DE2659179A1

DE2659179A1 - Einschichtmetallplatte mit fasern hoher mechanischer eigenschaften und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2659179A1
Application number: DE19762659179
Authority: DE
Inventors: Daniel Albert Gontran Duparque; Andre Antoine Grange; Marius Florimond Leclercq; Daniel Louis Morin
Original assignee: Societe Nationale des Poudres et Explosifs
Current assignee: Societe Nationale des Poudres et Explosifs
Priority date: 1975-12-31
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1977-07-21
Also published as: FR2337040A1; SE7614686L; CH608745A5; NL7614322A; GB1521455A; US4141802A; FR2337040B1

Description

Societe Nationale des Poudres et Explosifs, PARIS (Prankreich)

Einschichtmetallplatte mit Fasern hoher mechanischer Eigenschaften und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Metallplatten mit Einschichten von Pasern hohen Moduls und ein verbessertes Verfahren zu deren Herstellung.

Die Einschichtpiatten stellen aufgrund ihrer Leichtigkeit und ihrer sehr hohen mechanischen Eigenschaften ein sehr bevorzugtes Halbzeug insbesondere in der Luftfahrtindustrie dar. Solche Einschichtplatten werden aus Fasern hoher mechanischer Eigenschaften gebildet, die im Inneren einer metallischen, die Fasern einhüllenden und sie voll-

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• ν.

kommen festhaltenden Matrix ausgerichtet sind.

Eines der Haupthindernisse für die weitreichende Entwicklung bzw. Verbreitung dieser Einschichtplatten ist ihr hoher Preis aufgrund der Kompliziertheit und der niedrigen Ausbeute der ihre Herstellung ermöglichenden Verfahren. Außerdem ist die Qualität dieser Halberzeugnisse schwierig ohne Zerstörung steuerbar, was jede Verbesserung der vorhandenen Verfahren im Sinne einer besseren Verläßlichkeit der gefertigten Erzeugnisse hochgradig wünschenswert macht.

Ein Verfahren zur Herstellung von Einschichtplatten ist in der US-PS 3 615 277 beschrieben und besteht darin, daß man auf eine dünne Metallfolie (Trägerfolie), die auf eine Trommel oder Walze aufgewickelt ist und ihrerseits eine Wicklungslage von Fasern hohen Moduls trägt, feine schmelzförmige Metallteilchen mit Hilfe eines Lichtbogenplasmabrenners aufspritzt. Diese mit einer hohen Temperatur und intensiv gespritzten Metallteilchen füllen dann die Zwischenräume zwischen den Fasern und ergeben zusammen damit eine Einschichtplatte hoher Qualität, nachdem die Trägerfolie von der Trommel getrennt ist.

Einer der hauptsächlichen Nachteile dieses Verfahrens besteht darin, daß die Haftung der Metallteilchen auf der Trägerfolie allgemein schwach ist, was Risse in der Richtung der Fasern zur Zeit des Abschneidens der Platten oder Tafeln auf dem Trommelkern hervorrufen kann.

Um die Haftung zu verbessern und die vorher genannten Gefahren zu verringern, wurden mehrere Lösungen vorgeschlagen, die indessen nur eine begrenzte Bedeutung haben und den Endpreis der Einschichtplatten durch ihre Kompliziertheit und/oder dabei erforderliche Mühe beeinträchtigen.

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Beispielsweise kann man die Spritzbedingungen modifizieren_s damit die Metallteilchen auf die Trägerfolie mit einer höheren Temperatur gelangen. So kann man die Temperatur des Plasmabrenners erhöhen oder den Abstand vom Brenner zur Auftreffflache verringern: Diese Abänderungen könr.en jedoch nur in einem begrenzten Intervall zur Anwendung kommen, weil sonst die Wärmebeanspruchungen so hoch werden, daß die Einschichtplatte völlig deformiert wird und die Pasern, wenigstens teilweise, beschädigt werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin ₃ die Trommel-Trägerfolie-Fasern-Einheit vorzuheizen. Dies ist ein komplizierter und auf eine Massenfabrikation schwer übertragbarer Vorgang, Außerdem stellt man fest, daß der Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Pasern und dem Metall der Trommel von einer gewissen Temperatur an einen Bruch eines hohen Paseranteils verursacht.

Eine weiter vorgeschlagene Lösung sieht vor, eine Vorbereitung der Trägerfolie in Form einer Beizung vorzunehmen, die eine leichte Verbesserung der Haftung bewirkt. Jedoch erfordert dieser Arbeitsgang eine Folge von langen und schwierigen Handhabungen, so daß jede Massenfabrikation nach diesem Prinzip ausgeschlossen ist und bei dieser Arbeitsweise eine Verschlechterung der Trägerfolie auftreten kann, wenn diese sehr dünn ist.

Schließlich wurde eine letzte Lösung vorgeschlagen, die darin besteht, die rohe Einschichtplatte unter Druck (300 - 500 kg/mm²) und in der Hitze (500 - 550 °C) zu kompaktieren, wodurch man das Fließen des gespritzten Metalls zwischen die Fasern und die Festphasendiffusion hervorruft. Man erkennt gut/ daß diese diskontinuierliche Methode, die noch dazu eine sehr schwere Einrichtung erfordert, nicht be-

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friedigend ist. "*

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Einschichtmetallplatte mit Pasern hoher mechanischer Eigenschaften in einer Metallmatrix auf einer Trägerfolie derart auszugestalten und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zu entwickeln, womit ohne komplizierte Arbeitsgänge und ohne großen Aufwand auch in industriellem Maßstab eine verbesserte Haftung des aufgespritzten Metallmaterials an der Trägerfolie erzielt wird.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Einschichtplatte, die aus einer metallischen Trägerfolie und einer durch Pasern hoher mechanischer Eigenschaften verstärkten Metallmatrix besteht, mit dem Kennzeichen, daß sie zwischen der Trägerfolie und den Fasern hoher mechanischer Eigenschaften wenigstens eine sehr dünne Schicht aus einem dritten Metall oder einer dritten Legierung enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, daß man auf der Trägerfolie vor dem Anbringen der Fasern hoher mechanischer Eigenschaften und dem Aufspritzen des Metallpulvers wenigstens eine sehr dünne Schicht eines dritten Metalls oder einer dritten Legierung abscheidet.

Erfindungsgemäß wird die sehr dünne Drittmetall- oder -legierungsschicht nach irgendeiner in Fachkreisen bekannten V/eise, z. B. durch Elektrolyse, chemische Dampfphasenabscheidung, physikalische Dampfphasenabscheidung usw., abgeschieden. Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsart der Erfindung nimmt man die Abscheidung durch Bauschelektrolyse einer geeigneten Lösung nach der Technik vor, die in der FR-PS 1 585 605 beschrieben ist, und zwar vorzugsweise nach voran-

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gehender elektrolytischer Eeizung der Trägerfolie.

Die im Rahmen der Erfindung brauchbaren Drittmetalle oder -legierungen sind insbesondere solche, die zur schnellen Diffusion in die die Trägerfolie und das aufgespritzte Pulver bildenden Metalle bzw. Legierungen geeignet sind und in der Diffusionszone zur Bildung einer festen Lösung oder einer Legierung führen. Außerdem soll das Zusatzdrittmetall oder die Zusatzdrittlegierung vorzugsweise derart ausgewählt werden, daß die mechanischen Eigenschaften der Matrix nicht beeinträchtigt v/erden.

Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird das Drittmetall oder die Drittlegierung derart gewählt, daß es bzw. sie weniger oxydationsanfällig als das Metall oder die Legierung der Trägerfolie ist.

Tatsächlich stellt man, obwohl es theoretisch möglich ist, die Haftung des Metallpulvers an der lediglich zum Entfernen der diese bedeckenden Oxydschicht gebeizten Trägerfolie zu verbessern, fest, daß praktisch diese Verbesserung nur schwierig ausgenutzt werden kann, da die Geschwindigkeit der Neubildung der genannten Oxydschicht hoch ist.

Als Drittmetalle und -legierungen im Rahmen der Erfindung besonders geeignete Metalle kann man das Kupfer, das eine besonders gute Kompatibilität mit den allgemein die Trägerfolien und die aufgespritzten Pulver bildenden Metallen oder Legierungen aufweist, außerdem Zink, Gold, Silber, Zinn, Indium, Eisen, Messingarten und die GoId-Indium-Legierung nennen. Diese Aufstellung ist keineswegs vollständig, und es gehören ebenfalls einige Legierungen mit relativ niedrigem Schmelzpunkt dazu, wie z. B. die auf Basis von Blei, Zinn, Antimon und/oder Wismut.

Die Dicke der abzuscheidenden Drittmetall- oder Dritt-

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lepierungsschicht variiert jo nach der Art des abgeschiedenen Metalls, der Art der Metallunterlago und/oder des aufgespritzten Metalls und den Spritzbedingungen (Temperatur, Brenner-Auftreffflächen-Abstand). Und zwar ist es, wenn die Diffusionsfähigkeit des Drittnetalls, z. B. im Metall der Trägerfolie, gering ist, zweckmäßig, eine relativ geringe Dicke anzuwenden. Ebenso ist es, wenn das Drittmetall (oder die Drittlegierung) einen niedrigen Schmelzpunkt, vorzugsweise jedoch über 200 ⁰C, aufweist, zweckmäßig, davon eine relativ dicke Schicht abzuscheiden, um der Verflüchtigung Rechnung, zu tragen, die zur Zeit des Auf sprit zens auftritt .

Es ist jedoch erforderlich, daß die Dicke der Schicht im Fall eines wenig flüchtigen Drittmetalls, wie des Kupfers, 5 /Um nicht übersteigt (weil man sonst Zeichen von Ablösung und Risse an der Grenzfläche Trägerfolie/Aufspritzmetallschicht auftreten sieht) und andererseits nicht unter 0,05 /Um ist (weil sonst der vorteilhafte Effekt der Drittmetallsehicht nicht merklich ist). Ebenso soll im Fall eines Drittmetalls oder einer Drittlegierung mit niedrigem Schmelzpunkt und hohem Dampfdruck die Dicke der Schicht erfindungsgemäß vorzugsweise im Bereich von 0,1 - 10 ,um liegen und somit, bei im übrigen gleichen Bedingungen, größer als im Fall der vorher genannten Drittmetalle und -legierungen sein.

Die Anwendung der Erfindung führt zu keiner Beschränkung hinsichtlich der Art der Trägerfolie, die also von jeder bisher verwendeten oder beschriebenen Art sein kann. Im Gegenteil bietet die Anwesenheit einer Schicht aus Drittmetall oder Drittlegierung neue Möglichkeiten, da das aufgespritzte Metallpulver, das auf einigen Arten der Trägerfolie nicht ausreichend haftete, nun dank der Erfindung an der Drittmetallschicht und demnach indirekt an dieser Träger-

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folie haften kann.

Die Trägerfolie kann im übrigen auch durch einen anderen Gegenstand als eine Folie ersetzt werden und eventuell beispielsweise eine Platte oder ein Werkstück unregelmäßiger Form sein. Auch in diesem Fall ist nämlich die Erfindung anwendbar, da man Abscheidungen von Drittmetall oder Drittlegierung auf solchen Werkstücken vorzunehmen vermag»

Indessen werden durch die Erfindung besonders die Leichtmetalle und die Aluminiumlegierungen, die mehr oder weniger erhebliche Mengen an anderen Elementen (Magnesium, Silizium, Eisen, Kupfer, Titan usw.) enthalten, sowie alle für äauivalente Verwendungszwecke bestimmte Legierungen (insbesondere auf Titanbasis) betroffen.

Die aufzuspritzenden Metallpulver sind von allen in der Fachwelt bekannten und bisher bereits verwendeten Arten. Zur Erinnerung sei jedoch festgestellt, daß der Schmelzpunkt des Pulvers höher als der der Trägerfolie sein soll und daß die Fasern mit hohem Modul durch dieses Pulver bei der Aufspritztemperatur nicht veränderbar sein müssen. Man kann beispielsweise Pulver auf Aluminiumbasis oder Titanbasis -verwenden.

Die im Rahmen der Erfindung vervmndbaren Fasern sind Fachleuten gut bekannt, und es ergibt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine weitere Beschränkung. Es seien insbesondere die Borfasern und vor allem die Siliziumkarbidfasern und die mit Siliziumkarbid überzogenen Borfasorn erwähnt. Die Anmelderin hat im übrigen beobachtet, daß die mit einem überzug von Eorkarbid versehenen Borfasern, die in der FR-PS 2 136 978 beschrieben sind, besonders zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind.

Die erfindungsgemäß hergestellten Einschichtplatten

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haben den bekannten Platten überlegene mechanische Eigenschaften, da sie während ihrer Herstellung weniger strengen Bedingungen unterworfen und vor allem weniger Belastungen thermischer Art als Lei den bekannten Verfahren ausgesetzt werden.

Die hauptsächliche Verbesserung zeigt sich vor allem in der Zugfestigkeit in Paserrichtung (es gibt weniger zerbrochene oder brüchig gewordene Fasern dank der milderen Spritzbedingungen) und ganz besonders in der Richtung, senkrecht zu den Pasern, wo sich die Haftung des Pulvers an der Trägerfolie am ireisten auswirkt.

Außerdem umfaßt die Erfindung auch Einschichtplatten von Laminataufbau, die eine zentrale Trägerfolie und zwei in einer Matrix eingebettete Wicklungslagen von Fasern zu beiden Seiten der Trägerfolie aufweisen. Die Herstellung eines solchen Materials ist leicht durchführbar, indem man eine Einschichtplatte, die nach dem schon erläuterten erfindungsgeipäßen Verfahren hergestellt ist, erneut auf die Trommel oder Walze aufwickelt, wobei die vom aufgespritzten Pulver gebildete Seite nun an der Trommel bzw. Walze anliegt, was eine Behandlung der Außenseite wie eine Trägerfolie ermöglicht.

Man kann auch_s obwohl dies von weniger Interesse ist, mehrere Schichten von Drittmetall oder Drittlegierung gleicher Art oder verschiedener, jedoch kompatibler Art auf der Trägerfolie abscheiden.

Die durch die Erfindung ermöglichten Hauptvorteile sind einerseits eine unbestreitbare Verbesserung der Haftung und andererseits die Möglichkeit, die Strenge der Aufspritzbedingungen zu verringern und damit gleichzeitig

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praktisch das Auftreten von Wärmebeanspruchungen und die Deformationen der Platten und die Brüche von Fasern, die dadurch auftreten könnten, auszuschließen.

Die folgernden, auch Vergleichsversuche umfassenden Beispiele worden zur Erläuterung der Erfindung und einiger ihrer Aspekte gegeben, ohne diese zu beschränken.

Beispiel 1:

Man verwendete eine Trägerfolie aus der Legierung "^3^3" auf Aluniniurrbasis mit einer Dicke von 25 /Um, mit Borkarbid überzogene Borfasern mit einem Durchmesser von 105 ,um, einer mittleren Zugfestigkeit von 380 kg/mm und einem Elastizitätsmodul von kO 000 kg/mm .

Man spritzte ein Pulver aus der Legierung "6O6l" auf Aluminiumbasis einer mittleren Korngröße zwischen 15 und 120 _/um auf.

Die eingehaltene Abscheidetechnik ist die. der Bauschelektrolyse, wie sie insbesondere in der FR-PS 1 585 605 beschrieben ist.

Nach der Befestigung der Trägerfolie mittels eines doppelseitig klebenden Klebstreifens auf einer Aluminiumtrommel mit polierten Oberflächen und einem Durchmesser von 30 cm führte man nacheinander die folgenden Verfahrensschritte auf der Trägerfolie durch: Bürsten, Entfetten und bauschelektrolytische Beizung zur Entfernung der dünnen oberflächlichen Aluminiumoxidschicht.

Man schied alsbald danach eine Kupferschicht von 0,5 ,um Dicke nach der Bauschelektrolysemethode mit Hilfe

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eines Bausches ab, der eine weiche graphitierte Masse aufwies.

Man wickelte dann die Pasern wendelförmig ohne gegenseitige Berührung unter einer leichten Spannung (2 Newtons) mit einer Geschwindigkeit von 25 U/min auf. Die Wicklungsteilung war dabei 125 /Um.

Man führt dann das Pulveraufspritzen mit Hilfe eines Lichtbogenplasmabrenners "PLASMATON-JET de BAYSTAPE" durch.

Man verwendete einen Generator "PS 751", eine Pistole "PG 100-3", ein Steuerpult "CP 120", einen Pulververteiler "PP 500" und eine "Hochgeschwindigkeits"-Anode mit Unterschallejektionsgeschwindigkeit.

Die eingehaltenen Parameter zum Speisen der Anode, waren 40 Volt und 300 Ampere.

Das Plasmagas war ein Gemisch Argon-Wasserstoff mit 5 % Wasserstoff. Sein Durchsatz betrug 50 - 60 l/min bei 2,8 bar.

Das Pulvergas war Argon mit einem Durchsatz von 3-4 l/min, und der Durchsatz des Pulvers betrug 17 g/min.

Die Pistole wurde auf einer automatisch hin- und hergehenden Vorrichtung mit zur Drehachse des Zylinders paralleler Bewegungsachse montiert. Ihre Bewegungsgeschwindigkeit war 1 m/min.

Die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel beim Aufspritzen war 120 m/min.

Der Abstand von der Spritzdüse bis zur Trommel lag im Bereich von 9 bis 12 cm. Am Ende von 7 Schritten reichte die

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aufgespritzte Pulverraenge aus_s damit die Einschichtplatte volumenmäßig ebenso viel Pasern wie Matrix aufwies»

Die Einschichtplatte wurde dann nach einer Mantellinie aufgeschnitten und von der zylindrischen Trommel getrennt. Man erhielt eine ebene, homogene und vollkommen manipulierbare Bahn_s mit der Haftversuche durchgeführt wurden (Abschäl-j Dreieckausschnitt- und Klebpapierablösversuche). Diese Versuche führten zu den in der folgenden Tabelle angegebenen Ergebnissen j wo die Haftung des Pulvers auf ein und derselben Folie" als Punktion der vor dem Aufspritzen und bei zwei unterschiedlichen Abständen Düse/Trommel angewandten Behandlung angegeben ist.

Trägerfolie	Abstand Düse-Trommel in cm	Haftung
Nur Entfettung	12 9	null sehr gering
Entfettung und Flauschbeizung	12 9	fast null sehr mittel mäßig
Entfettungs Beizung und Kupferschicht	12 9	gut sehr gut

Beispiel 2;

Man verwendete die gleiche Legierung "6O6l" auf Alumlnium-

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basis für die Trägerfolie und das aufgespritzte Pulver.

Alle Arbeitsgänge des Beispiels 1 wurden unter Einhaltung der gleichen Parameter wiederholt.

Die erhaltene Einschichtplatte zeigt, daß die Haftung ebenso gut wie in dem vorigen Fall ist.

Beispiel 3·

Man verwendete die Legierung "202¹I" auf Aluminiumbasis mit einer Dicke von 38 ,um und eine Wicklung von mit einer Antidxffusionsschicht aus Borkarbid überzogenen Borfasern eines Durchmessers von 140 ,um, wobei die Wicklungsteilung 185 /Um war.

Man spritzte unter den im Beispiel 1 beschriebenen Bedingungen Pulver der Legierung "4343" auf Aluminiumbasis einer Korngröße zwischen 15 und 120 ,um auf. Nur die Zahl der Aufspritzschritte wurde geändert und auf 5 verringert, um das. Fasern-Matrix-Volumenverhältnis gleich 50 % zu berücksichtigen.

Die erhaltene Haftung ist an allen Punkten mit der der vorhergehenden Beispiele vergleichbar.

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Claims

Ansprüche

jl. Einschichtplatte, die aus einer metallischen Trägerfolie Wd einer durch Pasern hoher mechanischer Eigenschaften verstärkten Motallmafcrix' besteht, dadurch gekennzeichnet , daß sie zwischen der Trägerfolie und den Fasern hoher mechanischer Eigenschaften xvenigstens eine sehr dünne Schicht aus einem dritten Metall oder einer dritten Legierung enthält.
2. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Drittmetall- od<.;r -legierungsschicht im Bereich von 0,05 bis 10 .um., vorzugsweise 0,1 bis 5 .im, ist.
3. Platte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drittmetall oder die Drittlegierung aus der Gruppe Kupfer, Zink, .Gold, Silber, Zinn, Indium, Eisen, Messingsorten, Gold-Indiun-Legierung und Legierungen auf Blei-, Zinn-,; Antiiron- und/oder Wismutbasis gewählt ist,
4. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Pasern hoher mechanischer Eigenschaften mit einer Antidiffusionsschjcht aus Borkarbid überzogene Borfasern sind.
5. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis '1, dadurch gekenn zeichnet, daß beide Oberflächen der Trägerfolie wenigstens eine Schicht des Drittmetaiis oder der Drittlegierung aufweisen.
6. Verfahren zur Herstellung von Einschichtplatten nach einem der Ansprüche 1-bis 5 durch Aufspritzen eines Metall pulvers mittels eines Lichtbogenplasir.abrenners auf eine Pasern hoher mechanischen Eigenschaften tragende Trägerfolie, dadurch gekennzeichnet,

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daß man αχχΓ dor TrUf er folie vor der Ar.tr inrunr. der Fasern hoher mechanischer Vipx-nscha ften und dem Aufspritzen des Motallpulvers eine sehr dünne Schicht eines Drittmetalls oder einer Drittleriorunf abscheidet.
7. Verfahren nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet, daß iran die Abscheidung mittels Bauschelektrolyse vornimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß man vor Durchführung der Abscheidung· die Trägerfolie entfettet und beizt.

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