DE2915412C2

DE2915412C2 -

Info

Publication number: DE2915412C2
Application number: DE2915412A
Authority: DE
Inventors: Leif O.K. Trollhaettan Se Larsson; Richard Landvetter Se Warren
Original assignee: Volvo Flygmotor AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-17
Publication date: 1990-01-18
Also published as: FR2423334A1; GB2018634B; FR2423334B1; SE411051B; SE7804337L; GB2018634A; DE2915412A1; JPS6341969B2; JPS54155102A; US4292725A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus faserverstärktem Metallmaterial, bei welchem eine Vielzahl von Fasern oder Faserbündeln eines hochfesten Materials in im Abstand zueinander liegenden Stellungen angeordnet werden und jede Faser oder jedes Faserbündel von einem Matrixmaterial, vorzugsweise aus Metall oder einer Metallegierung dicht umgeben wird und entsprechend der gewünschten Form des Formkörpers ausgeformt wird.

Faserverstärkte Metallmaterialien, sogenannte Komposite, werden in zunehmenden Maße verwendet. Erstrebenswert ist es, derartige Materialien, beispielsweise auch für Turbinenschaufeln von Gasturbinen verfügbar zu machen. Damit wäre es möglich, sowohl die Leistung als auch die Standfestigkeit von Gasturbinen durch Verwendung eines oxidations- und korrosionsfesten Metallmaterials, das mit Fasern oder Drähten eines Materials mit hochfesten Eigenschaften bei hohen Temperaturen verstärkt ist, wesentlich zu verbessern. Die bisherigen Versuche, Formkörper aus faserverstärktem Metallmaterial herzustellen, waren jedoch nicht ganz befriedigend. Es gab immer wieder Probleme hinsichtlich der Einhaltung der Anordnung von Fasern in einem gleichmäßigen geraden und parallelverlaufenden Muster und mit einem vorbestimmten Volumenteil von Fasern im fertiggestellten Formkörper.

Weiterhin gab es Probleme in bezug auf die Möglichkeiten, die Fasern völlig von dem Matrixmaterial einzuhüllen, und hinsichtlich auf die Verfestigung des Materials zu einem dichten Material. Bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik wurden die Fasern oder Drähte üblicherweise im gewünschten Muster in einem Rahmen oder ähnlichem angeordnet und danach das Matrixmaterial entweder in Form einer Flüssigkeit oder in Form eines Pulvers hinzugefügt. Dieses Verfahren nach dem Stand der Technik ergibt ein dichtes Material, jedoch treten bei der Verwendung von Hochtemperatur-Legierungen (beispielsweise Legierungen auf Nickel-Basis) untolerierbare Reaktionen zwischen den Fasern auf. Beispielsweise kommt es zu Rekristallisation des Fasermaterials und zu chemischen Reaktionen zwischen dem Fasermaterial und dem Matrixmaterial. Bei der Verwendung von Matrixmaterial in Form von Pulvermaterial sind sorgfältig gesteuerte Verfahren während der Verfestigung erforderlich, um ein dichtes Material zu erhalten und um eine Oxidation des Pulvers zu vermeiden. Bei Verwendung dieses Verfahrens ist es außerdem schwierig, im fertiggestellten Gegenstand hohe Volumenanteile von Fasermaterial aufrechtzuerhalten.

In der DE-OS 20 59 179 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus faserverstärktem Metallwerkstoff beschrieben, wobei eine Vielzahl von vereinzelten Fasern jeweils einzeln in ein Röhrchen aus dem Metallmatrixwerkstoff gelegt werden. Die fasergefüllten Röhrchen werden dann in ein Gehäuse gelegt, welches dem Gegenstand im wesentlichen die gewünschte Form verleiht. Damit das Material homogen und dicht wird, erfolgt anschließend eine mechanische Formung durch Ziehen, Walzen oder Hämmern.

Diese Verformungsarten eignen sich aber nur dazu, Gegenstände aus geschmeidigem Werkstoff zu bearbeiten. Diese geschmeidigen Werkstoffe weisen aber häufig nicht die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere gute mechanische Hochtemperatureigenschaften, auf.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren verfügbar zu machen, das die zuvorerwähnten Nachteile überwindet und es ermöglicht, Formkörper mit der gewünschten Form und dem gewünschten Volumenanteil von Fasermaterial herzustellen, wobei das Fasermaterial von dem Matrixmaterial völlig eingehüllt sein soll, und das Fasermaterial bei der Durchführung des Verfahrens nicht durch mechanische Beanspruchung oder Rekristallisation zerstört wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erzielt, daß jede Faser oder jedes Faserbündel in ein Röhrchen eingelegt wird, das aus dem Matrixmaterial hergestellt ist und die geeignete Wandstärke aufweist, um den gewünschten Abstand zwischen den Fasern oder Faserbündeln vorzugeben, wobei die Röhrchen in einem Gehäuse angeordnet werden, welches dem Formkörper die gewünschte Außenform verleihen soll und vorzugsweise aus dem Matrixmaterial besteht und dadurch, daß das Gehäuse mit den Röhrchen und den darin angeordneten Fasern oder Faserbündeln einem heiß-isostatischen Pressen unter hohem Druck und hoher Temperatur während einer Zeitdauer unterzogen wird, die ausreicht, das im wesentlichen dichte Material zu formen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen zylindrischen Formkörper gemäß der Erfindung vor der Verfestigung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den der Fig. 1 entsprechenden Formkörper,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen anderen gemäß der Erfindung hergestellten Formkörper und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den der Fig. 3 entsprechenden Formkörper,

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Formkörpers geht zum besten aus den Fig. 1 und 2 hervor. Es ist dabei zu erkennen, daß der Formkörper eine Vielzahl von Röhrchen 1 mit kleinem Durchmesser aufweist. Diese Röhrchen bestehen aus dem gewünschten Matrixmaterial, beispielsweise korrosionsbeständigem Stahl. In jedes Röhrchen 1 ist eine Faser 2 oder ein Draht 2 eingelegt und diese Faser besteht aus dem gewünschten Verstärkungsmaterial, beispielsweise aus Wolfram oder einer Legierung auf Wolfram-Basis hergestellt. Der Innendurchmesser der Röhrchen 1 ist vorzugsweise etwas größer als der Durchmesser der Fasern 2, um das Einlegen der Fasern in die Röhrchen zu erleichtern. Um den gewünschten Volumenanteil an Fasern in dem fertiggestellten Formkörper zu erzielen, kann die Wandstärke der Röhrchen im gewünschten Maß verändert werden. Die Röhrchen 1 werden von einem größeren Röhrchen 3 umgeben, welches für den Zweck des dargestellten Formkörpers zylindrisch ist. Jedoch kann das Röhrchen 3 auch andere Formen aufweisen. Das Röhrchen 3 wird sodann in ein Gehäuse von der Form des Röhrchens 4 eingelegt, welches aus einem korrosionsbeständigerem Material als das Matrixmaterial bestehen kann. Zumindest in einem Ende des äußeren Röhrchens 4 ist ein Pfropfen 5 aus Titan vorgesehen. Das äußere Röhrchen 4 wird dann durch Verschweißen an beiden Enden geschlossen. Wenn die Anordnung nachfolgend erhitzt wird, reagieren die Titanpfropfen mit der eingeschlossenen Luft. Der Formkörper ist dann für eine heiß-isostatische Behandlung bereit, wodurch er plastisch verformt wird, so daß das Material dicht wird. In den Fig. 3 und 4 ist ein Formkörper dargestellt, dessen Querschnittsform ähnlich der des Profils einer Turbinenschaufel ist. Dieser Formkörper ist im Prinzip in der gleichen Weise aufgebaut wie der den Fig. 1 und 2 entsprechende Formkörper, das heißt, er besteht aus einer Vielzahl von Fasern oder Faserbündeln 2, die in Röhrchen 1 angeordnet eingelegt sind, welche in dem äußeren Gehäuse 4 angeordnet sind. Jedoch sind in dem den Fig. 3 und 4 entsprechenden Formkörper Stäbe 6 aus Matrixmaterial zwischen den Röhrchen 1 in vorbestimmten Stellungen angeordnet. Auf diese Weise kann die Faserdichte des fertiggestellten Formkörpers variiert werden, so daß beispielsweise bei einer Turbinenschaufel die Faserdichte an der Hinterkante, wo die Beanspruchungen groß sind und Kühlung schwierig ist, größer ist.

Beispiel

In einem Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein 18/8-korrosionsbeständiger Stahl vom Typ 304 als Matrixmaterial verwendet. Die Röhrchen 1 aus Matrixmaterial hatten einen Innendurchmesser von 0,4 mm und eine Wandstärke von 0,15 mm. Als Fasermaterial wurden Wolframfasern mit 2 Gewichtsprozent Thoriumdioxid verwendet mit einem Durchmesser von 0,3 mm, einer Zugfestigkeit von 2600 MN/m² und einer Bruchdehnung von 5%. Nach sorgfältiger Ultraschall-Reinigung in Tetrachlorkohlenstoff wurden die Fasern in die Röhrchen eingelegt, welche dann auf die gewünschte Länge zurechtgeschnitten wurden. Die Röhrchen wurden in das Gehäuse eingesetzt, wobei soviel Röhrchen wie möglich in das Gehäuse eingebracht wurden. Das Gehäuse wies einen äußeren Durchmesser von 6 mm und einen inneren Durchmesser von 4 mm auf. Danach wurde das Gebilde in das äußere Gehäuse mit einem Innendurchmesser von 6,2 mm und einem Außendurchmesser von 10,2 mm eingesetzt, wobei das Außengehäuse für die Vorgabe des gewünschten Querschnittsbereiches verwendet wurde. Das Außengehäuse wurde an einem Ende geschlossen. Das Innengebilde wurde in das Außengehäuse mit einem kleinen Titanpfropfen an jedem Ende eingesetzt (siehe Fig. 1). Das Außengehäuse wurde dann durch Verschweißen der offenen Enden verschlossen. Danach wurde ein Ende erhitzt, so daß die Titanpfropfen Sauerstoff und Stickstoff aus den freien Räumen im Gehäuse evakuierten. Danach wurde der Formkörper einem heiß-isostatischen Pressen für eine Stunde bei 1000°C und 170 MPa und für 3 Stunden bei 1180°C und 190 MPa unterworfen. Nach dem heiß-isostatischen Pressen des Formkörpers hatte der Formkörper einen Durchmesser, der der vollen Dichte des Materials entsprach, und ein Schnitt durch den Formkörper wies eine vollkommene Verdichtung des Materials nach. Der Kern des zusammengesetzten Materials war sowohl kreisförmig als auch zentrisch, und die Fasern waren gleichmäßig verteilt. Ein Längsschnitt durch den Formkörper zeigte, daß die Fasern vollständig und im wesentlichen parallel waren. Zwischen dem Fasermaterial und dem Matrixmaterial hatte sich eine intermetallische Schicht mit einer Dicke von 12 nm gebildet. Diese Schicht war von gleichmäßiger Dicke und wies keine Risse auf. Die Verringerung des Faserdurchmessers entsprach annähernd der zur Bildung der intermetallischen Schicht erforderlichen Wolframmenge, und daher war durch die intermetallische Schicht wenig von der Verstärkung verloren gegangen.

Die obere Grenze für die Temperatur während des heiß-isostatischen Pressens sollte so gewählt werden, daß ein vernünftiger Spielraum (annähernd 100°C) für die eutektische Phase mit dem niedrigsten Schmelzpunkt bleibt, die sich bei der Kombination von verwendetem Fasermaterial und Matrixmaterial bilden kann. Gleichzeitig muß eine Rekristallisation der Fasern vermieden werden, und auf weitere Diffusionsprozesse in den Grenzbereichen zwischen Faser- und Matrixmaterial kann durch Wahl der Zeit- und Temperatur-Parameter nach speziellen Anforderungen eingewirkt werden. Die untere Temperaturgrenze während des heiß-isostatischen Pressens muß ausreichend hoch gewählt werden, so daß ein dichtes Material erhalten wird. Durch die Kombination der Materialien, wie sie im zuvor beschriebenen Beispiel angegeben wurde, kann eine Temperatur von 1000-1250°C, ein Druck von 150-200 MPa und eine Zeit von etwa 3 Stunden verwendet werden. Jedoch kann diese Zeit wesentlich verringert werden, wenn in bezug auf Druck und Temperatur optimale Bedingungen gewählt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus faserverstärktem Metallwerkstoff, wobei dieser eine im wesentlichen gleichförmig dichte Matrix aus Metall aufweist, das folgende Schritte umfaßt:

- Einlegen einer Vielzahl von einzelnen Fasern jeweils in ein Röhrchen aus dem Metallmatrixwerkstoff,
- Einlegen eines jeden der fasergefüllten Röhrchen in ein Gehäuse, welches dem Formkörper im wesentlichen die gewünschte Form verleiht, und
- mechanische Verdichtung, bis das Material dicht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß Fasern oder Faserbündel aus einem Metallwerkstoff auf Wolfram-Basis verwendet werden, und daß ein heiß-isostatisches Pressen des Gehäuses mitsamt den darin eingelegten fasergefüllten Röhrchen bei einer unter der unteren der beiden Schmelztemperaturen des Faser- oder des Matrixwerkstoffs liegenden Temperatur durchgeführt wird, und daß dabei eine plastische Deformation der fasergefüllten Röhrchen in dem Gehäuse bis zum Erreichen einer im wesentlichen gleichförmig dichten Metallmatrix vorgenommen wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse nach dem Einsetzen der Röhrchen evakuiert und geschlossen wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Titanpfropfen in das Gehäuse eingesetzt wird, welches dann luftdicht verschlossen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Stäbe des Matrixmaterials in gewünschten Positionen zwischen den Röhrchen im Gehäuse derart angeordnet werden, daß im fertiggestellten Formkörper unverstärkte Bereiche gebildet werden.