DE3824994A1

DE3824994A1 - Verfahren zum herstellen eines hohlen verbundgegenstands aus einer faserverstaerkten glasmatrix

Info

Publication number: DE3824994A1
Application number: DE3824994A
Authority: DE
Inventors: Otis Yuchia Chen
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1989-02-23
Anticipated expiration: 2008-07-23
Also published as: US4786304A; DE3824994C2; GB8816061D0; JPS6472928A; JPH05346B2; FR2619373B1; FR2619373A1; GB2208508A; GB2208508B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Formverfahren und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Formen von faserverstärkten Verbundgegenständen.

Wegen der Knappheit und der steigenden Kosten von vielen herkömmlichen hochwarmfesten Konstruktionsmetallen richtet sich verstärkte Aufmerksamkeit auf nichtmetallische, faserverstärkte Verbundstoffe als Ersatz für herkömmliche hochwarmfeste Metallegierungen. Die Verwendung von Metall ersetzenden hochfesten Verbundstoffen aus faserverstärkter Harzmatrix und sogar aus faserverstärkter Metallmatrix ist bei Produkten, die von Sportartikeln bis zu fortschrittlichen Teilen von Flugzeugstrahltriebwerken reichen, bis zu dem Punkt kommerzieller Akzeptanz fortgeschritten. Eines der großen Probleme bei diesen Verbundstoffen ist jedoch ihre maximale Gebrauchstemperatur.

Keramik-, Glas- und Glaskeramikkörper sind bekannt, die bei hoher Temperatur eingesetzt werden können. Leider mangelt es diesen Körpern jedoch häufig an der erwünschten mechanischen Festigkeit und sie haben unverändert eine zu geringe Zähigkeit und Schlagfestigkeit. Diese Situation hat zur Herstellung von Verbundkörpern geführt, die aus einer Matrix aus Keramik-, Glas- oder Glaskeramikmaterial bestehen, in dem anorganische Fasern kontinuierlich oder diskontinuierlich dispergiert sind. Diese im folgenden als Glasmatrixverbundstoffe bezeichneten Materialien sind in den US-Patentschriften 43 14 852 und 43 24 843 der Anmelderin beschrieben (auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird). Siliciumcarbidfaserverstärkte Glas/Keramik-Verbundbauteile, die gemäß den Lehren der vorgenannten Patentschriften hergestellt worden sind, weisen physikalische Eigenschaften auf, die deren Verwendung in Wärmekraftmaschinen und für andere Zwecke gestatten, um eine beträchtliche Verbesserung der Leistung zu bewirken. Solche Verwendungszwecke verlangen jedoch, daß neue Verfahren für die Produktion von kompliziert geformten Teilen gefunden werden, in denen Verstärkungsfasern verteilt sind, in einigen Fällen zum Beispiel mindestens in drei Richtungen, um ihnen eine bessere Festigkeit zu verleihen.

Obgleich große Anstrengungen auf diesem Gebiet gemacht worden sind, bestehen Schwierigkeiten bei den Verfahren zum Herstellen von solchen verbesserten Verbundgegenständen. In der Vergangenheit ist eine durchgehende Faserverstärkung für Verbundgegenstände durch die Verwendung von kollimierten Faserbändern, Filzen und Papieren erzielt worden, die mit Glasträgeraufschlämmungen getränkt werden, auf Größe zugeschnitten und ausgerichtet und dann in einem Werkzeug zum Warmpressen gestapelt werden. Diese Prozedur ist aber nicht für alle Gegenstände geeignet. Es ist auch schwierig, Zylinder und andere komplexe Formen mit solchen ebenen Materialien zu bilden.

In der gegenwärtigen Harzmatrixverbundstofftechnologie wird dieser Nachteil durch die Verwendung von gewebten Faserstrukturen überwunden. Diese Fasern werden gewebt, um entweder ein Gewebe oder tatsächliche Gegenstandsformen herzustellen. Nach dem Weben können diese Gegenstände leicht mit Harz getränkt werden, und zwar sowohl wegen der sehr niedrigen Viskosität, die bei Harzen vor deren Aushärten erzielbar ist, als auch wegen der Einfachheit, mit der diese Harze die Fasern benetzen.

Andere Methoden, die benutzt worden sind, um faserverstärkte Glasverbundteile herzustellen, sind das Spritzgießen von erhitzten Formmassen aus zerhackten Fasern und Glas (vgl. die US-PS 44 64 192 der Anmelderin, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird) und das Spritzpressen, bei dem eine Glasformmasse erhitzt und in eine Form überführt wird, die mit Fasern in einer vorbestimmten Gestalt ausgekleidet ist (vgl. die US-PS 44 28 763 der Anmelderin, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird). Wegen der hohen Viskosität des Glases und der hohen Drücke, die diese Techniken erfordern, kann es während der Verarbeitung jedoch zur Verschiebung und Verzerrung der Verstärkungsfasern kommen.

Demgemäß wird ständig auf diesem Gebiet nach Formverfahren gesucht, die eine bessere Gegenstandsqualität ergeben.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hohlen Verbundgegenstands aus einer faserverstärkten Glasmatrix durch Ausrichten von bei hoher Temperatur stabilen Fasern in einem Formhohlraum in einer Gestalt eines hohlen Verbundgegenstandsvorformlings. Eine Formmasse aus bei hoher Temperatur stabilem Glasmatrixmaterial wird dann bis über seinen Fließpunkt erhitzt. Das so erhitzte Matrixmaterial wird danach in den Formhohlraum und um die Fasern von einem Punkt (oder von Punkten) aus sowohl innerhalb des hohlen Gegenstandsvorformlings als auch in dem relativen Mittelpunkt längs der vertikalen Achse des Gegenstandsvorformlings überführt. Der so getränkte Vorformling wird dann abgekühlt, um einen hohlen Verbundgegenstand herzustellen. Das Verfahren führt zu einer minimierten Gegenstandsvorformlingfaserverzerrung und zu verbesserter Gegenstandstoleranzkontrolle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Form, die bei der Erfindung brauchbar ist,

Fig. 2 einen geformten Gegenstand nach der Erfindung, wobei noch Fließwege vorhanden sind, und

Fig. 3 einen Gegenstand, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist.

Der verwendete Begriff "Glasmatrixmaterial" umfaßt sowohl Glas- als auch Glaskeramikmaterialien. Als Glasmaterial kann jedes Silikatglas verwendet werden, das den Verbundstoffen nach der Erfindung Hochwarmfestigkeitseigenschaften verleiht. Corning 7740 (Corning Glass Works)-Aluminosilikatglas hat sich als besonders geeignet erwiesen, obgleich sowohl Borsilikatglas als auch Glas mit hohem Siliciumgehalt ebenfalls geeignet sind.

Ein weiteres attraktives Matrixmaterial nach der Erfindung ist das oben erwähnte Glaskeramikmaterial. Während des Formens gemäß der Erfindung haben das Glas- und das Glaskeramikmaterial üblicherweise eine Viskosität von weniger als etwa 10³ Pa×s (10⁴ Poise). Bei dem Abkühlen können die glasartige Matrix und das Glaskeramikmaterial in den kristallinen Zustand überführt werden, wobei der Grad und das Ausmaß der Kristallisation durch die Matrixzusammensetzung und die angewandte Wärmebehandlungsprozedur gesteuert werden können, vgl. die oben erwähnte US-PS 43 24 843. Herkömmliches Lithium-Aluminosilikat ist zwar die bevorzugte Glaskeramik, es können jedoch andere herkömmliche Glaskeramiken wie Aluminosilikat, Magnesium- und Aluminosilikat sowie Kombinationen derselben benutzt werden.

Es kann zwar jedes hochtemperaturstabile Faserverstärkungsmaterial, das durch die viskose Matrix benetzbar ist, benutzt werden, Siliciumcarbidfasern werden jedoch besonders bevorzugt. Ein Multifilament-Siliciumcarbidgarn mit einem mittleren Filamentdurchmesser von bis zu 50 µm ist benutzt worden. Die Nippon Carbon Company, Japan, liefert ein solches Garn mit etwa 250 Fasern pro Kabel und einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 10 µm. Die mittlere Festigkeit der Fasern beträgt ungefähr 2000 MPa, und sie haben eine Gebrauchstemperatur von bis zu etwa 1200°C. Das Garn hat eine Dichte von ungefähr 2,8 g/cm³ und einen Elastizitätsmodul von ungefähr 221 GPa. Obgleich das besondere Beispiel, das unten angegeben ist, ein Formverfahren mit Siliciumcarbidgewebe veranschaulicht, ist das Verfahren gleichermaßen mit nichtgewebten, durchgehenden Fasern, unterbrochenen Fasern oder Kombinationen derselben brauchbar.

Die Menge der Glasformmasse ist allgemein dieselbe Menge, die erforderlich ist, um den endgültigen faserverstärkten Gegenstand vollständig zu verdichten. Die Formmasse wird auf eine Temperatur oberhalb ihres Arbeitspunktes erhitzt, d.h. des Punktes, bei dem das Glas zu fließen beginnt und in die Form überführt werden kann. Üblicherweise reicht diese Temperatur von etwa 1000°C bis etwa 1500°C. Die Drücke, die zum Überführen der erhitzten Formmasse in den Formhohlraum benutzt werden, liegen im allgemeinen in dem Bereich von etwa 6,9 bar (100 psi) bis etwa 207 bar (3000 psi), und das Überführen dauert etwa 60 Minuten, obgleich bei fester gewebten Faserstrukturen höhere Drücke benutzt werden können. Der Fasergehalt der Gegenstände reicht im allgemeinen von etwa 20 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%.

Im allgemeinen werden die Fasern zwar von Hand oder maschinell in einer besonderen Ausrichtung aufgelegt, um sie der Gestalt des Formhohlraums anzupassen, die Fasern können jedoch in die gewünschte Gegenstandsform gebracht werden, beispielsweise mit einem polymeren Bindemittel. Dieses die Gestalt des Gegenstands aufweisende Teil kann dann in die Spritzpreßform eingebracht werden, und das Glas kann anschließend an das Entfernen des vorübergehenden Bindemittels, beispielsweise durch einen Vorwärmabbrand, in und um die Fasern gebracht werden. Typische Bindemittel, die auf diese Weise brauchbar sind, sind die Carbowax ® -Serien (Union Carbide Corp.) und insbesondere Carbowax 4000 sowie Acrylharze wie Rhoplex ® (Rohm and Haas Corp.)-Harze.

Wie erwähnt werden die Fasern in dem Formhohlraum ausgerichtet, um Festigkeit in einer besonderen Richtung zu schaffen. Zum Beispiel werden bei zylinderförmigen Gegenständen die Fasern in einer Richtung um einen zentralen rohrförmigen Formkern (umfangsmäßig) ausgerichtet, um Umfangsfestigkeit zu schaffen, und die Fasern werden in einer Richtung längs der Achse des Zylinders (axial) ausgerichtet, um Festigkeit über der Länge des zylinderförmigen Gegenstands zu schaffen. Die Verwendung eines gewebten Materials wie in dem unten angegebenen Beispiel ergibt diese Festigkeit in diesen beiden Richtungen. Tatsächlich ist die Anwendung des Webens zum Schaffen der gewünschten Festigkeitseigenschaften bei komplexen Formteilen wie Turbinenlaufschaufeln für die Brauchbarkeit dieses Verfahrens exemplarisch.

Beispiel

Eine zylindrische Form wurde aus im Handel erhältlichem Graphit durch spanabhebene Bearbeitung hergestellt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die Seitenwände 1 der Form und die zentralen Teile 2 und 3 der Form werden so hergestellt, daß sich ein Zylinder ergibt, der ungefähr 162 mm (6 Zoll) lang ist, 51 mm (2 Zoll) im Außendurchmesser mißt und 3,2 mm (0,125 Zoll) dick ist. Der obere Teil 4 und der untere Teil 5 der Form sind ebenfalls gezeigt. Die zentralen Teile 2 und 3 der Form werden so eingesetzt, daß sich ein Kanal 6 ergibt, der das Fließen des Matrixmaterials nach unten durch den zentralen Teil der Form zu einer Ebene 7 gestattet, die sich ungefähr in der Mitte auf der vertikalen Achse 8 der Gegenstandshöhe befindet. (Geringfügige Abweichungen, z.B. ± 10%, von dem Mittelpunkt sind zulässig; größere Abweichungen werden zu einem schlechteren Produkt führen.)

Ein zylindrischer Vorformling aus geflochtenen Siliciumcarbidfasern (nicht dargestellt) wurde in den Formhohlraum 9 eingesetzt, woraufhin der obere Teil 4 und die zentralen Teile 2 und 3 der Form eingesetzt wurden. Eine Aufschlämmung, die Borsilikatglas enthielt, wurde in die Graphitform gegossen, die den Vorformling aus geflochtenen Siliciumfasern enthielt. Zusätzliches Glaspulver wurde in dem Reservoir oberhalb des Formhohlraums (nicht dargestellt) hinzugefügt. Die Temperatur der Form und des das Glasmatrixmaterial enthaltenden Reservoirs wurden auf den Wert erhöht, bei dem die Glasmatrix fließt.

Eine einfachwirkende Vakuumheißpresse mit kontrollierter Atmosphäre wurde benutzt, um die Verfestigung über das Matrixspritzpreßverfahren unter Verwendung der folgenden Parameter auszuführen: 68,95 bar (1000 psi oder pounds per square inch) Druck von einem 88,90 mm (3 1/2 Zoll)-Durchmesser- Oberstempel, erhitzt auf 1350°C für eine Zeitspanne von 30 Minuten. Nach dem Überführen des Matrixmaterials ließ man die Form abkühlen, und der Gegenstand wurde entnommen. Bei der Überprüfung des Gegenstands wurde festgestellt, daß die Matrixverfestigung mit wenig Faservorformlingverzerrung stattgefunden hatte. Es konnte auch gezeigt werden, daß das oben erwähnte Pressen nur unter Verwendung von hydrostatischem Druck über das viskose Glasmedium erfolgen und volle Verfestigung erzielt werden kann.

Fig. 2 zeigt den Fließweg des Matrixmaterials durch Kanäle 10 und 11 in den zylindrischen Teil 12. Fig. 3 zeigt einen fertigen Gegenstand, der mit der Erfindung herstellbar ist. (Die in Fig. 2 sichtbaren Kanäle können leicht beseitigt werden, z.B. mit Hammer und Meißel oder Säge).

Übliche hochtemperaturstabile Konstruktionsteile, die mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt werden können, sind hohle Behälter und profilierte Gegenstände wie Gasturbinentriebwerkslaufschaufeln, Flammrohrteile, hohle Leitschaufelblätter, Brennkammern, usw. Wie erwähnt ermöglicht das hier beschriebene Verfahren eine größere Gegenstandstoleranzkontrolle und minimiert die Gegenstandsvorformlingfaserverwerfung.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines hohlen Verbundgegenstands aus einer faserverstärkten Glasmatrix durch Ausrichten von hochtemperaturstabilen Fasern in einem Formhohlraum in einer Gestalt eines Vorformlings des hohlen Verbundgegenstands, Erhitzen einer Formmasse aus hochtemperaturstabilem Glasmatrixmaterial bis über dessen Fließpunkt, Überführen des so erhitzten Matrixmaterials in den Formhohlraum und um die Fasern unter Anwendung von Druck, Abkühlen des faserverstärkten Matrixmaterials, um einen hohlen Verbundgegenstand herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial in den Formhohlraum von wenigstens einem Punkt sowohl innerhalb des hohlen Gegenstandsvorformlings als auch in dem relativen Mittelpunkt längs der vertikalen Achse des Gegenstands aus eingebracht wird, was zu einer verbesserten Steuerung der Gegenstandstoleranz und zu minimierter Gegenstandsvorformlingverzerrung führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern gewebte Fasern, nichtgewebte Fasern, Fasern durchgehender Länge, Fasern unterbrochener Länge und Gemische derselben eingesetzt werden.