DE69306171T2 - Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Verbundkörpern, deren Matrizen aus mit keramischen Fasern verstärkten, keramischen oder Glasskeramischen Material besteht - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Verbundkörpern, deren Matrizen aus mit keramischen Fasern verstärkten, keramischen oder Glasskeramischen Material besteht

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Körpern aus einem Verbundstoff mit einer Matrix aus keramischem oder glaskeramischem Material, das mit keramischen Fasern verstärkt ist. Verbundstoffe mit Matrizen aus keramischem oder glaskeramischem Material werden immer häufiger bei der Herstellung von Körpern verwendet, die sowohl eine große Beständigkeit gegen hohe Temperaturen als auch eine geringe Masse aufweisen sollen. Diese Stoffe werden insbesondere für die Herstellung von Körpern verwendet, die sich in den heißen Bereichen eines Turbo- Flugzeugtriebwerks befinden. Es handelt sich bei diesen Körpern beispielsweise um Düsenklappen, um Mantel oder Arme eines Nachverbrennungskanals, um Mantelringe, um Verzweigungen von Ausstoßgehäusen, um Schaufeln oder Leitplatten eines Kompressors oder auch um die Blätter und Füße von beweglichen Schaufeln.
  • Diese Körper, die Belastungen unterschiedlicher Natur ausgesetzt sind, können brechen, sie müssen daher repariert werden.
  • Ferner ergibt sich bei der Fertigung von Körpern mit großen Abmessungen wie z. B. von Mantelringen aufgrund der Grenzen der verwendeten Anlagen oder der Herstellungsverfahren oft die Notwendigkeit, diese in einzelne Elemente mit kleinen Abmessungen zu unterteilen und sie dann zusammenzusetzen (anstatt sie als ganzen Körper zu fertigen).
  • Der Begriff "Verfahren zum Verbinden von zwei Körpern" deckt daher die beiden soeben angeführten Fälle ab, d. h. nicht nur das Verbinden sondern auch die Reparatur von Körpern.
  • Das Verbinden von zwei (oder mehr) Körpern, die aus den oben angeführten Materialien bestehen, ist mit Problemen verbunden, wenn es mit herkömmlichen mechanischen Mitteln wie z. B. Nieten, Bolzen oder Schrauben geschieht. Mechanische Verbindungen erfordern nämlich das Bohren der zwei zu verbindenden Körper. Nun sind keramische Verbundstoffe aufgrund ihrer großen Härte und/oder dadurch, daß auf ihrer Oberfläche eine Beschichtung aus rostfreiem Material oder irgendeine andere Beschichtung zum Schutz des Verbundstoffs vorhanden ist, schwer zu bearbeiten. Diese Beschichtung tendiert dazu, um die Bohrung herum abzusplittern oder aufzuplatzen und erfüllt dadurch nicht mehr ihre Schutzfunktion gegen alle äußerlichen Zerstörungserscheinungen.
  • Ferner bewirkt das Bohren, wenn es an einem faserverstärkten keramischen Material erfolgt, die zerstörung einer gewissen Anzahl von Faserlitzen, wodurch die mechanische Festigkeit des Körpers im Bereich dieser Bohrung herabgesetzt wird.
  • Schließlich und endlich bewirken metallene Elemente wie z. B. die Bolzen oder die Schrauben, die sich im Inneren des Körpers aus Verbundstoff befinden, Unterschiede in der Wärmedehnung, die die Unversehrtheit der Gesamtanordnung gefährden. Es ist daher wünschenswert, die Körper aus Verbundstoff mittels eines Materials der gleichen Art miteinander zu verbinden.
  • Aus der Schrift US-A-4 353 966 ist bereits ein Verfahren zum Verbinden von Gegenständen bekannt, die aus einem Verbundstoff auf Basis einer Matrix aus kohlenstoffaserverstärktem Glas bestehen. Dieses Verfahren besteht darin, auf die Oberfläche von mindestens einem der beiden zu verbindenden Gegenstände ein Gemisch aus Glas mit niedrigem Erweichungspunkt und einem Stoff mit hohem Erweichungspunkt und mit geringem Wärmedehnungskoeffizienten aufzubringen. Sodann werden die beiden Gegenstände miteinander verbunden und es erfolgt eine Warmverdichtung.
  • Aus der Schrift US-A-4 724 020 ist auch ein Verfahren zum Verbinden von keramischen Bauteilen durch Erwärmen und darauffolgendes Anlegen einer hohen elektrischen Spannung bekannt. Genauer ausgeführt werden beiderseits der zu verbindenden Bauteile zwei Fackeln angeordnet und die Berührungslinie zwischen den beiden Bauteilen wird mittels dieser Fackeln erwärmt. Sodann wird zwischen diesen beiden Fackeln eine Spannung zwischen 1000 und 10000 V angelegt. Dieses Verfahren kann bei keramischen Stoffen angewendet werden, die bei hohen Temperaturen Strom leiten.
  • Schließlich und endlich ist aus der Schrift US-A-4 156 051 ein Verfahren zur Herstellung komplexer Formen aus Keramik bekannt. Bei diesen Teilen handelt es sich beispielsweise um die einzelnen Bauteile eines Turbinenrotors. Dieses Verfahren besteht darin, durch Formen eines Keramikstoffes wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid mehrere Bauteile herzustellen, aus denen der letztendliche Körper zusammengesetzt wird, wobei jedes Bauteil eine Dichte von mehr als 98 % des theoretischen Wertes sowie eine große Biegefestigkeit hat. Diese Bauteile werden sodann direkt ohne fremden Zwischenstoff mittels Warmverdichten miteinander verbunden. Die Biegefestigkeit der aneinandergefügten Abschnitte gleicht der der anderen Teile des Körpers.
  • Diese verschiedenen Verfahren eignen sich jedoch nicht im geringsten für das Verbinden von Körpern mit Verstärkungen aus keramischen Fasern. Beim Verbinden ist es nämlich aus Gründen des spezifischen Widerstandes vorzuziehen, die Kontinuität des Materials in dessen Verbindungsbereich zu bewahren.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Körpern aus einem Verbundstoff mit einer Matrix aus keramischem oder glaskeramischem Material, das mit keramischen Fasern verstärkt ist.
  • Gemäß den Merkmalen der Erfindung umfaßt dieses Verfahren die Verfahrensschritte, die darin bestehen:
  • - zwei der Verbundkörper mit ihren jeweiligen zu verbindenden Kanten aneinanderzusetzen,
  • - zwischen diesen beiden Verbundkörpern mit einem Verbindungsmittel eine Nahtverbindung der keramischen Fasern herzustellen, die aus jedem der zu verbindenden Verbundkörper hervorstehen, und
  • - diese Verbindung mit Mitteln, die eine starke und lokal äußerst begrenzte Erwärmung ermöglichen, so weit zu erwärmen, daß die beiden Verbundkörper aneinandergeschweißt werden.
  • Ferner kann die Verbindung zwischen den beiden Verbundkörpern hergestellt werden, indem das Pulver eines keramischen oder glaskeramischen Zugabematerials um die genähten Fasern herum abgelagert wird.
  • Diese Art der Ausführung ist insbesondere bei einer Reparatur von zwei Bruchstücken eines gebrochenen Verbundkörpers anwendbar, wenn jedes Bruchstück an seinem unregelmäßig gebrochenen freien Ende noch Stücke von Keramikfasern aufweist. Es ist dann möglich, diese Fasern zu nähen und eine Verbindung aus dem gleichen Material wie das des Verbundkörpers herzustellen.
  • Die Verbindung mit Keramikfasern erhält die Kontinuität des Materials im Bereich der Verbindung der beiden Verbundkörper.
  • Vorteilhafterweise wählt man als Keramikfasern Fasern aus Aluminium oder Siliziumkarbid.
  • Das Material, aus dem die keramische oder glaskeramische Matrix besteht, ist vorzugsweise pulverförmig und wird unter den keramisierbaren Glasarten wie Lithium-Aluminosilikat, Magnesium-Aluminosilikat, Lithium- und Magnesium- Aluminosilikat, Kalzium-Aluminosilikat oder Magnesium- und Banum-Aluminosilikat gewählt.
  • Die Erfindung geht näher aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsart der Erfindung hervor, die nur als nicht einschränkendes Darstellungsbeispiel gegeben wird, in der Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, wobei
  • Fig. 1 ein Schema zeigt, das zwei Verbundkörper vor ihrer Verbindung darstellt,
  • Fig. 2 und Fig. 3 Schemata zeigen, die verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen,
  • die Figuren 4, 5 und 6 schematisch verschiedene in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Heiztechniken darstellen.
  • Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren ist speziell dafür gedacht, Körper aus einem Verbundstoff mit einer Matrix aus keramischem oder glaskeramischem Material, das mit keramischen Fasern verstärkt ist, miteinander zu verbinden. Die Materialien werden vorzugsweise in Form von Pulver verwendet, dem Bindemittel beigegeben werden, mittels derer dem genannten Pulver Halt und dem Ganzen Konsistenz gegeben werden kann.
  • Die kerämischen oder glaskeramischen Matrizen werden beispielsweise unter den in der Einführung genannten Materialien gewählt.
  • Die keramischen Fasern, mit denen diese Materialien verstärkt werden können, sind beispielsweise Siliziumkarbid(SiC) oder Aluminiumfasern (Al&sub2;O&sub3;)
  • Die zu verbindenden Körper können aus Keramik/Keramik-Verbundstoffen gleicher Art oder verschiedener Art bestehen.
  • Ferner kann die Architektur der Fasern jedes Körpers identisch oder unterschiedlich sein. Sie kann beispielsweise aus Lagen mit einheitlicher Ausrichtung 0º/0º bestehen, was bedeutet, daß bei den zusammengesetzten Verbundkörpern ihre jeweiligen Fasern parallel zueinander verlaufen. Die Ausrichtung zueinander kann auch 0º/90º betragen, was bedeutet, daß die Fasern der beiden zusammenzusetzenden Verbundkörper im rechten Winkel zueinander verlaufen, Es kann auch eine 45º/45º-Ausrichtung bestehen, um nur die häufigsten Ausrichtungfälle zu nennen.
  • Ferner können bei der Anordnung der einheitlich ausgerichteten Lagen aufeinander die verschiedenen möglichen Ausrichtungen kombiniert werden.
  • Es können weitere Faserarchitekturen verwendet werden, wobei die bekanntesten die Gewebe und die 2,5-D-Texturen sind. Im Gegensatz zu den in einer Ebene einheitlich ausgerichteten Lagen bestehen Gewebe aus Fasern, die miteinander verwoben sind. Als Gewebe können beispielsweise Taft, Satin, Köper oder ungleichmäßiges Gewebe verwendet werden. Diese Gewebe bieten je nach Ausrichtung der Fasern, aus denen sie beste hen, verschiedene Vorteile. Taft ist leichter zu handhaben und Satin ist leichter zu verformen, so daß er für die Herstellung von Formkörpern verwendet werden kann. Schließlich können diese Texturen auch so ausgerichtet werden, daß die Anzahl der Fasern in der Richtung erhöht wird, in der die Beanspruchungen am stärksten sind.
  • 2,5-D-Texturen sind beispielsweise zweidimensionale Gewebe (2 D) mit einem Verbindungsfaden in der dritten Richtung, um dem Ganzen eine noch größere Festigkeit zu geben und überhaupt eine Verbindung zwischen den Lagen zu gewährleisten, die Schichtspaltungen verhindert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren besteht allgemein darin, die beiden zu verbindenden oder zu reparierenden Körper mit ihren jeweiligen zu verbindenden Kanten aneinanderzusetzen, zwischen ihnen eine Verbindung mit keramischen Fasern herzustellen, so daß die Kontinuität der beiden Körper gewährleistet wird, und die so hergestellte Verbindung mit Mitteln, die eine starke und lokal äußerst begrenzte Erwärmung ermöglichen, so weit zu erwärmen, daß die beiden Verbundkörper aneinandergeschweißt werden.
  • Die Verbindung mit keramischen Fasern kann auf mehrere Weisen hergestellt werden.
  • Fig. 1 zeigt zwei zu verbindende Verbundkörper 1 und 3. Diese beiden Verbundkörper 1 und 3 weisen im Bereich ihrer jeweiligen zu verbindenden Kanten 5 Bruchstücke von keramischen Fasern 7. Diese Fasern sind hier mit einer 45º/45º- Ausrichtung dargestellt.
  • Eine erste Ausführungsart der Verbindung zwischen diesen beiden Verbundkörpern ist in Fig. 2 dargestellt. Die beiden Verbundkörper 1 und 3 weisen keramische Fasern 7&sub1; bzw. 7&sub3; auf, die aus deren zu verbindender Kante 5 hervorstehen. Die beiden Verbundkörper 1 und 3 werden so aneinandergesetzt, daß beispielsweise die Fasern 7&sub1;, die aus dem Verbundkörper 1 hervorstehen, die Fasern 7&sub3; überdecken, die aus dem Verbundkörper 3 hervorstehen. Die Verbindung 8 zwischen diesen beiden Verbundkörpern wird sodann durch einfaches Vernähen der Fasern 7&sub1; und 7&sub3; oder genauer ausgedrückt durch Durchnähen mit einem Verbindungselement 9 hergestellt. Vorzugsweise besteht dieses Verbindungselement 9 aus einer Faser der gleichen Art wie die für die Matrizen der Verbundkörper 1 und 3 verwendeten.
  • Bei einer ersten Variante der ersten Ausführungsart der Verbindung wird dann eine direkte Erwärmung durchgeführt, die auf die glaskeramische Matrix der Körper 1 und 3 begrenzt ist, wobei diese durch Umschmelzen eine Verbindung zwischen sich bilden.
  • Bei einer zweiten Variante der ersten Ausführungsart der Verbindung wird ferner beiderseits der auf diese Weise ausgeführten Naht eine bestimmte Menge Pulver eines keramischen oder glaskeramischen Zugabematerials 11 hinzugefügt und es wird mit Hilfe von später beschriebenen Heizmitteln eine lokal begrenzte Umschmelze ausgeführt, so daß die Verbindung 8 zwischen den beiden Verbundkörpern 1 und 3 gebildet wird. Das Zugabematerial 11 hat vorteilhafterweise die gleiche Beschaffenheit wie die keramische oder glaskeramische Matrix, die zur Herstellung der zusammengefügten Körper 1 und 3 verwendet wird (siehe insbesondere die zuvor genannten Beispiele). Dieses Zugabematerial 11 wird verwendet, wenn das auszugleichende Spiel zwischen den beiden Körpern 1 und 3 groß ist, ansonsten ist es nicht unbedingt erforderlich.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsart der Verbindung zwischen den Verbundkörpern 1 und 3. Bei einer ersten Variante dieser zweiten Ausführungsart der Erfindung werden die beiden Verbundkörper ebenfalls durch Vernähen ihrer Fasern 7&sub1; und 7&sub3; miteinander verbunden. In diesem Fall wird jedoch als Verbindungsmittel eine kontinuierliche, lange Faser 10 verwendet, die nicht nur in der Dicke durch die Fasern 7&sub1; und 7&sub3; hindurch verläuft, d. h. senkrecht zu den Fasern 7&sub1; und 7&sub3;, sondern auch in der Ebene der Verbindung 8, d. h. in der Ebene der Fasern 7&sub1; und 7&sub3;. Diese lange Faser 10 besteht vorzugsweise aus einem Material der gleichen Art wie das für die Fasern der Matrizen verwendete Material. Es wird sodann eine Erwärmung durchgeführt, die auf diese Fasern und die Enden der Körper 1 und 3 begrenzt ist, um die Verbindung 8 zu bilden. Bei einer zweiten Variante dieser zweiten Ausführungsart wird sodann auf den Fasern7&sub1; und 7&sub3; eine Schicht eines Zugabematerials 11 abgelagert, wie oben für Fig. 2 beschrieben. Auf diese Weise wird die Verbindung 8 gebildet.
  • Die verwendeten Heizmittel müssen es ermöglichen, eine sehr große Energiemenge in ein geringes Volumen einzubringen, um eine lokal sehr begrenzte Umschmelze des Zugabematerials sowie eine Rückstrahlung in Richtung des Materials der Matrix zu erzielen, die die Körper bildet.
  • Unter diesen Heizmitteln kann die Erwärmung durch Mikrowelle mittels eines Resonanzraums mit 2,45 GHz (siehe Fig. 4) , die Erwärmung durch Induktion, im allgemeinen mit einem wärmeerzeugenden Leiter (siehe Fig. 5), die Erwärmung durch Infrarot-Lampen (nicht dargestellt) oder die Oberflächenbehandlung mit Laserstrahl (siehe Fig. 6) genannt werden. Die Heizmittel werden je nach der Geometrie der Körper und der Art der herzustellenden Verbindungen gewählt.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt, werden zwei Körper 1' und 3' eines Mantelrings 13 in einem Resonanzraum 15 miteinander verbunden. Das Verfahren zum Verbinden der Fasern ist das in den Figuren 2 und 3 verwendete.
  • Fig. 5 gleicht Fig. 4, abgesehen davon, daß das Erwärmen mittels eines Heizinduktors 17 und eines wärmeerzeugenden Leiters 19 erfolgt.
  • Fig. 6 schließlich zeigt die Erwärmung der beiden Körper 1' und 3' mittels eines Laserstrahls 21.
  • Be der Verwendung dieser Mittel zum lokal sehr begrenzten Erwärmen ist es nicht mehr notwendig, dem Zugabematerial Schmelzmittel beizugeben, wodurch beispielsweise bei einer weniger begrenzten Behandlung die Schmelztemperatur gesenkt würde. Es kann im Gegenteil als Zugabematerial eine Substanz verwendet werden, die identisch mit der für die Herstellung der Körper verwendeten ist. Der Hauptzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Betriebstemperatur der Verbindung nicht auf die Schmelztemperatur eines Zugabematerials zu begrenzen, dem Schmelzmittel beigegeben wurden (die niedriger ist als die Schmelztemperatur der ursprünglichen Matrix). Diese Art von lokal begrenztem Erwärmen ermöglicht es, sogar mit Körpern zu arbeiten, die metallene Bestandteile oder Verbundstoffe enthalten, deren Schmelztemperatur niedriger ist als die des Hauptmaterials.
  • Schließlich ist zu bemerken, daß, obwohl immer nur das Verbinden von zwei Körpern beschrieben wurde, es doch ebenso möglich ist, auch eine größere Anzahl von diesen gleichzeitig miteinander zu verbinden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Verbundkörpern (1, 1'; 3, 3'), deren Matrix aus mit keramischen Fasern verstärktem keramischen oder glaskeramischen Material besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß es die Verfahrensschritte umfaßt, die darin bestehen:
- zwei der Verbundkörper (1, 1'; 3, 3') mit ihren zu verbindenden jeweiligen Kanten (5) aneinanderzusetzen,
- zwischen diesen beiden Verbundkörpern eine Nahtverbindung (8) mit einer Verbindung (9, 10) der keramischen Fasern (7&sub1;, 7&sub3;) herzustellen, die aus jedem der zu verbindenden Verbundkörper (1, 1'; 3, 3') hervorstehen, und
- diese Verbindung (8) mit Mitteln, die eine starke und lokal äußerst begrenzte Erwärmung ermöglichen, so weit zu erwärmen, daß die beiden Verbundkörper (1, 1'; 3, 3') aneinandergeschweißt werden.
2. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Naht durch Durchnähen mittels eines Verbindungselements (9) hergestellt wird, welches den Halt der Fasern (71, 73) in der Dicke gewährleistet.
3. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Naht mittels eines Verbindungselements (10) hergestellt wird, welches den Halt der Fasern (7&sub1;, 7&sub3;) in der Dicke und in der Ebene der genannten Fasern (7&sub1;, 7&sub3;) gewährleistet.
4. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (8) zwischen den beiden Verbundkörpern (1, 1'; 3, 3') hergestellt wird, indem das Pulver eines keramischen oder glaskeramischen Zugabematerials (11) um die genähten Fasern (7&sub1;, 7&sub3;) herum abgelagert wird.
5. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem die keramische oder glaskeramische Matrix besteht, unter den keramisierbaren Gläsern wie Lithium-Aluminosilikat, Magnesium-Aluminosilikat, Lithium- und Magnesium-Aluminosilikat, Kalzium-Aluminosilikat oder Magnesium- und Barium-Aluminosilikat gewählt wird.
6. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugabematerial (11) von der gleichen Art ist wie das Material, das zur Bildung der keramischen oder glaskeramischen Matrix verwendet wird.
7. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Fasern (7&sub1;, 7&sub3;) unter den Aluminium- oder Siliziumkarbidfasern gewählt werden.
8. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (9, 10) aus einem Material der gleichen Art wie das Material der Fasern (7&sub1;, 7&sub3;) der keramischen oder glaskeramischen Matrix hergestellt wird.
9. Verfahren zum Verbinden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmittel aus den Bereichen der Mikrowellen-Heizung (15), der Induktion (17, 19), der Lampen mit Infrarotstrahlung oder der Oberflächenbehandlung mit Laserstrahl (21) gewählt werden.
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