DE2819076A1

DE2819076A1 - Metallischer mehrschicht-verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE2819076A1
Application number: DE19782819076
Authority: DE
Inventors: Just Dipl Ing Soehlemann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1978-04-29
Filing date: 1978-04-29
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB2029881A; GB2029881B; DE2819076C2

Description

Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff

Die Erfindung betrifft einen metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einem Substrat aus Titan oder Titanlegierung, insbesondere zur Herstellung von thermisch und mechanisch hoch beanspruchten Leichtbauteilen.

Bei Temperaturen von 3OO C bis 5°O C bietet ein Verbundwerkstoff von Titan mit faserverstärktem Aluminium ein sehr günstiges Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis. Die bei den zu verbindenden Metallen Titan und Aluminium bisher bekannte Flächen-Hartlöttechnik ergibt in dem geforderten Temperaturbereich Ergebnisse mit guten Scherwerten. Schwierigkeiten bereiten bei
den bisher bekannten Lötverfahren die dem Titan anhaftende
stabile Titanoxydschicht, die beim Lötvorgang das vollständige Benetzen der Oberfläche erschwert. Es werden deshalb bisher
einwandfreie Lötungen nur im Hochvakuum erzielt.

Außer der thermischen und mechanischen Belastung treten bei
bestimmten Bauteilen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Triebwerksbau noch weitere Beanspruchungen auf, wie z.B. Erosion durch Regen oder Sand, Kavitation durch Strömungsvorgänge und Fremdkörperexnschlag. Dagegen muß die Oberfläche gesondert geschützt werden, insbesondere wenn ein Überzug aus faserverstärktem Aluminium vorliegt, bei dem die Matrix gegen Erosion und Kavitation und die Fasern gegen Fremdkörpereinschlag relativ empfindlich sind. Für die sich aus den oben
angeführten Beanspruchungen ergebenden komplexen Aufgabenstellungen sind bisher nur Teillösungen bekannt geworden, wie z.B. Überzüge mit Rein-Aluminium oder mit glasfaserverstärktem
Kunststoff (CFK), wobei jedoch der gewünschte Erfolg nicht erzielt werden konnte. Rein-Aluminium ist zwar duktil und korro-

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sionsfest, hat aber nicht die erforderlichen Festigkeitseigenschaften. GPK hat wie alle faserverstärkten Werkstoffe nur in Faserrichtung seine optimale Festigkeit; ein Ausweichen auf Kreuzlaminate bringt bei diesen Beanspruchungen und den oben angeführten Eigenschaften der Matrix und Fasern nur bedingt bessere Lösungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoff zu schaffen, der auch extremen und vielseitigen thermischen und mechanischen Beanspruchungen standhält.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einem Substrat aus Titan und Titanlegierung erfindungsgemäß durch einen auf das Substrat aus Titan oder Titanlegierung durch Hartlöten aufgebrachten ersten Überzug aus faserverstärktem Aluminium und auf dem ersten Überzug durch Hartlöten aufgebrachten zweiten Überzug aus einem hoch verschleiß- und abriebfesten Metallblech.

Ein derartiger Mehrschicht-Verbundwerkstoff vereinigt die Vorteile von hochfesten metallischen Werkstoffen mit denen von Faserverbundwerkstoffen und erfüllt in hohem Maße die Anforderungen, die an thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Leichtbauteile gestellt werden müssen. Das Titan-Substrat und der zweite Überzug aus hoch verschleiß- und abriebfestem Metallblech verleihen dem Werkstoff allseitig beste Festigkeitseigenschaften, insbesondere auch auf Schub und Biegung. Der erste Überzug aus faserverstärktem Aluminium verleiht dem Verbundwerkstoff in Richtung der Fasern zusätzlich eine erhöhte Festigkeit.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Faserverstärkung des Aluminiums aus unidirektionalen Borfasern. Diese

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Werkstoffkombination ist handelsüblich erhältlich und hat sich bevorzugt für zugbeanspruchte Leichtbauteile bewährt. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, anstelle von Borfasern andere handelsübliche Pasern zu verwenden, wie z.B. Fasern aus Kohlenstoff oder Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid (SiC).

Nach Weiterbildungen der Erfindung besteht der zweite Überzug aus mit Aluminium plattiertem Stahlblech oder aus Titanblech, wobei letzteres vorteilhaft mit Aluminium legiert ist. Der zweite Überzug hat im wesentlichen die Aufgabe, dem erfindungsgemässen Mehrschicht-Verbundwerkstoff eine hochfeste Außenhaut zu verleihen, die insbesondere extrem hohen äußeren Beanspruchungen wie Regen, Erosion, Kavitation und Fremdkörpereinschlägen standhält. Diese Beanspruchungen treten in starkem Maße z.B. bei Schnellaufenden Turbinenschaufeln oder bei in hohem Überschall fliegenden Flugkörpern auf. Es war bisher nicht gelungen, einen Leichtbauwerkstoff zu entwickeln, der bei vertretbaren Kosten dieser Beanspruchung gewachsen ist. Die alleinige Verwendung von Sonderstählen, die z.B. mit Chrom oder Vanadium legiert sind, ergeben infolge ihrer hohen spezifischen Gewichte zu hohe Bauteilgewichte. Wenn jedoch entsprechend der Erfindung für den zweiten Überzug ein Sonderstahlblech verwendet wird, kann dieser sehr dünn gehalten werden, so daß die damit verbundene Gewichtserhöhung durch die Möglichkeit der Verwendung eines sehr dünnen Bleches wieder ausgeglichen wird. Die Verwendung von Titan allein erfüllt festigkeitsmäßig nicht alle Anforderungen und ist sehr teuer. Die Verbindung von Titan mit anderen Werkstoffen, wie z.B. mit borfaserverstärktem Aluminium ist zwar bereits bekannt, ergab aber nicht die gewünschten Ergebnisse, weil Aluminium den hohen Beanspruchungen bei Erosion oder Kavitation nicht standhält und die Borfasern bei Fremdkörpereinschlag zerstört werden. Außerdem ist bisher das Hartlöten an Titan sehr schwierig und technisch aufwendig, weil sich auf Titan in der Atmosphäre eine sehr dauerhafte TitanoxLdschicht bildet, die vor dem Hartlöten entfernt werden muß.

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Um auch Titan ohne Schutzgasatmosphäre oder Vakuum hartlöten zu können, ist erfindungsgemäß vor dem Hartlöten an dem Titansubstrat und dem Titanblech die Oxydschicht entfernt und eine metallische Schutzschicht aufgebracht, die beim Hartlöten zugleich als Lötmittel dient. Dabei erfolgt das Hartlöten beider Überzüge im Bereich des Eutektikums der Überzüge oder der aufgebrachten Metallschichten. Als metallische Schutzschicht wird z.B. Kupfer aufgebracht.Das Entfernen der Titanox dschicht erfolgt durch Abbeizen und das Aufbringen der Kupferschicht geschieht z.B. in einer Hochvakuum-Kammer. Hierbei werden die Reste der Titanoxidschicht durch Ionenätzen abgetragen und die Kupferschicht aufgedampft oder aufgestäubt.

Das Hartlöten der zwei Überzüge kann dann anschließend ohne besondere Schutzvorrichtungen im Bereich des jeweiligen Eutektikums von Aluminium und den aufgebrachten Metallschichten erfolgen. Dabei dient die auf das Titan aufgebrachte metallische Schutzschicht mit dem Aluminium zusammen zugleich als Lötmittel. Die nur in etwa 1 /im Stärke aufzubringende Schutzschicht diffundiert beim Lötvorgang vollständig in das Aluminium ein. Wenn die Schutzschicht auf dem Titan aus Kupfer besteht, erfolgt das Verbinden des Titansubstrats mit dem ersten Überzug aus faserverstärktem Aluminium bei 5^8 C, welches die Temperatur für das Al-Cu-Eutektikum ist. Außer Kupfer sind noch andere Schutzschichten möglich, wie z.B. Magnesium, Zink, Silber oder Silizium, die ihr Eutektikum mit Aluminium in üblichen Temperaturbereichen haben. Ebenso kann die Verbindung zwischen dem faserverstärkten Aluminium und dem zweiten Überzug erfolgen, wenn Letzterer aus Titanblech besteht.

Anders liegen die Verhältnisse, wenn als zweiter Überzug mit Aluminium plattiertes Stahlblech verwendet wird. Um auch dort eine flußmittelfreie Lötung unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium zu erzielen, wird das Al-Si-Eutektikum, welches bei

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C liegt, ausgenutzt, indem für die Plattierung eine entsprechende Al-Si-Legierung verwendet wird. Wegen der unterschiedlichen Temperaturen der Liquidusphasen von Ti-Al und Al-Si werden hierbei erfindungsgemäß erst beide Überzüge zu— sammengelötet und diese gemeinsam auf das Titansubstrat aufgelötet. Ein besonders hochfester zweiter Überzug kann dadurch erzielt werden, daß nach einer Weiterbildung der Erfindung beim Hartlöten Aluminium in den zweiten Überzug eindiffundiert und dabei mit dem Werkstoff des zweiten Überzuges eine erosionsfeste intermetallische Phase bildet. Dieses wird dadurch ermöglicht, daß der zweite Überzug als besonders dünnes Blech ausgebildet ist, wodurch Aluminium aus dem ersten Überzug in den zweiten Überzug eindiffundieren kann. Die dabei sich bildende intermetallische Phase ist besonders hart und abriebfest. Unterstützt wird dieser Vorgang, wenn als Titanblech eine Ti-Al-Verbindung verwendet wird, die etwa 6$ Al enthält, weil Titan bei einem Aluminiumanteil von über 6$ versprödet.

Nachfolgend sollen anhand der Zeichnung Beispiele für die Anwendung des metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoffes nach der Erfindung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoff ;

Fig. 2 eine Turbinen-Verdichterschaufel und

Fig. 3 die Ausbildung eines Flügelprofils für einen Flugkörper«

Die in den Figuren dargestellten Schichtstärken der Überzüge des metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoffes sind wegen der besseren Darstellung dicker gezeichnet und brauchen nicht den

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wirklich anzuwendenden Schichtstärken entsprechen. Der grundsätzliche Aufbau eines metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoffes 1 ist aus der Fig. 1 ersichtlich. Auf einem Substrat 2 aus Titan oder einer Titanlegierung ist ein erster Überzug 3 aus faserverstärktem Aluminium und ein zweiter Überzug 4 aus einem Metallblech aufgebracht. Eine für das Substrat 2 verwendete Titanlegierung ist z.B. TiAl6v4, in der Anteile von 6% Al und 4$ V enthalten sind. In dem ersten Überzug 3 aus faserverstärktem Aluminium können die Fasern aus Bor bestehen. Der zweite Überzug 4 besteht aus festem Stahlblech oder aus Titanblech. Es ist aber ebenso gut möglich, andere hochfeste Metallbleche für den zweiten Überzug zu verwenden.

Die Herstellung des dargestellten Mehrschicht-Verbundwerkstoffes 1 erfolgt durch Hartlöten. Hierfür wird das Titanblech 2 nach dem Entfernen der Titanoxidschicht mit z.B. einer Kupferschicht überzogen. Der zweite Überzug 4 ist ebenfalls mit einer sehr dünnen Metallschicht versehen. Im Falle, daß der zweite Überzug aus Stahlblech besteht, ist letzteres mit Aluminium plattiert, bei der Wahl von Titan ist dieses mit einer Kupferschicht versehen. Zuerst werden die beiden Überzüge 3 und 4 im Temperaturbereich des jeweiligen Eutektikums von Aluminium und der auf den zweiten Überzug 4 aufgebrachten Metallschicht zusammengelötet. Danach werden die verbundenen Überzüge gemeinsam auf das Titansubstrat 2 beim Eutektikum von Aluminium und Kupfer hartgelötet. Der jeweilige Lötvorgang erfolgt flußmittelfrei.

In der Fig. 2 ist eine Doppelschaufel 6 dargestellt, die mit ihrem Schaufelfuß in eine Turbinenscheibe 7 eingelassen ist. Die Schaufel 6 besteht aus einem Substrat 8 aus Titan oder Titanlegierung, auf dem ein erster Überzug 9 aus borfaserverstärktem Aluminium und ein zweiter Überzug 1o aus Stahlblech aufgebracht sind. Die Überzüge 9 und 1o werden, wie anhand der Fig.1 beschrieben, durch Hartlöten miteinander und dem Substrat 8 ver-

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bunden. Die Überzüge 9 und 1o übernehmen sowohl Biege- als auch Torsionskräfte sowie die Lastaufnahmen im Schaufelfuß. Der zweite Überzug 1o aus Stahl verhindert wirkungsvoll die bei Turbinenschaufeln auftretende Korrosion durch Kavitation oder Fremdkörpereinwirkungen.

Das Profil 12 entsprechend Fig. 3, welches z.B. den Querschnitt eines Flügels von einem mit mehrfacher Überschallgeschwindigkeit fliegenden Flugkörpern darstellt, ist ebenso aufgebaut wie die Doppelschaufel 6 nach Fig. 2. Es besteht also aus einem Substrat 13» einem ersten Überzug 14 aus borfaserverstärktem Aluminium und einem zweiten Überzug 15» der hier zweckmäßig aus dünnem Titanblech der Legierung TiAl6v4 besteht. Beim Hartlöten diffundiert dann aus dem ersten Überzug 14 Aluminium in das Titanlegierungsblech des zweiten Überzugs I5 und erzeugt in diesem eine versprödete intermetallische Phase, die dem Titanblech eine außergewöhnlich harte, abriebfeste Oberfläche verleiht, die den Flügel bei der hohen Geschwindigkeit wirkungsvoll gegen Erosion und Fremdkörpereinschlag schützt. Die Borfasern des ersten Überzuges Ik liegen in der Hauptlastrichtung und nehmen einen großen Teil der auftretenden Zugkräfte auf.

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Claims

Patentansprüche

Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff mit einem Substrat aus Titan oder Titanlegierung, insbesondere zur Herstellung von thermisch und mechanisch hoch beanspruchten Leichtbauteilen, gekennzeichnet durch einen auf das Substrat (2,8,13) aus Titan oder Titanlegierung durch Hartlöten aufgebrachten ersten Überzug (3,9,14) aus faserverstärktem Aluminium und auf dem ersten Überzug durch Hartlöten aufgebrachten zweiten Überzug (4,1o,15) aus einem hoch verschleiß- und abriebfesten Metallblech.

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2. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Faserverstärkung des Aluminiums aus unidirektionalen Borfasern besteht.

3. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Überzug (4,1o,15) aus mit Aluminium plattiertem Stahlblech besteht.

h. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Überzug (4,1o,15) aus Titanblech besteht.

5. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach A_nspruch k, dadurch gekennzeichnet , daß das Titanblech mit Aluminium legiert ist.

6. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1, K und 5» dadurch gekennzeichnet , daß vor dem Hartlöten an dem Titansubstrat und dem Titanblech die Oxydschicht entfernt und eine metallische Schutzschicht aufgebracht ist, die beim Hartlöten zugleich als Lötmittel dient.

7. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Hartlöten beider Überzüge im Bereich des Eutektikums der Überzüge oder der aufgebrachten Metallschichten erfolgt.

8. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß beide Überzüge zusammen hartgelötet und gemeinsam auf das Titansubstrat (2,8,13) aufgelötet sind.

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.9. Metallischer Mehrschicht-Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 und 7» dadurch gekennzeichnet , daß beim Hartlöten Aluminium in den zweiten Überzug (4, 1o,15) eindiffundiert und dabei mit dem Werkstoff des zweiten Überzuges eine erosionsfeste intermetallische Phase bildet.

10. Anwendung des metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoffes nach den Ansprüchen 1 bis 9 auf Turbinenschaufeln (6").

11. Anwendung des metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoffes nach den Ansprüchen 1 bis 9 auf dem Luftstau ausgesetzte Teile (12) von mit mehrfacher Überschallgeschwindigkeit fliegenden Pluggeräten, insbesondere Flugkörpern.

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