DE2642037A1

DE2642037A1 - Schlagfester verbundgegenstand und verfahren zum herstellen desselben

Info

Publication number: DE2642037A1
Application number: DE19762642037
Authority: DE
Inventors: Robert Gustav Carlson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1976-09-18
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2336245B1; FR2336245A1; US4043703A; GB1549889A; JPS5277911A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf zusammengesetzte bzw. Verbundmaterialien für eine Verwendung in Schaufeln von Fluidströmungsmaschinen und dergleichen und im einzelnen auf eine Vergrößerung der Schlag- bzw. Stoßverträglichkeit solcher Materialien.

Während vieler Jahre wurden Versuche unternommen, um die relativ schweren, homogenen Metallschaufeln und Flügel von Fluidströmungsmaschinen, wie von Gasturbinentriebweri -kompressoren, durch leichtere Verbundmaterialien zu ersetzen. Die Hauptbemühung in dieser Richtung bezog sich auf die Verwendung hochfester, länglicher Fasern in einem Verbund mit einem gewichtsleichten Gefüge bzw. Grundmaterial. Frühere Arbeiten befaßten sich mit Glasfasern, und neuere Bemühungen sind auf die Verwendung von Bor-, Graphit- und anderen synthetischen Fasern gerichtet. Diese letztgenannten Materialien haben extrem große Festigkeitseigenschaften wie auch große Elastizitätsmodulwerte, die zu der notwendigen Steifheit der Kompressorschaufeln und -flügel beitragen.

Viele Probleme standen den Bemühungen bezüglich einer Anwendung dieser Fasern entgegen, insbesondere bezüglich der Anpassung ihrer einseitig gerichteten Festigkeitseigenschaften an ein

709825/0226

mehrdimensionales Belastungsfeld. Bis zu einem großen Ausmaß wurden diese Probleme überwunden und zusammengesetzte bzw. Verbundschaufeln mit Leistungsfähigkeitseigenschaften geschaffen, die in vielen Bereichen denjenigen der homogenen metallischen Gegenstücke gleichen oder überlegen sind, wobei sich zusätzlich die erwarteten und beträchtlichen Gewichtsverminderungen ergeben.

Jedoch war bisher ein Haupthindernis bezüglich der vollständigen Realisierung der Möglichkeiten von Verbundmaterialien für Gasturbinentriebwerksanwendungen ihre relativ geringe Verträglichkeit gegenüber einer Schlag- oder Fremdkörperbeschädigung (FOD) infolge eines Ansaugens von Fremdkörpern. In typischer Weise wird eine zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel durch Verbinden einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Faserschichtstoffen hergestellt. Jeder Schichtstoff besteht aus einer einzelnen Schicht aus allgemein langgestreckten und in einem gewichtsleichten Gefüge bzw. Grundmaterial verankerten Fasern. Wenn beispielsweise das Grundmaterial Aluminium aufweist und die Fasern aus Bor bestehen, werden Aluminiumfolienblätter bzw. -streifen an beiden Seiten der Borfaserschicht angeordnet und durch die bekannte Diffusionsbindungs- oder kontinuierliche Walzbindungstechnik (diffusion bonding or continuous-roll bonding technique) verbunden.

Unter gewissen Bearbeitungsbedingungen bei der Herstellung von zusammengesetzten bzw.. Verbundschaufeln kann der Bindungsgrad ausgedehnt bzw. groß sein und zu einem starren Gebilde führen, das keine starken Schlag- oder Stoßbelastungen aushalten kann. Da das Gefüge- bzw. Grundmaterial nicht viel Energie durch Deformation absorbieren kann und da die Schichtstoffe bzw. Laminate eine starke Bindung aufweisen, wird weitgehend die gesamte Belastung von den relativ harten und brüchigen bzw. spröden Fasern getragen. Ein Brechen der Fasern führt allgemein zu einem Bruch der Schaufel. Andererseits besitzen Gefügematerialien mit einer höheren Schlagfestigkeit nicht die Bindungsfähigkeit der mehr duktilen Materialien. Wenn die Bindung zwischen den Faserschichtstoffen im wesentlichen lückenhaft bzw. unvollständig ist, neigen die Schichten unter Scherbelastungen zu einer gegenseitigen Verschiebung nach Art eines Kartenstapels. Wenn ein übermäßiges Gleiten bzw. Verschieben auftritt, nimmt die Schlagenergieabsorptionsfä-

709825/0226

higkeit stark ab. Ein Vergrößern des Bindungsdrucks und der Temperatur, was bezüglich einer Bindungssteigerung wirksam ist, kann zu einem Brechen bzw. Zertrümmern der Fasern und zu großen thermischen Restspannungen infolge der unterschiedlichen Expansionskoeffizienten der verschiedenen Bestandteile führen. Beide Faktoren tragen zu einer verminderten Schlagfestigkeit und somit zu einer reduzierten Verträglichkeit bezüglich einer Schlag- bzw. Stoßbeschädigung durch Fremdkörper bei.

Somit ist es erwünscht, ein zusammengesetztes bzw. Verbundmaterial zu schaffen, das an die ümgebungsverhaltnisse einer Gasturbinentriebwerk-Rotorschaufel anpaßbar ist, indem es eine verbesserte Verträglichkeit gegenüber einer Schlagbeeinflussung durch Fremdkörper aufweist. Ein solches Material sollte die Schlagbzw. Stoßverträglichkeit von bekannten höher schlagfesten Materialien haben und dennoch die Bindungsfähigkeit (bondability) von Materialien mit großer Ermüdungsfestigkeit besitzen.

Dementsprechend besteht die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundgegenstands bzw. -artikels, der zumindest eine minimal erforderliche Schlagfestigkeit hat. Ferner soll ein Faserverbundgegenstand geschaffen werden, der unter einer Stoß- bzw. Schlagbelastung eine optimale Scherfestigkeit für die zum Herstellen des Gegenstands ausgewählten Materialien hat. Ausserdem soll eine Gasturbinentriebwerk-Rotorschaufel mit einer verbesserten Verträglichkeit gegenüber einer Schlag- bzw. Stoßbeaufschlagung durch Fremdkörper geschaffen werden.

Diese sowie andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich klar aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und spezifischen Ausführungsformen, die sämtlich beispielhaften Charakter haben und die vorliegende Erfindung in keiner Weise beschränken sollen.

Zusammengefaßt ergeben sich die obigen Ziele erfindungsgemäß bei einem Gegenstand, wie einer Schaufel, der aus langgestreckten Fasern gebildet ist, welche einen kleinen Durchmesser, eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben und in einem Leichtgefüge bzw. gewichtsleichten Grundmaterial eingebettet sind bzw. mit diesem einen Verbund bilden. Viele solcher

709825/0226

Faserschichtstoffe bzw. -laminate sind in einer im wesentlichen parallelen Beziehung miteinander verbunden, um den Hauptverbundaufbau der Schaufel zu bilden.

Um zumindest eine minimale ausgewählte Schlagfestigkeit sicherzustellen, werden Proben der gebundenen bzw. verbundenen Faserschichtstoffe desselben Materials hergestellt,das in dem herzustellenden Gegenstand zu verwenden ist. Jede Probe hat einen variierenden bzw. abweichenden Scherfestigkeitsgrad. (Die Scherfestigkeit hängt ihrerseits von dem Bindungsgrad ab.) Die Stoß- bzw. Schlagenergieabsorption/Scherfestigkeit-Datenbeziehung für die Proben kann durch bekannte Verfahren, wie den Charpy Schlagtest, erzielt werden. Es wurde gefunden, daß sich bei einer Vergrößerung des Bindungsgrades zunächst eine Vergrößerung der Stoßenergieabsorption ergibt, die bei einer weiteren Steigerung des Bindungsgrades bzw. der Scherfestigkeit vermindert wird. Durch Bestimmen des Bindungsgrades, der bezüglich der Stoß- bzw. Schlagverträglichkeit für solche Materialien optimal ist, kann der Gegenstand dann im Vertrauen darauf hergestellt werden, daß die maximale Stoßenergieabsorptionsfähigkeit erzielt wird.

Es wurde auch festgestellt, daß in einem solchen optimierten Gegenstand die relativen Bindungsfestigkeiten zwischen den Komponentenelementen bestimmend für die Gesamtschlagfestigkeit ist. Insbesondere ist es bei einem einer Stoß- bzw. Schlagbelastung ausgesetzten Gegenstand erwünscht, daß dur Energieabsorptionsmechanismus ein Entbinden.bzw. Aufheben der Bindung der Fasern von dem Gefügemauerial vor dem Auftreten einer zwischen den Schichten erfolgenden Abblätterung enthält und daß das endgültige Ausfallen auf einem Dehnungs- bzw. Spannungsbruch aller einzelnen Fasern beruht.

Bei einer Ausführungsform eines metallischen Verbundgegenstands werden Monoband-Schichtstoffe, die jeweils eine einzelne Schicht aus in einem Aluminiumfolien-Gefüge bzw. -Grundmaterial verankerten Borfasern enthalten, zum Bilden des Gegenstandes miteinander verbunden. Jeder Schichtstoff wird dadurch gebildet, daß Folienblätter bzw. -streifen an beiden Seiten dor Borfaserschicht angeordnet und der Aufbau in der bekannten Weise gebunden bzw. verbunden wird. Während in der Vergangenheit die Folienblätter aus

709825/0226

derselben Legierung bzw. demselben Metall bestanden, wurde festgestellt, daß verschiedene Legierungskombinationen in ein einzelnes Fasermonoband eingebaut werden können, um die Bindungsfähigkeit von härteren Legierungen ohne Nachteil für die einzelnen Fasern zu vergrößern. Mit anderen Worten kann ein mit der zuvor erwähnten optimalen Stoßenergieabsorption übereinstimmender Bindungsgrad erzielt werden. Zum Aufzeigen der zufriedenstellenden Schlag- bzw. Stoßeigenschaften ist ein Gegenstand dargestellt, bei dem handelsüblich erhältliches Aluminium oder Aluminiumlegierungen, 11oo Al und 2o24 Al, die parallelen Borfasern beidseitig bedecken. Tatsächlich haben Schlagtests das anisotrope Verhalten einer aus solchen Monobändern oder Schichtstoffen hergestellten Schaufel gezeigt. Bei einer Beaufschlagung der 2o24 Al Seite ergeben diese Schichtstoffe Schlagfestigkeiten, die nahezu zweimal so groß wie diejenigen sind, welche erzielt werden, wenn eine Beaufschlagung an der 1100 Al Seite erfolgt. Die Schlagfestigkeiten sind im Vergleich zu einem insgesamt 2o24 Al Legierungssystem viermal so groß.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - in einer perspektivischen Ansicht eine nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel eines Gasturbinentriebwerkskompressors, Figur 2 - in einer Querschnittsansicht einen einzelnen zusammengesetzten bzw. Verbundschichtstoff,

Figur 3 - in einer graphischen Darstellung die Stoßenergieabsorption eines zusammengesetzten bzw. Verbundgegenstands als Funktion seiner Scherfestigkeit und

Figur 4 - die Scherspannung von zusammengesetzten bzw. Verbundgegenständen als Funktion der Scherdehnung.

Unter Bezug auf die Zeichnungen, bei denen ähnliche Hinweiszahlen einander entsprechende Elemente bezeichnen, wird zunächst auf Figur 1 verwiesen, in der eine nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete zusammengesetzte bzw. Verbundschaufel 1o für eine Verwendung in einer t'luidströmungsmaschine dargestellt ist. Die Schaufel 1o eignet sich für eine Verwendung in Kompresso-

709825/0226

• j.

ren und Gebläsen von Axialstrom-Gasturbinentriebwerken, obwohl sie nicht hierauf beschränkt ist. Dem Fachmann ist es klar, daß die vorliegende Erfindung eine Verbesserung für viele Schaufelgebilde ist und daß die Rotorschaufel 1o als lediglich beispielhaft für eine solche Anwendung anzusehen ist. Die Rotorschaufel 1o weist einen Flügelabschnitt 12, allgemein mit radial verschiedener Wölbung und Staffelung (variant camber and stagger)_t und einen Schwalbenschwanzraitnehmer 14 auf, der es ermöglicht, daß die Schaufel in einer herkömmlichen Weise an einer drehbaren Scheibe oder Nabe bzw. an einem Rotor befestigt und gehalten wird. Eine nicht dargestellte typische sowie den Strömungspfad begrenzende Plattform könnte zwischen den Flügel- und Schwalbenschwanzabschnitten 12, 14 der Schaufel befestigt sein.

Der Hauptteil oder Hauptaufbau der Schaufel weist Laminate bzw. Schichtstoffe aus langgestreckten, durchgehenden bzw. kontinuierlichen Fasern auf, die eine große Festigkeit sowie einen großen Elastizitätsmodul haben und in einer gewichtsleichten Matrix bzw. einem entsprechenden Gefüge eingebettet sind. Die Faserschichtstoffe sind im wesentlichen parallel zueinander verlegt und miteinander verbunden, um den Flügelabschnitt 12 der Schaufel 1o zu bilden. Bei einer Ausführungsform mit hauptsächlich metallischem Material würde die Schaufel verbundene bzw. gebundene Borfaserschichtstoffe in einem Aluminiumgefüge aufweisen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Aufbau auch ein nichtmetallisches System aufweisen könnte, einschließlich Graphitfasern und einem Epoxydharz. Ferner ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung für den Aufbau die Verwendung irgendeiner Faser beinhaltet, die in irgendeinem Bindemittel eingebettet ist, wie einem organischen Harz.

Bezüglich einer einzelnen Faserverbundschicht oder eines entsprechenden Verbundstoffs bzw. Laminats wird nunmehr auf die Querschnittsansicht aus Figur 2 verwiesen. Dort ist eine einzelne Schicht aus parallelen, länglichen Borfasern 16 zwischen zwei Aluminiumfolienschichten 18a, 18b aus später zu erläuternden Metallen/Legierungen eingelegt. Diese Bestandteile wurden einer Diffusionsbindung in der bekannten Weise unterworfen, um die dargestellte vereinigte Schicht 2o zu bilden. Es ist festzustellen, daß

709825/0226

— sr _

zwar ein Bor/Aluminium-Verbundsystem aus Einfachheitsgründen erörtert wird, daß jedoch hierdurch die vorliegende Erfindung nicht beschränkt werden soll.

Es wurde festgestellt, daß die Zähfestigkeit einer oder eines anderen Gegenstandes , . Schaufel/unter Stoßbeaufschlagung, das heißt dxe Verträglichkeit

gegenüber einer Stoßbelastung, auf der Aktivierung von zumindest fünf Stoß- bzw. Schlagenergie-Absorptionsmechanismen beruht. Hierbei handelt es sich (unter Bezug auf Figur 2} um: 1. Deformation eines die Aluminiumfolie 18a und 18b enthaltenden Gefüges; 2. Bruch der Faser (16) unter Zugbeanspruchung; 3. Aufhebung der Gefüge/Gefüge-Bindung an der Grenzstelle 22 zwischen angrenzenden Schichten; 4. Entfallen der Faser/Gefüge-Bindung (zwischen den Fasern 16 und dem Gefügematerial 18a und/oder 18b); und 5. Herausziehen der Fasern (16) aus der Schicht 2o unter Zugbeanspruchung. Die analytische Darstellung dieses Energieabsorptionsverhaltens ist wie folgt:

¹ = ¹IUd ^{+ X}ff ^{+ 1 + 1 h 1}

Hierin bedeuten I = Stoß- bzw. Schlagenergieabsorption, md = Matrix- bzw. Gefügedeformation, ff = Faserbruch, mm = Entfallen der Gefüge/Gefüge-Bindung, fm = Entfallen der Faser/Gefüge-Bindung und po = Ausziehvorgang.

Die Gefügedeformations- und Faserbruchenergien können für einen gegebenen Materialsatz als im wesentlichen konstant angesehen werden, obwohl ein synergistisches Verhalten auftreten kann. Durch Optimieren der übrigen Parameter wird die gesamte Stoß- bzw. Schlagenergieabsorption des Gegenstands maximiert. Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Stoß- bzw. Schlagabsorption ist die Reihenfolge, in der diese Energien ausgelöst - werden. Wenn beispielsweise frühzeitig während des Schlagzyklus ein Faserbruch auftritt, wird hierdurch die durch den Faserausziehvorgang absorbierte Energie beschränkt.

Ferner wurde festgestellt, daß bei steigendem Bindungsgrad für einen gegebenen Satz von Materialien das Energieabsorptionspotential der im wesentlichen nicht konstanten Energieabsorptionsmechanismen (I₁₁₁₁₁₁ λ If_n, und I ) ansteigt, bis eine kritische Stufe erreicht ist. Wenn die Bindung noch weiter gesteigert wird, erfolgt eine Verminderung bzw. Abnahme der Energieabsorptionsme-

709825/0226

- -er -

chanismen, bis ein *Sprödbruch' auftritt. Ein Beispiel dieses Gesamtverhaltens ist schematisch in Figur 3 dargestellt, in der die gesamte Stoßenergieabsorption eines in der zuvor beschriebenen Weise gebundenen Verbundgegenstands als Funktion der Scherfestigkeit (ein Maß des Bindungsgrades) aufgetragen ist. Die Kurve aus Figur 3 zeigt die Ortspunkte, die die Abhängigkeit der Stoßenergieabsorption von der Scherfestigkeit für irgendeinen bestimmten Satz von Materialien beschreiben. Es ist festzustellen, daß eine ähnliche Kurvenschar andere Faserverbund-Materialkombinationen darstellen würde.

An der Seite niedriger Scherfestigkeit (positive Steigung) aus Figur 3 (das heißt dem Punkt A) können sich die Fasern und einzelnen Laminate bzw. Schichten weitgehend nach Art eines Kartenstapels frei bewegen, weshalb sie keine ausgedehnte Energiemenge absorbieren können. Bei steigender Bindung (Scherfestigkeit) kommen mehr Energieabsorptionsmechanismen ins Spiel, und der zusammengesetzte bzw. Verbundgegenstand hat eine größere Schlagfestigkeit (Punkt B). Eine weitere Steigerung der Bindung (tatsächlich ein überhöhter Bindungszustand) vermindert die Absorptionsmechanismen der Abblätterung bzw. Schichtentrennung (I_1111n und If_m) sowie des Faserausziehvorgangs (I ) und begründet einen im Deformationszyklus frühzeitigen Bruch der Fasern, wodurch das Material nur eine begrenzte Stoßenergiemenge absorbiert und sich wie ein brüchiger bzw. spröder Stoff verhält (Punkt C).

Eine weitere Darstellung dieses Verhaltens der genannten Mechanismen ergibt sich aus Figur 4, in der die Schubspannung bzw. Scherbelastung als Funktion der Scherdehnung dargestellt ist. Die Linie 26 zeigt die im wesentlichen lineare Spannung-Dehnung-Beziehung für langgestreckte bzw. längliche Einzelfaser16 (Figur 2) bis zum Ausfallpunkt (endgültiger Bruchpunkt bzw. Streckgrenze) 28. Die Kurve 3o zeigt einen durch den Punkt A aus Figur 3 versinnbildlichten Zustand schlechter Bindung sowie niedriger Scherfestigkeit. Wenn auf ein solches Material niedriger Bindungsfestigkeit eine Spannung bzw. Belastung ausgeübt wird, verhindert ein vorzeitiges Abblättern bzw. Trennen der Schichten das Absorbieren größerer Stoßenergiewerte. Das Abblättern erfolgt lange vor Erreichen des endgültigen Faserbruchpunkts. In der Kurve 32

709825/0226

aus Figur 4 weist das Gefüge eine ausreichende Bindung auf, so daß eine zwischen den Schichten erfolgende Abblätterung (I ) gerade vor dem Faserbruch bzw. -ausfall und nach der Einleitung der Aufhebung bzw. des Entfallens der Faser/Gefüge-Bindung (I_f und I ) beginnt. In diesem Fall, der von dem Punkt B (Figur 3) wiedergegeben wird, erfolgt eine maximale Energieabsorption, da alle Stoßener gieabsorptionsmechanismen beteiligt sind. Somit ist dieses der festeste Gegenstand für den gegebenen Satz von benutzten Materialien. Die Kurve 34 zeigt den eine besonders große Bindung aufweisenden Gegenstand gemäß Punkt C (Figur 3), und hierbei erfolgt ein Bruch der Verbundfasern vor dem Beginn der Abblätterung bzw. Schichtentrennung (If_n, und I__o) , was zu einem brüchigen bzw. spröden Aufbau führt.

Somit ist es in klarer Weise vorteilhaft, einen Gegenstand, wie eine Gasturbinenschaufel, mit einem optimierten Stoßenergieabsorptionspotential gemäß dem Punkt B aus Figur 3 und entsprechend der Kurve 32 aus Figur 4 herzustellen. Zu diesem Zweck werden Proben der gebundenen Faserlaminate bzw. -schichtstoff e aus dem Material zubereitet, das für den Gegenstand bestimmt ist und veränderliche Scherfestigkeitsgrade hat (das heißt veränderliche Bindungsgrade). Die Stoßenergieabsorption/Scherfestigkeit-Darstellung aus Figur 3 kann dann durch bekannte Versuche erzielt werden, wie den Charpy Stoß- bzw. Schlagtest. Es kann dann eine Bindungs/Scherfestigkeits-Abstufung ausgewählt werden, die im Hinblick auf den endgültig herzustellenden Gegenstand für die erwünschte Stoßenergieabsorption erforderlich ist.

Bei einer Ausführungsform eines metallischen Verbundgegenstands, insbesondere einer Gasturbinentriebwerksschaufel, werden einbändige Laminate bzw. Schichten (monotape laminates) aufgelegt und zum Bilden des Gegenstandes miteinander verbunden. Wie es bereits erörtert wurde, wird jede Schicht oder jedes Laminat wie in Figur 2 hergestellt, indem an beiden Seiten der Borschicht 16 Folienblätter bzw. -streifen angeordnet und diese Materialien miteinander verbunden werden. In der Vergangenheit bestanden die ober- und unterseitigen Folienstreifen (18a, 18b) aus demselben Metall oder derselben Legierung. Es wurde jedoch festgestellt, daß verschiedene Legierungskombinationen in eine einzelne Schicht ein-

709825/0226

-HJ-

'41.

gebaut werden können, um die Bindungsfähigkeit zwischen den Schichten zu vergrößern und unerwartete Schlagfestigkeitseigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise verbindet sich Hoc- Al (im wesentlichen unlegiertes Aluminium) nicht so gut mit 1100 Al wie 2o24 Al (nominell 4 Gewichtsprozent Kupfer, Rest Aluminiumlegierung) mit 2o24 Al. 1100 Al, ein im wesentlichen unlegiertes Aluminium, hat eine hohe Schlagfestigkeit und dürfte deshalb für Gasturbinentriebwerksanwendungen attraktiv sein. Jedoch können die hohen Bindungsdrücke und -temperaturen, die zum Verhindern eines vorzeitigen Abblätterns benötigt werden, eine brüchige bzw. spröde Schaufel erzeugen (oder ein Brechen der parallelen Fasern). Eine Legierung der 2o24 Al Type zeigt ein gutes Ermüdungsverhalten und ist aber weniger erwünscht, und zwar wegen ihrer Neigung zu einer tiberbindung bzw. ihrer zu starken Bindungseigenschaft (overbond) wie auch ihrer niedrigeren Duktilität. Während beispielhaft nominell 4 Gewichtsprozent Kupfer, Rest Aluminiumlegierung (2o24 Al) gewählt wurden, ist festzustellen, daß andere Aluminiumlegierungen benutzt werden können, wie solche mit 1-4 Gewichtsprozent Kupfer oder 2 - 1o Gewichtsprozent Magnesium.

Um die Bindungsfähigkeit zu verstärken, wurde 1100 Al mit der 2o24 Al Legierung verbunden. Dieser Aufbau, bei dem II00 Al/2o24 AL um die parallelen Borfasern geschichtet ist, zeigt unerwartete anisotrope Schlageigenschaften insoweit, als er bei einer Stoßbeaufschlagung von der 2o24 Al Seite im Vergleich .zu einer Stoßbeaufschlagung von der 1100 Al Seite eine nahezu zweifache bzw. doppelt so große und gegenüber einer nur 2o24 Al enthaltenden Schaufel eine mehr als vierfache Schlagfestigkeit aufweist. (Es muß daran erinnert werden, daß bei einer Stoßbeaufschlagung einer Schaufel an einer Seite es die entgegengesetzte Seite ist, die einer größeren Zugspannung unterworfen wird.) Metallographische und mit einem Abtastungselektronenmikroskop durchgeführte Beobachtungen haben gezeigt, daß der Grund für dieses Verhalten das leichte Lösen bzw. Aufheben der Bindung der Borfasern von dem 1100 Al ist. Ferner zeigte der Aufbau ein zum insgesamt 2o24 Al Verbundsystem äquivalentes axiales Ermüdungsverhalten. Somit sind der Bindungsgrad des Aufbaues wie auch die Duktilität (plastisches Verhalten) der Matrix- bzw. Gefügematerialien für die endgültigen Stoß- bzw. Schlageigenschaften ausschlaggebend.

70982 5/0226

Dementsprechend zeigt eine Verbundschaufel, die durch Verbinden einer Vielzahl von im wesentlichen parallelen Faserschichten der soeben beschriebenen Art die beste Schlag- bzw. Stoßverträglichkeit/ wenn die 2o24 Al Seite einer jeden Schicht zur Schaufeldruckseite und die 1loo Al Seite einer jeden Schicht zur Ansaugseite der Schaufel ausgerichtet werden, da die Druck-

gegen
seite einer jeden Schaufel / ein Aufprallen von Fremdkörpern besonders empfindlich ist. +) gebildet wurde

Dem Fachmann ist es klar, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung gewisse Änderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise ist das Prinzip von Mehrfachlegierungsschichten auf von Aluminium abweichende Gefügematerialien anwendbar, bei denen eine Seite eine höhere Schlagfestigkeit und die andere Seite bessere Ermüdungs-yBindungsfähigkeits-Eigenschaften haben. Dieselbe Lösung würde auch auf Harzmatrix- bzw. -gefügezusammensetzungen anwendbar sein. Diese und weitere Abwandlungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein.

- Ansprüche -

709825/0226

Claims

2842037

Ansprüche

. Verbundgegenstand., gekennzeichnet durch eine Vielzahl von gebundenen bzw. verbundenen Faserschichtstoffen (2o), die eine Vielzahl von in einem Gefüge bzw.'Grundmaterial (18a, 18bj eingebetteten parallelen Fasern (16) enthalten, wobei der Bindungsgrad zwischen angrenzenden Schichtstoffen (2o) größer als der Bindungsgrad zwischen den Fasern (16) und dem Gefüge bzw. Grundmaterial (18a/ 18b) ist und wobei dessen Scherbruchspannung bei einer Dehnung auftritt, die kleiner als die Scherbruchspannung der Fasern (16) ist.

2. Verbundgegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (16) Borfasern aufweisen und daß das Gefüge bzw. Grundmaterial (18a, 18b) ein aus der Gruppe Aluminium und Aluminiumlegierungen ausgewähltes Material ist.

3. Verbundgegenstand nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstoffe bzw. Laminate (2o) eine Vielzahl von Borfasern (16) aufweisen, die zwischen zwei aus der Gruppe Aluminium und Aluminiumlegierungen ausgewählten Folienschichten (18a, 18b) eingebettet und gebunden sind.

4. Verbundgegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folienschicht (18a; 18b) unlegiertes Aluminium und die andere Schicht (18b; 18a) eine Legierung aufweisen, die hauptsächlich aus 1 bis 5 Gewichtsprozent Kupfer und Aluminium als Rest besteht.

5. Verbundgegenstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folienschicht (18a; 18b) unlegiertes Aluminium und die andere Schicht (18b; 18a) eine Legierung aufweisen, die hauptsächlich aus 2 bis 1o Gewichtsprozent Magnesium mit Aluminium als Rest besteht.

6. Schaufel für eine Verwendung in einex* Fluidströmungsmaschine, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von im wesentlichen paralle-

709825/0226

/ gebundenen bzw. verbundenen Fas er schicht s to f fen (2o) , die eine Vielzahl von parallelen Fasern (16) enthalten, welche in einem Gefüge bzw. Grundmaterial (18a, 18b) auf Aluminiumbasis eingebettet sind/ wobei der Bindungsgrad zwischen angrenzenden Schichtstoffen (2o) größer als der Bindungsgrad zwischen den Fasern (18) und dem Gefüge bzw. Grundmaterial (18a, 18b) ist und wobei die Scherbruchspannung des Grundmaterials bei einer Dehnung auftritt, die kleiner als die Scherbruchspannung . der Fasern (16) ist.

7. Schaufel mit einer Saugoberfläche und einer Druckoberfläche für eine Verwendung in einer Fluidströmungsmaschine, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von zum Bilden der Schaufel (1o) verbundenen Faserschichtstoffen bzw. Faserschichten (2o), von denen zumindest eine eine Vielzahl von parallelen Fasern (16) aufweist, die zwischen zwei Gefüge- bzw. Grundmaterialien (18a, 18b) eingebettet und gebunden sind, wobei das erste Grundmaterial eine größere Bindungsfähigkeit zu sich selbst und den Fasern (16) als zum zweiten Grundmaterial hat und wobei das erste Grundmaterial zur Druckoberfläche der Schaufel CIo) ausgerichtet ist.

8. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (16) im wesentlichen Borfasern aufweisen.

9. Schaufel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Grundmaterial (18a; 18b) unlegiertes Aluminium und das zweite Grundmaterial (18b; 18a) eine Aluminiumlegierung aufweisen.

1o. Schaufel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bindungsgrad zwischen angrenzenden Schichtstoffen bzw. Schichten (2o) größer als der Bindungsgrad zwischen den Fasern (16) und dem Gefüge bzw. Grundmaterial (18a, 18b) ist und wobei die Scherbruchspannung . des Grundmaterials (18a, 18b) bei einer Dehnung auftritt, die kleiner als die Scherbruchspannung der Fasern (16) ist.

709825/022 6

j«

11. Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten bzw. Verbundgegenstands, der unter ausgewählten Betriebsbedingungen zumindest eine minimale ausgewählte Schlagfestigkeit hat und aus einer Vielzahl von Faserschichtstoffen hergestellt ist, in denen eine Vielzahl von langgestreckten Fasern in einem Gefüge bzw. Grundmaterial eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Proben der für eine Verwendung in dem Gegenstand gedachten gebundenen Faserschichtstoffe hergestellt

wird, wobei jede Probe einen anderen Scherfestigkeitsgrad hat, daß Stoßenergieabsorption/Scherfestigkeit-Daten für die Proben unter den vorgeschriebenen Arbeits- bzw. Betriebsbedingungen erzielt bzw. abgeleitet werden; daß die für die erwünschte Stoßenergieabsorption erforderliche Scherfestigkeit ausgewählt wird und daß der Gegenstand durch Verbinden der Faserschichtstoffe für die ausgewählte Scherfestigkeit hergestellt wird.

70982 5 /0226