DE3151487A1 - "rohr aus faserverstaerktem metall" - Google Patents

Description

• Rohr aus faserverstärktem Metall
• Die Erfindung betrifft ein Rohr aus faserverstärktem Metall entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Bei der Herstellung derartiger'#Rohre, die insbesondere für hochfeste Bauteile mit geringer Masse verwendet werden, ist eine Verbindung der Wickellagen aus dem Band aus faserverstärktem Metall je nach Art der Wärmeeinwirkung durch Diffusionsschweißen oder durch Hartlöten möglich.
• Um eine intensive Verbindung der Lagen untereinander zu erzielen, ist es weiterhin erforderlich, die beim Wickelvorgang zwischen den Lagen eingeschlossene Luft zu entfernen. Ein dafür bisher bekanntes Verfahren, die einzelnen Lagen des beim Wickeln um den Dorn entstandenen Wickelkörpers in einem Autoklaven mit Hilfe von metallischen Vakuumtaschen zu dem fertigen Rohr zu verbinden, befriedigt in keiner Weise. Für die Vakuumtaschen sind zu teure Werkzeugkosten erforderlich und im Autoklaven ist keine gleichmäßige Druckübertragung auf zylindrische Teile möglich.
• Außerdem entsprechen die fertigen Rohre nicht immer den vorgesehenen Ski,lessungen.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einfacher und billiger als das bisher angewandte Verfahren ist und welches die Herstellung toleranzgenauer Rohre ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Ansprüche 2 bis 6.
• Mit dem überraschend einfachen erfindungsgemäßen Verfahren ist trotz geringer Werkzeugkosten die Herstellung toleranzgenauer Rohre möglich. Durch das Beschicken des Väkutimofens mit einer ganzen Anzahl von Wickelkörpern ist ein rationelles und energiesparendes Fertigungsverfahren gegeben.
• Das vorgefertigte Band, das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rohres verwendbar ist, kann eine Matrix aus jedem geeigneten Metall aufweisen, wie z.B. Aluminium, Magnesium, Nickel oder Kupfer. Für Zwecke des hochfesten Leichtbaus, für den eine solche Fertigung im wesentlichen in Betracht kommt, wird zweckmäßig eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung verwendet. Für die Verstärkung des Matrixmetalls sollten Fasern mit hoher Festigkeit verwendet werden. Brauchbar dafür sind Fasern aus z.B. Al203, borkarbidbeschichtetes Bor, Borsic, Siliziumkarbid oder Kohle. Der Wickeldorn muß aus warmfesten Material mit einer hohen Wärmeausdehnung hergestellt werden, wie sie z.B.
• legierter Stahl aufweist. Beim Wickeln des vorgefertigten Bandes um den Wickeldorn kann je nach der gewünschten Rohrlänge ein Band in Breite des Rohres oder auch ein schmales Band verwendet werden, wobei letzteres in bekannter Weise spiralförmig oder kreuzweise um den Dorn gewickelt wird. Um dem zu fertigenden Rohr die erforderliche Längssteifigkeit zu geben, ist es auch möglich, einige Wickellagen quer zur Rohrlängsachse aufzubringen.
• Der Wickeldorn kann in bekannter Weise zur Aufnahme der Wicklungen entweder mit kleinen seitlichen Flanschen zur Begrenzung der Rohrlänge oder mit einer Eindrehung in Rohrlänge versehen werden. Die Abschlußwicklung muß mit Fasern erfolgen, die keine oder nur geringe thermische und elastische Dehnung aufweisen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wichtig, daß Faserwerkstoffe und keine gasdichte Bandage als Abschlußwicklung verwendet werden, da während des Aufheizens des Vakuumofens und besonders beim Schmelz- und Diffussionsverbinden eine Ausgasung des Wickelkörpers erfolgt und das Gas durch die gasdurchlässige Faserbandage entweichen muß. Die Anzahl der Faserlagen richtet sich dabei nach der Stärke des zu fertigenden Rohres und der Materialwahl des vorgefertigten Bandes. In dem Vakuumofen können ohne weiteres eine große Anzahl der vorgefertigten Wickelkörper eingelegt werden. Dabei wird die Temperatur nach den verwendeten Materialien gewählt und ob die gewickelten Bänder durch Diffusionslöten, d.h. an ihren Oberflächen miteinander verbunden werden sollen, oder durch Hartlöten zusammengefügt werden. Für das Hartlöten werden die vorgefertigten Bänder einseitig mit einer Auflage aus einem Metall versehen, welches entweder einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Matrixmaterial hat oder aber mit dem Matrixmetall im eutektischen Temperaturbereich eine Verbindung eingeht.
• Die Auf lage kann z.B. durch Plattieren erfolgen.
• Beispiel: Zur Herstellung eines hochfesten, leichten Rohres wird ein vorgefertigtes Band aus borfaserverstärktem Aluminium um einen mit einer Trennschicht aus Graphit übersprühten Dorn aus Nickelstahl in mehreren Lagen gewickelt. Beim Wickeln werden abwechselnd mehrere Lagen in Längsrichtung der Faser und quer dazu aufgebracht. Dabei wird für die Lagen in Längsrichtung ein breites Band verwendet, während die Radiallagen durch ein schmales Band mit geringer Steigung aufgebracht werden. Die Lagen werden bis zu einer Stärke von etwa 1 mm über der Stärke des zu fertigenden Rohres aufgewickelt, wobei zum Abschluß Radiallagen verwendet werden.
• Danach werden direkt auf die letzten Radiallagen aus dem vorgefertigten B-Al-Band in etwa halber Dicke der Rohrwandung Lagen aus Kohlefasern radial aufgewickelt, wobei ein Fasermaterial verwendet wird, das bis etwa 600° nahezu keine thermische und elastische Ausdehnung aufweist.
• Nach dem Wickelprozeß wird der gesamte Wickelkörper in einen Vakuumofen gebracht und nach dem Evakuieren und Aufheizen etwa eine halbe Stunde lang einer Temperatur von ca. 5500 C ausgesetzt. Dabei kommt es wegen der hohen Wärmeausdehnung des Wickeldorns und der geringen Wärmeausdehnung der Kohlefasermanschette zu einer Verdichtung und Diffusionslötung der Wickellagen aus borfaserverstärktem Aluminium. Nach dem Abkühlen und Fluten des Vakuumofens wird der Wickelkörper herausgenommen und nach dem Entfernen des Wickeldorns und der Kohlefasermanschette liegt das fertige Rohr gebrauchsfähig vor.

Claims (6)

2. Rohr aus faserverstärktem Metall Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Rohres aus faserverstärktem Metall durch Umwickeln eines Dornes mit Lagen eines aus dem faserverstärkten Metall vorgefertigten Bandes und durch Verbinden der Lagen durch Wärmeeinwirkung, g e k e n n z e i c h n e t durch die nachfolgenden Verfahrensschritte: a) Bewickeln eines Domes aus einem Material mit hoher Wärmeausdehnung mit den Lagen aus dem vorgefertigten Band aus faserverstärktem Metall, b) Ummanteln der Wicklung mit mehreren Lagen aus hochfesten Fasern, welche keine oder nur geringe thermische und elastische Dehnung aufweisen, c) Aufheizen des Wickelkörpers in einem Vakuumofen bis zu einer Temperatur, bei der ein Aufschmelzen oder eine Diffusion des im vorgefertigten Band enthaltenen Matrixwerkstoffes stattfindet d) nach dem Abkühlen und Herausnehmen des Wickelkörpers aus dem Ofen Entfernen des Dornes und der Kohlefaserwicklung 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß der Dorn vor dem Bewickeln mit einer Trennschicht versehen wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß beim Bewickeln des Dornes mit dem vorgefertigten Band die Fasern lagenweise abwechselnd in Längsrichtung und Querrichtung gewickelt werden.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch g ek k e n n z e i c h n e t, daß für das vorgefertigte Band Fasern aus z.B. Bor, Siliciumkarbid, keramikbeschichteter Kohle, keramikbeschichtetes Bor oder reiner Keramik verwendet werden.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch g ek e n n z e i c h n e t, daß für das vorgefertigte Band als Metallmatrix z.B. Aluminium, Nickel, Kupfer oder Magnesium verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5,- dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das vorgefertigte Band vor dem Wickeln mit einer Auflage aus Metall versehen wird, welches entweder einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Matrixmetall hat oder mit dem Matrixmetall im eutektischen Temperaturbereich eine Verbindung eingeht.