DE2819076C2

DE2819076C2 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Mehschicht-Verbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE2819076C2
Application number: DE2819076A
Authority: DE
Inventors: Just Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Söhlemann
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: 1982-02-25
Also published as: GB2029881A; GB2029881B; DE2819076A1

Description

a) von dem Titan-Substrat (2, 8,13) die Titanoxidschicht abgebeizt und in einer Hochvakuum-Kammer die Reste der Titanoxidschicht abgetragen sowie eine Metallschicht aus Kupfer, Magnesium, Zink, Silber oder Silizium aufgetragen wird,

b) ein auf den ersten Oberzug (3, 9, 14) aus faserverstärktem Aluminium aufzubringender zweiter Überzug (4, 10, 15) aus einem hochverschleiß- und abriebfesten Metallblech zum 1 fartlöten mit dem ersten Überzug durch Aufbringen einer Metallschicht aus weicherem Material vorbereitet wird,

c) die beiden Überzüge im Temperaturbereich des Eutektikums von Aluminium und der auf den zweiten Überzug aufgebrachten Metallschicht miteinander ohne Anwe idung von Schutzgasatmosphäre oder Vakuum hartverlötet werden,

ü) die durch Hartlöten verbundenen Überzüge gemeinsam auf das Titansubstrat im Temperaturbereich des Eutektikums von Aluminium und der a: f dem Titansubstrat aufgetragenen Metallschicht hart aufge'^tet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Faservers.arkung des Aluminiums unidirektionale Borfasern verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß beim Hartloten die auf das Titansubstrat (2, 8, 13) aufgebrachte Metallschicht zugleich als Lötmittel dient und in den ersten Überzug (3,9,14) eindiffundiert.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten Überzug (4,10, 15) Stahlblech verwendet wird, auf dem eine Schicht aus Aluminium plattiert ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten Überzug (4, 10, 15) Titanblech verwendet wird, welches ebenso wie das Titansubstrat behandelt und mit einer Metallschicht versehen wird, die beim Hartlöten auch zugleich als Lötmittel dient und in den ersten Überzug (3,9,14) eindiffundiert.

6. Verfahren nach dem Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Hartlöten Aluminium in den zweiten Überzug (4, 10, 15) eindiffundiert und dabei mit dem Werkstoff des zweiten Überzuges eine erosionsfeste intermetallische Phase bildet.

7. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6. zur Herstellung von Turbinenschaufeln (6).

8. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Herstellung von dem Luftstau ausgesetzten Teilen (12) von mit mehrfacher Überschallgeschwindigkeit fliegenden Fiuggeräten, insbesondere Flugkörpern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Mehrschicht-Verbundwerkstoffes, insbesondere für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Leichtbauteile mit einem Substrat aus . Titan oder Titanlegierung, auf das mindestens ein Überzug aus faserverstärktem Aluminium durch Hartlöten aufgebracht wird.

Ein solches Verfahren ist aus der Zeitschrift »Blech«, 6/1967, Seiten 315 bis 319 bekannt In der Tabelle 1 ist

in dargestellt, daß Titan auf Aluminium und Stahl auf Aluminium plattiert werden kann, wobei in der zugehörigen Beschreibung auf Seite 318 angeführt ist, daß das Verbinden oft durch Hartlöten erfolgt. In dieser Vorveröffentlichung sind jedoch keine Plattierungen auf *> Titan als Substrat beschrieben und es geht deshalb auch nicht aus ihr hervor, welche Probleme beim Hartlöten von Titan auftreten bzw. weiche technischen Hindernisse dabei zu überwinden sind. Außerdem findet sich kein Hinweis darauf, zwei unterschiedliche Überzüge oder

-'<■ Plattierungen aufzubringen

Bii Temperaturen von 300^cC bis 500⁰C 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 Scherverten. 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

Ji Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Triebwerksbau noch weitere Beanspruchungen auf. wie z. B. Erosion durch Regen oder Sand. Kavitation durch Strömungsvorgänge und Fremdkörpereinschlag. Dagegen muß die Oberfläche gesondert geschützt ν :rden, insbesonderj wenn ein Überzug aus faserverstärktem Aluminium vorliegt, bei dem die Matrix gegen Erosion und Kavitalion und die Fasern gegen Fremdkörpereinschlag relativ empfindlich sind. Rein-Aluminium ist zwar duktil und korrosionsfest, hat aber nicht die erforderlichen Festigkeitseigenschaften. Mit Fasern verstärktes Aluminium hat wie alle faserverstärkten Werkstoffe nur in Faserrichtung seine optimale Festigkeit; ein Ausweichen auf Kreuzlaminate bringt bei diesen Beanspru chtingen und den oben angeführten Eigenschaften der

so Matrix und Fasern nur bedingt bessere Lösungen.

F.s ist auch bereits bekannt. Titan mit faserverstärk lern Aluminium nicht durch Hartlöten, sondern durch andere Verfahren miteinander zu verbinden. So beschreibt die US-PS 40 29 838 einen Mehrschicht-Ver-

ϊ"> bundwerkstoff aus Titan mit borfaserverstärktem Aluminum, bei dem ein Kleber zur Verbindung der Schichten verwendet wird. wpiI das Hartlöten mehrerer derartiger Schichten auf große technische Schwierigkeiten stößt. Es ist ohne weiteres verständlich, daß dieser bekannie Mehrschicht-Verbundwerkstoff nur so viel Schub- und Biegefestigkeit aufnehmen kann, wie es der Kleber zwischen den Schichten zuläßt. Weiterhin geht aus der US;PS 36 99 623 ein Verfahren zur Beschichtung einer faserverstärkten AlUfniniurrimalrix mit Titan

es hervor, bei der der Titahüberzug zuerst mit einer porösen, durch Plasmaspritzen in einer Argonatmosphäre aufgebrachten Haut Versehen wird und dann auf den faserverstärkten Aluminiumkern durch Diffusions'

verbindung aufgebracht wii-d. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und teuer.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so zu verbessern, daß der herzustellende metallische Mehrschicht-Verbundwerkstoff auch extremen und vielseitigen thermischen und mechanischen Beanspruchungen standhält und außerdem einwandfreie und haftfeste Hartlötungen aufweist

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Ein nach diesem Verfahren hergestellter Mehrschicht-Verbundwerkstoff vereinigt die Vorteile von hochfesten metallischen Werkstuffen 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 hochverschleiß und abriebfestem Metallblech verleihen dem Werkstoff allseitig beste Festigkeitseig-nschalten, insbesondere auch auf Schub und Biegung. Der erste Überzug aus faserverstärktem Aluminium verleiht dem Verbundwerkstoff in Richtung der Fasern zusätzlich eine erhöhte Festigkeit.

Die bevorzugt verwendete Faserverstärkung des Aluminiums mit unidirektionalen Borfasern ist eine Werkstoffkombination, die handelsüblich erbältlich ist und die sich bevorzugt für zugbeanspruchte Leichtbauteile bewährt hat. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, anstelle von Boi fasern andere handelsübliche Fasern zu verwenden, wie z. B. Fasern aus Kohlenstoff oder Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid (SiC).

Nach einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besteht der zweite Überzug aus mit Aluminium plattiertem Stahlblech oder aus Titanblech, wobei letzteres vorteilhaft mit Aluminium legiert ist. Der zweite Übt. zug hat dabei im wesentlichen die Aufgabe. dem erfindungsgemäßen Mehrschich·.·Verbundwerkstoff eine hochfeste Außenhaut zu verleihen, die insbesondere extrem hohen äußeren Beanspruchungen wie Regen. Erosion. Kavitation und Fremdkörpereinschlägen standhält. Diese Beanspruchungen treten in starkem fviaße /. B. bei schnellaufenden Turbinenschaufel oder bei in hohem Überschall fliegenden Flugkör pern auf. Es war bisher nicht gelungen, einen Leichtbauwerkstoff zu entwickeln, der bei vertretbaren Kosten dieser Beansp,uchung gewachsen ist. Die alleinige Verwendung von Sonderstählen, die z. B. mit Chrom ooer Vanadium legiert sind, ergeben infolge ihrer hohen spezifischen Gewichte zu hohe Bauteilgewichte. Wenn jedoch entsprechend der Frfindung für den zweiten Wber/ug ein Sonderstahlblech verwendet wird, kann dieser sehr dünn gehalten werden, so daß die damit verbun iene Gewichtserhöhung durch die Möglichkeit der Verwendung eines sehr dünnen Bleches wieder ausgeglichen wird. Die Verwendung von Titan allen erfüllt festigkeitsmäßig nicht alle Anforderungen und ist sehr teuer. Die Verbindung von Titan mit anderer) 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 Titanoxidschicht bildet, die vor dem Hartlöten entfernt werden muß.

Um auch Titan ohne Schutzgasatmosphäre oder Vakuum hartlöten zu können, ist erfindungsgemäß vor dem Hartlöten an dem Titansubstrat und dem Titanblech die Oxidschicht 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 Titanoxidschicht 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 dts jeweiligen Eutektikums \>n Aluminium und den aufgebi achten Metaüschichter. erfolgen. Dabei dient die aut das Titan aufgebrachte metallische Schutzschicht mit dem Aluminium zusammen zugleich als Lötmittel. Die nur in etwa 1 μΐη Stärke aufzubi ingende Schutzschicht diffundiert beim Lötvorgang vollständig in das Aluminium ein. Wenn die Schutzschicht auf dem Titan aus Kupfer besteht, erfoigt das Verbinden des Titansubtrats mit dem ersten Überzug aus faserverstärktem Aluminium bei 548'C. welchem die Temperatur für das AI-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 /wischen dem faserverstärkten Aluminium und dem zweiten Überzug erfolgen, wenn Letzterer aus Titanblech besteht.

Anders liegen die Verhältnisse, wenn als /weiter Überzug mit Aluminium plattiertes Stahlblech verwendet wird. Um auch dort eine flußmittelfreie Lötung unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium /u er .elen. wird das Al-Si-Eutektikum. welches bei 5ö5 C liegt, ausgenutzt, indem für die Plattierung eine entsprechende Al-Si-Legierung verwendet wird. Wegen der unterschiedlichen Temperaturen der Liquidusphasen von TiAI und Al-Si werden hierbei erfindungsge maß erst beide Überzüge /usammergelötet und diese gemeinsam auf das Titansubstrat aufgelötet. Ein besonders hochfester zweiler Überzug kann dadurch er/ielt werden, daß beim Hartlöten Aluminium in den zweiten Überzug eindiffundiert und dabei mit dem Werkstoff des zweiten Übei/uges eine erosionsfeste intermetallische Phase bildet. Dieses wird dadurch ermöglicht, daß der /weite Überzug als besonders dünnes Blech ausgebildet ist. wodurch Aluminium aus dem ersten Überzug in den /weiten Übermut; eindiff'in dieren kann. Die dabei sich bildende intermetallisch¹; Phase ist besonders hart und abriebfest. Unterstützt wird dieser Vorgang wenn als Titanblech eine Ti-Al-Verbindunj, verwendet wird, die etwa 6% Al enthält, weil Titan bei einem Aluminiumanteil von über 6% versprödel.

Nachfolgend wird das Verfahren anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen von entsprechend dem Verfahren hergestellten Teilen erläutert. Es zeigt

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

F i g. 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-Verbundwerk-Stoffes sind wegen der besseren Darstellung dicker gezeichnet und brauchen nicht den 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 ebensogut niÄftli^U nnrloi*A Kr\r»Kf*»ct*» \Λί»ίaltKI^/^H** flip rlpn- "7WPitPtl

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 fluDmittelfrei.

lh der F i g. 2 ist eine Doppelschaufel 6 dargestellt, die mit ihrem Schaufelfuß in eine Turbirienschcibe 7 eingelassen ist. Die Schaufel 6 besteht aus einem Substrat 8 aus Titan oder Titanlegierung; auf dem ein erster Überzug 9 aus borfaserverslärktem Aluminium und ein zweiter Überzug 10 aus Stahlblech aufgebracht sind. Die Überzüge 9 und 10 werden, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, durch Hartlöten miteinander und dem Substrat 8 verbunden. Die Überzüge 9 und 10 übernehmen sowohl Biege- als auch Torsioiiskräfle sowie die Läsiaufnahmen im Schaufelfuß. Der zweite Überzug 10 aus Stahl verhindert wirkungsvoll die bei Turbinenschatifeln 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 dar- £isÜ! ist ebenso aufgebaut *vis ^i** r}r%r*nt>icr*v%attft*i c nach Fig.2. Es besteht also aus einem Substrat 13, einem ersten Überzug 14 aus borfaserverstärkiem Aluminium und einem zweiten Überzug 15, der hier zweckmäßig aus dünnem Titanblech der Legierung TiAI6V4 besteht. Beim Hartlöten diffundiert dann aus dem ersten Überzug 14 Aluminium in das Titanlegierungsblech des zweiten Überzugs 15 und erzeugt in dieseni eine versprödete intermetallische Phase, die dem T4\-)nblech eine außergewöhnlich harte, abriebfeste Oberfläche verleiht, die den Flügel bei der hohen Geschwindigkeit wirkungsvoll gegen Erosion und Fremkörpereinschlag schützt. Dip. Borfasern des ersten Überzuges Ϊ4 liegen in der Mauptlastrichtung und nehmen einen großen Teil der auftretenden Zugkräfte auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprühe:

1. Verfahren zum Herstellen eines metallischen Mehnx-hicht-Verbundwerkstoffes, insbesondere für thermisch und mechanisch huch beanspruchte Leichtbauteile, mit einem Substrat aus Titan oder Titanlegierung, auf das mindestens ein Oberzug aus faserverstärktem Aluminium durch Hartlöten aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß