DE69701284T2

DE69701284T2 - Vorrichtung zum matrixbeschichten von fasern mit metalldampf

Info

Publication number: DE69701284T2
Application number: DE69701284T
Authority: DE
Inventors: Lakshman Chandrasekaran; Malcolm Ward-Close
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2017-03-25
Also published as: GB9606228D0; EP0894153B1; US6129951A; EP0894153A1; WO1997036021A1; AU2037497A; DE69701284D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung von Einzelfasern aus keramischem Verstärkungsmaterial wie Siliziumcarbid mit Matrixmetall in einer vorbestimmten Dicke durch ein PVD-Verfahren. Anschließend kann die beschichtete Verstärkung in einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit kontrolliertem Faserabstand konsolidiert werden.
Faserverstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe ermöglichen Kombinationen von Festigkeit, Steifheit und Funktionsfähigkeit bei erhöhter Temperatur, die mit herkömmlichen Strukturmaterialien nicht erzielt werden können. Hieraus ergibt sich gegenwärtig ein weiter Anwendungsbereich in der Luftfahrttechnologie.
Typische Matrixmaterialien sind Titan, Aluminium oder ihre Legierungen. Besonders bevorzugt sind Legierungen dieser Elemente, die einer superplastischen Verformung unterliegen können.
Bislang ist der Gebrauch von Titan als Matrixmaterial aufgrund der hohen chemischen Reaktivität des Titans auf Feststoffprozesse bei relativ geringen Temperaturen (1000ºC) begrenzt. Eine bekannte Technik ist das sog. "Folienfaser- Verfahren", in dem wechselnde Schichten von Metallfolien und Keramikfasern zusammen heißgepreßt werden, um ein vollständig dichtes Produkt zu erhalten. Dieser Prozeß ist recht erfolgreich bei flachen Produkten, jedoch treten manchmal aufgrund der Inkompatibilität der Folie mit dem Verstärkungselement Probleme auf. Außerdem läßt sich eine gewisse Bewegung der Fasern nicht vermeiden, was möglicherweise zu sich berührenden Fasern und lokalen Inhomogenitäten in der Struktur führen kann. Eine Variante des Folienfaserverfahrens verwendet Legierungspulver, das mit organischem Binder gemischt wird und, als Alternative zu der Metallfolie, zu einem Gewebe gerollt wird. Dieses alternative Verfahren ist auch der Gefahr der Faserbewegung ausgesetzt, gestattet aber durch das Mischen von Pulvern eine größere Variabilität des zu verwendenden Matrixmaterial. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren zur Vorbeschichtung durch PVD ermöglicht eine Beschichtung mit Matrixphase mit geeigneter Dicke und Gleichmäßigkeit auf jeder Faser, so daß der gewünschte Matrixvolumengehalt im fertigen Verbundwerkstoff erreicht wird. Es ist nicht notwendig, weiteres Matrixmaterial während des Konsolidierungsschritts hinzuzufügen. Zusätzlich wird der Faserabstand im fertigen Produkt durch die Dicke der Beschichtung mit Matrixphase vorbestimmt. Versehentliche Bewegungen der Fasern beeinflussen ihren Abstand nicht. Ein anderer Vorteil des Vorbeschichtungsverfahrens besteht darin, daß die keramische Faser sowohl während der Handhabung als auch während der Konsolidierung vor Beschädigung geschützt wird.
Es ist bekannt, Metallmatrix-Verbundwerkstoffmaterialien aus Titanlegierungen und Langfaserverstärkungen durch einen Prozeß zu erzeugen, der das Zusammenlegen der Verstärkungsfasern und dünner Folien der Matrixlegierung beinhaltet. Diese werden dann unter Bedingungen konsolidiert, die superplastisches Fließen innerhalb des Matrixmaterials und nachfolgendes Diffusionsbinden verursachen. Diese bekannte Methode hat zwei Hauptnachteile. Erstens ist die Wahl der Matrixlegierung begrenzt, da Folien der gewünschten Zusammensetzung nicht verfügbar sind. Zweitens ist es nicht einfach, eine Kontrolle des Faserabstandes über den gesamten Bereich gewünschter Faser/Matrix-Volumenverhältnisse zu bewerkstelligen.
Es ist auch bekannt, Infiltrationsverfahren mit flüssigem Metall zur Herstellung bestimmter Typen von langfaserverstärkten Matrixmaterialien zu verwenden. Unglücklicherweise ist dieses Verfahren aufgrund der hohen Reaktivität von flüssigem Titan für Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus Titan oder Titanlegierung ungeeignet. Aufgrund der Reaktivität können unerwünschte Reaktionen zwischen dem Matrixmaterial und der Verstärkung während des Infiltrationsschrittes auftreten.
In der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-56625 wird eine kontinuierliche Bedampfungsvorrichtung beschrieben, die zur Beschichtung von Fasern oder Filmen geeignet sein soll. Die Beschreibung gibt jedoch keine Information über die Art des Beschichtungsmaterials, die Vorrichtung beinhaltet jedoch eine Umkehrrolle, die die Faser (oder den Film) für ihren Rücklauf durch die Beschichtungsstation umdreht. Es wird jedoch keine Vorkehrung getroffen, um zwischengelegene Seiten dem Beschichtungsfluß auszusetzen. Hieraus ergibt sich, daß die Fasern nur oberflächlich an ihren "Rändern" beschichtet ist. Daher ist diese Vorrichtung besser geeignet zur Beschichtung planarer Lagen eines Materials, wo die Beschichtungstiefe an den Rändern von geringerer Bedeutung ist. Eine derartige Vorrichtung ist zur Herstellung von Fasern mit gleichmäßiger Beschichtung ungeeignet.
In einer früheren internationalen Patentanmeldung des Anmelders Nr. WO 92/14860 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der eine Einzelfaser mehrere Durchläufe zwischen oberhalb eines Verdampfungsbads angebrachten Übertragungsrollen durchläuft. Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung läuft die Faser zusätzlich um eine Drallrolle. Der Zweck der Drallrolle ist es, die Faser umzuorientieren, so daß mehrere verschiedene Seiten der Faser dem von dem Verdampfungsbad aufsteigenden Metalldampf ausgesetzt werden. PVD (Physical Vapour Deposition) ist ein Sichtlinienprozeß, so daß es wichtig ist, die Fasern in verschiedenen Orientierungen auszusetzen, um eine um ihren Umfang gleichmäßige Beschichtung zu erhalten.
Der Nachteil der oben beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die Drallrolle die Komplexität und die Masse der Apparatur vergrößert. Auch ist die Anzahl von Durchläufen durch den Dampffluß gering, so daß die Transportgeschwindigkeit gering sein muß, um eine ausreichende Tiefe der Matrixbeschichtung zu erhalten. Obgleich akzeptable gleichförmige Beschichtungen mit dieser Apparatur erhalten werden, ist sie nicht für eine Großserienproduktion geeignet.
In einer anderen Ausführungsform wird auf die Drallrolle verzichtet, statt dessen verwendet die Vorrichtung zwei Umsetzrollen, von denen jede in ihrer Oberfläche eine Reihe von faseraufnehmenden konzentrischen Rillen aufweist. Wenn die Faser auf einem eine Acht beschreibenden Weg von einer Rolle zu der anderen läuft, wird durch den Reibungskontakt zwischen der Faser und den Rillenseiten eine leichte Verdrehung auf die Faser übertragen. Hierdurch wird eine gleichförmige Beschichtung um den Faserumfang erreicht, wenn die Faser eine große Anzahl an Durchläufen (z. B. 100 oder mehr) durch den Dampffluß durchläuft.
Es wurde festgestellt, daß die zweite oben beschriebene Ausführungsform den Nachteil eines ungleichmäßigen Faserzugs über die Umsetzungsrollen aufweist. Insbesondere wurde festgestellt, daß die Faserschleifen nahe den Enden der Umsetzungsrollen eine vergleichsweise hohe Spannung aufweisen, während die Faserschleifen auf den mittleren Bereichen der Rollen dazu neigen, relativ lose zu sein. Hierdurch hebt sich die Faser bekanntermaßen in der einen oder anderen Umsetzungsrolle von ihrer Rille ab und belegt die Rille, die bereits eine andere Schleife der Faser enthält. Wenn dies geschieht, führen erhöhte Reibungskräfte häufig zu Faserbruch.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Beschichtung einer Einzelfaser mit Metalldampf der Matrixphase anzugeben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit verbessertem Fasertransport zur Reduktion der Gefahr des Faserbruchs während des Beschichtungsvorgangs anzugeben.
Ein Aspekt der Erfindung gibt eine PVD-Vorrichtung zum Vorbeschichten von Fasern aus einem Verstärkungsmaterial mit Ma trixmetall in einer vorbestimmten Dicke an, vor der Konsolidierung zur Herstellung eines Metallmatrix- Verbundwerkstoffmaterials, mit:
- wenigstens einem Verdampfungstiegel,
- Heizvorrichtung(en) zum Aufheizen einer Metallcharge in dem oder jedem Verdampfungstiegel auf eine Temperatur, bei der ein nennenswerter Dampfdruck gebildet und ein Metalldampffluß freigesetzt wird,
- einer motorbetriebenen Wickeleinrichtung, um das Verstärkungselement durch die Vorrichtung zu ziehen, und
einer Führungsvorrichtung, um das Verstärkungselement wiederholt durch den Dampffluß zu führen, wobei die Führungsvorrichtung Vorrichtungen aufweist, um ein Drehen des Verstärkungselements um seine Längsachse nach jedem aufeinanderfolgenden Durchlauf durch den Dampffluß um einen Teilbetrag von 180º zu bewirken, wodurch bei jedem Durchlauf verschiedene Seiten des Verstärkungselements dem Dampffluß ausgesetzt werden,
- wobei die Führungsvorrichtung zwei Mehrfachdurchlauf- Übertragungsrollen aufweist und in der Oberfläche jeder dieser Rollen eine Vielfalt konzentrischer, faseraufnehmender Rillen ausgebildet ist, und diese Übertragungsrollen oberhalb des Verdampfungstiegels oder der Verdampfungstiegel und entfernt voneinander mit ihren Drehachsen parallel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine dieser Übertragungsrollen eine Vielzahl unabhängig voneinander drehbarer Unterrollen, die die gleiche Drehachse nutzen, aufweist.
Der Vorteil der Anordnung der Erfindung besteht darin, daß unterschiedliche Spannungen in der Faser während des Beschichtungsvorgangs beseitigt werden. Falls ein lokaler Span nungsanstieg auftritt, sind einzelne Unterrollen in der Lage mit verschiedenen Geschwindigkeiten um die gemeinsam genutzte Achse zu rotieren, um die Spannungsbildung zu kompensieren und dadurch eine dauerhaft gleichmäßige Spannung über die Breite der Übertragungsrollen zu erhalten.
Vorzugsweise liegt die Anzahl der faseraufnehmenden, konzentrischen Rillen in jeder Unterrolle im Bereich zwischen 1 und 10. Gute Ergebnisse wurden mit Unterrollen mit 5 bis 8 solcher Rillen erhalten. Während angenommen werden kann, daß die besten Ergebnisse mit einem Aufbau an einrilligen Unterrollen erzielt werden würden, ist die Anmelderin der Ansicht, daß dieser Betrag an Unabhängigkeit der Rotation nicht notwendig ist. Tatsächlich ist es technisch komplex und teuer, eine gesamte Übertragungsrolle mit unabhängigen Lagern für jede einzelne einrillige Unterrolle auszurüsten. Der oben angegebene mittlere Bereich stellt einen vernünftigen Kompromiß dar. Unterrollen mit mehr als 10 Rillen erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Faserbruchs durch Bildung unterschiedlicher Spannungen quer über die Wicklungen.
Es ist nicht wesentlich, daß die Anzahl der Rillen in jeder Unterrolle über die gesamte Breite der Übertragungsrolle gleich ist. Jedoch ist dies die zweckmäßigste Anordnung, da dann alle Komponenten der Übertragungsrollen einen gleichartigen Aufbau aufweisen und austauschbar sind.
Typischerweise ist die Breite der faseraufnehmenden Rillen in den Übertragungsrollen zwischen 4- und 25mal größer als der Durchmesser der unbeschichteten Faser. Die Tiefe der faseraufnehmenden Rillen kann bis zu 100mal größer sein als der Durchmesser der unbeschichteten Faser. Diese relativen Abmessungen gewährleisten, daß, selbst wenn Unterschiede in der Spannung auftreten, die Fasern während des Transports durch die Beschichtungsapparatur nicht aus den Rillen herauslaufen können. Die großzügigen Toleranzen der Rillengrößen gestatten eine thermische Bewegung der Rollenelemente ohne die Gefahr, daß die Faser eingeklemmt wird und auch eine Zunahme der Faserbreite mit steigender Schichtdicke. Der untere Teil der Rillen kann abgerundet sein.
Die Vorrichtung kann außerdem einen sog. "Tänzerarm" zwischen der Faserzufuhrrolle und der ersten Übertragungsrolle aufweisen. Der Tänzerarm ist federgespannt, um der Faser eine Vorspannung zu verleihen, bevor sie auf den Aufbau der Übertragungsrollen gebracht wird. Zweckmäßigerweise weist der Tänzerarm an seinem äußersten Ende eine Führungsrolle auf, über die die Faser läuft.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt ein Verfahren zur Vorbeschichtung von Fasern eines Verstärkungsmaterials mit Matrixmetall in einer vorbestimmten Dicke an, vor der Konsolidierung zur Herstellung eines Metallmatrix- Verbundwerkstoffmaterials, durch:
- Vorbeiführen des Verstärkungsmaterials über wenigstens einen Verdampfungstiegel,
- Aufheizen einer Metallcharge in dem oder jedem Verdampfungstiegel auf eine Temperatur, bei der ein nennenswerter Dampfdruck gebildet und ein Fluß an Metalldampf freigesetzt wird,
- Ziehen des Verstärkungsmaterials quer über den oder jeden Verdampfungstiegel durch eine Vorrichtung aus einer motorgetriebenen Wickeleinrichtung, und
- wiederholtes Führen des Verstärkungsmaterials durch den Dampffluß mittels einer Führungsvorrichtung, die zwei Mehrfachdurchlauf-Übertragungsrollen aufweist, und in jeder der Oberflächen der Übertragungsrollen ist eine Vielfalt an konzentrischen, faseraufnehmenden Rillen ausgebildet, wobei diese Übertragungsrollen oberhalb des oder der Verdampfungstiegel und voneinander entfernt mit ihren Drehachsen parallel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Übertragungsrollen eine Vielzahl unabhängig drehbarer Unterrollen aufweist, die die gleiche Drehachse nutzen, in einer Art und Weise, die eine Verdrehung des Verstärkungsmaterials um seine Längsachse nach jedem aufeinanderfolgenden Durchlauf durch den Dampffluß um einen Teilbetrag von 180º bewirkt, wodurch bei jedem Durchlauf verschiedene Seiten des Verstärkungselements dem Dampffluß ausgesetzt werden.
Bevorzugte Variationen des Verfahrens offenbaren sich dem Fachmann beim Durchlesen der bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung.
Die Erfindung wird nun beispielhaft in bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Faserbeschichtungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Vorderteilansicht des Faserbeschichtungssystems der Fig. 1;
Fig. 3 einen Teilabschnitt eines Aufbaus der die Übertragungsrolle bildenden Unterrollen gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 detailliert einen Teil eines Unterrollenelements der Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 6 einen Mikroschliff des aus mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung beschichteten Fasern hergestellten Metallmatrix-Verbundwerkstoffmaterials.
Fig. 1 und 2 zeigen den schematischen Aufbau einer PVD- Vorrichtung und eines Fasertransportsystem. Dem Fachmann ist klar, daß es notwendig ist, einen PVD-Prozeß unter Hochvakuum durchzuführen. In der gezeigten Vorrichtung wurde die Vakuumkammer aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
Das Fasertransportsystem weist eine Zufuhrrolle 10 und eine Aufwickelrolle 20 auf. Vor dem Beginn des Beschichtungsvorgangs wird die Zufuhrrolle 10 mit der unbeschichteten Faser 100 beladen, jedoch ist in Fig. 1 die Zufuhrrolle 10 teilabgerollt und die Wickelrolle 20 teilbeladen dargestellt.
Bei der Faser 100 kann es sich um jede geeignete keramische Faser, wie Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Bornitrid oder sogar elementares Bor handeln. Typischerweise werden Fasern mit einem Durchmesser von 50 bis 250 um verwendet, bevorzugt werden Durchmesser in der Größenordnung zwischen 70 und 200 um, und besonders bevorzugt wird der Bereich zwischen 100 und 140 um. In den unten beschriebenen Beispielen werden Siliziumcarbidfasern mit einem Durchmesser zwischen 100 und 140 um verwendet.
Beim Verlassen der Zufuhrspule 10 läuft die Faser über die Führung 30 auf den Tänzerarm 40 zu, der mit einer Führungsrolle 41 versehen ist, um die die Faser 100 gewunden wird. Der Tänzerarm 40 ist federgespannt durch eine Zugfeder 42, die eine anfängliche Spannung auf die Faser aufbringt, bevor diese auf die Übertragungsrollen der Beschichtungsstation geladen wird.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Übertragungsrollen 50, 60 oberhalb der Verdampfungsquelle 70 in der Beschichtungsstation befestigt. Die Verdampfungsquelle 70 ist ein Stab 75 aus einer Basislegierung mit gleicher Legierungszusammensetzung wie die erforderliche Matrixlegierung. Der Stab 75 sollte je nach verwendeter Verdampfungsleistung für 4 bis 8 Stunden ausreichen. Eine typische Stabquelle 75 hat ei nen Durchmesser von 75 mm und eine Länge von 130 mm. Die Verdampfung wird durch einen Elektronenstrahl 72 bewirkt, der von einer Elektronenstrahlkanone 71 mit einer Leistung von 45 kW ausgestrahlt wird. Der Stab 75 wird durch einen wassergekühlten Kupferherd 83 geführt, was durch die hohe thermische Leitfähigkeit des Kupfers zur Vermeidung einer Beschädigung des Tiegels bedingt ist. Das Aufschmelzen erfolgt wirksam innerhalb einer dünnen "Schale" der festen Legierung in Kontakt mit dem Kupfer. Daher wird diese Technik oft als Schalenschmelzprozeß bezeichnet.
Der Elektronenstrahl 72 wird auf die Mitte des Stabs 75 fokussiert und erzeugt einen Metallschmelzpool teilweise unterhalb 75 mm im Durchmesser und ungefähr 25 mm in der Tiefe. Der Stab kann mit jeder gewünschten Geschwindigkeit angehoben werden, um in dem Schmelzpool ein ständiges Volumen an Flüssigkeit zur Verdampfung zu erhalten. Wenn der Stab 75 verbraucht ist, kann er durch einen von unten nachgeführten Stab ersetzt werden.
Die Faser 100 läuft wiederholt auf einem eine Acht beschreibenden Weg zwischen den Übertragungsrollen 50 und 60 vor und zurück. Anfänglich werden die Faserschleifen von dem hochsteigenden Metalldampf durch den Verschluß 80 abgeschirmt. Dies geschieht, damit die Verdampfung einen Gleichgewichtszustand erreichen kann, bevor die Faser dem Dampffluß ausgesetzt wird, um eine konstante Zusammensetzung des Dampfes während der Bedampfung zu erreichen. Andere Teile der Vorrichtung werden vor unerwünschter Bedampfung durch den Metalldampf durch eine Reihe von Abschirmungen, wie z. B. die in Fig. 2 schematisch dargestellten unteren und oberen Abschirmungen 82 und 81 geschützt.
Beim Verlassen der Beschichtungsstation läuft die Faser über ein anderes Führungsrad 43 auf ihrem Weg zur Aufwickelrolle 20 über die Führung 30. Die Aufwickelrolle 20 weist einen äußeren Kettenantrieb 21 auf und die Faser 100 wird auf diese Weise durch die Vorrichtung gezogen, wobei Spannung durch die Rutschkupplung 11 auf der Zufuhrrolle 10 erzeugt wird. Die Zufuhrrolle 10 und die Aufwickelrolle 20 sind auf einer gemeinsamen Welle montiert, die von einem ferngesteuerten Motor mit variabler Drehzahl durch eine Dreh-Vakuumversiegelung angetrieben wird (nicht gezeigt). Während der Beschichtung läuft die Zufuhrrolle frei und die Aufwickelrolle wird durch die Rotationswelle blockiert. Wie oben erwähnt, sind sowohl die Zufuhrrolle 10 als auch die Aufwickelrolle 20 mit Führungen 30 ausgestattet. Dies gewährleistet, daß die Faser 100 die Zufuhrrolle immer im richtigen Winkel verläßt und auf der Aufwickelrolle mit gleichem Abstand zwischen den Drehungen und ohne Überlappung aufgewickelt wird. Die Führungen 30 sind auf einer gemeinsamen Führungswelle befestigt, deren Rotation auf die Aufwickelrolle 20 übersetzt wird, so daß der Abstand der gewickelten Faser unabhängig von der Wickelgeschwindigkeit konstant bleibt.
Bezug nehmend auf Fig. 3 ist erkennbar, daß die Übertragungsrolle 50 aus einer Anzahl von Unterrollen 51 besteht. Diese sind auf einer gemeinsamen Welle 59 fixiert und jede Unterrolle 51 ist in der Lage, unabhängig von ihren Nachbarn auf der Welle 59 zu rotieren. Diese Unabhängigkeit der Bewegung gestattet es, Unterschiede in der Faserspannung über die Rolle 50 zu kompensieren. Hierdurch wird das Risiko eines Faserbruchs minimiert.
Fig. 4 zeigt eine der Unterrollen 51 im Detail. In dieser besonderen Ausführungsform ist jede Unterrolle 51 mit fünf konzentrischen, faseraufnehmenden Rillen 52 ausgebildet. Die Rillen 52 sind im Bereich ihres Grundes 53 halbrund und weisen eine Breite w von 1,1 mm und eine Tiefe d von 5 mm auf. Der Abstand c zwischen den Rillen beträgt 1 mm, ausgenommen an den Rändern, wo die Dicke nur 0,7 mm beträgt. Dies bedeutet, angenommen es gäbe absolut keine Lücke zwischen ihnen, daß der minimale Abstand zwischen den Rillen 52 aneinanderliegender Unterrollen 51 1,4 mm beträgt. Natürlich ist es wünschenswert, die Lücken zwischen zueinanderliegenden Unterrollen zu minimieren, um die Faser vor einem Einklemmen zwischen ihnen zu schützen, falls während der Beschichtung eine ernsthafte Lockerung auftritt.
Obgleich nicht als solche dargestellt, kann die zweite Übertragungsrolle 60 in der gleichen Weise wie die Übertragungsrolle 50 aufgebaut sein, d. h. durch eine Vielzahl an vielfach gerillten Unterrollen.
Die faseraufnehmenden Rillen erfüllen einen doppelten Zweck. Die primäre Funktion besteht darin, einen regelmäßigen Lauf der Faser zu gewährleisten, während sie ihre vielfachen, eine Acht beschreibenden Durchläufe durch die Beschichtungsstation ausführt. Die Rillen helfen einen gleichmäßigen Abstand zwischen den aneinanderliegenden Schleifen beizubehalten, so daß kein Scheuern auftritt, was zu erhöhter Transportreibung und möglicherweise zum Faserbruch führen kann. Jedoch erfüllen die Rillen auch eine zweite Funktion nahezu gleicher Bedeutung. Da die Faser nach und nach von Rille zu Rille spurt, erfolgt ein nicht symmetrischer Kontakt mit den Rillenwänden. Hierdurch wird die Faser jedes Mal, wenn sie eine der Übertragungsrollen 50, 60 umläuft, leicht verdreht. Anstatt eine regelmäßige 180º-Umkehrung auszuführen, wird die Faser um einen Teilbetrag dieses Wertes umorientiert. Daher wird die Faser beim Spuren über die Übertragungsrollen mehrere Male umorientiert und ihr gesamter Umfang wird dem Dampffluß ausgesetzt, um eine gleichförmige Beschichtung zu erzielen.
In bezug auf die Umorientierung der Faser um einen Teilbetrag der 180º im vorstehenden Abschnitt soll dies so verstanden werden, daß die Bezeichnung "Teilbetrag" auch uneigentliche Teilbeträge bedeuten kann. Mit anderen Worten ist auch eine Umorientierung um mehr als 180º möglich.
In Fig. 5 wird eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung gezeigt, bei der ein weiterer Verdampfungstiegel 195 vorhan den ist. In der Figur ist nur ein Teil des Transportsystems für die Faser 100 gezeigt. Im linken Teil der Figur ist ein erstes Führungsrad 141, das die Faser 100 von der (nicht gezeigten) Zufuhrrolle zu einer ersten Mehrfachdurchlauf-Übertragungsrolle 150 führt. Diese Rolle ist in ihrem Aufbau ähnlich der Rolle 50, die oben im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Ihre Struktur wird hier nicht weiter besprochen.
Die Faser 100 führt eine Vielzahl von eine Acht beschreibenden Durchläufen zwischen der ersten Übertragungsrolle 150 und der zweiten Übertragungsrolle 160 durch, bevor sie über das zweite Führungsrad auf die Aufwickelspule (nicht gezeigt) 143 aufgewickelt wird.
In ähnlicher Weise wie die oben beschriebene Ausführungsform wird die Beschichtungsstation durch einen fernbedienbaren Verschluß 180 von den Metalldämpfen abgeschirmt. Die Abschirmungen 181 und 182 schirmen andere Teile der Vorrichtung vor ungeschützter Bedampfung durch Metalldampf ab.
Die erste Verdampfungsquelle 170 ist eine Stabquelle aus Basislegierung, die durch einen wassergekühlten Kupferherd 183 im Verlauf ihres Verbrauchs in die Richtung des Pfeils "A" geführt wird. Die zweite Verdampfungsquelle 190 ist eine ebene Quelle 195 (d. h. nicht stabgeführt), die als Quelle für Nebenbestandteile der Matrix verwendet wird.
Der Grund für die Verwendung zweier getrennter Verdampfungsquellen liegt darin, daß Elektronenstrahlverdampfung aus einem einzelnen Legierungsbad nur dann wirksam ist, wenn die Dampfdrücke der beteiligten Legierungen bei Badtemperatur relativ ähnlich sind. Typischerweise müssen die Dampfdrücke innerhalb zweier Größenordnungen liegen. Wenn sie sich stärker unterscheiden, ist eine zweite Quelle notwendig.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Stabquelle für das Hauptmetall der Matrix, d. h. Titan, zuzüglich solcher Elemente wie Vanadium und Aluminium, die für eine Verdampfung mit Titan geeignet sind, verwendet. Die zweite Quelle 195 ist für Refraktionselemente, wie z. B. Zirkon oder Molybdän, die einen sehr viel geringeren Dampfdruck aufweisen und Elektronenstrahlen mit höherer Leistung für die Verdampfung benötigen.
Die Quellen 175 und 195 besitzen jeweils eine Elektronenstrahlkanone 171, 191 die die Strahlen 172, 192 ausstrahlen.
Obgleich der Abstand der Quellen 175 und 195 voneinander bewirkt, daß die Faser 100 bei ihrem Durchlauf durch die Beschichtungsstation verschiedenen Dampfzusammensetzungen ausgesetzt wird, tritt trotz der Abwesenheit von Streuung ein bestimmter Betrag an Dampfmischung auf. Wenn die Faser nachfolgend zu einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff konsolidiert wird, ist die Hitzebehandlung ausreichend, um durch die Dicke der abgeschiedenen Matrixlegierung geringe Schwankungen in der Zusammensetzung zu entfernen.
Nach der Beschichtung kann die Faser für lange Zeiträume ohne Schaden gelagert werden. Beschichtete Längen an Fasern können entweder durch Vakuumheißpressen oder durch heißisostatisches Pressen konsolidiert werden. Fig. 6 veranschaulicht die Regelmäßigkeit des Faserabstands, die in konsolidierten Produkten unter Verwendung matrixbeschichteter Fasern, deren Beschichtungen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichmäßig aufgebracht wurden, erhalten werden können.
Obgleich die Erfindung in bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, daß Modifikationen möglich sind, ohne vom Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen. Insbesondere wird dem Fachmann verständlich, daß die Erfindung, wie beansprucht, Ausführungsformen beinhaltet, bei denen beide Mehrfachdurchlauf-Übertragungsrollen eines Paares, wie die in den Fig. 1, 2 und 3 als Übertragungsrollen 50 und 60 beschriebenen, eine Vielzahl unabhängig drehbarer Unterrollen aufweisen.

Claims

1. PVD(Physical Vapour Deposition)-Vorrichtung zum Vorbeschichten von Fasern eines Verstärkungsmaterials mit Matrixmetall in einer vorbestimmten Dicke, vor der Konsolidierung zum Erhalt eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffmaterials, mit

- wenigstens einem Verdampfungstiegel (70, 195),

- Heizvorrichtung(en) (71) zum Aufheizen einer Metallcharge in dem oder in jedem Verdampfungstiegel auf eine Temperatur, bei der ein nennenswerter Dampfdruck gebildet und ein Fluß an Metalldampf freigesetzt wird,

- einer motorbetriebenen Wickeleinrichtung zum Ziehen des Verstärkungselements durch die Vorrichtung, und

- einem Führungsmechanismus zum wiederholten Führen des Verstärkungselements durch den Dampffluß, wobei der Führungsmechanismus Mittel zum Verdrehen des Verstärkungselements um seine Längsachse um einen Teilbetrag von 180º nach jedem aufeinanderfolgenden Durchlauf durch den Dampffluß, wodurch bei jedem Durchlauf verschiedene Seiten des Verstärkungselements dem Dampffluß ausgesetzt werden,

- wobei der Führungsmechanismus ein Paar Mehrfachdurchlauf-Übertragungsrollen (50, 60) aufweist und in der Oberfläche jeder dieser Rollen eine Vielfalt von konzentrischen faseraufnehmenden Rillen (52) ausgebildet ist, und diese Übertragungsrollen oberhalb des oder der Verdampfungstiegel und entfernt voneinander mit ihren Drehachsen parallel angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

- wenigstens eine dieser Übertragungsrollen eine Vielzahl von unabhängig voneinander drehbarem Unterrollen (51) aufweist, die die gleiche Drehachse haben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der faseraufnehmenden konzentrischen Rillen (52) in jeder Unterrolle (51) im Bereich von 1 bis 10 liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der faseraufnehmenden konzentrischen Rillen (52) in jeder Unterrolle (51) im Bereich von 5 bis 8 liegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der faseraufnehmenden, konzentrischen Rillen (52) in den Unterrollen (51) über die Breite der Übertragungsrollen variiert.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der faseraufnehmenden Rillen in den Übertragungsrollen zwischen 4- und 25mal größer ist als der Durchmesser der unbeschichteten Faser.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der faseraufnehmenden Rillen bis zu 100mal größer ist als der Durchmesser der unbeschichteten Faser.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Tänzerarm (40) zwischen einer Faserzufuhrrolle (10) und der ersten Übertragungsrolle (50).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tänzerarm (40) federgespannt ist, um eine anfängliche Spannung auf die Faser aufzubringen, bevor sie auf den Aufbau der Übertragungsrollen geladen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tänzerarm (40) an seinem äußersten Ende eine Führungsrolle (41) aufweist, über die die Faser im Betrieb läuft.

10. Verfahren zur Vorbeschichtung von Fasern eines Verstärkungsmaterials mit Matrixmetall in einer vorbestimmten Dicke vor der Konsolidierung zum Erhalt eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffmaterials durch

- Führen des Verstärkungsmaterials über wenigstens einen Verdampfungstiegel (70, 195),

- Aufheizen einer Metallcharge (75) in dem oder jedem Verdampfungstiegel auf eine Temperatur, bei der ein nennenswerter Dampfdruck gebildet und ein Fluß an Metalldampf freigesetzt wird,

- Ziehen des Verstärkungsmaterials quer über den oder jeden Verdampfungstiegel mittels einer motorgetriebenen Wickeleinrichtung (20), und

- wiederholtes Führen des Verstärkungsmaterials durch den Dampffluß mittels eines Führungsmechanismus, der zwei Mehrfachdurchlauf-Übertragungsrollen (50, 60) aufweist, wobei in der Oberfläche jeder Übertragungsrolle eine Vielfalt von konzentrischen faseraufnehmenden Rillen (52) ausgebildet ist und diese Übertragungsrollen oberhalb des oder der Verdampfungstiegel voneinander beabstandet mit parallelen Drehachsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

daß wenigstens eine der Übertragungsrollen eine Vielzahl unabhängig drehbarer Unterrollen (51) aufweist, die die gleiche Drehachse haben, in einer Weise, die eine Verdrehung des Verstärkungsmaterials um seine Längsachse nach jedem aufeinanderfolgenden Durchlauf durch den Dampffluß um einen Teilbetrag von 180º bewirkt, wodurch bei jedem Durchlauf verschiedene Seiten des Verstärkungselements dem Dampffluß ausgesetzt werden.