DE3712705A1 - Erosionsschild fuer die oberflaeche von tragflaechen sowie verfahren zur herstellung derartiger erosionsschilder - Google Patents
Erosionsschild fuer die oberflaeche von tragflaechen sowie verfahren zur herstellung derartiger erosionsschilderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Erosionsschilder für die Oberflächen
von Tragflächen, und insbesondere Erosionsschilder, die aus
Titanlegierung hergestellt sind. Ferner bezieht sich die
Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger
Erosionsschilder.
Es ist bekannt, die Oberflächen von führenden Kanten von
Tragflächenteilen, z. B. Flügeln oder Hubschrauberrotorblättern,
gegen Erosion dadurch zu schützen, daß an den Oberflächen
führender Kanten Erosionsschilder vorgesehen werden, die
aus einen geeignetem Metall, z. B. korrosionsbeständigem Stahl
oder Titan bestehen. GB-PS 15 85 130 zeigt ein Hubschrauberrotorblatt,
das aus faserverstärkten Kunststoffmaterialien
hergestellt ist, die mit einem derartigen Erosionsschild
versehen sind. Für Rotorblätter aus Verbundmaterial wurde in
der Praxis kommerziell reines Titan verwendet, das eine
mittlere spezifische Zugfestigkeit in der Größenordnung von
570 MegaPascal (MPa) hat, um den Erosionsschild auszubilden,
der die Außenbord- oder Spitzenendlänge des Blattes an der
Stelle schützt, wo es auf die bauliche Festigkeit des Blattes
weniger ankommt, während längs der führenden Kante an der
Innenbordseite oder Wurzelendlänge des Blattes, an der der
Erosionsschild einen wesentlichen Anteil an der baulichen
Festigkeit des Blattes hat, ein Erosionsschild verwendet
wurde, der aus einer Titanlegierung mit 6% Aluminium und 4%
Vanadium (anschließend als Ti-10 Legierung bezeichnet) und
mit einer mittleren spezifischen Zugfestigkeit in der
Größenordnung von 900 MPa heißgeformt wird.
Ti-10 Legierung ist sowohl teuer als auch schwierig zu
beschaffen, weil derzeit die Hauptquelle in USA liegt und für
diese Legierung innerhalb der USA ein erheblicher Bedarf
besteht.
Ferner ist es wichtig, daß die Querschnittsform des Erosionsschildes
exakt so ausgebildet ist, daß der Schild mit der
Oberfläche der führenden Kante des Blattes verbunden werden
kann, ohne daß ein übermäßiger Druck ausgeübt werden muß, um
das Vorhandensein von Leerstellen zwischen dem Erosionsschild
und der Oberfläche, mit der der Schild verbunden wird, zu
beseitigen. Um die Querschnittsform des Erosionsschildes mit
dem gewünschten Genauigkeitsgrad in Ti-10 Legierung zu
erhalten, muß der Schild heiß verformt werden.
Ferner hat Ti-10 Legierung einen verhältnismäßig hohen
Elastizitätsmodul im Vergleich zu dem Verbundmaterial eines
Hubschrauber-Hauptrotorblattes in Verbundbauweise oder eines
anderen Tragflügelbauteiles in Verbundbauweise, mit dem es
verbunden werden soll; dies führt an der Verbindungslinie
zwischen dem Erosionsschild und der Oberfläche, mit der der
Schild verbunden werden soll, zu hohen Beanspruchungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Erosionsschild zu
schaffen, der aus einer kaltverformbaren Titanlegierung
hergestellt ist, die wesentlich billiger und wesentlich
einfacher zu beschaffen ist als Ti-10 Legierung, und die
einen Elastizitätsmodul besitzt, der näher dem eines aus
faserverstärktem Verbundmaterial hergestellten Tragflügels
ist, mit dem der Erosionsschild verbunden werden soll.
Gemäß der Erfindung wird für die Oberfläche eines Tragflügels
ein Erosionsschild vorgeschlagen, der aus einer kaltverformbaren
Titanlegierung hergestellt ist, die im wesentlichen 15%
Vanadium, 3% Chrom, 3% Zinn und 3% Aluminium, Rest im
wesentlichen Titan, besteht.
Prozentangaben beziehen sich hierbei auf Gewichtsprozente.
Während ein Erosionsschild nach der Erfindung mit Hilfe einer
Froschplattenpreßverformung (bolster press forming) hergestellt
werden kann, wird er vorzugsweise durch ein Verfahren
hergestellt, das ein oder mehrere Streckformvorgänge umfaßtt.
Des weiteren wird mit der Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung durch Kaltverformen eines Erosionsschildes für
eine Oberfläche eines Tragflügels aus einer dünnen Platte aus
Titanlegierung, bestehend aus etwa 15% Vanadium, 3% Chrom,
3% Zinn und 3% Aluminium, Rest im wesentlichen Titan,
vorgeschlagen, bei dem
- (a) ein Streifen einer dünnen Platte aus Titanlegierung in eine gewünschte Länge geschnitten wird,
- (b) der Streifen durch Pressen in einen im Querschnitt kanalförmigen Abschnitt geformt wird, wobei der kanalförmige Abschnitt einen Basisteil mit davon ausgehenden Flanschen besitzt,
- (c) daß die Flansche um einen Winkel von 90° gegenüber dem Basisteil gebogen werden, so daß ein Rückspringen ermöglicht und bewirkt wird, daß die Flansche im wesentlichen senkrecht zum Basisteil vorstehen,
- (d) der Kantenteil eines jeden Flansches so umgebogen wird, daß er nach innen gegen den entgegengesetzten Flansch vorsteht und im wesentlichen parallel zum Basisteil verläuft,
- (e) der Basisteil in den gewünschten Querschnittsabschnitt des Erosionsschildes streckgeformt wird, und
- (f) die Flansche abgetrennt werden, um den fertigen Erosionsschild zu erhalten.
Vorzugsweise umfaßt die Streckformung einen ersten Streckformungsvorgang,
bei dem der Basisteil in eine Zwischenquerschnittsform
geformt wird, sowie einen zweiten Streckformvorgang,
bei dem der Basisteil in eine endgültige Querschnittsform
geformt wird.
Die Titanlegierung kann in einem in Lösung getemperten
Zustand kaltverformt werden, und die Eigenschaften des
fertigen Erosionsschildes können durch Altershärtung bei
einer Temperatur zwischen 400 und 600°C verbessert werden.
Vorzugsweise wird eine Altershärtung durch Erhitzen des
Erosionsschildes auf eine Temperatur zwischen 533 und 543°C,
eine Aufrechterhaltung dieser Temperatur über acht Stunden
und eine anschließende Luftkühlung durchgeführt. Der Erosionsschild
kann in einem Trägerwerkzeug während der Altershärtung
abgestützt sein, um eine Zerstörung zu verhindern.
Ein Erosionsschild, der aus dieser Titanlegierung nach
vorliegender Erfindung hergestellt worden ist, findet
insbesondere Anwendung für den Schutz der führenden Kante
eines Hubschrauberrotorblattes oder eines Schwanzrotorblattes.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hubschrauberrotorblatt
vorgeschlagen, das aus einem faserverstärktem
Verbundmaterial hergestellt ist und das einen Erosionsschild
aufweist, der mit dem Blatt so verbunden ist, daß er sich in
einer Spannweitenrichtung längs mindestens eines Teiles der
Länge der Blattführungskante erstreckt, und das dadurch
gekennzeichnet ist, daß es aus einer kaltverformbaren
Titanlegierung hergestellt ist, die aus etwa 15% Vanadium, 3%
Chrom, 3% Zinn und 3% Aluminium, Rest im wesentlichen
Titan besteht.
Zum Schutz der führenden Kante eines Hubschrauberrotorblattes,
das aus faserverstärktem Verbundmaterial hergestellt
ist, können eine Vielzahl von Erosionsschildern mit dem Blatt
Ende mit Ende über im wesentlichen die gesamte Spannweitenlänge
der führenden Kanten verbunden ausgebildet sein.
Der Erosionsschild oder die Erosionsschilder, die sich in
Spannweitenrichtung längs eines Innenbordbereiches der
führenden Kante erstrecken, können nach dem Herstellen durch
Altern gehärtet bzw. ausgehärtet bzw. vergütet werden, so daß
die Zugbeanspruchungseigenschaften erhöht werden, wodurch der
Erosionsschild oder die Erosionsschilder wesentlich zu der
baulichen Festigkeit des Rotorblattes beitragen.
Der Erosionsschild oder die Erosionsschilder, die sich in
Spannweitenrichtung längs des Außenbordbereiches der führenden
Kante erstrecken, können niedrigere Zugeigenschaften
aufweisen als die im Innenbordbereich, und können aus der
kaltverformbaren Titanlegierung in einem in einer Lösung
getemperten Zustand hergestellt sein.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung
anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Streifen einer
Titanlegierung nach einem ersten Preßvorgang bei einem
Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschildes nach
einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 bis 5 Querschnitte nach anschließenden Formstufen bei
dem Herstellverfahren des Erosionsschildes,
Fig. 6 einen Querschnitt durch den fertig bearbeiteten
Erosionsschild, und
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Hubschrauberrotorblattes
mit Erosionsschildern, die aus Titanlegierung
hergestellt und mit der führenden Kante des Blattes
verbunden sind.
Die Titanlegierung, die bei der Herstellung von Erosionsschildern
nach der Erfindung verwendet wird, hat eine
chemische Zusammensetzung, die im wesentlichen innerhalb der
in Tabelle 1 angegebenen Grenzwerte liegt.
Die Legierung, die anschließend als Ti-15-3 Legierung
bezeichnet wird, kann in Platten- oder Streifenform in einen
in Lösung getemperten Zustand vorliegen. In einem in Lösung
getemperten und vergüteten Zustand hat Ti-15-3 Legierung
Zugeigenschaften innerhalb der Bereiche, wie sie in Tabelle 2
angegeben sind. Die Lösungswärmebehandlung wird durch
Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 790 bis 850°C
ausgeführt, wobei die gewünschte Temperatur 3 bis 30 Minuten
lang auf ±10°C gehalten wird, und wird durch Kühlen mit
einer Geschwindigkeit, die äquivalent der Luftkühlung ist,
vorgenommen.
Das Altern bzw. Vergüten wird durch achtstündiges Erhitzen in
einem elektrischen Luftzirkulationsofen oder Salzbad bei 538°C ± 5°C
und anschließendes Kühlen in Luft und Raumtemperatur
durchgeführt.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Ausführungsform der
Erfindung eines Erosionsschildes zur Befestigung durch
Verbinden mit der führenden Kante eines Tragflügelbauteiles,
z. B. eines Hubschrauberrotorblattes, mit einer asymmetrischen
Tragflügelform im Querschnitt wird nachstehend in Verbindung
mit den Zeichnungen erläutert.
In einem ersten Schritt des Herstellvorganges wird ein
Streifen aus Ti-15-3 Legierung in dem in Lösung behandelten
Zustand und auf die gewünschten Breiten- und Längendimensionen
geschnitten in ein entsprechendes Werkzeug eingesetzt und
durch einen Aufwärtsgangpreßvorgang in eine Querschnittsform
geformt, die der in Fig. 1 gezeigten entspricht, die einen
kanalförmigen Abschnitt mit einem Basisteil 10 und Flanschen
11 und 12 aufweist, welche senkrecht zum Basisteil 10
verlaufen. Aufgrund des Rückfederns, das die Ti-15-3 Legierung
zeigt, tendieren die Flansche dazu, nach außen auseinander
zu federn, so daß in einem zweiten Verfahrensschritt die
Flansche um einen Winkel von 90° gegenüber dem Basisteil
umgebogen werden, wie gestrichelt in Fig. 2 gezeigt ist; dies
geschieht in einem Bremsdruckvorgang und ergibt den kanalförmigen
Abschnitt nach Fig. 1.
In einem dritten Verfahrensschritt werden die oberen Randteile
13 und 14 der entsprechenden Flansche 11 und 12 durch
einen Preßbiegevorgang umgebogen, so daß sie nach innen
gegeneinander vorstehen und im wesentlichen parallel zum
Basisteil 10 verlaufen, wie in Fig. 3 dargestellt.
Im Anschluß daran wird der in den Abschnitt nach Fig. 3
geformte Streifen in ein (nicht dargestelltes) Haltewerkzeug
eingesetzt, das den Abschnitt über die Flansche 11 und 12 und
die nach innen gebogenen Teile 13 und 14 erfaßt. Das Haltewerkzeug
wird auf die Bodendruckplatte einer hydraulischen
Streckformpresse (nicht dargestellt) aufgesetzt und ein mit
der oberen Druckplatte der Presse verbundenes Werkzeug 15
wird in Kontakt mit der Oberfläche 16 des Abschnittbasisteiles
10 gebracht. Anschließend wird eine Belastung aufgebracht
und das Werkzeug 15 verformt das Basisteil 10 durch Strecken
nach unten in das Haltewerkzeug zu der Zwischenquerschnittsform
nach Fig. 4; das Haltewerkzeug ist dabei so ausgelegt,
daß es eine Drehung der Flansche 11 und 12 zusammen mit ihren
nach innen gebogenen Teilen 13 und 14 um einen Winkel von 90°
während dieses Streckformvorganges ermöglicht.
Bei Verwendung eines Werkzeuges 17 mit einem Umfangsprofil
entsprechend der Innenform des fertigen Erosionsschildes wird
der Streifen, der zu dem Abschnitt nach Fig. 4 geformt ist,
in seine fertige Querschnittsform nach Fig. 5 streckgeformt.
Dieser Vorgang wird unter Verwendung des gleichen Haltewerkzeuges
ausgeführt, wie es für den ersten Streckformvorgang
verwendet wird; es wird jedoch eine niedrigere Verformungsgeschwindigkeit
als beim ersten Streckformvorgang gewählt.
Die Flansche 11 und 12 werden dann abgetrennt, so daß der
fertige Erosionsschild 18 nach Fig. 6 verbleibt.
Falls erwünscht, kann der Erosionsschild dann altersgehärtet
bzw. vergütet werden, wie bereits vorstehend beschrieben, um
die Zugbeanspruchungseigenschaften der Ti-15-3 Legierung zu
erhöhen. Um eine Zerstörung während des Vergütens zu verhindern,
muß der Erosionsschild in einem entsprechendem Werkzeug
abgestützt sein.
Ein Hubschrauber-Hauptrotorblatt 19 nach Fig. 7 wird aus
faserverstärkten Verbundmaterialien hergestellt und besitzt
eine Spannweitenlänge in der Größenordnung von 9,15 m. Die
Erosionsschilder 20, 21, 22 und 23 sind mit dem führenden
Kantenteil des Blattes so verbunden, daß sie sich Ende an
Ende in der Spannweite längs eines größeren Teiles der
Blattlänge erstrecken. Die Erosionsschilder sind aus Ti-15-3
Legierung nach vorliegender Erfindung geformt, die Schilder
20 und 21, die längs der Innenbordlänge des Blattes verbunden
sind, haben Längen in der Größenordnung von 1,0 m und 2,15 m,
und bestehen aus Ti-15-3 Legierung in dem in Lösung behandelten
und altersgehärteten bzw. vergüteten Zustand. Die beiden
Schilder 22 und 23, die längs der Außenbordlänge des Blattes
verbunden sind, haben Längen in der Größenordnung von 2,6 m
und 2,65 m, und bestehen aus Ti-15-3 Legierung in dem in
Lösung behandelten Zustand.
Erosionsschilder, die aus Ti-15-3 Legierung hergestellt sind,
haben gezeigt, daß sie einen ausgezeichneten Schutz gegen
Erosion der Blattführungskante ergeben und zeigen in unterschiedlichen
Behandlungsbedingungen die gewünschten Zugfestigkeitseigenschaften,
die für einen Einsatz über die gesamte
Blattspannweite erforderlich sind. Ferner kann Ti-15-3
Legierung kaltgeformt werden und hat einen Elastizitätsmodul,
der ähnlich dem des faserverstärkten Verbundblattmaterials
ist, mit dem die Erosionsschilder verbunden sind, so daß
Beanspruchungen an der Verbindungslinie zwischen Blatt und
Erosionsschildern auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Claims (12)
1. Erosionsschild für die Oberfläche einer Tragfläche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer kaltverformbaren
Titanlegierung hergestellt ist, die aus etwa 15%
Vanadium, 3% Chrom, 3% Zinn und 3% Aluminium, Rest im
wesentlichen Titan besteht.
2. Erosionsschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Streckformvorgang bei der Herstellung
des Erosionsschildes durchgeführt wird.
3. Verfahren zum Herstellen eines Erosionsschildes für die
Oberfläche eine Tragfläche aus einer dünnen Platte aus
Titanlegierung, die aus etwa 15% Vanadium, 3% Chrom,
3% Zinn und 3% Aluminium, Rest im wesentlichen Titan,
besteht, durch Kaltverformung, dadurch gekennzeichnet,
daß
- (a) ein Streifen einer dünnen Platte aus Titanlegierung in eine gewünschte Länge geschnitten wird,
- (b) der Streifen durch Pressen in einen im Querschnitt kanalförmigen Abschnitt geformt wird, wobei der kanalförmige Abschnitt einen Basisteil (10) mit davon ausgehenden Flanschen (11, 12) besitzt,
- (c) daß die Flansche (11, 12) um einen Winkel von 90° gegenüber dem Basisteil gebogen werden, so daß ein Rückspringen ermöglicht und bewirkt wird, daß die Flansche im wesentlichen senkrecht zum Basisteil vorstehen,
- (d) der Kantenteil (13, 14) eines jeden Flansches so umgebogen wird, daß er nach innen gegen den entgegengesetzten Flansch vorsteht und im wesentlichen parallel zum Basisteil (10) verläuft,
- (e) der Basisteil (10) in den gewünschten Querschnittsabschnitt des Erosionsschildes streckgeformt wird, und
- (f) die Flansche (11, 12) abgetrennt werden, um den fertigen Erosionsschild zu erhalten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Vorgang des Streckformens einen ersten Streckformungsvorgang,
bei welchem der Basisteil (10) in eine
Zwischenquerschnittsform gebracht wird, und einen zweiten
Streckformungsvorgang, in welchem der Basisteil (10) in
eine Endquerschnittsform gebracht wird, umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne Platte aus Titanlegierung in einen in
Lösung angelaufenen Zustand gebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Erosionsschild bei einer Temperatur
zwischen 400 und 600°C durch Altern gehärtet
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die durch Altern erfolgende Härtung durch Erhitzen auf
eine Temperatur von 540°C über eine Zeitdauer von 8
Stunden und anschließend durch Kühlen mit Luft vorgenommen
wird.
8. Hubschrauberrotorblatt, das aus faserverstärkten Verbundmaterialien
mit einem Erosionsschild hergestellt ist, der
mit dem Blatt so verbunden ist, daß er in Richtung der
Spannweite längs mindestens eines Teiles der Längserstreckung
der Blattführungskante verläuft, dadurch
gekennzeichnet, daß der Erosionsschild aus einer kaltverformbaren
Titanlegierung hergestellt ist, die im wesentlichen
aus 15% Vanadium, 3% Chrom, 3% Zinn, 3%
Aluminium und dem Rest von im wesentlichen Titan besteht.
9. Rotorblatt nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Erosionsschild aus einer Vielzahl von Erosionsschildern
(20, 21, 22, 23) besteht, die mit dem Blatt Ende mit
Ende über im wesentlichen die gesamte Länge der führenden
Kante in Richtung der Spannweite befestigt sind.
10. Rotorblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Erosionsschild oder die Erosionsschilder (20, 21) in
einem Innenbordbereich der führenden Kante nach dem
Herstellen durch Altern gehärtet werden, wodurch die
Zugspannungseigenschaften erhöht werden, wobei der
Erosionsschild oder die Erosionsschilder zur baulichen
Festigkeit des Rotorblattes beitragen.
11. Rotorblatt nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Erosionsschild oder die Erosionsschilder (22, 23) in
einem Außenbordbereich der führenden Kante niedrigere
Zugspannungseigenschaften als die im Innenbordbereich
haben.
12. Rotorblatt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der außenbordseitige Erosionsschild oder die außenbordseitigen
Erosionsschilder (22, 23) aus der kaltverformbaren
Titanlegierung in einem in Lösung behandelten
Zustand hergestellt sind.
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