DE2451881B2 - Verfahren zur herstellung eines gewundenen verbundbauteiles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gewundenen Verbundbauteiles, wie einer Turbinenschaufel, dessen aus einem Matrixmaterial bestehender Körper mehrere Lagen von Verstärkungsfasern enthält, bei welchem mehrere einschichtige Materialbahnen mit jeweils einer Fasernlage übereinandergestapelt und unter Einwirkung von Wärme und Druck zum Verbundbauteil geformt werden.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 37 01190 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Lagen in einer derartigen Höhe übereinandergelegt, die ausreichend ist, um die fertige Dicke des Gegenstandes zu ergeben. Diese übereinandergestapelten Lagen werden dann zwischen Formen eingegeben, und diese Formen werden unter Druck gesetzt und erwärmt. Diese Maßnahmen bewirken, daß das Matrixmaterial zu fließen beginnt. Hierdurch sollen die vorhandenen Hohlräume ausgefüllt werden. Durch das Fließen des Matrixmateriais und den aufgebrachten Druck besteht die große Gefahr, daß die Verstärkungsfasern verschoben werden oder brechen. Weiterhin besteht die Gefahr, daß nicht alle vorhandenen Hohlräume ausgefüllt werden, so daß Ausschuß hergestellt wird.

Aus der US-PS 35 88 980 ist die Herstellung eines Verbundbauteiles aus mehreren vorgeformten Teilen bekannt. Diese Teile werden zu einer Vorform zusammengesetzt und dann wieder auseinandergenommen, und in den inneren Oberflächen werden dann Ausspaningen ausgearbeitet, und die Teile werden dann zu einem endgültigen Verbundbauteil zusammengesetzt. Die bei diesem Verfahren verwendeten Einzelteile sind nicht durch Fasern verstärkt, so daß das Problem der Verschiebung oder des Bruchs von Verstärkungsfasern nicht auftritt.

Die US-PS 36 49425 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gewölbten Verbundbauteiles, bei welchem zugeschnittene Materialbänder verwendet werden, die eine oder mehrere Verstärkungsfaserschichten aufweisen, welche sandwichartig in eine Matrix eingebettet sind. Bei dem Aufeinanderlegen dieser Bänder entsteht eine große Zahl von Hohlräumen, so daß bei der Herstellung des Verbundbauteiles ein Fließen in die Hohlräume erforderlich ist, was zu einein Brechen oder Verschieben der Verstärkungsfasera führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr von Hohlräumen und Faserverschtebungen und Faserbrüchen beim Herstellen des Verbundbauteiles auszuschalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Materialbahn vor dem Stapeln in die Form gebracht wird, die die Bahn als Bestandteil des fertigen Körpers hat.

In vorteilhafter Weise wird durch die Erfindung die Notwendigkeit ausgeschaltet, daß die Bahnen gemeinsam unter Anwendung von Druck und Wärme verformt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Druck und Wärme nur noch dazu verwendet, eine Bindung zwischen den Bahnen herbeizuführen. Die Verformung der einzelnen Materialbahnen vor dem Stapeln braucht ferner nicht bei Drücken und Temperaturen durchgeführt zu werden, die erforderlich sind, um bei den bekannten Verfahren den Verbund herzustellen. Von besonderem Vorteil ist es auch, daß die einzelnen geformten Bahnen vor dem Stapeln noch überprüft werden können, so daß schadhafte Bahnen ausgeschieden werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

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

F i g. 2 eine Draufsicht, gesehen von der Linie IMI

der F ί g. 1 aus,

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

F i g. 4 eine Explosionsdarstellung einer typischen Baugruppe von Lagen aus einschichtigen Materialbahnen, zusammen mit den Wurzelblöcken und den Keileinsätzen zur Herstellung einer Verbundschaufel für einen Turbinentriebwerk,

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

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

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

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

Der gewundene Verbundbauteil kann aus einer Reihe von Zwischenmaterialformen, Verstärkungen und Matrizen hergestellt werden. Die Verstärkungsfasera 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 Verfahren zur Herstellung von gewundenen Verbundbauteilen bei Turbinentriebwerksschaufeln angewendet wird, so werden zuerst die Schaufelschnittpläne 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, Naeti dieser Analyse wird eine Reihe von Formgebungswerkzeugen durch Abnehmen von Qipsfor» men von der Schablone des fertigen Teiles und an Zwischenschichten über die gesamte SchauFcIclickc hindurch hergestellt, wobei Blcclimatcriaf zusammengesetzt wird, welches die fertige Lagendicke im fertigen Bauteil repräsentiert. Wenn man diese in entsprechender We'sc montierten und erhitzten Formgebungswerkzeuge verwendet, werden konturicrte Lagenrohlinge einzeln oder in Stapeln von mehreren Lagen hergestellt. Diese Lagcnrohlinge werden von einem konturierten Werkzeug abgestützt, und die genauen Lagenformen werden geschnitten, wobei Stapelregistermarken hergestellt werden, wie beispielsweise Linien, Bohrungen oder Aussparungen. Weiter- : hin werden Markierungen zur Identifizierung der Langen angebracht. Einzelne Lagen werden dann durch nicht zerstörende Prüfverfahren überprüft und gereinigt. Diese Lagen werden dann zusammen mit den Deckblechen und den Wurzeleinsälzen zu einem Schaufelvorformling zusammengesetzt. Dieser Schaufelvorformling wird dann in eine Form für eine endgültige Diffusionsbindung bei hohen Temperaturen und Drücken eingelegt.

In Fig. 1 ist eine Turbinentriebswerksscbaufel 10 dargestellt, die einen Flügelabschnitt 11, ein Paar Wurzelblöcke 12 und 13 und einen oder mehrere Keile 14 zwischen diesen aufweist. Der außerordentlich komplexe Aufbau des Flügelabschnittes 11 ist am besten aus der in Fig. 2 dargestellten Draufsicht zu ersehen.

Das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Schaufeln ist vergrößert in F i g. 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 Metali, wie beispielsweise Aluminium, eingebettet sind. Es sei bemerkt, daß das Matrixmetall 16 vollständig die Fascm 15 umgibt und daß ebene Oberflächen 16 a und 16b auf beiden Seiten der einschichtigen Material-,bahn vorhanden sind.

Fig 4 ist eine Explosionsdarstellung einer typischen Anordnung von Lagen, die aus den einschichtigen Materialbahnen hergestellt sind und die mit den Wurzelblöcken 12 und 13 und dem Keil 14 verbunden werden. Die Form und die Verwindung der einzelnen Lagen werden durch eine Cotiputerberechnung und die darstellende Geometrie in Schaufelschnittplänen bestimmt, die ihrerseits die Schaufel in die gewünschten Schichten unterteilen.

Die Reihe von Lagen, die in F i g. 4 dargestellt ist, kann in zftei Abschnitte unterteilt werden, die durch den veil 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 vorgeformten einschichtigen Materialbahn besteht. Für strukturelle Zwecke können die Fasern in der Lage 18 unter ßu 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 vorgeformten einschichtigen Materialbahn besteht. Die Fasern in der Lage 19 verlaufen unter einem Winkel von 45° zur Lilngsachse der Lage 19, jedoph in einer Richtung entgegengesetzt zu der Orientierung der Faser» in der Lage 1.8. 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 au:; der einschichtigen Materialbahn besiehenden 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 vorgeformte 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 besieht. Die Lagen 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37 bestehen alle aus der einschichtigen Materialbahn, und in diesen Lagen verlaufen die Fasern 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 41 folgt, und deren Fasern sind unter einem Winkel von 45° zur Längsachse der entsprechend η Lage angeordnet, j'edcch 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 F i g. 5 und 6 dargestellt sind. Diese beiden Vorform-Jinge werden dann mit den Wurzelblöcken 12 und 13 und dem Keil 14 zusammengebaut und werden ausreichend hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, damit eine Diffusionsbindung erfolgt.

Durch die Konturvorformung der einzelnen Metallmatrix-Verbundschaufellagen 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 Maßnahme 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 Verformung der Lagen kann bei allen Kombinationen von Matrixmaterialien und Verstärkungselementen verwendet werden. Die Art und Weise des Zusammenbaus der Schaufeln ermöglicht eine nicht zerstörende Untersuchung der Vorformlinge durch Röntgenstrahlen oder anders Verfahren, ehe eine teure Schaufelblaügruppe der endgültigen Diffusionsbindung unterzogen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Verfahren zum Herstellen eines gewundenen Verbundbauteiles, wie einer Turbinenschaufel, dessen aus einem Matrixmaterial bestehender Körper mehrere Lagen von Verstärkungsfasern enthält, bei welchem mehrere einschichtige Materialbahncn mit jeweils einer Fas-irnlage übereinandergestapelt und unter Einwirkung von Wärme und Druck zum Verbundbauteil geformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Materialbahn vor dem Stapeln in die Form gebracht wird, die die Bahn als Bestandteil des fertigen Körpers hat.