DE2049416C3

DE2049416C3 - Process for the production of semi-finished products and molded parts from fiber composite materials

Info

Publication number: DE2049416C3
Application number: DE19702049416
Authority: DE
Inventors: Hermann-Walter Dr.; Rösler Ulrich Prof. Dr.; 8520 Erlangen Grünling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1970-10-08
Publication date: 1977-03-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung des wünschten Formen, also z. B. Stangen, Rohren oder anderen Profilen, z. B. Turbinenschaufeln. Zur Verwendung kommen dabei alle bekannten Matrixmaterialien, wie z. B. Metalle, Keramik, Glas, Kunststoffe und als Fasermaterial ebenfalls wieder Metalle Keramik, Glas und nicht metallische Elemente, wie z. B. Bor und Kohlenstoff, sowie deren Verbindung mit Metallen oder Übergangsmetallen, z. B. Siliziumkarbid. The invention relates to the application of the desired shapes, so z. B. rods, tubes or other profiles, e.g. B. turbine blades. All known matrix materials are used, such as B. Metals, ceramics, glass, plastics and again metals as fiber material Ceramic, glass and non-metallic elements such as B. boron and carbon, as well as their connection with metals or transition metals, e.g. B. silicon carbide.

Weiterbin seien genannt Whiskermaterialien, das sind faserförmige Einkristalle, die sich aus verschiedenen Stoffen, z. B. Aluminiumoxid, Graphit, Siliziumfcarbid oder Siliziumniiirid herstellen lassen. Da Whisker verhältnismäßig kurz sind, müssen diese zuerst in an sich bekannter Weise zu Fäden versponnen werden, bevor sie sich zu einem Gewebe verarbeiten lassen. Es kann dabei vorteilhaft sein, Hilfsfäden aus einem anderen Material einzuarbeiten, z. B. um auf diese Weise die Konzentration der Whisker den gewünschten Festigkeitseigenschaften anzupassen. Die Art dieses Materials richtet sich selbstverständlich dabei nach der späteren Matrix oder Einbettmasse. Durch Tränken der genannten Spinnfäden mit einem Matrixmaterial lassen sich Verbundwerkstoffäden oderWhisker materials, which are fibrous single crystals that are made up of different materials, may also be mentioned Substances, e.g. B. aluminum oxide, graphite, silicon carbide or have silicon nitride produced. Since whiskers are relatively short, you have to do them first are spun into threads in a manner known per se before they are processed into a fabric leave. It can be advantageous to incorporate auxiliary threads made of a different material, e.g. B. to on In this way, the concentration of the whiskers can be adjusted to the desired strength properties. the The type of material depends of course on the later matrix or investment material. By impregnating the aforementioned spun threads with a matrix material, composite threads or

Verfahrens zur Herstellung von Halbzeug und Form- 25 Drähte herstelbn, die selbst als Verstärkungsfasem fürProcess for the manufacture of semi-finished products and molded 25 wires that are used as reinforcing fibers for themselves

teilen aus Faserverbundwerkstoffen, deren Fasern nach den Hauptbeanspruchungsrichtungen ausgerichtet sind und durch Hilfsfäden in ihrer Lage gehalten werden. Faserverbundwerkstoffe oder faserverstärkte Werkstoffe sind seit längerer Zeit in Entwicklung, mit ihrer Hilfe werden hochfeste und dabei leichte Bauteile, unter anderem hochwarmfeste Bauteile, auf fast allen technischen Gebieten angestrebt. Die Festigkeit der betreffenden Werkstücke hängt dabei im wesentlichen von dem Volumenanteil und der Festigkeit der verstärkenden Fasern und weniger von dem umgebenden Matrixwerkstoff ab. Es wird angestrebt, die Faserrichtung stets so zu wählen, daß sie mit der Hauptbeanspruchungsrichtung der Werkstücke übereinstimmt.share from fiber composites, their fibers after are aligned with the main directions of stress and held in place by auxiliary threads. Fiber composite materials or fiber-reinforced materials have been in development for a long time, with their High-strength and lightweight components, including high-temperature components, will help on almost everything technical areas aimed at. The strength of the workpieces in question depends essentially on them on the volume fraction and strength of the reinforcing fibers and less on the surrounding Matrix material. The aim is always to choose the fiber direction so that it coincides with the main direction of stress of the workpieces matches.

die hier beschriebene Technik verwendet werden können.the technique described here can be used.

Die Verstärkungsfasern, ob sie nun aus kontinuierlichen Fasern oder aus gesponnenen Whiskerfäden aufgebaut sind, können als Einzelfasern oder als Faserbündel verwendet werden. Wenn auch die Spinnfäden mit den eingebetteten Whisker eine im Vergleich zu den kontinuierlichen Fäden niedrigere Festigkeit besitzen, da die Fasern zunächst noch keinen festen Zusammenhalt haben, kommt die Festigkeit der Einzelfasern, also der Whisker jedoch im fertigen Verbundwerkstoff durch die bekannten Kraftübertragungsmechanismen voll zur Geltung. Für die Steigerung der Verarbeitbarkeit dieser Spinnfäden ist es vor-The reinforcing fibers, whether they are made from continuous fibers or from spun whiskers can be used as single fibers or as fiber bundles. Even if the filaments with the embedded whiskers a lower strength compared to the continuous filaments because the fibers do not have a firm cohesion at first, the strength comes the individual fibers, i.e. the whiskers, however, in the finished composite material through the known force transmission mechanisms to its full advantage. To increase the processability of these filaments, it is

Diese Übereinstimmung ist jedoch nicht auf technisch 40 teilhaft, die einzelnen Fasern durch Tränkung desHowever, this correspondence is not technically feasible, the individual fibers by impregnation of the

einfache Art und Weise zu erzielen. Versuche dazu bestanden darin, die betreffenden Werkstoffe durch Ziehen oder Walzen im noch nicht verfestigten 2'ustand zu verformen. Die dabei erzielte Ausrichtung der einge-Spinnfadens mit geeigneten Kunststoffen, die beim Fertigungsprozeß rückstandslos verbrennen bzw. verdampfen, fest miteinander zu verbinden. Gewebe aus solchen Verbundfaden eignen sich besonders für dieeasy way to achieve. Attempts to do this consisted of the materials in question To deform drawing or rolling in the not yet solidified state. The achieved alignment of the one-spinning thread with suitable plastics that burn or evaporate without residue during the manufacturing process, to be firmly connected to each other. Fabrics made from such composite thread are particularly suitable for

betteten Fasern war jedoch nicht vollkommen. Außer- 45 Einbettung in Matrixwerkstoffe, die der Matrix des dem läßt sich dadurch die gewünschte Faserdichte im Fadens entsprechen. Die Einbettung in andere Matrix-Werkstoff selbst nicht beeinflussen. werkstoffe ist jedoch auch möglich. So werden die Es wurde auch fhon vorgeschlagen-DT-OS1912465 Kombinationen Fadenmiatrix (Glas oder Metall) mit und US-PS 28 93 442 - die verstärkenden Fasern in Werkstoffmatrix (Metall oder Keramik), Fadenmatrix Form eines Gewebes in entsprechender Orientierung 50 (Kunststoff) mit WerJestoffmatrix (Metall, Glas, in das zu verfestigende Matrixmaterial einzubetten.
Die Gewebe können dabei in ebener oder gerollter
bzw. der Werkstückform angepaßter Schichtung angeordnet werden. Hilfsfäden können dabei zur Halterunghowever, the embedded fibers were not perfect. In addition to being embedded in matrix materials, which correspond to the matrix of the, the desired fiber density in the thread can be achieved. Do not influence the embedding in other matrix material itself. materials is also possible. It has also been suggested - DT-OS1912465 combinations of thread matrix (glass or metal) with and US Pat. with a material matrix (metal, glass, to be embedded in the matrix material to be solidified.
The fabrics can be flat or rolled
or layering adapted to the workpiece shape. Auxiliary threads can be used to hold it

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der Verstärkungsfasem in ihrer Sollage verwendet werden.the reinforcement fibers can be used in their intended position.

Solche Hilfsfäden können aber selbst wiederum für den fertigen Verbundwerkstoff schädlich sein. Es stellte sich daher die Aufgabe, solche Nachteile mit Sicherheit zu vermeiden.However, such auxiliary threads themselves can in turn be harmful to the finished composite material. It posed therefore the task of avoiding such disadvantages with certainty.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Hilfsfäden sich in der Matrix auflösen.According to the invention, this object is achieved in that the auxiliary threads dissolve in the matrix.

Bei der Herstellung von Halbzeug und Formteilen aus solchen Faserverbundwerkstoffen handelt es sich also darum, zunächst ein raumstabilisiertes Gerüst aus verstärkenden Fasern aufzubauen und sodann in einen Matrixwerkstoff einzubetten. Die Einbettung erfolgt dann vorzugsweise bereits innerhalb der ge-The manufacture of semi-finished products and molded parts from such fiber composite materials is a matter of So it is about first building a space-stabilized framework made of reinforcing fibers and then turning it into embed a matrix material. The embedding then takes place preferably already within the

60 Keramik), wenn die Kunststoffmatrix verbrennt oder verdampft, technisch realisierbar und von großem Interesse. 60 ceramics), if the plastic matrix burns or evaporates, technically feasible and of great interest.

Für das Einbetten der Gewebe bieten sich verschiedene Methoden an. Die einfachste ist die normale Gießmethode, die jedoch zweckmäßigerweise im Vakuum durchgeführt werden sollte, um störende Porenbildung im Verbundwerkstoff zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist auch das Tränken, bei dem das flüssige Matrixmaterial von unten her in die mit Fasergewebe ausgelegte Form durch Unterdruck eingesaugt wird. Diese Arbeitsweise empfiehlt sich insbesondere für Metallschmelzen.Various methods are available for embedding the tissue. The simplest is the normal one Casting method, which should, however, be carried out in a vacuum to avoid disturbing pore formation to be avoided in the composite material. Watering is also particularly advantageous, in which the liquid matrix material is sucked from below into the form lined with fiber fabric by negative pressure will. This procedure is particularly recommended for molten metal.

Für die Herstellung von Rohren kann die Wandung der Kokille entsprechend der gewünschten Rohrdicke mit Fasergewebe ausgelegt und das Matrixmaterial in Gestalt von Schlicker eingeführt werden. Beim anschließenden Erwärmen des Schlickers verdamnfenFor the production of pipes, the wall of the mold can be made according to the desired pipe thickness laid out with fiber fabric and the matrix material introduced in the form of slip. At the then evaporate the slip

die bindenden Bestandteile, anschließend sintert die metallische oder keramische Matrix zusammen. Auch Fertigwerkstücke, wie z. B. Turbinenschaufein, Flansche u. a. mehr, lassen sich nach diesem Verfahren herstellen, wobei sich die Faserverstärkung stets in reproduzierbarer und entsprechend den Festigkeitsbedürfnissen gesteuerten Weise anbringen läßt Nicht unerwähnt soll bleiben, daß «ich bei hohlen Werkstücken selbstverständlich auch die Schleudergußmethode für die Einbettung der Gewebe eignet. Eine ι ο Nachverformung des Halbzeugs odei der Formteile ist dabei nicht mehr erforderlich, da die optimale Anordnung der Fasern bereits beim Einbettungsvorgang selbst erzielt wird.the binding components, then the metallic or ceramic matrix sinters together. Also Finished workpieces, such as B. turbine blade, flanges i.a. more, can be produced by this process, whereby the fiber reinforcement is always in Can not be applied in a reproducible manner and controlled according to the strength requirements It should not be mentioned that “I of course also use the centrifugal casting method for hollow workpieces suitable for embedding the tissue. A ι ο post-deformation of the semi-finished product or the molded parts is no longer necessary because the fibers are optimally arranged during the embedding process itself is achieved.

An Hand der F i g. 1 bis 4, die verschiedene mögliche Ausbildung&foimen von Geweben sowie Schichtungen zeigen, sei nun diese Erfindung ergänzend näher erläutert. On the basis of FIG. 1 to 4, the different possible training & foimen of fabrics as well as layers show, this invention will now be explained in more detail.

Die Fig. 1 zeigt in zwei Darstellungen ein verschieden dichtes Gewebe aus Verstärkungsfasern 2. Daraus ist ersichtlich, wie durch die Webart die Dichte des einzubettenden Fasermaterials eingestellt werden kann. Dieses Gewebe ist geeignet für die Belastungsaufnahme in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen.Fig. 1 shows a different in two representations dense fabric made of reinforcing fibers 2. This shows how the density of the to be embedded fiber material can be adjusted. This fabric is suitable for the absorption of loads in two mutually perpendicular Directions.

Demgegenüber zeigt Fig. 2 ein Gewebe, das nicht nur aus Verstärkungsfasern, sondern auch aus Hilfsfäden 3 aufgebaut ist.In contrast, Fig. 2 shows a fabric that does not is composed only of reinforcing fibers, but also of auxiliary threads 3.

Die Darstellung von drei Webmöglichkeiten hinsichtlich der Zusammensetzung aus Hilfsfäden 3 und Verstärkungsfasern 2 zeigt, daß es auf diese Weise möglich ist, eine weitere Steuerung der Faserdichte im Verbundwerkstoff herbeizufuhren. Außerdem ist es hier möglich, in beiden Richtungen unterschiedliche Festigkeitswerte einzustellen. Darüber hinaus können durch die Einführung der Hilfsfäden immer stabile Netzwerke erzeugt werden, so daß sich bei deren Einbettung in das Matrixmaterial keine wesentlichen Verschiebungen der Verstärkungsfasern und damit Beeinträchtigungen der gewünschten späteren Festigkeit ergeben. Gerade bei großen Packungsdichten sind dann auflösbare Hilfsfäden von besonderem Vorteil.The representation of three weaving possibilities with regard to the composition of auxiliary threads 3 and Reinforcing fibers 2 shows that it is possible in this way to further control the fiber density bring about in the composite material. It is also possible here to have different directions in both directions Set strength values. In addition, by introducing the auxiliary threads, you can always keep them stable Networks are generated, so that when they are embedded in the matrix material no essential Displacements of the reinforcing fibers and thus impairment of the desired later strength result. Dissolvable auxiliary threads are then of particular advantage, especially in the case of high packing densities.

Die Herstellung von verschiedenen Faserverbundwerkstoff-Kombinationen kann durch mangelhafte Benetzbarkeit und/oder Bindung zwischen den Partnern erschwert werden. Durch die Aufbringung von die Haftung und/oder Benetzung fordernden Schichten, z. B. Metiülschichten, können solche Schwierigkeiten in an sich bekannter Weise überwunden werden. Bei metallkeramischen Faserverbundwerkstoffen mit Keramikfasern kann es insbesondere vorteilhaft sein, der Metallmatrix geringe Mengen aktiver Metalle, wie ζ. B. Titan oder Zirkonium zuzulegieren. Letztere fördern die Benetzung und führen zu einer Diffusionsverbindung zwischen Matrix und Fasermaterial. Die Zugabe dieser aktiven Legierungsbestandteiie kann derart geschehen, daß die im Gewebe verwendeten Hilfsfäden die genannten Aktivmetalle in der notwendigen Menge enthalten. Zweckmäßig erscheint auch die Verwendung von Verbunddrähten, deren Seele aus einem derartigen Aktivmetall oder dessen Legierung besteht, während die ebenfalls im Matrixmetall leicht lösliche Umhüllung aus einem Metall mit niedriger Sauerstofflöslichkeit besteht und die Aufgabe hat, beim Gießprozeß die leicht oxidierbaren reaktiven Metalle vor Oxidation zu schützen. Die genannten Verfahrensweisen zur Einbringung der aktiven Komponenten haben gegenüber einem reaktiven Zusatz bereits in der Matrixschmelze den Vorteil, daß die Kontaktzeiten zwischen diesen und den Verstärkungsfasern bei den in Frage kommenden hohen Temperaturen nur kurz sind, so daß Oberflächenbeschädigungen der Fasern durch Reaktion mit diesen Komponenten gering gehalten werden können.The production of various fiber composite material combinations may be due to poor wettability and / or bonding between partners be made more difficult. By applying layers that require adhesion and / or wetting, z. B. Metiülschichten, such difficulties be overcome in a manner known per se. For metal-ceramic fiber composites with Ceramic fibers, it can be particularly advantageous to the metal matrix small amounts of active metals, such as ζ. B. to alloy titanium or zirconium. The latter promote wetting and lead to a diffusion bond between matrix and fiber material. The addition of these active alloy ingredients can done in such a way that the auxiliary threads used in the fabric contain the active metals mentioned in the necessary Amount included. The use of composite wires, whose The core consists of such an active metal or its alloy, while that is also in the matrix metal Easily soluble envelope made of a metal with low oxygen solubility and the task has to protect the easily oxidizable reactive metals from oxidation during the casting process. The mentioned Procedures for introducing the active components have compared to a reactive one Addition already in the matrix melt has the advantage that the contact times between these and the Reinforcing fibers are only short at the high temperatures in question, so that surface damage of the fibers can be kept low by reacting with these components.

Ergänzend sei erwähnt, daß es nach Form und Querschnitt des herzustellenden Halbzeugs oder Fonnteils zweckmäßig ist, die Gewebe übereinander zu schichten, wie es z. B. aus den Fig. 3a, 3 b, 3 c und 3d hervorgeht Auch hier sind die verstärkenden Fasern wieder mit 2 und die Hilfsfäden mit 3 bezeichnet. Auch diese Skizzen zeigen, wie es durch Übereinanderlegen unter Umständen verschiedenartig aufgebauter Gewebe möglich ist, die Konzentration der verstärkenden Fasern in gewünschter Weise einzustellen.In addition, it should be mentioned that it depends on the shape and cross-section of the semi-finished product or molded part to be produced it is useful to layer the fabric on top of one another, as it is, for. B. from Figs. 3a, 3b, 3c and 3d It can be seen here, too, that the reinforcing fibers are again denoted by 2 and the auxiliary threads by 3. These sketches also show how it can be built up in different ways by superimposing it Fabric is possible to adjust the concentration of the reinforcing fibers in a desired manner.

Selbstverständlich sind nicht nur ebene Anordnungen möglich, vielmehr ist es auch unter Umständen sinnvoll, die Gewebe zunächst zu rollen, wobei die verstärkendenFasernstetsinderHauptbeanspruchungsrichtung verlaufen. Auch eine spezielle l-'orm, wie z. B. in F i g. 4, kann Anwendung finden. Damit ist eine weitgehende Anpassung an die Form des herzustellenden Werkstückes, in diesem Falle etwa einer Turbinenschaufel, möglich. Auch hier sind selbstverständlich verschiedenartig aufgebaute Gewebe übereinander schichtbar, so daß damit Festigkeitsverhalten und auch Bindung gegenüber der Matrix auf ein Maximum eingestellt werden können.Of course, not only planar arrangements are possible, but also under certain circumstances It makes sense to roll the fabric first, with the reinforcing fibers always in the main direction of stress get lost. Also a special l 'norm, such as B. in Fig. 4, can apply. This means that it is largely adapted to the shape of what is to be produced Workpiece, in this case about a turbine blade, possible. Also here are a matter of course Variously structured fabrics can be layered on top of each other, so that strength behavior and also Binding with respect to the matrix can be adjusted to a maximum.

Abschließend sei erwähnt, daß selbstverständlich für den Aufbau von derart verstärktem Halbzeug und Formteilen hinsichtlich Matrixmaterial, Hilfsfadenmaterial und Fasermaterial alle bisher bekannten Werkstoffe Verwendung finden können, so daß von der Nennung bestimmter Materialpaarungen für die genannten Beispiele abgesehen wurde.Finally it should be mentioned that of course for the construction of such reinforced semi-finished products and Molded parts with regard to matrix material, auxiliary thread material and fiber material all materials known up to now Can be used, so that from the naming of certain material pairings for the mentioned Examples was set aside.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Paterite claims:

1. Application of the process for the production of semi-finished products and molded parts from fiber composite materials, their fibers within a metallic or non-metallic matrix according to the Main directions of stress are aligned and held in their position by auxiliary threads, on auxiliary threads that dissolve in the matrix.

2. Application according to claim 1 to auxiliary threads made of matrix material.

3. Application of the process for the production of semi-finished products and molded parts from fiber composite materials with ceramic reinforcing fibers on auxiliary threads, which are used to improve adhesion Compared to the ceramic fibers, a known active metal is used as a mechanical vein Alloy component included.

2020th