DE2451881A1

DE2451881A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundbauteiles

Info

Publication number: DE2451881A1
Application number: DE19742451881
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1973-10-31
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1975-09-25
Also published as: DE2462178A1; GB1480938A; CA1046252A; DE2462192A1; JPS50112255A; DE2451881B2; SE407672B; IT1025351B; US3942231A; FR2249770B1; FR2249770A1; SE7413665L; JPS6024281B2

Description

Cleveland, Ohio 44117 /V.St.A.

Unser Zeichen: T 1682X

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles.

In letzter Zeit wurden in hohem Maße Metallmatrix-Verbund- ' bauteile für einen Betrieb bei,hohen Temperaturen verwendet, beispielsweise als Turbinentriebwerksschaufeln. Metallmatrix-Verbundschaufeln sind komplexe Teile, die aus hochfesten Verstärkungsfasern mit hohem Elastizitätsmodul, einer geeigneten Materialmatrix.in verschiedener Form zusammen mit schwalbensehwanzförmigen Wurzelblöcken, Wurzelkeilen und Vorderkanteneinsätzen hergestellt werden können. Bei der Herstellung derartiger Schaufeln muß die aerodynamische Form der Schaufel genau mit diesen Teilen ausgefüllt werden, ohne daß die Verstärkungsfasern verschoben werden oder brechen und ohne Hohlräume, Spalte oder Einschlüsse in dem Matrixmaterial.

509839/0975

Ein Beispiel für die bisher bekannten Schaufeln dieser Art wird in der US-PS 3 600 103 beschrieben. Diese US-Patentschrift beschreibt eine Kompressor- oder Gebläseschaufel, die aus Schichten aus Fasern mit hohem Elastizitätsmodul besteht, die sich parallel erstrecken und mittels einer Schicht aus einer Aluminiumlegierung an einem Aluminiumlegierungsblech befestigt sind. Schichtlagen dieses Materials werden dann im wesentlichen in flacher Lage zusammengelegt und unter hoher Temperatur und hohem Druck miteinander verbunden, damit die Lagen zusammengedrückt werden und damit die Aluminiumlegierung zum Ausfüllen der Hohlräume fließen kann.

In der US-PS 3 699 623 wird ein Verfahren zum Schutz von Verbundbauteilen aus einer faserverstärkten Aluminiummatrix beschrieben, bei welchem der Verbundbauteil mit einer Schutzhaut aus Titan oder einer Titanlegierung beschichtet wird.

In der US-PS 3 731 36O wird ein Verfahren zur Verbindung einer Verbundschaufel mit einer integral befestigten Wurzel beschrieben, bei dem die Verbundfasern zusammengedrückt und die Wurzelblöcke mit einem Ende der Faserschichten in einer einzigen Preß- und Verbindungsstufe verbunden werden.

Bei den Herstellungsverfahren, bei denen der Schaufelvorformling flach ausgebildet wird oder auf einem Konturblock unter Verwendung von im wesentlichen flachen Lagen, tritt ein seitlicher und ein axialer Materialfluß auf, wenn dieses zur Füllung des Raumes verteilt wird. Die Ergebnisse, die hierbei erzielt werden, sind nicht vorherbestimmbar und nicht notwendigerweise reproduzierbar. Wenn die verwendeten Teile sich bewegen müssen, um dem festen Raum des Werkzeuges angepaßt zu werden, können sich harte und weiche Stellen ergeben, die zu unerwünschten Faserbrüchen und/oder Hohl* räumen führen.

509839/0975

Erfindungsgemäß werden bei der Herstellung von Verbundbauteilen, wie beispielsweise Turbinentriebwerksschaufeln, verfestigte einschichtige Materialbahnen verwendet. Jede dieser Materialbahnen ist eine einzige Lage, die aus parallelen Fasern besteht, die von einer genügenden Menge an vollständig dichtem Matrixmetall umgeben sind, damit eine Lamelle ausgebildet wird, die den gewünschten Volumenanteil an Fasern aufweist. Die Verwendung eines derartigen Materials in einem geschichteten Vorformling, der durch Diffusion gebunden wird, um den fertigen Gegenstand herzustellen, vermeidet das Fließen oder Verformen der Matrix während der Bindung. Jede einzelne Lage, die aus der einschichtigen Materialbahn besteht, ist gemäß einer sehr genauen Annäherung der endgültigen Stellung, die diese Lage während der Diffusionsbindung im fertigen Gegenstand einnimmt, vorgeformt. Durch diese sorgfältige Bemessung und Formgebung aller Lagen in einer Richtung und gegenüber der Achse versetzt zur Herstellung des Schaufelquerschnittes können alle Lagen und Einsätze überprüft, gereinigt und zu einem genauen Vorformling zusammengebaut werden. Wenn der Schaufe!vorformling unter Vakuum in den genau ausgebildeten Formhohlraum eingesetzt wird und wenn die richtige Temperatur-Druckbeziehung für eine Diffusionsbindung eingestellt ist, wird ein genauer, reproduzierbarer und einwandfreier Bauteil erzeugt.

Zahlreiche andere Merkmale umfassen die Herstellung der erfindungsgemäßen hochfesten Schichten oder Lagen mit hohem Elastizitätsmodul. Beispielsweise können die Fasern mit hohem Elastizitätsmodul einiger Lagen parallel zur Hauptabmessung der Lage verlaufen, in der sie eingeschlossen -sind, und die Fasern von anderen Lagen können unter spitzen Winkeln zu den Hauptabmessungen der speziellen Lage verlaufen. Anstelle der Verwendung einer großen Anzahl von in Segmente unterteilten Lagen werden bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Lagen verwendet, deren •Seitenkanten zusammengefaßt die Oberflächen des fertigen Gegen-Standes bilden. 509339/0975

-n-

Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet von Verbundgegenständen, die dadurch hergestellt werden, daß Lagen miteinander verbunden werden, die aus einer verfestigten einteiligen. Materialbahn bestehen, welche in einem derartigen Ausmaß vorgeformt wurde, daß durch das Bindeverfahren infolge der Bewegung der Fasern innerhalb der einschichtigen Materialbahn keine wesentliche Verformung auftritt.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Aufrißdarstellung der fertigen Turbinentriebwerksschaufel, die gemäß der Erfindung hergestellt ist,

Fig. 2 eine Draufsicht, gesehen von der Linie II-II der Fig. 1 aus,

Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische teilweise weggebrochene Ansicht der verfestigten einschichtigen Materialbahn, die das Grundmaterial bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bildet,

Fig. ¹I eine Explosionsdarstellung einer typischen Baugruppe von Lagen aus der einschichtigen Materialbahn zusammen mit den Wurzelblöcken und den Keileinsätzen zur Herstellung der Verbundschaufel für ein Turbinentriebwerk,

Fig. 5 eine Ansicht eines Vorformlings aus einer Lagenpackung, welcher die halbe Schaufel bildet, vor der Diffusionsbindung,

Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5 des entsprechenden zugehörigen Vorformlings,

509839/0975

Pig. 7 eine schematische Explosionsansicht der Lagenpackungen, die vor der Diffusionsbindung zusammengesetzt werden
und

Pig. 8 eine Explosionsansicht der Lagenpackungen und der Wurzelkeile, wie sie in die Diffusionsbindungsform eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Verbundbauteil kann aus einer Reihe von Zwischenmäterialformen, Verstärkungen und Matrizen hergestellt werden. Die Verstärkungsfasern können aus Materialien bestehen, wie beispielsweise Bor, mit Siliziumkarbid beschichtetes Bor, Siliziumkarbid, Bornitrid, beschichtetes Bor, verschiedene Formen von Grafit u. dgl. Geeignete Matrizen bestehen aus Materialien wie Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Nickellegierungen u. dgl.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur .Herstellung von Verbundbauteilen bei Turbinentriebwerksschaufeln angewendet wird, so werden zuerst die BlattSchnittpläne unter Verwendung von Computerberechnung und der darstellenden Geometrie analysiert. Dabei wird die Schaufel in eine gewünschte Anzahl von Schichten unterteilt, wobei alle metallischen Einsätze, die in der Wurzel und in der Vorderkante der Schaufel erforderlich sind, berücksichtigt werden. Nach dieser Analyse wird eine Reihe von Formgebungswerkzeugen durch Abnehmen von Gipsformen von der Schablone des fertigen ' Teiles und an Zwischenschichten über die gesamte Schaufeldicke hindurch hergestellt, wobei Blechmaterial zusammengesetzt wird, welches die fertige Lagendichte im fertigen Bauteil

repräsentiert. Wenn man diese in entsprechender Weise montiertenund erhitztenPormgebungswerkzeuge verwendet, werden konturierte Lagenrohlinge einzeln oder in Stapeln von mehreren Lagen hergestellt. Diese .Lagenrohlinge werden von einem konturierten Werkzeug abgestützt und die genauen Lagenformen werden geschnitten, wobei Stapelregistermarken

509839/0975

hergestellt werden, wie beispielsweise Linien, Bohrungen oder Aussparungen. Weiterhin werden Markierungen zur Identifizierung der Lagen angebracht. Einzelne Lagen werden dann durch nichtzerstörende Prüfverfahren überprüft und gereinigt. Diese Lagen werden dann zusammen mit den Deckblechen und den Wurzeleinsätzen zu einem genauen Schaufelvorformling zusammengesetzt. Dieser Schaufelvorformling wird dann in die Form für die endgültige Diffusionsbindung bei hohen Temperaturen und Drucken eingelegt.

In Fig. 1 ist eine Turbinentriebwerksschaufel 10 dargestellt, die einen Flügelabschnitt 11, ein typisches Paar Wurzelblöcke 12 und 13 und einen oder mehrere Keile I¹I zwischen diesen aufweist. Der außerordentlich komplexe Aufbau des Flügelabschnittes 11 ist am besten aus des» in Fig. 2 dargestellten Draufsicht zu ersehen.

Das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Schaufeln ist vergrößert in Fig. 3 dargestellt. Wie zu erkennen, weisen die verwendeten einschichtigen Materialbahnen mehrere parallel verlaufende Fasern 15 mit hohem Elastizitätsmodul auf, die vollständig in einer verfestigten Matrix 16 aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise Aluminium, eingebettet sind. Es sei bemerkt, daß das Matrixmetall 16 vollständig die Fasern 15 umgibt und daß ebene Oberflächen 16a und 16b auf beiden Seiten der einschichtigen Material bahn vorhanden sind.

Fig. ¹I ist eine Explosionsdarstellung einer typischen Anordnung von Lagen, die aus den einschichtigen Material bahnen gebildet sind und die mit den Wurzelblöcken 12 und 13 und dem Keil ΙΊ verbunden werden. Die Form und die Verwindung der einzelnen Lagen werden durch eine Computerberechnung und die darstellende Geometrie in Schaufelschnittplänen bestimmt, die ihrerseits die Schaufel in die gewünschten Schichten unterteilen.

§09839/0975

Die Reihe von Lagen, die in Fig. 4 dargestellt ist, kann in zwei Abschnitte unterteilt werden, die durch den Keil 14 getrennt werden. Der erste Abschnitt enthält eine äußere Füllage 17, die vollständig aus einer Aluminiumlegierung besteht. Neben der Lage 17 befindet sich eine Lage 18, die aus der in geeigneter Weise geformten einschichtigen Materialbahn besteht. Für strukturelle Zwecke können die Fasern in der Lage 18 unter einem Winkel von etwa 45° in einer Richtung gegenüber der Längsachse der Lage 18 angeordnet sein. Neben der Lage 18 befindet sich eine zweite Lage 19, die aus der in geeigneter Weise geformten einschichtigen Materialbahn besteht. Die Fasern in der Lage 19 verlaufen unter einem Winkel von 45 zur Längsachse der Lage 19, jedoch in einer Richtung entgegengesetzt zu der Orientierung der Fasern in der Lage 18. Die Fasern der Lage 19 verlaufen somit unter einem Winkel von 90 zu den Fasern in der Lage 18.

Eine andere, aus der einschichtigen Materialbahn bestehende Lage 20, deren Fasern in der gleichen Richtung ausgerichtet sind wie die Fasern der Lage 18, ist die nächste Lage in dieser Reihe. Die Fasern einer aus der einschichtigen Materialbahn bestehenden Lage 21 sind in der gleichen Richtung orientiert wie die der Lage 19.

Die nächstfolgenden Lagen/22, 23, 24, 25, 26, 27 und 28 sind alle Lagen, die aus der einschichtigen Materialbahn hergestellt sind. Die Fasern verlaufen in Richtung der Längsachse der Lage. Die letzte Lage in dieser Gruppe' ist eine Lage 29, die aus einer Aluminiumlegierung besteht.

Auf der anderen Seite des Keiles 14 befindet sich eine Lage 30, die aus einer Aluminiumlegierung besteht. Die Lagen 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37 bestehen alle aus der einschichtigen Materialbahn und in diesen Lagen verlaufen die Fasern

509839/0975

- 8 in Richtung der Längsachse der Lage.

In der Lage 38 sind die Fasern unter einem Winkel von 45 zur senkrechten Achse ausgerichtet. In der Lage 39 sind die Fasern unter einem Winkel von 90° zu den Fasern in der Lage 38 angeordnet. Ein Paar von aus der einschichtigen Materialbahn hergestellten Lagen 40 und ¹Jl folgt und deren Fasern sind unter einem Winkel von 45° zur Längsachse der entsprechenden Lage angeordnet, jedoch in entgegengesetzten Richtungen. Schließlich bildet eine Füllage 42 aus einer Aluminiumlegierung die äußere Oberfläche dieses Lagenstapels.

Diese beiden Lagenstapel werden, wie es schematisch in Fig. 7 dargestellt ist, zusammengesetzt, um Vorformlinge zu bilden, wie sie bei 43 und 44 in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind. Diese beiden Vorformlinge werden dann mit den Wurzelblöcken 12 und 13 und dem Keil 14 zusammengebaut und werden ausreichend hohen Temperaturen und Drucken ausgesetzt, damit eine Diffusionsbindung erfolgt.

Durch die Konturformung der einzelnen Metallmatrix-Verbund-schaufellagen vor deren Zusammenbau zu einem Vorformling ist es möglich, nach der Diffusionsbindung genaue, reproduzierbare und einwandfreie Schaufeln zu erhalten. Die Lagen, die auf diese Weise vorgeformt werden, werden an der Stelle angeordnet, an der sie sich im fertigen durch Diffusionsbindung verbundenen Teil befinden. Wegen dieser Tatsache findet keine Verschiebung oder kein Bruch der Fasern durch eine Verschiebung während der Verbindung statt und Hohlräume, Spalten und Einschlüsse in der Matrix werden ausgeschaltet oder auf ein Minimum herabgesetzt.

Das im Vorstehenden beschriebene Verfahren der Vorformung der Lagen.kann bei allen Kombinationen von Matrixmaterialien

509839/0975

und Verstärkungselementen verwendet werden. Die Art und Weise des Zusammenbaues der Schaufeln ermöglicht eine nichtzerstörende Untersuchung der Vorformlinge durch Röntgenstrahlen oder andere Mittel, ehe eine teure Schaufelblattgruppe der endgültigen Diffusionsbindung unterzogen wird.

50 9 839/0975

Claims

245188] - ίο - Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles mit

■"■" vorbestimmter Kontur, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lagen aus einer verfestigten einschichtigen Materialbahn hergestellt werden, daß jede Lage bezüglich ihrer Abmessungen ■ und des Ausmaßes der Verwindung derart vorgeformt wird, daß bei einem Zusammensetzen der Lagen diese einen zusammengesetzten Bauteil mit der vorbestimmten Kontur ergeben, daß diese Lagen zusammengesetzt werden und daß diese Lagen unter Wärme und Druck mittels Diffusion miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundbauteil eine Turbinentriebwerksschaufel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Lagen Pasern mit hohem Elastizitätsmodul aufweisen, die parallel zur Hauptabmessung der Lage, in der sie enthalten sind, verlaufen und andere Lagen Pasern aufweisen, die unter spitzen Winkeln zur Hauptabmessung der Lage verlaufen, in der sie angeordnet sind.

H, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einschichtige Materialbahn parallele Borfasern aufweist, die vollständig in einer Matrix aus Aluminium eingeschlossen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenkanten der Lagen zusammengefasst Oberflächendes fertigen Bauteiles bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Lagen und die mittlere Lage der zusammenge- setzten Lagen aus einem metallischen Aluminiumflügel bestehen.

509839/0975

Turbinentriebwerksschaufel, die einen Flügelabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Flügelabschnitt ein geschichteter Verbundbauteil aus Lagen aus verfestigten einschichtigen Materialbahnen ist, daß jede einschichtige Materialbahn aus parallelen Fasern' mit hohem Elastizitätsmodul besteht, die vollständig, in einer Metallmatrix eingebettet sind, daß die Schaufel ein Paar Wurzelblöcke aufweist und einen zentral angeordneten Keil und daß die Lagen, die Wurzelblöcke und der Keil zu einem einteiligen Bauteil miteinander verbunden sind.

509839/0975