DE2219499A1 - Verfahren zum Verdichten von mit Faden verstärkten, zusammengesetzten Ma tenalien, welche aus einer aus plasma niedergeschlagenen Matrix bestehen - Google Patents

Description

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r.i ο,, γ. 2/ - Tai. oi/079 19· April 1972

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UNION CARBIDE CORP*, 2?0 PARK AVENUE, NEW YORK, N.Y. 10017· U.S.A.

Verfahren zum Verdichten von mit Fäden verstärkten zusammengesetzten Materialien, welche aus einer aus plasma-niedergeschlagenen Matrix bestehen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der naturgemäß/ . Porosität eines mit Fäden verstärkten ,· zusammengesetzten Materials, welches eine Matrix aus niedergeschlagenem Plasma enthält, ohne Zerstörung der Fäden.

Es ist bekannt, daß Metalle durch Fäden mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul, wie etwa aus Bor, Graphit, Beryllium oder ähnlichem, verstärkt werden können, um zusammengesetzte Materialien zu bilden, welche ein Verhältnis Festigkeit zu Dichte und/oder Modul zu Dichte aufweisen, welches größer als das Verhältnis für das Metall selbst ist. In solchen zusammengesetzten Materialien müssen die Fäden auf eine solche Weise orientiert sein, daß sie wirksam und zweckmäßig den Belastungen widerstehen, denen Strukturen aus solchen zusammengesetzten Materialien ausgesetzt sind. Das häufigste Verfahren um die Ausrichtung der Fäden zu gewährleisten und aufrechtzuerhalten besteht darin, anfänglich einschichtige zusammengesetzte Materialien herzustellen und anschließend durch kombinierte Anwendung von Hitze und Druck zwei oder mehr solcher Schichten aneinanderzubinden. Darüber hinaus können die einschichtigen Materialien komplexe Formen"hergestellt werden, so daß nach dem Aneinanderbinden der anderen vorgeformten Schichten eine geformte vielschichtige Struktur erhalten

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wird, die auf anderem Weg unter Verwendung von verbundenem vielschichtigem Material nur sehr schwierig hergestellt werden kann, da solches Material sehr viel steifer ist und schwieriger zu bearbeiten ist.

Einschichtige, zusammengesetzte Bänder oder Bögen können nach einer Reihe von Verfahren hergestellt werden, dabei erfordern alle Verfahren das sorgfältige Ausrichten der Fäden in einer weitgehend parallelen Anordnung. Die anwendbaren Verfahren zum Festhalten der Elemente in einer vorher ausgerichteten Anordnung während der Zugabe des Matrix-Materials unterscheiden sich beträchtlich. Ein bevorzugtes Verfahren, um die Fäden in eine bestimmte Lage zu bringen, und anschließend das Matrix-Material ohne Störung dieser Ausrichtung hinzuzufügen,besteht darin, das Matrix-Material über die Fäden als Plasma zu sprühen. Dies kann mit oder ohne Metallfolie als Unterlage unter den Fäden durchgeführt werden. Die Folie kann die gleiche Zusammensetzung haben, wie die Zusammensetzung der als Plasma aufgesprühten Metall-Matrix, oder die Folien-Zusammensetzung kann sich von dieser Zusammensetzung unterscheiden.

Die Plasma-Aufsprüh-Technik bietet für die Herstellung einschichtiger, mit Fäden verstärkter, zusammengesetzter Bögen viele Vorteile: hierzu gehören Flexibilität in der Wahl von Fäden und Matrix-Materialien, Vermeidung der flüchtigen Bindemittel, die bei anderem Verfahren benötigt werden, um die Ausrichtung der Fäden aufrechtzuerhalten, und die weitgehend vollständige Beibehaltung der Fäden in der gewünschten Orientierung. Ein Nachteil dieses so aufgesprühten Materials liegt jedoch in der notwendig mit dem Herstellungsverfahren verbundenen Porosität und in der Oberflachenrauhheit und in dem damit verbundenen Schrumpf, der si"li ergibt, wenn das so aufgesprühte Material zur endgültigen Struktur oder zum fertigen Gegenstand in der

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— ρ —

Hitze zusammengebunden wird. Obwohl diese Schwierigkeit bei der Herstellung von flachen, bogenförmigen Strukturen etwas vernachlässigbar ist, kann das mit dem Schrumpf zusammenhängende Problem bei der Herstellung von komplexen Strukturen aus einschichtigen, aus aufgesprühtem Plasma bestehenden Platten bedeutsam werden. Darüber hinaus· kann das Verbinden der einschichtigen Platten durch Aneinanderlö'ten der Oberflächen mit den Schichten, welche aus aufgesprühtem Plasma bestehen, nicht durchgeführt werden, da .die auftretende Oberflächenrauhheit solcher Schichten aus aufgesprühtem Plasma zu groß ist, um eine feste gelötete Verbindung zu gewährleisten. Ein. vordringliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein einfaches Verfahren zum Verdichten und Glätten der Oberfläche für aus plasma-niedergeschlagene Matrix-Materialien in mit Fäden verstärkten Zusammensetzungen herzustellen.

Allgemein gesehen betrifft die Erfindung ein Verfahren■zum Verdichten einer mit Fäden verstärkten Zusammensetzung mit einer aus einem Plasma niedergeschlagenen Matrix.

Die Porosität einschließlich der Oberflächenrauhheit von Platten aus aufgesprühten einschichtigen Zusammensetzungen ist üb- licherweise größer als 50 Volumen-%, sie kann jedoch durch Anwendung eines Heiß-Press-Verfahrens vermindert werden. Jedoch, wenn das so aufgesprühte Material die Matrix einer mit Fäden verstärkten Zusammensetzung bildet, dann verursacht das übliche Heiß-Press-Verfahren und die Anwendung von hohem Druck manchmal eine Zerstörung der Fäden und eine unerwünschte Reaktion zwischen den Fäden und dem Matrix-Material. Darüber hinaus ist die Anwendung des üblichen Hochdruck-Heißpress-Verfahrens zum Verdichten auf solche Platten beschränkt, deren Flächengrößen durch die Abmessung der Press-Apparatur vorgegeben sind.

Als kontinuierliches Verfahren zum Verdichten voni mit Fäden verstärkten, zusammengesetzten Materialien aus niedergeschlagenem

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Plasma ohne erkennbare Zerstörung der Fäden wurde mit Erfolg das Warm-Walz-Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet. Eine Schwierigkeit beim Warm-Walzen von Material, welches aus einer Matrix aus aufgesprühtem Plasma'besteht, liegt darin, das Material zumindest für die Dauer des Walzvorganges dieses Verfahrens bei erhöhter Temperatur zu halten. Die exakte Temperatur ist veränderlich und hängt von den Bestandteilen des Matrix-Materials ab; beispielsweise ist. eine Temperatur zwischen ungefähr 200⁰C und ungefähr 600⁰C für eine Matrix aus Aluminium-Legierung überlicherweise ausreichend. Um das zusammengesetzte Material auf der vorgegebenen erhöhten Temperatur zu halten kann eine ganze Anzahl von Wegen verwendet werden; so können etwa kurze Abschnitte des zusammengesetzten Materials in einer Muffel, welche die Walzapparatur enthält, vorgeheizt werden, weiterhin kann das sich bewegende zusammengesetzte Material kontinuierlich aufgeheizt werden, bevor es den Rollen der Walzapparatur zugeführt wird oder das zusammengesetzte Material kann durch Berührung mit zumindest einer erhitzten Walze erwärmt werden. Während des Walzvorganges muß die Kontaktzeit ausreichen, um eine passende Erwärmung und Verdichtung des Materials ohne substantielle Zerstörung der Fäden zu gewährleisten. Jeder Fachmann kann die T^peratur angeben, die am besten zum Verdichten der besonderen ausgewählten Materialien geeignet ist, wobei gleichzeitig eine Absicherung gegen eine solche Temperatur erfolgt, die möglicherweise eine Zerstörung der in das Material eingebetteten Fäden verursachen kann. Ebenso soll der durch die Walzen ausgeübte Druck nicht ausreichend sein, um physikalisch die Fäden abzuquetschen oder zu zerbrechen. Wenn diese beiden Variablen bestimmt sind, und berücksichtigt wird, daß das Material während des Walzens erhöhter Temperatur ausgesetzt ist, dann kann jedes aus Plasma aufgesprühte, mit Fäden verstärkte Material zu einer Porosität von weniger als 20% verdichtet werden, ohne substantielle Zerstörung der Fäden.

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Gehärtete Stahlwalzen können verwendet werden und in Abhängigkeit von der besonderen Anordnung des Wärme-Übergangs können diese selbst geheizt werden oder nicht. Der Durchmesser der Walze ist nicht kritisch noch die Geschwindigkeit, doch ^/ muss diese mit der Aufheizgeschwindigkeit des kontinuierlichen Verfahrens übereinstimmen. Eine inerte Gasatmosphäre kann angewendet werden, um eine schädliche Oxydation des zusammengesetzten Materials zu verhindern. Die Richtung des Walzens ist normalerweise parallel zu der Ausrichtung der Fäden, obwohl auch quer zu dieser Richtung gewalzt wurde.

verbindende

Es ist auch möglich in der Hitze sich miteinander/mit Fäden verstärkte, zusammengesetzte,metallische Materialien, wie sie in ■ einer anderen Anmeldung beschrieben sind, zu walzen, ohne ihre charakteristischen Eigenschaften, /selbstveibinfeid bei geringem Druck, zu zerstören. Diese Materialien weisen eine zusammengesetzte Matrix auf, . aus zumindest zwei metallischen Pulvern, welche als Plasma aufgesprüht wurden, und welche in fein, verteil ten, diskreten Zuständen bestehen. Bei dem Heiss-Walzen von solchem Material unterhalb der Temperatur, bei der Reaktionen oder Diffusion zwischen den Pulvern erfolgt, kann das Material auf kontinuierlicher Basis auf weniger als 20% Porosität verdichtet werden.

Nachdem die mit Fäden verstärkten Platten weitgehend verdichtet wurden, können sie geformt und anschließend miteinander verbunden werden, um verschiedene Anordnungen zu bilden, wobei tatsächlich nur geringer oder gar kein Schrumpf auftritt.·Auf diesem Wege können große komplexe Strukturen aus einschichtigen Platten hergestellt werden, wobei die Platten aus weitgehend verdichteten, aus Plasma aufgesprühten, mit Fäden verstärkten Materialien bestehen, entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß derartige aufgesprühte, zusammengesetzte Materialien angenähert das Doppelte

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ihrer theoretischen Dichte aufweisen, als Folge der Vertiefungen zwischen den Fäden und der Porosität des als Plasma zu versprühenden Materials. Die spezifischen Temperaturen und die Drücke beim Walzen, die angewendet werden um die Porosität zu beseitigen, sind eine Funktion der speziellen Legierung oder der verwendeten Pulvermischungen. Die Temperatur und der Druck sind voneinander abhängig und werden so gewählt, daß das aus Plasma aufgesprühte Material verdichtet und zwischen den Fäden mit einer solchen Kraft verstärkt wird, die geringer als jene Kraft ist, welche in den Fäden eine Spannung verursachen würde, die größer als die Bruchspannung ist. Deshalb wird für eine sehr weiche Legierung, etwa aus reinem Aluminium, geringere Temperatur und Druck benötigt, als für eine festere Legierung, wie sie etwa als A1 6O61 bekannt ist. Wenn für das zu versprühende Plasma eine Mischung von Pulvern verwendet wird, um sich miteinander ver-/ /bindende ° ■ .

Platten, wie oben beschrieben, herzustellen, dann muss die Temperatur unter jenem Wert gehalten werden, bei dem irgendeine merkliche chemische Reaktion zwischen den Komponenten erfolgt. Aus diesem Grunde muss anstelle höherer Temperaturen ein höherer Walzen-Druck angewendet werden. Jedoch auch hier ist es notwendig den Druck so zu wählen, daß er ausreicht um die Porosität auf weniger als 20% zu vermindern, während er gleichzeitig nicht ausreicht um eine substantielle Zerstörung der Fäden zu bewirken. Üblicherweise erfordert dies eine Verminderung der Dicke der derartig aufgesprühten Komponenten um zumindest 25% und allgemein 30% oder mehr.

Der Mechanismus der Verdichtung liegt darin, daß der Überzug und die Folie, falls eine solche verwendet wird, in den Raum zwischen den Fäden hineingepresst wird; weiterhin wird die Porosität innerhalb des als Plasma aufzusprühenden Materials durch die,in bezug auf die Oberfläche der Platte weitgehend senkrechte, Bewegung beseitigt. Die Bewegung der Matrix in einer

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Richtung parallel zu den Fäden wird durch die Fäden erzwungen und muss kleiner sein als die Bruch-Spannung der Fäden.

Das Heiss-Walz-Verfahren kann ebenso angewendet werden, um zwei oder mehr Stücke von aus Plasma niedergeschlagenem, mit Fäden verstärktem Material an ihren Enden aneinanderzubinden, um kontinuierliche,zusammengesetzte Streifen oder Bänder zu bilden, die Materialien können auch an ihren Seiten zusama«ngeheftet werden, um eine breitere, zusammengesetzte Platte zu bilden. Ebenso kann zumindest eine Platte aus zusammengesetztem Material, welche keine Folie aufweist, durch das Verfahren zur Verdichtung mit der Rückseite einer Folie verbunden werden, oder als Sandwich zwischen zwei Folien verwendet werden. Dies ist aus wirtschaftlichen Gründen günstig, da das Hinzufügen von Matrix-Material mittels zumindest einer Folienplatte billiger ist, als das Niederschlagen von Plasma. Jedoch wird ein minimaler Anteil an aus Plasma niedergeschlagenem Material benötigt, um zu gewährleisten, daß die Verbindung zwischen den Fäden und der Matrix für den vorgesehenen Verwendungszweck ausreicht, und um die Ausrichtung der Fäden während des Verfahrens zum Hinzufügen der Folie und/odei/weiteren nachfolgenden Verfahren zu gewährleisten. Dieser minimale Anteil an aus Plasma niedergeschlagenem Material in dem zusammengesetzten Material ist in erster Linie von dem Durchmesser und der Dichte der Fad-en-Komponente abhängig und von dem ausgewählten Matrix-Material. Nachdem diese Variablen aufeinander abgestimmt wurden, kann jeder Fachmann für zusammengesetzte Materialien den minimalen Anteil an aus. Plasma niedergeschlagenem Material, der für die oben aufgeführten Zwecke benötigt wird, selbst bestimmen.

Das Heiss-Walz-Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in erster Linie auf die Verdichtung von irgendeinem»mit Fäden verstärkten» zusammengesetzten Material gerichtet, wobei eine aus Plasma auf-

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gesprühte Matrix verwendet wird, während gleichzeitig die Zerstörung der Fäden darin vermMen wird. Zusammengesetzte Materia'lion, welche eine Matrix aus niedergeschlagenem Plasma aufweisen, wobei diese Matrizen aus elementaren Metallen, aus Metall-Legierungen, aus Metall-Verbindungen und Mischungen davon bestehen können, mit Fäden, ausgewählt aus zumindest einem der folgenden Bestandteile, nämlich Bor, Graphit, Aluminium, Beryllium, Siliziumcarbid, Stahl usw., sind bestens geeignet für die Verdichtung durch das Heiss-Walz-Verfahren der vorliegenden Erfindung. Zu einigen typischen metallischen Materialien für die Matrizen gehören Legierungen von oder Verbindungen mit Kupfer, Silizium, Aluminium, Titan, Eisen, Kobalt, Magnesium, Nickel, Zirkon, Mangan, Zinn, Blei, Chrom, Beryllium, Zink, Wismuth und ähnliche, in jeder beliebigen Zusammensetzung.

Die folgenden Beispiele werden aufgeführt, um an verschiedenen, mit Fäden verstärkten, zusammengesetzten Platten aus niedergeschlagenem Plasma das Heiss Walz-Verfahren zur Verminderung der Porosität auf weniger als 20% ohne substantielle Zerstörung der Fäden zu beschreiben.

Beispiel 1

Ein 5,1 x 15,2 cm großes Muster (2x6 inch) wurde durch Niederschlagen von Plasma aus weitgehend reiner Aluminium-Legierung (kommerziell erhältlich als 1100 Al-Legierung) auf der Rückseite einer Folie aus 1100 Al erhalten, wobei auf der Rückseite dieser Folie Bor-Fäden einachsig ausgerichtet angeordnet waren, mit einer Dichte von 70 Fäden pro cm (175.4 Fäden pro linear inch) bis zu einer solchen Tiefe, daß der Volumenanteil der Fäden angenähert 50% des völlig verdichteten,zusammengesetzten Materials ausmacht. Beim Walzen bei einer erhöhten Temperatur von 45O°C zwischen zwei Stahlwalzen von 25,4 cm (10 inch) Durchmesser verminderte sich die Porosität des Musters auf weniger als 2%. Dabei blieben 98% der Fäden unbeschädigt, was durch Herauslösen der Fäden nach dem Wal'z-Verfahren und anschließender Durch-

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führung von Zug- und Biege-Tests an einschichtigem Material festgestellt wurde.

Beispiel 2 .

Entsprechend Beispiel 1 wurden Muster hergestellt, welche in einem Überzug aus rostfreiem Stahl eingeschlossen wurden, (wobei die Luft dichVeingeschlossen blieb); diese Probestücke wurden in ähnlicher Weise bei Temperaturen von.400⁰C; 5pO°C; 60O⁰C; · oder 630⁰C gewalzt. Die Porosität y.QXX. jedem,Prob.enstück^wurde

wobei Reine Beschädigung der Faden auftrat, auf weniger als 10% reduziert/ was durch Zug- und Biege-Tests an einschichtigem Material festgestellt wurde. Die Stahlüberzüge wurden hauptsächlich deswegen benutzt, um die Wärme in den Probestücken während des Transportes von dem Muffelofen zu dem Walzwerk festzuhalten, so daß sichergestellt war, daß sie" während des Walzens erhöhte Temperatur aufwiesen.

Beispiel 3

Ein 5,1 x 15,2 cm großes Probestück (2 χ 6 inch) aus niedergeschlagenem Plasma aus 1100 Al wurde nach Beispiel 1 hergestellt, jedoch ohne Folie; dieses Probestück wurde in einem evakuierten Überzug aus rostfreiem Stahl auf 500°C erwärmt und anschließend zwischen zwei Stahlwalzen von 25,4 cm (10 inch) Durchmesser gewalzt,bis es weniger als 10% Porosität aufwies, wobei keine merkbare Zerstörung der Fäden auftrat. Die Zerstörung der Fäden wurde durch Biege-Tests und Zug-Tests an einschichtigem Material bestimmt. Ähnliche Probestücke wurden in Stahlüberzügen (wobei die Luft dichVeingeschlossen blieb) auf Temperaturen von 500⁰C oder 63O⁰C erwärmt und anschließend gewalzt bis zur Verminderung der Porosität auf weniger als 10%, wobei die Fäden nicht beschädigt wurden, was durch Biege-Tests bestimmt wurde.

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Beispiel 4

Eine elementare Pulvermischung, bestehend aus 90,3 Gewichts-% Aluminium, 2,5 Gewichts-% Magnesium, 1,6 Gewichts-% Kupfer und 5»6 Gewichts-% Zink (angenähert die gleiche Zusammensetzung ist kommerziell als Legierung 7075 erhältlich), wurde als Plasma auf einer Folie aus 1100 Al niedergeschlagen, wobei diese Folie wie oben beschrieben mit Bor-Fäden, welche mit Silizium-Karbid

worden

überzogen waren, versehen/war. Das 5,1 x 15,2 cm große zusammengesetzte Probestück wurde wie in Beispiel 2 bei einer Temperatur von 300⁰C gewalzt, wobei seine Porosität auf weniger als 20% vermindert wurde. Dieses Probestück wurde anschließend in 0,6 χ 7,6 cm große (1/4 χ 3 inch) Stücke geschnitten, 6 dieser kleineren Stücke wurden aufeinandergeschichtet und bei einem Druck von angenähert 5,62 kg/cm (80 psi) und einer Temperatur von 58O⁰C für eine Dauer von 60 Minuten gepresst, um ein zusammengesetztes Probestück mit einer Dicke von 0,0869 cm (0,0342 inch) zu bilden. Die Verbindung zwischen den Schichten erfolgte wie erwartet und das Probestück wies eine äusserste Reissfestigkeit von 8000 kg/cm² (115.000 psi) in einer Richtung parallel zu den Fäden auf. Die Verdichtung der einzelnen»zusammengesetzten Platten vor der Verbindung verschiedener Platten miteinander führte zu einer Veränderung der Dicke, die viel kleiner war, als sie gewesen wäre, wenn der Verdichtungsschritt unterblieben wäre.

Beispiel 5

Eine Mischung aus 9 Gewichts-% Kupfer, Rest Aluminium, wurde als Plasma auf,mit Silizium-Karbid überzogenen Bor-Fäden niedergeschlagen, wobei die Fäden wie in Beispiel 1 beschrieben angeordnet waren. Das zusammengesetzte Probestück wurde anschließend in einer Umhüllung aus Stahl wie in Beispiel 2 beschrieben auf 500⁰C erwärmt und anschließend zwischen 2 Stahlwalzen von 25,4 cm Durchmesser (10 inch) gewalzt, bis seinq/porosität auf weniger

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worden

als 10% vermindert/war. Die weitgehend verdichtete, zusammengesetzte Platte wurde anschließend in 0,6 χ 7,6 cm große (1/4 χ 3 inch) Probestücke zerschnitten, diese wurden bei einer Temperatur von 580⁰C und einem Druck von 5,62 kg/cm (80 psi) für eine Dauer von 60 Minuten gepresst, um·ein vollständig dichtes zusammengesetztes Probestück zu bilden. Das dabei erhaltene Probestück zeigte eine äusserste Reissfestigkeit von

P · war

7420 kg/cm (106,000 psi) und darübeihinaas/das Kupfer innerhalb der zusammengesetzten Probe einheitlich verteilt, wie durch Analysen an Mikroproben bestimmt wurde. Es wird klar, daß der anfängliche Heiss-Walz-Schritt entsprechend der vorliegenden Erfindung die Fäden nicht zerstört, noch eine substantielle Reaktion zwischen der niedergeschlagenen Mischung aus Kupfer und Aluminium herbeiführt, während eine substantielle Verdichtung der zusammengesetzten Platte erfolgt.

Beispiel 6

Ein 5,1 χ 15,2 cm (2 χ 6 inch) großes Probestück wurde durch

»_TJ j ι-. ^ischung mittels, __, , . . , , Niederschlagen eina/ Plasma hergestellt; dabei bestand die . ' Mischung " 86,4 Gewichts-% Aluminium und 13,6 Gewichts-% einer weiteren Legierung; welche aus 4,4 Gewichts-% Silizium, 1,8 Gewichts-% Kupfer, 7,3 Gewischts-% Magnesium, 1,5 Gewichts-% Chrom und Rest Aluminium bestand; dieses Plasma wurde auf einer 0,0106 cm (0.0042 inch) dicken Schicht aus mit Silizium-Karbid überzogenen Bor-Fäden niedergeschlagen, diese Fäden waren einachsig ausgerichtet mit einer linearen Verteilung von 0,7 Fäden/cm (1.76 Fäden/inch) und befanden sich auf einer Folie, welche aus einer Legierung aus 0,6 Gewichts-% Silizium, 0,25 Gewichts-% Kupfer, 1,0 Gewichts-% Magnesium, 0,02 Gewichts-% Chrom und Rest Aluminium bestand (kommerziell erhältlich als Legierung 6061). Dieses Probestück wurde in eine Umhüllung aus rostfreiem Stahl gebracht und bei 400⁰C zwischen 2 Walzen mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 inch) bis zu ' einer Porosität von weniger als 10% gewalzt, wobei keine Zer-

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Störung der Fäden auftrat. In einem anderen Experiment wurden 7,6 χ 15,2 cm große Platten (3x6 inch) des gleichen Typs augzusammengesetztem Material gewalzt bis zu einer Porosität von weniger als 20%' bei AOO⁰C und weniger als 12% Porosität bei 480⁰C. Die Platten wurden in 0,6 χ 7,6 cm große Probestücke (1/4 χ 3 inch) geschnitten, wobei 6 dieser Stücke aufeinandergeschichtet wurden, und in einer Argon-Atmosphäre bei 615 C für eine Dauer von 15 Minuten unter einem Druck von 5,62 kg/cm (80 psi) gepresst. Zwei der erhaltenen, zusammengesetzten Streifen, welche aus den Probestücken mit 10 und 12 % Porosität ausgewählt waren, zeigten Reissfestigkeiten in der Richtung

ρ p

parallel zu den Fäden von 14 201 kg/cm bzw. 13 300 kg/cm (203,000 und 190,000 psi), was demonstriert, daß die vorhergegangene Verdichtung durch Walzen keine Zerstörung der Fäden verursacht hatte.

Beispiel 7

Um mit Folie hinterlegte Probestücke an der Kante zusammenzubinden, wurden diese Seite an Seite aneinandergelegt, wobei beide Probestücke aus dem gleichen zusammengesetzten Material wie in Beispiel 6 bestanden. Diese Probestücke wurden in eine Umhüllung aus rostfreiem Stahl gebracht, auf AOO⁰C erwärmt und anschließend zwischen 2 Stahlwalzen mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 inch) bis zur Verminderung der Porosität auf weniger als 10% gewalzt. Die weitgehend verdichteten Probestücke waren mit ausreichender Festigkeit verbunden, um gehandhabt, geschnitten und geformt zu werden.

Beispiel 8

7,6 χ 0,6 cm große Muster (3 x 1/4 inch) welche keine Folie ent-

,war,

halten,und nach Beispiel 1 hergestellt worden/ wurden mit einem Träger aus Folie aus 1100 Al verbunden durch Erwärmen Jedes Musters, aufgedrückt auf den Träger aus Folie, in einer Umhüllung

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aus Stahl auf eine Temperatur von 40O⁰C und anschließendem Walzen der Anordnung zwischen zwei Stahlwalzen mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 inch). Jedes der Muster aus aufgesprühtem. Plasma wurde auf eine Porosität von weniger als 10% verdichtet, ohne Zerstörung der Fäden und wurde dabei untrennbar mit der Folie verbunden, wie durch einen Biege-Test bestimmt wurde.

Beispiel 9 ' '

/mit einem Träger aus Folie versehenes Muster entsprechend Beispiel 1,wurde:, mit einer Folie aus 1100 Al verbunden, derartig, daß das aus Plasma niedergeschlagene Material wie ein Sandwich zwischen den Folien zu liegen kam; dies wurde durch Walzen der · verbundenen Anordnung_ zwischen 2 Stahlwalzen mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 inch) in einer auf 400⁰C erwärmten Umgebung erreicht. Dabei wurde die Porosität des verdichteten Materials auf 8% vermindert, ohne dabei die Fäden zu zerstören, wie durch einen Biege-Test bestimmt wurde. Ein auf ähnlichem Weg hergestelltes Muster wurde bei einer Temperatur von 600°C gewalzt, wobei die Porosität auf nahezu 0 vermindert wurde und wiederum, wie durch einen Biege-Test offenbart, keine Beschädigung der Fäden erfolgte.

Beispiel 10

Um den Walz-Vorgang mit geheizten Walzen und vorgeheiztem,zusammengesetztem Material darzustellen, eine Situation, in der das Ausmaß des Wärmeüberganges auf die Walzen beseitigt oder sehr stark vermindert ist, wurden Platten aus rostfreiem Stahl auf beiden Seiten von mit Fäden verstärktem Muster, welche auf eine Folie gedrückt wurden, oder als Sandwich zwischen zwei

worden
Folien angeordnet/waren, angeordnet, und diese Anordnung in eine Umhüllung aus rostfreiem Stahl gebracht. Die abgedichtete Umhüllung (mit eingeschlossener Luft) wurde anschließend in ■3ine Muffel gebracht und auf die ..gewünschte Temperatur erwärmt.

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Da vorher berechnet worden war, daß jede Folie und jedes Muster aus niedergeschlagenem Plasma 90% der durch Vorheizen aufgenommenen Temperatur während des Walz-Vorganges beibehalten würde, war es unnötig irgendein Material auf eine höhere Temperatur zu erwärmen, als in den vorhergegangenen Beispielen angegeben. Darüber hinaus simulierten die Trägerplatten aus rostfreiem Stahl den Effekt einer Rolle mit größerem Durchmesser, wenn keine Platten oder Umhüllungen verwendet wurden, was mit vorgeheizten Mustern und geheizten Rollen der Fall ist. Die folgenden Kombinationen, welche in der Tabelle unten angegeben sind, wurden zwischen zwei Walzen mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 inch) gewalzt, was zu einer ausgezeichneten Verbindung zwischen den zusätzlichen Folien und jedem Muster aus aufgesprühtem Plasma führte. Die Fäden jedes Musters blieben weitgehend unbeschädigt, was durch Zug- und Biege-Tests an einschichtigen Proben bestimmt wurde.

Plasma-Matrix	zusätz liche Folien	Art der Fäden XXX	Temp.	erreichte Porosi tät
ohne Folie aus Al-1100 χ	2 χ Al-1100	Bor, Durch messer 0,0142 cm (0,0056")	200°	7 %
ohne Folie aus Al-1100 χ	2 χ Al-1100	Bor,Durch messer 0,0142 cm (0,0056")	300°	3 %
ohne Folie aus Leg.-6061 xx	1 χ Leg.- 6061	Bor, Durch- messer 0,0140 (0,0055")	300°	7 %

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χ ' nach Beispiel 1 xx nach Beispiel 6 xxx Die Fäden wurden einachsig ausgerichtet mit einer Dichte von 55 Fäden pro cm (139,4 Fäden pro linear inch)

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verdichten von zusammengesetztem Material, welches mit Fäden verstärkt ist und eine Matrix aus niedergeschlagenem Plasma enthält, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt Walzen des zusammengesetzten Materials, bei einer Temperatur, die ausreicht um das zusammengesetzte Material auf weniger als 20% seiner Porosität zu verdichten, ohne weitgehende Beschädigung der Fäden innerhalb der Matrix, und wobei die erhöhte Temperatur weitgehend während des ganzen V/alz-Verfahrens aufrechterhalten wird.

2. Verfahren entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Matrix aus niedergeschlagenem Plasma aus zumindest einem der folgenden Stoffe besteht, elementare Metalle, Metall-Legierungen und Metallverbindungen, und weiterhin, daß die Fäden aus zumindest einem der folgenden Stoffe bestehen,/Bor, Graphit, Aluminium, Beryllium, Siliziumcafbid und Stahl.

3· Verfahren entsprechend Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle und die Komponenten der Legierungen und Verbindungen aus zumindest einem der folgenden Metalle bestehen, Kupfer, Silizium, Zirkon, Mangan, Zinn, Blei, Chrom, Beryllium, Zink, Wismuth, Aluminium, Titan, Eisen, Kobalt, Magnesium und Nickel.

4. Verfahren entsprechend Anspruch J5, dadurch gekennzeichnet,

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daß für Matrizen aus Aluminium-Legierung die Temperatur im Bereich zwischen ungefähr 200⁰C und ungefähr 600°C • liegt.

5. Verfahren entsprechend"Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrix-Material hauptsächlich aus zumindest zwei metallischen Pulvern zusammengesetzt ist, welche in fein verteiltem diskretem Zustand bestehen und wobei die Temperatur ausreicht, das Matrix-Material auf weniger als 2090 seiner Porosität zu verdichten, während die , Temperatur nicht ausreicht eine weitgehende Reaktion oder Diffusion zwischen diesen Pulvern zu verursachen.

6. Verfahren entsprechend Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Folie als Trägerplatte auf das zusammengesetzte Material vor dem Walz-Vorgang aufgedrückt wird, damit diese Platte während des Walz-Vorganges in das zusammengesetzte Material eingebettet wird und mit diesem untrennbar verbunden wird.

7. Verfahren entsprechend Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei zusammengesetzte Materialien vor dem Walz-Vorgang miteinander in Berührung gebracht werden, damit sich während des Heiß -Walz-Schrittes die Materialien miteinander verbinden und dadurch einen großen Oberflächenbereich an zusammengesetzem Material bilden.

8. Verfahren entsprechend Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei zusammengesetzte Materialien vor dem Walz-Vorgang aufeinandergedrückt werden, damit mehrschichtiges, zusammengesetztes Material gebildet wird.

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9. Verfahren entsprechend Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zv/ei zusammengesetzte Materialien vor dem Walz-Vorgang aufeinandergedrilckt werden, damit mehrschichtiges, zusammengesetztes Material gebildet wird.

10. Verfahren entsprechend Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Material vor dem.Walz-Vorgang in einer Umhüllung aus Stahl eingeschlossen wird, damit die Wärmeverluste während des Walz-Vorganges auf ein Minimum reduziert werden.

11. Verfahren entsprechend Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Material als Sandwich zwischen Platten aus rostfreiem Stahl angeordnet wird, diese Anordnung in eine Umhüllung aus rostfreiem Stahl gebracht wird und anschließend vor dem Walz-Vorgang erhitzt wird, damit der Wärmeverlust während des Walz-Vorganges weitgehend auf ein Minimum reduziert wird.

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