kammer 26 ist mit einer Argonatmosphäre gefüllt.

Durch das Vorerhitzen und das Plasmaspritzen werden die Fasern von dem Matrixmetall umschlossen und an die Titanfolie gebunden. Dabei dehnt sich jedoch die Spindel thermisch aus, wobei sich die Spindelhälften 12 und 14 einander entgegen der Vorspannung der Federn 18 annähern. Dies führt dazu, daß der um die Titanfolie gewickelte Faden nicht höher zugbelastet wird. Die Kontraktion der Spindel beim Abkühlen wird wiederum durch die Federn 18 ausgeglichen. Dies bedeutet, daß die Gesamtdehnung des bzw. der Fäden innerhalb von 0,3% während der Herstellung des Verbundbleches auf der Spindel 10 liegt.

Das so hergestellte Verbundblech wird durch einen achsenparallelen Schnitt getrennt und von der Spindel 10 entfernt. Es kann nun wiederum um die Spindel 10 herum angeordnet werden, wobei die noch nicht beschichtete Folienseite nach auCcn weist und dem gleichen Herstellungsvorgang wie vorstehend beschrieben unterzogen wird, wobei die Folie vor dem Aufbringen des Fadens beispielsweise durch ein verdünntes Gemisch von Salpetersäure und Flußsäure gereinigt wird. Es kann jedoch auch eine Verbindung von zwei ,lach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Blechen längs der nicht beschichteten Folienseken er-

folgen, beispielsweise durch Warmpressen in nicht

oxydierender Atmosphäre, wobei zur Vermeidung der

Ausbildung von spröden Zwischenmetatlscbichten das

Warmpressen 1 Stunde lang bei 450 bis 550° C erfolgt.

Die folgenden Versuche wurden mit einer Spindel aus

Aluminium von 15,2 cm Breite und 50,8 cm Durchmesser durchgeführt. Dabei wurden auf der einen Seite zwischen die Spindelhälf-ien 12 und 14 zwei Venulfedern mit einer Federkcmstantenvon 16095kg/m eingesetzt und der Riegel so eingestellt, daß eine Hem-

mung der Entfernungsbewegurg der Hälften voneinander nach 0,6 cm einsetzte.

Es wurden Borfasern bzw. -fäden mit einem Durchmesser von 99 bis 104 μΐη verwendet, die einen Siliciumcar'.idüberzug in einer Stärke von 2,5 bis 3,75 \xm

hatten. Der Elastizitätsmodul der Borfasern liegt zwischen 3,87 und 4.22 · 10^ekg/cm². die Zugfestigkeit zwi-' sehen 299 und 352 kg,mm-.

Als Matrixmetall werden dein Plasmabrenner verschiedene Legierungen in Form feinster PuKci zuge-

führt, beispielsweise 1,0°/, Mg₁ 0.5% Si, Rest Al (Al-Legierung 6061), 6.3% Cu, Rest Al (AI-Legierung 2219), 9,0% Si, Rest Al (Al-Legierung 360). Die verwendete Folie besteht aus einer Titanlegierung (AMS 4V·: 1) mit der Zusammensetzung 6,0% Al.

4,0% V, Rest Ti, wobei jedoch auch andere Titanlegierungen, beispielsweise aus 2,5% Sn, 5,0% Al, Rest Ti. verwendet werden können.

An Hand der nachstehenden Beispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel 1

Auf eine 50,8 μΐη starke Folie aus einer Titanlegierung, bestehend aus 6,0% Al, 4,0% V, Rest Ti, die auf der Spindel 10 angeordnet ist, wird ein mit Siliciumcarbid überzogener Faden mit einem Durchmesser von 101 μπι aufgewickelt. Danach wird im Plasmabrenner eine Aluminiumlegierung, bestehend aus 1,0% Mg. 0,5% Si, Rest Al, die in Form eines feinen Pulvers mit

so ^eilehendurchmessern zwischen 37 und 10 μΐη zugeführt wird, aufgespritzt, wobei der Brenner eine Leistung von ilkW hat und mit einem Durchsatz von 4,48 nm³/h Argon arbeitet. Die Folie ist dabei auf 25O°C erhitzt, die Entfernung zum Brennerkopf beträgt 12,7 cm. Die Volumenzusammensctziing des Verbündbleches ergibt sich zu 33%, Folie, 33% AI-Legierung und 34% Fadenmaterial. Entsprechende Bleche werden auf ihren nicht beschichteten Seiten bei 55O°C und Anwesenheit von Argon unter einem Druck von 422 kp/cm² miteinander verbunden. Die mittlere Zugfestigkeit in Faserrichtung ergibt sich zu 108,3 kg/mm² und senkrecht zu den Fasern zu 43,6 kg/ mm². Diese Festigkeit verringert sich bei 300°C auf 34,5 kg/mm².

B e i s ρ i e 1 2

Auf eine Folie aus Titan handelsüblicher Reinheit mit einer Stärke von 25,4 μηι wird entsprechend Bei-

spiel 1 ein mit Siliciumcarbid überzogener Borfaden gewickelt. Dann wird eine. ριι1νεΓΓοΓη^ε(37^5ΐΟΟμΐη) Aluminiumlegierung, bestehend aus 6,3% Cu, Rest Al, durch einen Plasmabrenner aufgespritzt, der mit einer Leistung von 18 kW und einem Argondurchsalz von 4,48 nm³/h arbeitet. Die Temperatur der Folie beträgt 250⁰C, ihre Entfernung vom Brennerkopf 12,7 cm. Die Volumenzusammensetzung des Verbundbleches beträgt 18% Ti-Folie, 42% Aluminiumlegierung und 40% Fadenmaterial. Durch Warmpresser werden gemäß Beispiel 1 zwei derartige Bleche mit einander verbunden. Die mittlere Zugfestigkeit paralle zu den Fasern beträgt 91,4 kg/mm², quer zu den Faserr 21,1 kg/mm².

In der nachstehenden Tabelle werden weitere Ver Suchsergebnisse aufgeführt.

Versuchsanzahl zur Mittel	Faden material	Folie	21	Al-Matrixlcgicrung	Zugfestigkeit*	E-Modul*	Bruch dehnung**
bildung	Volumprozent	31	V.	kg/mm¹	lO-^kg/cm«	V·
5	35	31	9,0Si	18,0fl	0,84	3,5
5	36	19	1,0Mg 0,5Si	43,6 q	1,02
6	36	21	1,0Mg 0,5Si	108,3 /	2,21	0,55
6	42	16	9,0Si	85,8/	2,21	0,37
2	46	16	9,0Si	73,1/	2,1
5	42	4,35Cu 1,5Mg 0,6Mn	17,7?	1,02
5	42	4,35Cu 1,5Mg 0,6Mn	110,4/	2,2 .	0,57

ti'} — gemessen quer zur Fadenrichtung. \ / = gemessen längs zur Fadenrichtung. ** bei 2,54 cm Probenlänge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfestes Verbundblech aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Matrix mit darin eingebetteten parallelen Fäden aus Bor oder Siliciumcarbid, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Folie aus Titan oder einer Titanlegierung mit Matrix und Fäden verbunden ist.

2. Verbi'ndblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Aluminium oder Aluminiunilegierungen durch eine solche aus Magnesium ersetzt ist. . " ' :

3. Verbundblech nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durc'.i eine volumenmäßige'Zusammensetzung von 10 bis 35% Titanfolie, 30 bis 5p % Fäden und der Matrix aus Aluminium, Aluminiiimlegierunger :der Magnesium als Rest.

4. Verbundblech nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Borfäden mit Silicijmcarbid oder einem Nitrid überzogen sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbleches nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daf3 eine Spindel mit einem Blatt Titanfolie bedeckt, ein Faden schraubenförmig oder in parallelen Lügen einschichtig auf die Folie gewunden, das Matrixmetall oder die Matrixlegierungen mittels des Piasmaspritzverfahrens auf Faden und Folie gespritzt, die Verbi .idschicht durch einen Längsschnitt von der Spindel getrennt und zu einem Blech ausgebreitet wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbleches nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das nach Anspruch 5 hergestellte Verbundblech umgekehrt auf der Spindel befestigt und auf d;r außenliegenden Tilanfolie in gleicher Weise ein Faden aufgewunden und die Matrix aufgespritzt wird, um ein zweischichtiges Blech mit Titankern zu erhalten.

7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbleches nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach Anspruch 5 hergestelltes Verbundblech mit anderen, gleichwertig hergestellten Verbundblechen durch Warmpressen zu einem mehrschichtiger! Blech verbunden wird.