DE4112749A1 - Verfahren zum herstellen von faserverstaerkten verbundstoffen mittels abschleifen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung steht in enger Beziehung zu der am gleichen Tage eingereichten deutschen Patentanmeldung, für die die Priorität der US-Patentanmeldung mit der Ser.- Nr. 5 46 200 vom 29. Juni 1990 in Anspruch genommen ist, zu der US-PS 49 81 643 sowie zu der US-Patentanmeldung Ser.- Nr. 5 46 951 vom 2. Juli 1990, für die der Erteilungsbeschluß bereits ergangen ist. Auf diese Anmeldungen wird ausdrücklich Bezug genommen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Matrixmetall- Verbundstoffen. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, mit dem eine Siliziumkarbid- Faserverstärkung wirksam in einen Verbundstoff mit einer Metallmatrix auf Titanbasis eingebracht werden kann.

Es ist bekannt, daß faserverstärkte Verbundstrukturen, die Matrices aus Metallen auf Titanbasis aufweisen, unter Anwendung der Plasmaspritz-Abscheidung hergestellt werden können. Der Anmelderin ist eine Anzahl von US-Patenten auf diesem Gebiet erteilt worden. Die Herstellung von Folien, Blechen und ähnlichen Artikeln aus Titanlegierung und von verstärkten Strukturen, bei denen Siliziumkarbid-Fasern in eine Titanbasislegierung eingebettet sind, ist in den folgenden US-PSen beschrieben: 47 75 547; 47 82 884; 47 86 566; 48 05 294; 48 05 833 und 48 38 337. Auf diese US-PSen wird ausdrücklich Bezug genommen.

Die Herstellung von Verbundstoffen, wie sie in diesen PSen beschrieben ist, ist Gegenstand intensiver Untersuchungen, da die Verbundstoffe sehr hoher Festigkeiten mit Bezug auf ihr Gewicht aufweisen. Eine der Eigenschaften, die besonders erwünscht ist, ist die hohe Zugfestigkeit, die den Strukturen durch die hohe Zugfestigkeit der Siliziumkarbid-Fasern verliehen wird. Die Zugfestigkeit der Strukturen steht in Beziehung zur Mischungsregel. Nach dieser Regel ist der Anteil der Eigenschaft, wie der Zugfestigkeit, der den Fasern zugeordnet ist, im Gegensatz zur Matrix, durch den Volumenprozentanteil der in der Struktur vorhandenen Fasern und durch die Zugfestigkeit der Fasern selbst bestimmt. In ähnlicher Weise ist der Anteil der gleichen Zugfestigkeit, der der Matrix zugeschrieben wird, durch den Volumenprozentanteil der in der Struktur vorhandenen Matrix und die Zugfestigkeit der Matrix selbst bestimmt.

Vor der Entwicklung der in den oben genannten PSen beschriebenen Prozesse wurden solche Strukturen hergestellt durch sandwichartige Anordnung verstärkender Fasern zwischen Folien aus Titanbasislegierung und Pressen der Stapel abwechselnder Schichten aus Legierung und verstärkenden Fasern, bis ein Verbundstoff gebildet war. Das Vorgehen nach dem Stande der Technik erwies sich jedoch als weniger befriedigend, als Versuche gemacht wurden, Rohr- oder Ringstrukturen herzustellen, bei denen die Fasern eine innere Verstärkung für das gesamte Rohr oder den gesamten Ring darstellten.

Die in den oben genannten PSen offenbarten Strukturen und die Verfahren, nach denen sie hergestellt wurden, stellten eine große Verbesserung gegenüber der früheren Praxis der Bildung von Sandwiches aus Matrix und verstärkenden Fasern durch Zusammenpressen dar.

Später wurde festgestellt, daß die gemäß den oben genannten PSen hergestellten Strukturen zwar Eigenschaften aufwiesen, die eine große Verbesserung gegenüber früheren Strukturen darstellten, daß jedoch die tatsächlich erhaltenen Zugfestigkeiten dieser Strukturen die theoretisch möglichen Werte nicht erreicht. Die Untersuchung der nach den Verfahren der oben genannten PSen hergestellten Verbundstoffe zeigte, daß die Modulwerte zwar in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage aufgrund der Mischungsregel standen, daß jedoch die Zugfestigkeit üblicherweise sehr viel geringer war als durch die Eigenschaften der einzelnen Bestandteile des Verbundstoffes vorhergesagt. Es wurde eine Anzahl von Anmeldungen eingereicht, um das Problem der zu geringen Zugfestigkeiten zu lösen, und eine Anzahl dieser Anmeldungen ist noch anhängig. Diese schließen ein: die deutschen Patentanmeldungen P 40 33 959.9, P 40 40 440.4 und P 40 40 439.0 sowie die US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 45 203 vom 4. Dezember 1989. Auf diese Anmeldungen wird ausdrücklich Bezug genommen.

Eine der Strukturen, die sich als besonders erwünscht bei der Anwendung der Technologie dieser PSen erwiesen hat, ist ein ringförmiger Gegenstand mit einer Metallmatrix und einer Siliziumkarbid-Faserverstärkung, die sich mehrmals um den gesamten Ring erstreckt. Solche Rohr- oder Ringstrukturen haben sehr hohe Zugfestigkeiten mit Bezug auf ihr Gewicht, insbesondere wenn man sie mit vollständig aus Metall hergestellten Strukturen vergleicht. Solche Strukturen müssen in ihren Abmessungen genau sein, damit sie wirksam für die vorgesehenen Anwendungen eingesetzt werden können, da die Strukturen häufig als Teil einer komplexeren Struktur benutzt werden und für diesen Zweck über eine oder mehrere Elemente mit Kreisform gepaßt werden, um als verstärkender Ring zu dienen.

Eine der gebildeten Strukturen weist eine Verstärkungsfaser auf, die mehrmals und in vielen Schichten um den Umfang einer verstärkten Ring- oder Rohrstruktur gewickelt ist. Ein verstärkter Ring kann zum Beispiel als eine Verstärkung für eine integral mit Schaufeln versehene Kompressorscheibe eines Strahltriebwerkes verwendet werden. Um die Schaufeln in einer Kompressorstufe eines Strahltriebwerkes zu halten, ist eine große Anzahl von Schichten aus verstärkenden Fasern erforderlich.

Es wurde festgestellt, daß es sehr schwierig ist, mehr und mehr Schichten aus Faserverstärkung zu einer Rohr- oder Ring-Struktur hinzuzufügen wegen der Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten und wegen anderer Faktoren. Eine Weise, in der dieses Problem gelöst wurde, ist in der US-PS 49 81 643 beschrieben. Das in dieser US-PS offenbarte Verfahren schließt das Bilden einer Reihe konzentrischer Ringe ein, die zusammengesetzt werden, um eine verstärkte Ringstruktur mit mehr als 100 Verstärkungsschichten zu ergeben. Solche Ringstrukturen haben einen recht großen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 30 cm oder mehreren 30 cm, und sie müssen daher innerhalb sehr enger Toleranzen zusammengesetzt werden.

Während die Lehren nach dem Stande der Technik gemäß den obigen PSen allgemein auf die erfolgreiche Herstellung verstärkter Verbundstrukturen mit Siliziumkarbid-Fasern gerichtet sind, die in Metallmatrix eingebettet sind, haben sich die Verfahren, nach denen diese Strukturen hergestellt werden, als nicht vollständig reproduzierbar und zuverlässig zu einem Grade erwiesen, der für ein Herstellungsverfahren geeignet ist. Ein Teil der Schwierigkeiten, die mit der Herstellung von Verbundstrukturen nach den Lehren dieser PSen verbunden ist, bezieht sich auf den Abstand der Fasern. Es wurde zum Beispiel festgestellt, daß dort, wo die Abscheidung der Matrix zu einer unebenen Oberfläche führt, der Abstand der Fasern ebenfalls ungleichmäßig wird, so daß sich die Fasern an einigen Stellen berühren und an anderen Stellen zu weit voneinander getrennt sind. Wo die Fasern sich in Gruppen von 2, 3, 4 oder mehr Strängen berühren, führte der unangemessene Abstand zwischen den Fasersträngen zu einem ungenügenden Eindringen des plasmagespritzten Matrixmetalles zwischen den Fasern, so daß es nicht zwischen diesen Fasern hindurchgelangte und eine Bindung mit dem darunter befindlichen Metall bildete. Das plasmagespritzte Metall schied sich vielmehr auf den aneinanderstoßenden Fasersträngen ab und hinterließ einen Hohlraum darunter, der später durch ein Verdichtungsverfahren gefüllt werden mußte. Insgesamt führte jedoch der ungleichmäßige Abstand zu einer zu dichten Anordnung von Verstärkungsfasern an einigen Stellen und zu einer zu wenig dichten Anordnung von Fasern an anderen Stellen des Verbundproduktes.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, nach dem verstärkte Verbundstrukturen hergestellt werden können, die durch die ganze Struktur hindurch im wesentlichen gleichförmige Eigenschaften aufweisen. Eine andere Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens, das die Schwierigkeit überwindet, die bisher bei einem ungleichmäßigen Abstand der Verstärkungsfasern auftrat und zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Matrixmetalles mit Bezug auf die Faserverstärkung führte. Weiter ist Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens, das einen gleichmäßigeren Abstand der Fasern in einer faserverstärkten Verbundstruktur und gleichmäßigere Eigenschaften durch die Verbundstruktur hindurch sicherstellt.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind teilweise augenscheinlich und werden teilweise in der folgenden Beschreibung ausgeführt.

Gemäß einem ihrer breiteren Aspekte werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst durch Herstellen einer Plasmaspritz-Abscheidung aus einem Matrixmetall auf einem allgemein zylindrischen Substrat. Die Abscheidung wird dann zur Glättung ihrer Oberfläche behandelt, indem man Matrixmetall von den hohen Stellen der gebildeten Abscheidung abschleift. Nach dem Glätten der abgeschiedenen Oberfläche wird eine Faserverstärkung in einem Muster auf die geglättete Oberfläche gewickelt, die eine relativ gleichmäßige Verteilung der Faser über diese Substratoberfläche ergibt. Nachdem die Faserverstärkung angeordnet worden ist, scheidet man eine zusätzliche Schicht aus plasmagespritztem Matrixmetall auf und zwischen der Faserverstärkung sowie um diese herum ab, die auf die Oberfläche gewickelt ist. Die erhaltene Struktur hat eine relativ gleichmäßige Verteilung sowohl der Fasern als auch des Matrixmaterials und ergibt demgemäß relativ gleichmäßige Eigenschaften im wesentlichen durch die gesamte Verbundstruktur hindurch.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine halbschematische Darstellung eines Bruchteiles einer Schicht aus Matrixmetall mit einer ungleichmäßigen irregulären Oberfläche, wie sie durch Abscheiden erhalten wird,

Fig. 2 eine halbschematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Struktur, nachdem die Oberfläche mechanisch geglättet worden ist,

Fig. 3 eine halbschematische Darstellung einer Wicklung aus Faserverstärkung auf der Oberfläche der Struktur der Fig. 2 und

Fig. 4 eine halbschematische Darstellung einer Verbundstruktur, erhalten durch Plasmaspritz-Abscheidung von Matrixmetall auf den Fasern der Struktur nach Fig. 3 und um diese herum.

Es ist bekannt, daß Pulvermetallurgie-Techniken in weitem Umfange für die Herstellung von Metallgegenständen genutzt worden sind. Ein damit verbundenes Problem besteht darin, daß gelegentlich ein Teilchen des Pulvers kein Metallteilchen, sondern vielmehr ein Oxid-, Keramik- oder anderes nichtmetallisches Teilchen ist. Solche nichtmetallischen Teilchen werden in der Pulvermetallurgie gelegentlich als Einschlüsse oder nichtmetallische Einschlüsse bezeichnet. Ein Einschluß ist unerwünscht, insbesondere weil er als Brennpunkt für die Entwicklung von Rissen in der pulvermetallurgisch hergestellten Struktur mit solchen Einschlüssen dienen kann. Es ist daher allgemein erwünscht, die Anwesenheit keramischer Teilchen in Metallstrukturen zu vermeiden, insbesondere wo solche Teilchen den Brennpunkt für den Beginn von Rissen bilden können.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß es möglich ist, keramische Schleifteilchen in Verbindung mit der Herstellung von Schichten aus plasmagespritztem Matrixmetall ohne nachteilige Wirkungen zu benutzen. Im besonderen wurde festgestellt, daß die irreguläre und ungleichmäßige Oberfläche der plasmagespritzten Struktur mechanisch mit Schleifsubstanzen behandelt und im wesentlichen regulär oder eben gemacht werden kann, indem man Schleifmittel vor der Verdichtung benutzt, ohne daß ein nachteiliges Einfangen oder Zurückhalten der Schleifteilchen erfolgt, die zum Einleiten von Rissen bei der hergestellten verdichteten Struktur führen. Es wurde festgestellt, daß der am wenigsten dichte Teil der plasmagespritzten Schicht der oberste Teil der abgeschiedenen Schicht ist, und daß dieser Teil rasch und wirksam durch Schleifen unter Verwendung von Schleifmitteln entfernt werden kann, wobei man die Gesamtmasse der abgeschiedenen Schicht nur minimal verringert. In anderen Worten wurde festgestellt, daß der oberste Teil einer plasmagespritzten Schicht der Teil der Schicht mit der geringsten Dichte ist.

Die noch nicht verdichtete plasmagespritzte Abscheidung hat eine geringere Dichte als die verdichtete Matrix, und die geringere Dichte liegt in der Bildung von Hohlräumen in der plasmagespritzten Struktur beim Plasmaspritzen des Matrixmetalles begründet. Die spätere Verdichtung, wie durch heißisostatisches Pressen, erhöht die Dichte der Matrix und vermindert das Hohlraumvolumen in der Matrix. Obwohl es möglich ist, daß ein Teil des beim Glätten der Oberfläche der Matrix benutzten Schleifmittel in die vor der Verdichtung vorhandenen Hohlräume des Matrixmetalles gelangt, wurde trotzdem festgestellt, daß die durch Fasern verstärkten plasmagespritzten Strukturen keine erhöhte Neigung zur Bildung von Matrixrissen als Ergebnis der Anwendung des Schleifmaterials bei der Glättung der Oberfläche des durch Plasmaspritzen abgeschiedenen Matrixmaterials aufweisen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein geringer Teil, der weniger als 0,25 mm des abgeschiedenen Matrixmetalles repräsentiert, dargestellt. Die Abscheidung 10 ist durch eine rauhe Oberfläche 12 ungleichmäßigen Charakters charakterisiert, wie sowohl die Draufsicht als auch die geschnittene Kante zeigen.

Die rauhe Oberfläche wird durch Schleifen entfernt, und die gleichmäßigere Oberfläche 14 ist in Fig. 2 dargestellt.

Auf diese Weise wurden etwa 20 bis 40% der Dicke der abgeschiedenen Schicht entfernt.

Dann wird die Reihe von Windungen 16 aus verstärkender Faser auf die glattere Oberfläche 14 gewickelt, von der ein Teil in Fig. 3 gezeigt ist. Der relativ gleichmäßige Abstand der Windungen 16, die zu mehr als 100 pro 2,5 cm vorhanden sind, läßt den gleichmäßigeren Abstand erkennen. Das in Fig. 3 dargestellte Fragment ist ein Teil der Oberfläche einer Trommel, um die eine einzige Verstärkungsfaser mehrmals gewickelt ist, um die Schicht aus faserförmiger Verstärkung zu bilden.

Fig. 4 zeigt die Struktur der Fig. 3 nach dem Aufbringen einer zweiten Schicht 20 aus durch Plasmaspritzen abgeschiedenem Titanbasismetall. Die Oberfläche 22 dieser Schicht hat wiederum die charakteristische Rauheit und Ungleichmäßigkeit der durch Plasmaspritzen abgeschiedenen Schicht. Es ist diese Rauheit, die gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt wird, bevor man eine zweite Schicht aus faserförmiger Verstärkung aufbringt.

Die Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im folgenden Beispiel erläutert.

Beispiel

Ein hohlzylindrischer Dorn aus weichem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 10 cm und einer Länge von etwa 10 cm wurde in eine Kammer zur Plasmaabscheidung bei geringem Druck eingeführt. Die Kammer war ähnlich denen, die in den eingangs genannten PSen beschrieben ist. Es wurde eine Hochfrequenz-Kanone benutzt, einen Überzug aus Titanbasismetall und insbesondere Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr­ 2Mo) auf den Dorn mittels Plasmaspritzen aufzubringen.

Der überzogene Dorn wurde aus der Plasma-Abscheidekammer herausgenommen, und es wurde leicht festgestellt, daß ein ungleichmäßiger Überzug sowohl mit hohen als auch tiefen Stellen und einem merklichen Grade von Rauheit auf der Oberfläche gebildet worden war. Dorn und Überzug wurden in einer Drehbank montiert und die rauhe, unebene Oberfläche des plasmaabgeschiedenen Überzuges wurde mit Siliziumkarbid-Schleifmittel einer Teilchengröße von etwa 0,25 mm (entsprechend 60 Maschen) in einem Schleifgerät geschliffen. Im einzelnen war das benutzte Werkzeug eine Band-Kurbelwellenschleifmaschine. Es wurde festgestellt, daß das Schleifen wirksam war hinsichtlich der Verbesserung der Glätte der Oberfläche als auch der Gleichmäßigkeit der Abscheidung über der Oberfläche des Dornes. Es wurde beobachtet, daß die meisten hohen Stellen entfernt wurden. Durch Messen des Durchmessers vor und nach dem Schleifen wurde festgestellt, daß sich der Durchmesser zuerst nach sehr geringem Schleifen rasch änderte, später langsamer.

Eine Faser aus Siliziumkarbid, speziell eine von der Textron Specialty Materials, Lowell, MA, erhaltene SCS-6- Faser wurde auf die geglättete Oberfläche der Titanbasislegierung auf dem Dorn gewickelt. Die Faser wurde an einem Ende befestigt und dann kontinuierlich auf die geglättete Oberfläche des Dornes gewickelt und dann am anderen Ende ebenfalls befestigt. Es wurde festgestellt, daß, obwohl mehr als 100 Windungen aus der Faser auf die geglättete Oberfläche gewickelt wurden, der Abstand der Faser auf dem überzogenen Dorn recht gleichmäßig war und das es nur wenige Stellen gab, an denen die Faser die benachbarte Faser in einer Weise berührte, daß dies den Durchgang gespritzten Metalles dazwischen verhindern könnte. Dies steht im Gegensatz zur Aufbringung einer gewickelten Faser auf eine Oberfläche, die nicht geglättet worden ist, da dort die Faser eine starke Neigung zum Zusammenballen in schmalen Taschen auf der rauhen Oberfläche hatte, so daß der Durchgang von gespritztem Metall zwischen den einzelnen Fasersträngen verhindert wurde.

Der Dorn mit seinem Matrixüberzug und der Schicht aus Faserverstärkung wurde wieder in die Niederdruck-Kammer zur Plasmaabscheidung eingeführt, und es wurde eine zweite Schicht aus Matrixmetall durch Plasmaspritzen auf und zwischen die Windungen der Faser gebracht, um eine Schicht zu bilden, die die faserförmige Verstärkung im wesentlichen innerhalb der abgeschiedenen Matrixschicht einbettete. Der Dorn und seine abgeschiedenen Schichten wurden abgekühlt und aus der Plasmakammer herausgenommen, die rauhe ungleichmäßige Oberfläche der abgeschiedenen Matrix wieder mittels Schleifgeräten abgeschliffen, was die äußere Schicht aus Matrixmetall glatter und gleichmäßiger macht. Dann wickelte man eine zusätzliche Schicht aus faserförmiger Verstärkung auf die äußere Oberfläche des Matrixmetalles und führte das Verfahren des Spritzabscheidens einer weiteren Schicht aus Matrixmetall wie oben beschrieben aus.

Nachdem dieses Verfahren des Schleifens, Wickelns und Spritzabscheidens viermal wiederholt worden war, entfernte man die auf dem Dorn gebildete Ringstruktur durch maschinelle Bearbeitung und Auflösen des Dornes. Nach dem Entfernen des Dornes wurde die Ringstruktur durch heißisostatisches Pressen innerhalb eines angepaßten HIP- Behälters verdichtet und danach der HIP-Behälter entfernt.

Es können auch andere faserförmige Verstärkungsmaterialien, wie Aluminiumoxidfasern statt der im obigen Beispiel speziell erwähnten benutzt werden, und es können auch andere Matrixmaterialien anstelle des im Beispiel genannten, wie andere Titanbasislegierungen, benutzt werden.

Die Anmelderin hat ein wirksames und wirtschaftliches Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Metallmatrix-Struktur geschaffen. Der Abstand von Faser zu Faser in den mit Hilfe der Schleifstufe hergestellten Verbundstoffen ist gleichförmiger als der Faserabstand bei Verbundstoffen, bei denen man die Schleifstufe weggelassen hat.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Verbundring-Struktur, umfassend:
Schaffen eines Dornes, auf der eine solche Struktur ausgebildet werden soll,
Abscheiden einer Schicht aus Titanbasis-Matrixmetall auf der Oberfläche des Dornes durch Plasmaspritzen,
Abschleifen der unebenen Oberfläche der abgeschiedenen Schicht, um sie eben und relativ glatt zu machen,
Aufbringen einer Wicklung aus faserförmiger Verstärkung auf die geschliffene Oberfläche,
Abscheiden einer zweiten Schicht aus Matrixmetall über der und um die faserförmige Verstärkung herum durch Plasmaspritzen,
Abschleifen der ungleichmäßigen Oberfläche der zweiten abgeschiedenen Schicht, um sie eben und relativ glatt zu machen und
Wiederholen der Stufen des Wickelns, Spritzens und Schleifens für eine vorbestimmte Anzahl von Malen, wodurch eine Verbundstruktur gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abschleifen zwischen 10 und 50% der Dicke der abgeschiedenen Schicht entfernt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Abschleifen zwischen 20 und 40% der Dicke der abgeschiedenen Schicht entfernt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die faserförmige Verstärkung aus Siliziumkarbidfaser besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Wicklung aus faserförmiger Verstärkung mehr als 100 Windungen auf 2,5 cm aufweist.