DE2929217C2

DE2929217C2 -

Info

Publication number: DE2929217C2
Application number: DE19792929217
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. 8012 Ottobrunn De Leis; Heinz 8013 Ottendichl De Huber
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LEIS, HANS, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., 8014 NEUBIBER
Priority date: 1979-07-19
Filing date: 1979-07-19
Publication date: 1987-11-05
Also published as: FR2522646A1; FR2522646B3; DE2929217A1

Description

Die Erfindung betrifft einen rotationssymmetrischen hohlen Ver bundkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Ver fahren zu seiner Herstellung.

Ein derartiger Verbundkörper ist aus der DE-AS 21 18 848 bekannt, bei dem die innere Schicht aus Metallegierungen und die Matrix für den faserverstärkten Werkstoff der äußeren Schicht aus dem gleichen für die innere Schicht verwendeten Metall besteht, und bei dem beide Schichten durch Schleudergießen hergestellt werden. Ein solcher, insbesondere für Schleudertrommeln von Gaszentrifu genanlagen ausgelegter Verbundkörper ist zwar für hohe Zugspan nungen aufgrund der Metallmatrix jedoch nicht für hohe Warm festigkeiten über 1000°C geeignet. Außerdem ist das Fertigungs verfahren, bei dem das Metall für die Matrix und die innere Schicht flüssig auf die in einer Trommelkokille angeordneten Faserlagen aus Gußeisen gegossen und dann geschleudert wird, schwierig zu beherrschen. Die Fertigung ist auch, weil die schnel le Rotation der Kokille bis zum völligen Erkalten auch der inne ren Schicht aufrechterhalten werden muß, erheblich zeitaufwen dig. Für Serienfertigung ist dieses Verfahren deshalb schlecht geeignet, zumal innerhalb der Kokille die endgültige Anordnung der Faserlagen nicht zu überwachen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verbundkörper der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, der eine extrem hohe Warmfestigkeit aufweist und der mit bekannten technologischen Mitteln stets reproduzierbar herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Verbundkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstel lung des Verbundkörpers mit den Verfahrensschritten nach Anspruch 3 gelöst. Die Ansprüche 2 und 4 stellen vorteilhafte Weiterbil dungen der Erfindung dar.

Der erfindungsgemäße Verbundkörper vereint aufgrund seines Aufbaus hohe Zug- und Druckfestigkeit mit einer extremen Warmfestigkeit. Die innere Schicht eines fertigen Verbund körpers ist flüssigkeits- und gasdicht und weist eine hohe Festigkeit auf, die ein Vielfaches des ursprünglichen Graphit- Wickelkörpers beträgt. Diese hohe Festigkeit bleibt bis zu einer Temperatur von etwa 2000°C erhalten. Diese äußere Schicht aus den abwechselnd aufgebrachten Lagen aus kreuzweisen oder radial gewickelten Kohlenstoffasern kann je nach den für den herzustellenden Bauteil erforderlichen Festigkeitseigenschaf ten in jeder gewünschten Stärke durch bekannte Wickeltechnik aufgebracht werden. Die Kreuzwickellagen dienen insbesondere zur Drehmomentübertragung und zur Aufnahme der axialen Kräfte. Die Radialwicklungen nehmen insbesondere die Zugspannungen tangential zum Verbundkörper auf. Die Kombination der Kreuz- und Radialwicklungen garantiert außer der hohen Festigkeit bei der Verwendung den Zusammenhalt des Verbundkörpers bei der Verkokung. Die Wickelschichten werden in bekannter Weise mit organischen Harzen oder Pechverbindungen getränkt und in einer Kammer unter Temperaturen von etwa 1200 bis 1600°C zur Umwandlung der Matrix in Kohlenstoff unter Druck verkokt.

Der erfindungsgemäße Verbundkörper kann aufgrund seiner Mate rialeigenschaften und des Herstellungsverfahrens zu hochbe anspruchten Bauteilen verschiedener Art weiter verarbeitet werden. Bisherige Anwendungen sind erfolgt bei Behältern für Schmelzflüssigkeiten, die durch Gase einen inneren hohen Druck erzeugen, bei der Herstellung von Zentrifugenrotoren, wobei durch mittiges Auftrennen eines Verbundkörpers quer zu seiner Längsachse zwei spiegelbildliche Rotoren herstellbar sind, und zur Fertigung von Raketen-Brennkammern. Diese drei Beispiele sind eine Auswahl von einer Mehrzahl von Anwendungs möglichkeiten, wobei der fertige Bauteil vom Zylinder bis zur Kugel jede Zwischenform aufweisen kann.

Beispiel

Zur Fertigung von zwei gleichen Zentrifugenrotoren, die jede wie eine tiefe Schüssel geformt sind und am Boden einen zentra len Einsatz aufweisen, wird ein entsprechender zylinderförmi ger Wickelkörper mit Polklappen aus gesintertem Graphit gefer tigt, dessen Außendurchmesser etwa 10 mm größer ist als der Innendurchmesser des fertigen Rotors. Der Wickelkörper weist an den Enden zwei zylindrische Ansätze zum Einspannen beim Wickeln auf. Auf den Wickelkörper werden in bekannter Weise auf einer Wickelmaschine die erforderlichen Kreuz- und Radial lagen aus Kohlenstoff- bzw. Graphitfasern aufgebracht. Danach werden die Faserlagen mit einer Pechverbindung getränkt und der Wickelkörper in eine Druckkammer eingebracht, in der bei einer Temperatur von etwa 1400°C die Pechverbindung zwischen den Fasern und auf den oberen Faserlagen verkokt. Je nach Größe der Rotoren und der Druckkammer können mehrere Wickel körper gleichzeitig behandelt werden. Nach dem Abkühlen des Wickelkörpers wird er in der Mitte quer zu seiner Längsachse aufgeschnitten und danach jede Hälfte auf einer Drehbank bis zum Fertigmaß ausgedreht und evtl. geschliffen. Danach erfolgt entweder über die Gas- oder Flüssigphase eine Siliciumimpräg nierung, die bei hohen Temperaturen durchgeführt wird und wodurch Si mit dem Kohlenstoff eine SiC-Verbindung eingeht. Dadurch werden die Eigenschaften des Verbundes bezüglich Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit verbessert.

Claims

1. Rotationssymmetrischer hohler Verbundkörper, be stehend aus zwei fugenlos ineinander übergehenden Schichten, von denen die äußere Schicht gewickelte La gen von Kohlenstoffasern enthält, dadurch ge kennzeichnet, daß die innere Schicht aus gepreßtem oder gesintertem Graphit besteht, daß die äußere Schicht aus den auf die innere Schicht auf gewickelten und mit organischen Harzen oder Pechverbin dungen getränkten Lagen aus Kohlenstoffasern besteht, die in bekannter Weise durch Druckverkoken verfestigt sind, und daß der fertige Verbundkörper mit Silicium als einem mit Kohlenstoff zur Bildung eines Karbides befähigten Elementes imprägniert ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines rotationssymme trischen hohlen Verbundkörpers nach Anspruch 1, ge kennzeichnet durch die nachfolgenden Ver fahrensschritte:

a) Herstellen eines Wickelkörpers aus gepreßtem oder gesintertem Graphit,
b) Aufbringen der Wickellagen aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern,
c) Imprägnieren der Wickellagen mit organischen Harzen oder Pechverbindungen und deren Härtung und Druck verkokung,
d) Ausdrehen des Wickelkörpers bis auf die gewünschte Schichtstärke,
e) Imprägnierung des Verbundkörpers mit Silicium.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Aufbringen der Koh lenstoff- oder Graphitfaserlagen abwechselnd eine oder mehrere Kreuz- und Radiallagen aufgebracht werden.