DE2149634A1

DE2149634A1 - Verfahren zur Herstellung von korrosionswiderstandsfaehigen,zusammengesetzten Teilen

Info

Publication number: DE2149634A1
Application number: DE19712149634
Authority: DE
Inventors: Kreider Kenneth Gruber
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1970-10-20
Filing date: 1971-10-05
Publication date: 1972-04-27
Also published as: NL167620B; NL167620C; US3699623A; AU460007B2; IL37743A0; GB1339652A; NL7114268A; AU3478671A; FR2111243A5; CA949266A; JPS5434087B1; IL37743A

Description

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DR. WALTER NIELSCH

Patentanwalt

2 Hamburg 70 · Postfach 10914 Fernruf ι 6529707

Verfahren zur Herstellung von korrosionswiderstandsfähigen, zusammengesetzten Teilen

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Conn. 06i08 (Vereinigte Staaten von Nordamerika).

Es ist bekannt, faserverstärkte Gegenstände, zum Beispiel aus drahtförmigem Bor in einer Aluminium- oder Magnesiummatrix herzustellen und zwar für den Gebrauch als Maschinenbauteil in Gasturbinen. Für eine ins einzelne gehende Diskussion einer solchen Technologie wird auf die USA-Patentanmeldung mit der Serial Nr. 763 27# vom 27. September I960 dieser Anmelderin verwiesen. Einmal wegen der Natur der Materialien und zum anderen wegen der Umgebung bei ihrer Anwendung haben diese faserverstärkten Maschinenbauteile keine langen Gebrauchszeiten gezeigt. Es hat sich gezeigt, daß sie im Gegenteil gegen Erosion und Abbau schon bei den ersten Benutzungsstufen empfindlich sind, so daß sich; hieraus ein kostspieliger Austausch und eine Verminderung ihrer tatsächlichen kommerziellen Brauchbarkeit ergibt.

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Technik zur erheblichen Verbesserung der Erosions- und Korrosionswiderstandsfähigkeit von zusammengesetzten Gas- oder Dampfturbinenmaschinenteilen, Genauer ausgedrückt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Schutz von aus faserverstärkten Aluminium- oder Magnesiummatrix zusammengesetzten Teilen, wie Strömungserzeuger oder Kompressorflügel, vor Erosion und Korrosion durch Schutzummantelung derselben mit einer Folienhaut aus Titan oder Titanlegierung, typisch in einer Dick©' von 101,6 bis 508,0 u. Bei dem Verfahren wird die Titanschutzhaut anfänglich mit einer Schicht auf die Schaufelmatrixlegierung plasmagesprüht und dann mit der Matrix-

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außenfläche des Teils durch Diffusion verbunden.

Der bedeutende Vorteil beim Plasraabesprühen des Titans mit einer Schicht aus Aluminium oder Magnesium ergibt sich aus den bedeutend verbesserten BindungsCharakteristiken, die der Folie erteilt werden. Die Dif fusions verbindung von Aluminium beispielsweise macht die Entfernung der vorhandenen Oxidschicht auf dem Aluminium erforderlich. VJie festgestellt wurde, ist eines der besten Arbeitsverfahren für Ihre Entfernung die plastische Deformation. Durch das Plasmasprühen einer porösen Schicht der Matrixlegierung auf die Titanfolie wird die Oxidentfernung in situ erleichtert, denn die Porosität wird ohne, daß eine umfassende Gesamtdeformation erforderlich ist, durchgeführt.

Zusätzlich zu der erhaltenen ausgezeichneten Korrosionswiderstandsfähigkeit des zusammengesetzten Teils ergibt die Anordnung einer gebundenen Titanhaut eine erhöhte Torsionssteif igkeit und Festigkeit, wie auch erhöhte Module und !festigkeit in den nichtfaserverstärkten Richtungen.

Das Verständnis der vorliegenden Erfindung wird dem Fachmann durch Bezugnahme auf die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung erleichtert, insbesondere unter Bezugnahme der Zeichnung, die eine Ansicht im Schnitt eines Flügelteils einer Gasturbinenmaschinenschaufel wiedergibt.

In zusammengesetzten Strukturen zur Anwendung für Gasturbinenmaschinenteile ist gefunden worden, daß besonders brauchbare Zusammensetzungen mit hoher Festigkeit im Verhältnis zum Gewichts verhältnis erhalten werden können durch Anordnen einer Mehrzahl von Monoschichtumhüllungen aus Siliciumcarbid als Überzug auf Bordrähten in einer Aluminiummatrix. Solche Umhüllungen, wie vorstehend erwähnt, werden im einzelnen in der USA-Patentanmeldung Serial Nr. 763 27Ö diskutiert und sind

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in Gasturbinenschaufelteile eingebaut worden, ζ. Β. Gebläseschaufeln. Es sei bemerkt, daß andere Drähte, wie Siliconcarbid oder einfaches Bor oder dergleichen,in einer Matrix aus Aluminium, Magnesium oder ihren Legierungen verwendet werden können.

Wie in der Zeichnung dargestellt, enthält eine Schaufel 10 eine Vielzahl von mit Siliciumcarbid überzogenen Borverstärkungsdrähten 12, wie solche 101,6 ^u. Drähte der Hamilton Standard Division der United Aircraft Corporation unter dem registrierten Warenzeichen BORSIC, eingebettet in einer Matrix 14 aus Aluminium, wie 6061 Aluminiumlegierung. Die Schaufel 10 wird durch eine Titanfolienumhüllung 16 geschützt und ist mit der Schaufel verbunden.

Bei dem Verfahren wird die Titanhaut zuerst mit der Schaufelmatrixlegierung plasmabesprüht, um ihr Bindungsvermögen sicherzustellen. Dann wird mit dem zusammengesetzten faserverstärkten Teil durch Anwendung von Hitze und Druck eine Difftisionsverbindung hergestellt. Wie dies dem Fachmann bekannt ist, wird das Plasmasprühen vorzugsweise in einer Plasmasprühkammer ausgeführt, wobei die Abscheidung des Metallmatrixmaterials mit Hilfe eines Plasmabrenners in einer Argonatmosphäre erfolgen kann. Vor dem Sprühen wird ein Bogen einer Titanfolie auf einer Docke angeordnet und wird auf eine Temperatur vorgewärmt, die ausreichend hoch ist, um die Bindung mit der Matrix während des Plasmasprüh ens zu gewährleisten. Bei Verwendung einer Titanfolie ergibt die Verwendung einer Temperatur zwischen etwa 204° C und 316° C ein gutes Anhaften, während eine Temperatur unter 93° C im allgemeinen ein Nichthaften bewirkt. Während des Sprühens wird die Docke gedreht und in P^ont des Plasmabogens geschwenkt, der feststehend angeordnet ist., \m sicherzustellen, daß eine ebene Schicht des Matrixmaterials darauf erhalten

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wird. Es wurde gefunden, daß ein niedriger Plasmaauftrag, wie mit 25,4 u Dicke, ein anschließendes befriedigendes Binden der Folie mit der strukturellen Zusammensetzung ergibt. Zu den Variablen, die die Plasmaflamme beeinflussen, gehört die zur Verfügung stehende Kraft für die Speisung des Bogens, die Geometrie und Größe der Bogeruelektroden und die Zusammen*- setzung und Fließrate des Plasmagases. Abscheidungen können mit 400 - 500 Ampere, 30 - 35 Volt und 3,96 - 4,53 nrVstunde STP des Argons erfolgen. Weiterhin wird die Abscheidung durch die Pulverspeisungsrate,die Stellung der Pulverspeiseeinlaßöffnung des Plasmas, die Korngrößenverteilung des Pulvers, die Entfernung zwischen Brenner und Träger, die Natur der die austretende Plasmaflamme umgebenden Atmosphäre und des Trägers und die Trägertemperatur beeinflußt. Zufriedenstellende Abscheidungen mit einer mäßigen Speisungsrate in Bezug auf die Sättigung (1,36 kg pro Stunde des versprühten Metallpulvers) können hergestellt werden bei dem Pulvereinlaß innerhalb der Ionisationszone des Bogens, unter Verwendung von 0,03β - 0,050 mm großem körnigem Metallpulver, einer 10,16 bis 12,70 cm Bogenträgerentfernung, einer Argonatmosphäre, einer Trägertemperatur von 204 - 316° C und einem relativen Geschwindigkeitsbereich des Plasmasprühbogens über dem Träger von 5_}Q$ bis 20,32 cm/sec.

Nach dem Sprühen läßt man die Titanfolie auf Raumtemperatur abkühlen und dann wird diese von der Docke entfernt. Wenn die besprühte Folie entfernt ist, wird sie mit der strukturellen Zusammensetzung durch Heißpressen in einer nichtoxidierenden Atmosphäre diffusionsverbunden. Die Heißpreßdiffusionsverbindung wird vorzugsweise unter Bedingungen durchgeführt, bei welchen keine kontinuierlich brüchigen, intermetallischen Phasen gebildet werden; typisch hierfür sind Temperaturen zwischen 450° C bis 550° C für eine Stunde.

Wie schon vorstehend ausgeführt, bewirkt die vorhergehende

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Plasmasprühstufe die nachfolgende Diffusionsbindung, denn die Oxidbeseitigung wird in situ bewirkt, wenn die Porosität beseitigt wird, ohne daß eine vollständige Deformation erforderlich ist. Aluminium-Bor-Zusammensetzungen sind zufriedenstellend mit CP Titanfolie, wie auch Ti6A14V-Legierungsfolie durch Plasmasprühen von entweder Aluminium-Kupfer (2024), Aluminium-Magnesium (6061, Aluminium-SiIicium (4343) oder CP-Aluminium durchgeführt worden. Diese Zusammensetzungen haben interlaminare Scherfestigkeiten, größer als 633 kg/cm . und ausgezeichnete statische und Ermüdungsfestigkeit gezeigt· Ähnliche Ergebnisse wurden mit Magnesium als Matrixmaterial beobachtet.

In einer Serie von Testen wurde ein SS White Sandstrahlgebläse

mit 6,33 kg/cm laufen gelassen, um in einer Entfernung von 7,62 cm mehrschichtiges Laminat aus einer mit BORSIC verstärkten 6061 Aluminiumlegierungszusammensetzung (50 Vol.-$ aus Draht) bezüglich der Erosions- und Korrosionswiderstands-Jahigkeit zu vergleichen. Nach 30 Sekunden schlug der Sandstrahl durch sechs Schichten der ungeschützten BORSIC-6061 Zusammensetzung, während nach dem gleichen Zeitablauf keinerlei Beschädigung an den mit 0,0101 cm Folie aas Titanlegierung geschützten Proben festgestellt werden konnte.

In einer weiteren Testserie wurden die Eigenschaften gefunden, die in der folgenden Tabelle angegeben sind und zwar für die Bindung einer 101,6 u T16AI4V Schutzfolie bei 550° C für eine Stunde bei 562 kg/cm auf einer mehrschichtigen strukturellen Zusammensetzung aus BORSIC verstärkter 6061 Aluminiumlegierung (50 Vol.-$) mit MonoSchichtumhüllung aus einaxial orientierter Diffusionsverbindung.

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- 6 Tabelle 1

Eigenschaften von laminiertem Borsic-Aluminium (6O61)

Proben axiale absolute Young's Modul T16AI4V transversale Nr. Bruchfestigkeit (XlO⁰ kg/cm?) Umhüllung absolute

	(kg/cm²)	2,15	Dicke	Bruchfestig
		2,10		keit ike/cm²)
1	10 500	2,03	■1156
2	10 400	1,97	1 I /0
3	1 Γ 450		1ifo
4	11 500		11%
5		Ufo	4750
6		Ufo	4220

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Claims

Pat entansprüehe:

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/ι _v Verfahren zur Herstellung mit Draht verstärkten zusammengesetzten Teilen mit einer Matrix aus Aluminium, Magnesium oder ihren Legierungen zur Verwendung in Gasturbinenmaschinen, gekennzeichnet durch diffusionsverbundene Titanfolie mit der Außenfläche der Matrix zum Schutz der Teile vor Erosion und Korrosion während der Verwendung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Titanfolie vor der Diffusionsbindung durch Plasmasprühung mit einer porösen Schicht aus Matrixmaterial auf einer Seite versehen wird und die Diffusionsbindung durch Umhüllen des zusammengesetzten Teils mit der an einer Seite anliegend angeordneten Folie abgedeckt ist und dieser einer Hitze- und Druckeinwirkung unterworfen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitze mit 450 - 550° C verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Titanfolie 101,6 - 500,0 u Schichtdicke und die poröse Schicht des Matrixmaterials mindestens 25,4 Ά Schichtdicke besitzt.

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