DE3907087A1 - Hochdruckbehaelter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochdruckbehälter, bei­ spielsweise ein Waffenrohr, mit einer Wandung aus einem Faserverbundstoff mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bekannte Hochdruckbehälter mit einer Wandung aus Faserverbundwerkstoffen zeichnen sich bekanntermaßen durch

• - hohe Festigkeit
• - gute Orientierung der Faserrichtung am Belastungsfall (Wickeltechnik)
• - geringes Gewicht
• - gute Formgebungsmöglichkeiten
• - gute Korrosionsbeständigkeit aus. Für derartige Hochdruckbehälter werden vor allem Faserverbundwerkstoffe (FVW) in einer Kunststoffmatrix verwendet, die jedoch den Einsatz dieser Behälter bei Temperaturen über 250°C nicht zuläßt.

Um derartige Hochdruckbehälter aus FVW auch bei höheren Anforderungen, wie sie beispielsweise bei Behältern der chemischen Industrie, bei Hochtemperaturturbinen oder bei Waffenrohren auftreten, verwenden zu können, sind Untersu­ chungen angestellt worden, Faserwerkstoffe in andere Matrixstoffe einzubetten. Bisher ist dies jedoch bei konventionellen Herstellungsmethoden an der schlechten Benetzbarkeit der Fasern, an einer möglichen chemischen Reaktion zwischen Faser und Matrix und an einer thermischen Unverträglichkeit (z.B. Rekristallisation der Fasern aufgrund zu hoher Herstellungstemperaturen) gescheitert.

Neuere Erkenntnisse auf dem Gebiet der Sprengtechnologie zei­ gen jedoch, daß es mit Verfahrenstechniken wie "Explosivver­ dichten" und/oder "Explosivschweißen" möglich ist, auf quasi "kaltem" Wege einen innigen Werkstoffverbund von Faser und Matrix zu erreichen.

Unter Berücksichtigung dieser neuen Technologien liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochdruck-Behälter mit einer Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff zu schaffen, der unter Beibehaltung der eingangs erwähnten Vorteile be­ kannter Faserverbundwerkstoffe auch bei sehr hohen Temperatu­ ren, wie sie beispielsweise in einem Waffenrohr auftreten, verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Hoch­ druck-Behälter mit einer Wandung aus Faserverbundwerkstoffen mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patent­ anspruchs 1. Die Erfindung vereint die Vorteile bekannter Hochdruckbehälter aus FVW mit den zusätzlichen Vorteilen

• - hohe Temperaturbelastbarkeit
• - geringe mechanische und thermische Schockempfindlichkeit
• - geringe Feuchtigkeitsaufnahme.

Darüber hinaus eröffnet die erfindungsgemäße Verwendung von metallischer und/oder keramischer Matrix im Faserverbundwerkstoff die Möglichkeit, je nach gewünschtem Anwendungsfall für den Hochdruckbehälter in seiner Wandung entweder eine elektrisch leitende oder eine isolierende FVW-Schicht einzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme einer Zeichnung erklärt. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittdarstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung für ein Waf­ fenrohr;

Fig. 2 eine Querschnittdarstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung für ein Waffenrohr;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung für eine Hochtemperatur-/Hochdruck-Behälter-Wandung;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines vierten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung für eine hochbelastbare Behälter-Wandung und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung für eine hochbelastbare Behälter-Wandung.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungen zeigen Wandungen 10, 20 für Waffenrohre, um an diesem Beispiel eines hinsichtlich Druck und Temperatur extrem belastbaren Hochdruckbehälters die Vorteile der erfindungsgemäßen Wandung zu verdeutlichen. Unter Beschränkung auf die erfindungswesentlichen Merkmale sind die Waffenrohre selbst der Einfachheit halber nicht dargestellt, da an sich dem Fachmann klar ist, wie ein solches gestaltet ist und wie sich die dargestellten Wandungs-Ausschnitte jeweils über die Waffenrohrlänge fortsetzen. Eine Rohrseelenachse, als zentrische Längsachse, ist abgebildet, aber nicht bezeichnet.

Die in Fig. 1 dargestellte Waffenrohr-Wandung 10 umfaßt eine verschleiß- und temperaturfeste Innenbeschichtung 11, die sich durch wärmeisolierende Eigenschaften auszeichnet. Diese Innenbeschichtung 11 besteht vorzugsweise aus einem Metall-Keramik-Pulver, beispielsweise unter Verwendung von Tantal-Pulver, und wird nach dem Verfahren der Explosiv-Verdichtung hergestellt. Eine mit 12 bezeichnete Schicht ist eine temperaturfeste, zähe Schicht mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit als reiner Stahl und besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Metall-Keramik-Pulvergemisch.

Eine weitere mit 13 bezeichnete Schicht zeichnet sich durch eine gute Wärmeleitfähigkeit aus und besteht vorzugsweise aus Wolframverbindungen. Eine sich anschließende mit 14 bezeichnete Schicht ist aus einem Faserverbundwerkstoff, bei dem eine hochfeste, gerichtete Langfaser (Endlosfaser in Wickeltechnik) in einer Metallmatrix mit guter Wärmeleitfähigkeit eingebettet ist. Vorzugsweise besteht der Faserverbundwerkstoff der Schicht 14 aus einer Kohlenstoff-Faser in einer Matrix aus Pulver einer Kupferlegierung. Den äußeren Abschluß der Waffenrohr-Wandung 10 bildet eine Schicht aus hochfestem Rohrstahl, beispielsweise 35 NiCrMoV 12.10.

Vorzugsweise werden alle Schichten der Waffenrohr-Wandung 10 in einer entsprechenden, hier nicht dargestellten Matrize explosiv verdichtet und miteinander explosiv verschweißt. Bei Anwendung dieses Verfahrens ergibt sich als zusätzlicher Vorteil eine durch die Sprengtechnik bewirkte Autofrettage der aus Rohrstahl bestehenden Schicht 15.

Der eigentliche Vorteil der in Fig. 1 dargestellten Waffenrohr-Wandung 10 besteht darin, daß einerseits die tragende Schicht 14 aus Faserverbundwerkstoff aufgrund der eingebrachten, gewickelten Langfaser geeigneter Kreuzwickelanordnung vor allem Tangentialspannungen des Waffenrohres aufnehmen kann und daß andererseits die FVW-Schicht 14 gegenüber den bei einem Schuß auftretenden hohen Temperaturspitzen im Innern des Waffenrohres durch eine temperaturfeste zweite Schicht 12 geschützt ist.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Waffenrohr-Wandung 20 besteht aus einer ersten Schicht 21, die als verschleiß- und temperaturfeste Innenbeschichtung mit guter Wärmeleit­ fähigkeit, vorzugsweise aus Chrom oder Tantal, dient. Als zweite, sich anschließende Schicht 22, ist ein Faserver­ bundwerkstoff vorgesehen, der aus einer hochfesten Kurzfaser in einer Metallmatrix mit guter Wärmeleitfähigkeit und hohem Schmelzpunkt, beispielsweise Wolframlegierungen, besteht. Eine sich anschließende dritte Schicht 23 besteht aus einer hochfesten, gerichteten Langfaser, vorzugsweise wiederum in Kreuzwickeltechnik angeordnet, in einer Metallmatrix mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise eine Kohlenstoff-Faser in einer Kupfermatrix. Eine vierte Schicht 24 besteht aus hochfestem Rohrstahl, z.B. 45 NiCrMoV 14.4. Als fünfte Schicht 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Rohraußenbeschichtung mit guter Wärmeabstrahlung vorgesehen, die beispielsweise aus einem schwarzen Lack oder einer schwarzen metallischen Schicht besteht.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungs­ beispiel können wie beim ersten in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die zweite Schicht 22 bzw. 12, die dritte Schicht 23 bzw. 13 und die vierte Schicht 24 bzw. 14 in einem Arbeitsgang unter Anwendung der Sprengtechnologie explosiv-verdichtet und -verschweißt werden, wobei zusätzlich wiederum die Rohrstahl-Schicht 24 durch die Sprengung autofrettiert werden kann. Die verschleiß- und temperaturfeste Innenbeschichtung 21 kann auch in einem anschließenden Arbeitsgang, beispielsweise durch eine Galvanisierung, aufgebracht werden.

Gegenüber herkömmlichen Waffenrohren aus üblichem Waffenrohr-Stahl lassen sich mit den erfindungsgemäßen Waffenrohr-Wandungen, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, deutliche Einsparungen in der erforderlichen Wandstärke, und damit auch im Gewicht des Waffenrohres, erzielen. Auf diese Weise werden Schwingungen des Waffen­ rohres reduziert und das Unwuchtmoment auf die Waffenrohrlagerung verringert, so daß insgesamt die Schußpräzision verbessert wird. Darüber hinaus sind mit den erfindungsgemäßen Waffenrohr-Wandungen bei geeigneter Werkstoffauswahl geringere Dehnungen bzw. geringere elastische Aufweitungen des Waffenrohres beim Schuß einstellbar.

Falls eine elektrische Isolation zwischen dem Waffenrohrinneren und dem Waffenrohräußeren erforderlich ist, beispielsweise bei Waffenrohren für elektromagnetische oder elektrothermische Kanonen, ist dies ggf. durch eine Änderung der Materialzusammensetzung der FVW-Schichten 14 (Fig. 1) bzw. 22 oder 23 (Fig. 2) auf einfache Weise erreichbar. In diesen Fällen wird beispielsweise Glasfaser in einer Keramikmatrix verwendet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Hochdruckbehälter-Wandungen 30, 40 dienen der zusätzlichen Verdeutlichung der Erfindung und zeigen Schichten 32, 42 aus Faserverbundwerkstoffen in einer Ausgangssituation vor einer Explosivverdichtung. Diese Schichten 32, 42 weisen nach der Explosivverdichtung anisotrope Eigenschaften auf.

Bei der in Fig. 3 dargestellten FVW-Schicht 32 ist eine gewickelte Langfaser mit 33 und eine sie einbettende Pulvermatrix mit 34 bezeichnet. Die Faser 33, beispielsweise Kohlenstoff-Faser, ist vorzugsweise sehr dicht in mehreren Schichten in einer Kreuzwickelanordnung so angeordnet, daß bei erwarteter Hochdruck-Belastung einer derartig ausgebildeten Hochdruckbehälter-Wandung in den Hauptspannungsrichtungen eine hohe Festigkeit erzielt wird.

Für anders gelagerte Anwendungsfälle ist die in Fig. 4 dargestellte FVW-Schicht 42 gedacht, bei der zwischen die einzelnen Schichtungen einer gewickelten Langfaser 44 Metallfolien 43 eingebracht werden, wobei diese Folien 43 aus dem gleichen Werkstoff bestehen können wie eine Pulvermatrix 45. Durch eine anschließende Explosiv­ verdichtung ist eine homogene Struktur des Matrixmaterials erzielbar. Selbst wenn bei der Explosivverdichtung die Langfasern 33 bzw. 44 brechen sollten, bleiben die anisotropen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe der Schichten 32 bzw. 42 erhalten.

Im Gegensatz dazu zeigt die Fig. 5 eine erfindungsgemäße Hochdruckbehälter-Wandung 50 mit einer FVW-Schicht 52, bei der isotrope Eigenschaften erwünscht sind, vor einer Explosivverdichtung. In diesem Falle werden Kurzfasern 54, beispielsweise Glasfasern, in eine Matrix aus pulverigem Metall oder Keramik 53 eingebettet. Eine solche Anordnung eignet sich besonders bei Verwendung von Keramikpulver zur Herstellung einer elektrisch isolierenden Schicht.

Claims (7)

1. Hochdruck-Behälter mit einer Wandung aus einem Faser­ verbundwerkstoff, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Faserverbundwerkstoff­ schicht (14, 22, 23, 32, 42, 52) aus einem keramischen und/oder metallischen Pulver (34, 45, 53) als Matrix sowie einem Faserwerkstoff (33, 44, 54) besteht und mittels einer Explosivverdichtung hergestellt wird.

2. Hochdruck-Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserwerkstoff als gewickelte Langfaser (33, 44) oder als Kurzfaser (54) verwendet wird.

3. Hochdruck-Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wandung (20) mehrere Schichten aus Faserverbundwerkstoff (22, 23) enthält.

4. Hochdruck-Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Schichten (15, 24) aus hochfestem Rohrstahl besteht.

5. Hochdruckbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15, 24) aus hochfestem Rohrstahl während der Explosivverdichtung gleichzeitig mit günstigen Eigenspannungen (autofret­ tiert) versehen wird, die die Festigkeit der Gesamtstruk­ tur deutlich verbessern.

6. Hochdruck-Behälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wandung (10) aus mehreren Schichten besteht, die bezüglich der Wärme­ kapazität bzw. -leitfähigkeit so kombiniert sind, daß kei­ ne der Schichten thermisch überbeansprucht wird.

7. Hochdruck-Behälter nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Faserwerkstoff Kohlen­ stoff-Faser oder Glasfaser verwendet wird.