DE3318767A1

DE3318767A1 - Verfahren zur befestigung eines faserverstaerkten glasmatrix-verbundmaterials an einem bauteil

Info

Publication number: DE3318767A1
Application number: DE19833318767
Authority: DE
Inventors: George K. 06109 Wethersfield Conn. Layden; Karl M. 06066 Vernon Conn. Prewo
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1982-05-25
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1983-12-15
Also published as: GB2121136A; ATA188983A; GB8312433D0; AT384466B; IT1166932B; FR2530617A1; US4414011A; IT8321205A0; GB2121136B; FR2530617B1; DE3318767C2; CH654885A5; JPS58214009A

Description

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PATENTANWALT DR. RICHARD KNEiSSL \Vid_.'ifTiayerstr. 46

D-8000 MÖNCHEN TeL 089/295125

4. Mas 1983 94 ÄS/sc

United Technologies Corporation Hartford, Ct./V.St.A.

Verfahren zur Befestigung eines faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials an einem Bauteil

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k-

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Befestigung von Bauteilen aneinander, und insbesondere Verfahren zur Befestigung derartiger Teile mit Hilfe mechanischer Mittel.

Infolge der Knappheit und der steigenden Kosten für viele übliche Hochtemperatur-Konstruktionsmetalle hat man nicht-metallischen faserverstärkten Verbundmaterialien als Ersatz für übliche Hochtemperatur-Metallegierungen verstärkte Aufmerksamkeit gewidmet. Die Verwendung von Ersatzmaterialien für Metall, von hochfesten faserverstärkten Harz-Verbundmaterialien oder sogar hochfesten faserverstärkten Metallmatrix-Verbundmaterialien ist bereits soweit fortgeschritten/ daß derartige Materialien für Produkte beginnend bei Sportartikeln bis hin zu hochentwickelten Teilen von Düsenflugzeugen kommerziell eingeführt sind. Eines der großen Probleme dieser Verbundmaterialien liegt jedoch darin, daß ihre maximale Verwendungstemperatur begrenzt ist.

Keramik-, Glas- und Glaskeramik-Körper, die für Hochtemperatur-Anwendungszwecke verwendet werden können, sind dem Fachmann gut bekannt. Leider weisen derartige Körper jedoch häufig nicht die gewünschte mechanische Festigkeit auf und sind stets im Hinblick auf ihre Zähigkeit und Schlagfestigkeit unzureichend. Diese Situation hat dazu geführt, daß Körper aus Verbundmate-

rialien hergestellt wurden,, die aus einer Matrix aus einem Keramik-, Glas- oder Glaskeramik-Material bestehen _t in der anorganische Fasern in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Weise dispergiert sind. Diese im FoI-genden als Glasmatrix- Verbundmaterialien bezeichneten Materialien sind in den ÜS-PSen 4 314 852 und 4 324 843 beschrieben.

Wie oben angegeben, werden mögliche Anwendungen für der-

Iο artige Materialien auf dem Gebiet der Gasturbinen-Triebwerke und anderer Wärmekraftmaschinen erwartet, bei denen die überlegene BruchZähigkeit, die Oxidationsbeständigkeit und die niedrige Dichte dieser Materialien zu ausgeprägten Verbesserungenim Hinblick auf die Gesamt-5 leistungsfähigkeit des Antriebs und auf den Brennstoffverbrauch führen. In ähnlicher Weise wird erwartet«, daß diese faserverstärkten Verbundmaterialien auch für viele Hochtemperatur-Bauteile, die nicht zu Triebx-?erken oder Wärmekraftmaschinen gehören, bevorzugt werden, und

2Q zwar wegen ihrer ausgezeichneten Zähigkeit und Oxidationsbeständigkeit, wenn man als Vergleich unverstärkte Keramik-oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien wählt. Bei der Erzeugung von Befestigungen dieser Verbundmaterialien an gleichartige Materialien oder andere

2g Bauteile aus Materialien wie Metall oder Keramik in derartigen Umgebungen haben sich jedoch Probleme ergeben oder sind vorauszusehen. Derartige Befestigungen müssen auch bei großen Temperaturschwankungen dicht bleiben und es darf zu keiner Korrosion der Verbindungs-OQ Teile infolge einer Wechselwirkung der Materialien oder einer Wechselwirkung der Teile mit der Triebwerks- bzw. Maschinen-Umgebung kommen. Es ist in den meisten Fällen zu erwarten, daß das faserverstärkte Verbundmaterial und seine Befestigung extremen Temperaturbedingungen ausgg gesetzt sein werden., Demzufolge müssen die Befestigungsmittel die rauhesten Umgebungsbedingungen aushalten»

Es besteht daher auf dem vorliegenden Fachgebiet Bedürfnis nach einem Verfahren für die Befestigung von faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterialien an andere Bauteile in sicherer Weise, über ausgedehnte Zeiträume und unter extremen ümgebungsbedingungen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Befestigung eines faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials an einem Bauteil geschaffen. Eine Niete oder Schraube aus Siliciumcarbid-Fasern kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Längen in einer hochtemperaturfesten Glasmatrix wird durch Formen oder Warmpressen hergestellt, und diese wird anschließend dazu verwendet, das Verbundmaterial an dem Bauteil zu befestigen. Die Verwendung derartiger Befestigungsmittel führt zu einer Kombination des Verbundmaterials mit dem Bauteil, die unter widrigsten Bedingungen wie beispielsweise extremen Temperaturschwankungen fest zusammenhält. Das Bauteil kann selbst aus einem faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterial bestehen, oder aber aus einem anderen Konstruktionsmaterial wie einem anderen Verbundmaterial, unverstärkter Keramik oder Metall.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung derartiger Nieten oder Schrauben geschaffen, bei dem ein Blatt aus mit in einer Richtung orientierten Fasern kontinuierlicher Länge verstärktem Glas-Verbundmaterial gebildet wird, dann aus einem derartigen Blatt rechteckige Abschnitte geschnitten werden, dann derartige rechteckige Abschnitte in zylindrische Form nach- oder umgepreßt werden und auf die so behandelten Form Schraubenköpfe gepreßt oder geprägt werden. Im Falle einer Schraube werden ferner Gewinde auf die zylindrische Form aufgepreßt oder in diese eingeschnitten.

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Die obigen Ausführungen sowie weitere Merkmale und Vor= teile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann in der nachfolgenden ergänzenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert.

Es zeigen;

Fig. 1 typische Vorformlinge_f Formen und geprägte Stäbe, die für die Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden?

Fig. 2 eine typische Form für das Prägen oder Machpressen der Köpfe auf Nieten gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Nieten;

Fig. 4 eine Mikrophotographie eines Schnitts durch eine derartige Niete?

Fig. 5 eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für die gebildeten Nieten viährend deren Prüfung;

Fig. 6 gebrochene Nieten nach der Prüfung?

Fig. 7 eine mit einem Gewinde versehene erfindungsgeroäße Schraube;
und

Fig. 8 die Belastung„ die erforderlich ist, um Gewinde in Siliciumcarbid-Glaskeramik-Verbundmaterial-Platten, die für die vorliegende Erfindung von Nutzen sind„ abzuscheren»

Sowohl die Materialien als auch die Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Befestigungsmittel sind in den US-PSen 4 314 852 und 4 324 843 der gleichen Anmelder beschrieben, und der Inhalt dieser Patentschriften ist durch ausdrückliche Bezugnahme als Teil der vorliegenden Anmeldung anzusehen. Wie dort beschrieben wird, wurde trotz der Grundtatsache, daß jedes beliebige Borsilicat-Glas, das dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial eine hohe Temperaturfestigkeit verleiht, verwendet werden kann, ein spezielles Borsilicat-Glas (Corning 7740, Corning Glass Works) als für dieses Verfahren besonders geeignet ermittelt. In ähnlicher Weise sind ein etwa 96 Gew.-% Siliciumdioxid enthaltendes Glas, das durch Auslaugen des Bors aus einem Borsilicat—Glas erhalten wurde (Corning 7930), sowie Corning 1723 bevorzugte Gläser mit einem hohen Siliciumdioxidgehalt bzw. Aluminiumsilicat-Gläser. Während das Borsilicat-Glas und das Aluminiumsilicat-Glas in der handelsüblichen -0,044 mm Teilchengröße verwendet werden kann, können die gewünschten Eigenschaften im Falle des Glases mit dem hohen Siliciumdioxidgehalt bei den Verbundmaterialien nur dann in befriedigender Weise erhalten werden, nachdem das Glas mehr als 100 Stunden in Propanol in einer Kugelmühle vermählen wurde. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß auch Mischungen der oben erwähnten Gläser verwendet werden können. Während jedes beliebige Glas oder jede beliebige Glaskeramik, die den Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung die erforderliche Festigkeit und Stabilität gegenüber der Einwirkung der Umgebung verleihen, verwendet werden können, erwies sich Lithium-aluminiumsilicat-Glaskeramik als ganz besonders gut für diesen Zweck geeignet.

Während der Verbundstoff-Verdichtung wird die Matrix im Glaszustand gehalten, wodurch eine Zerstörung der Fasern vermieden wird und eine Verdichtung bei niedrigen

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angewandten Drucken gefördert wird. Nach der Verdichtung zu der gewünschten Konfiguration aus Faser + Matrix kann die Glasmatrix in den kristallinen Zustand überführt werden, wobei das Ausmaß und der Grad der Kristallisation von der Matrixzusamraensetzung und dem Programm der Wärmebehandlung gesteuert wird. Auf die beschriebene Weise kann eine große Anzahl von glaskeramischen Materialien verwendet werden, wobei jedoch bei der Verwendung von Siliciumcarbid-Fasern eine strenge Begrenzung hinsichtlich der Menge und Aktivität des Titans, das in dem Glas vorliegt, von auschlaggebender Bedeutung ist. Wenn demzufolge Siliciumcarbid-Fasern und Titandioxid-Keimbildungsmittel verwendet werden, muß das Titandioxid desaktiviert werden oder unterhalb eines Anteils von 1 Gew.-% gehalten werden. Das kann dadurch erreicht werden, daß man einfach als Ersatz ein anderes Keimbildungsmittel wie Zirkoniumoxid an Stelle des üblichen Titandioxids verwendet, oder daß man ein Mittel zusetzt, das die Reaktivität des Titandioxids gegenüber der Siliciumcarbidfaser maskiert. Es ist jedoch in jedem der Fälle erforderlich, entweder die Wirkungen des Titandioxids auf die Siliciumcarbidfaser auszuschließen oder zu maskieren, um ein Verbundmaterial mit guten Hochtemperaturfestigkeits-Eigenschaften zu erhalten.

Während übliches Lithium-Aluminiumsilikat das bevorzugte glaskeramische Material ist, können auch andere übliche glaskeramische Materialien wie Aluminiumsilikat, Magnesium-Aluminiumsilikat und Kombinationen der obengenannten Materialien verwendet werden, solange das keramische Matrixmaterial titanfrei ist (weniger als etwa 1 Gew,-%) oder maskiert ist (vergl. US-PS 4 324 843).

Im allgemeinen kann das glaskeraraische Ausgangsmaterial im Glaszustand in Pulverform erhalten werden. Wenn jedoch das keramische Material in kristalliner Form erhalten wird, ist es erforderlich, das Material zu schmel-

zen und es in den Glaszustand zu überführen, es dann zu verfestigen und anschließend in Pulverform zu zerstampfen, vorzugsweise bis zu einer Teilchengröße von etwa -0,044 mir Teilchengröße, bevor man die erfindungsgemäß zu verwendenden Aufschlämmungen bereitet. Bei der Auswahl eines glaskeramischen Materials ist es wichtig, daß eins ausgewählt wird, das im Glaszustand verdichtet werden kann, wobei die Viskosität niedrig genug ist, eine vollständige Verdichtung mit anschließender überführung in einen im wesentlichen vollständig kristallinen Zustand zuzulassen. Es ist jedoch auch möglich, das kristalline Pulver-Ausgangsmaterial während einer Wärmevorbehandlung in den Glaszustand zu überführen, bevor man zum Zwecke der Verdichtung einen Druck anlegt.

Obwohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedes beliebige Fasermaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit verwendet werden kann, sind Siliciumcarbidfasern ganz besonders bevorzugt. Ein Multifilamerit-Siliciumcarbid-Garn ^mit einem mittleren Faserdurchmesser bis zu 50 um, beispielsweise 5 bis 50 um, ist ganz besonders bevorzugt. Ein derartiges Garn mit etwa 250 Fasern pro Werggarn und einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 10 um wird von der Nippon Carbon Company of Japan hergestellt. Die durchschnittliche Festigkeit der Faser beträgt etwa 2000 MPa, und seine Einsatztemperatur erstreckt sich bis hinauf zu 1200⁰C. Das Garn weist eine Dichte von etwa 2,6 g/cm³ auf und einen Elastizitätsmodul von etwa 221 GPa.

Wenn die Befestigung unter Verwendung der Nieten, die eine Aus führ ungs form der vorliegenden Erfindung" darstellen, bewirkt wird, wird das Ende der Niete genauso befestigt wie eine ganz gewöhnliche Niete befestigt werden würde, und zwar durch Steigerung seiner Temperatur über den Erweichungspunkt der Glasmatrix, um ein Herausrutschen

zu verhindern. Im Falle der Verwendung der Ausführungsform als Schraube kann eine übliche Metallmutter oder eine Mutter aus einem faserverstärkten Glasmatrix-oder Glaskeramik-Matrix-Verbundmaterial, die durch Aussöhneiden entsprechender Stücke aus einem rechteckigen Blatt des Verbundmaterials, wie es oben für die Niete beschrieben wurde, oder durch Spritzgießen hergestellt wurde, verwendet werden. In die aneinander zu befestigenden Teile werden Löcher gebohrt, in die die erfindungsgemäßen Nieten und Schrauben passen.

Das Bohren eines Glaskeramikmatrix-Verbundmaterials wird am besten unter Verwendung eines Diamantkopf-Bohrers durchgeführt. Alternativ dazu können in geeigneter Weise angeordnete Löcher auch bereits ausgebildet werden, wenn die eigentlichen Teile gebildet werden, z.B. durch Formen. Typen von Gegenständen, die gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt werden können, sind Teile von Düsentriebwerken wie die äußeren Spitzendeckbänder, Brennkaramersegmente, Auskleidungen der Nachbrennkammern, Spritz leisten sowie Leitschaufeln, wobei diese Teile aus einem Glasmatrix-Verbundmaterial_}einem anderen hochtemperaturfesten Verbundmaterial oder einem unverstärkten hochtemperaturfesten Keramikmaterial hergestellt sein können.

Beispiel 1

Eine Platte mit den Abmessungen 7,6 cm χ 7,6 cm χ 0,34 5 cm (3 inch χ 3 inch χ 0,136 inch) aus einem mit unidirektional orientierten Siliciumcarbidfasern verstärkten Lithium-aluminiumsilicat-Matrix-Verbundmaterial wurde wie in der US-PS 4 324 843 beschrieben, hergestellt- Diese Verbundmaterial-Platte wurde in Stäbe einer Breite von etwa 0,53 cm {0,210 inch) zerschnitten. Dabei wird eine Querschnittsflache des Stabs erhalten, die etwa

der eines runden Stabes mit einem Durchmesser von 0,48 cm (0,19 inch) entspricht. Diese rechteckigen Stäbe dienten als Vorformlinge oder Rohlinge. Eine Form für einen runden Stab wurde dadurch aufgebaut, daß man zwei Graphitplatten der Abmessungen 7,6 cm χ 7,6 cm χ 1,3 cm (3 inches χ 3 inches χ 0,5 inch), die durch eine Papierlage einer Dicke von 0,015 cm (0,006 inch) voneinander getrennt waren, verklammerte, und unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,49 cm (Bohrer Nr. 10, Durchmesser 0,1935 inch) symmetrisch entlang der Mittellinie der gebildeten Platte Löcher bohrte. Molybdänbleche einer Dicke von 0,0076 cm (0,003 inch) wurden so verformt, daß ihre Form der so erzeugten Graphitform entsprach. Die rechteckigen Stäbe wurden in geeigneter Weise zwischen die Moiybden-Trennblätter eingelegt, und anschließend wurde die ganze Gruppe in eine Warmpresse gegeben und in einer Stickstoffatmospähre auf 1400⁰C erhitzt. Sobald diese Temperatur erreicht war, wurde ein Druck ausgeübt, um die rechteckigen Stäbe zu runden Stäben zu verformen (nachzupressen). Die Vorformlinge sind in Fig. TA gezeigt, die Formen in Fig. 1B und die umgepreßten Stäbe in Fig. 1C. Zur Ausbildung der Köpfe auf den Nieten wurde eine zweite Nachpreß-Operation durchgeführt. Die Form für diesen Schritt ist in Fig. 2 gezeigt und bestand aus einem Graphitblock 21 mit Löchern 22, die in diesen gebohrt worden waren, um die Nieten aufzunehmen, und die einen konisch abgeschrägten Abschnitt 23 zur Ausbildung des Kopfes aufwiesen. Außerdem ist eine Preßplatte 24 zur Erzeugung der in Fig. 3 dargestellten fertigen Nieten gezeigt. Eine Mikrophotographie eines Axialschnitts durch das Verbundmaterial im Bereich des Kopfes einer der Nieten ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Nieten wurden einer Zugprüfung unterworfen. Die Köpfe wurden in eine Standard-82° Senkbuchse eingespannt, und der Schaft mit einer Weichmetallhülle wurde von einem Zweibacken-Spannfutter gefaßt und mit einer Geschwindigkeit von 0,127 cm/min.

(0,05 inch/min.) deformiert, bis es zum Bruch kam«. Alle Brüche traten an der Basig des Kopfes (51) auf, wi© aus Fig. 6 zu erkennen ist. Dabei traten dia Schäden ©her allmählich als plötzlich auf, und öle Proben hielten selbst nach einer beginnenden HißMMung noch hohe Belastungen aus, wie &u& der. Spannimgs-Dehnungs-Kurve in Fig. 5 zu erkennen ist»

Beispiel 2

Es wurde festgestellt, Ö&JS die St§be aus dem Silieiiaacar· bid-Glaskeranaikmatrix-Verbimäniatesial wie in Fig„ 7 gezeigt, mit einem Gewinde verseilen, werden können zwar durch Schneide^' . mit öinem Einge in einer Drehbank= Die, KKsetagurag d^s Geüfindes kann auch durch Nachpressen ia'der gleichen Sfeis© wie die Erzeugunc des ursprünglichen Schafts und gleieliseitig mit dessen Formung erfolgen. Obwohl'kein Brucli^ersuch zur Bestimmung der gepreßten Gewinde durchgeführt Fjorde, sind die Tragfähigkeitsdaten für mit tSsx^inde versehene Platten (National Fine Thread maraber 10-32) aus einem mit 0°/90° orientierten Fasern verstärkten Glasmatrix-Verbundmaterialien repräsentativ für die Belastung, die erforderlich ist, die Gewinde aus diesem Material abzuscheren.

Diese Daten sind in Fig., 8 gezeigt. Ss kann gezeigt werden, daß die Gewindebelastungen für ein Material geeignet sind, das eine Scherfestigkeit von etwa 44,7 MPa (6500 psi| aufweist.

Obwohl Mehrfach-Nachpreßtechniken zur Herstellung der Befestigungsmaterialien verwendet warden, ist es einem Fachmann klar, daß derartige Arbeitsgänge für die Massenproduktion automatisiert werden körisaen, und daB £§r die meisten Anwendungszwecke ein einziger KachpreSvorhang ausreicht, um .das Befestigungsmittel zu formen.

Obwohl die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß zahlreiche Veränderungen und Weglassungen der Form und anderer Einzelheiten möglich sind, ohne daß der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird*

Leersei te

Claims

318761 Patentan sprüche

1. . Verfahren zur Befestigung eines faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials an einem Bauteil,, dadurch gekennzeichnet , daß ssan

ein hochtemperaturfestes faserverstärktes Glasmatrix-Verbundmaterial durch Formen und spanabhebende Bearbeitung in Nieten- oder Schraubenform verarbeitet,

in dem Verbundmaterial und dem Bauteil an der Verbindungsstelle im wesentlichen konzentrische Löcher erzeugt,

das Verbundmaterial durch Einschieben der Niete oder der Schraube durch derartige Löcher und anschließendes Schließen des offenen Endes der Niete oder der Schraube durch Warmverformung bsi»/, eine Mutter an dem Bauteil befestigt, so daß eine Verbindung des Verbundmaterials ^mit dem Bauteil erzeugt wird, die auch bei extremen Temperaturschwankungen fest bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einem mit Siliciumcarbid-Fasern verstärkten Glasmatrix-Material besteht„

3 ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus Metall besteht»

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus unverstärkter Keramik, Glas oder Glaskeramik besteht.

5= Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochtemperaturfesten Fasern aus Siliciumcarbid, Graphit oder Aluminiumoxid bestehen.

6. Verfahren zur Herstellung einer Niete oder Schraube aus einem faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung eines Glasmatrix-Materials, die etwa 20 Vol.-% bis etwa 60 Vol.-% hochtemperaturfeste Fasern enthält, unter Bildung eines Blattes eines hochtemperaturfesten faserverstärkten Verbundmaterials warmpreßt,

das Blatt in Stäbe von im wesentlichen quadratischem Querschnitt zerschneidet,

die zugeschnittenen Stäbe in einer Form unter Bildung von Stäben mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt erhitzt, und

ein Ende der verformten Stäbe unter Bildung eines flachen Kopfabschnittes erhitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Während oder nach der Erzeugung des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts Gewinde in die Stäbe einprägt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Stäbe von kreisförmigem Querschnitt Gewinde schneidet.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Fasern Siliciumcarbid-, Graphit- oder Aluminiumoxid-Fasern sind.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial Borsilicat-, Aluminiumsilicat- oder hoch-siliciumdiojcidhaltiges Glas oder eine Lithiumaluminiumsilicat-Glaskeramik ist.