DK141355B - Rotationssymmetrisk hult fiberarmeret compoudlegeme og fremgangsmaade til fremstilling heraf - Google Patents

Description

(®) \RB/ di) FREMLÆGGELSESSKRIFT 1^+1355 DANMARK (ευ intci.3 b 22 d 19/02 §(21) Ansøgning nr. 1864/72 (22) indleveret den 17* 8,pr. 1972 (23) Løbedag 17· &ΡΓ. 1972 (44) Ansøgningen fremlagt og fremtaggelseeekriftet offentliflejort den 3 · 018^ · 1 9^

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Worftet begår«fra den

19. apr. 1971a 2118848, DE

(71) MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NUERNBERG AKTIENGESELLSCHAFT, 8000 Muenchen 50, Daohauer Straese 667a DE· (72) Opfinder: Hartwin Zechmeieter, Heinrich-Buz-Weg 10, 8000 Muenchen 50, BE.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Ingeniørfirmaet Budde, Schou & Co.

(54) Rotations symmetrisk, hult, flberarmeret compoundlegeme og fremgangs* måde til fremstilling heraf.

Den foreliggende opfindelse angår et rotationssymmetrisk, hult, fiberarmeret compoundlegeme, der består af to ligeledes rotationssymmetriske lag, hvoraf det ene er anbragt inden i og fugeløst går over i det andet, og af hvilke det indre lag består af metal, især af legeringer på nikkel-, titan-, kobolt- eller aluminiumbasis, og det ydre lag består af et fibermateriale, især af wolfram-, beryllium-, stål-, bor-, kulstof- eller silicium-carbidfibre, der er anbragt som opviklede, endeløse fibre, som fiberlængder eller som fibermåtter, hvorhos mellemrummene mellem fibrene er udstøbt med et af de forannævnte metaller.

2 141355

Det er almindelig kendt at fremstille rør, lejer og lignende af metal eller plast ved centrifugalstøbning. Det er yderligere kendt på denne måde at fremstille fiberarmerede plastcylindre, fortrinsvis til stationær anvendelse, f.eks. som master. Til fremstilling af kedler eller hurtigt roterende rør, tromler eller valser egner de kendte centrifugalstøbefremgangsmåder sig ikke, idet de på denne måde fremstillede compoundlegemer frembyder utilstrækkelig sammenhæng og tillader store radiale deformationer. Sammenhængen mellem fiberarmering og matrix er f.eks. utilstrækkelig ved store periferihastigheder af en roterende centrifugetromle, hvilket har løsning hhv. afrivning eller udvidelse af komponenterne til følge.

Fra tysk ingeniørforenings tidsskrift (VDI-Zeitschrift) nr.

112, 1970 side 1390/92 er det kendt til fremstilling af et materiale til meget store påvirkninger at indlejre fibre i støbelige materialer. Som fibermaterialer tjener herved bl.a. bor og kulstof, og som støbematerialer bl.a. titan, aluminium, nikkel eller kobolt.

Et sådant materiale med stor styrke vil, som omhandlet i svensk fremlæggelsesskrift nr. 311.064, kunne anvendes til fremstilling af en centrifugerotor ved centrifugalstøbning, idet der til støbematerialet tilsættes langstrakte partikler, der på grund af forskellig vinkelhastighed hos den ydre centrifugalstøbeform og en i denne anbragt kerne efter størkningen ligger i hovedsagen vinkelret på centrifugalstøbeformens radier og i planer, der står vinkelret på formens rotationsakse.

Når rotationslegemer af den indledningsvis anførte art, • f.eks. en centrifugetromle, bringes op på et meget højt omdrejningstal, reagerer det på forstyrrelser ved præsessions- og nuta-tionsbevægelser, som giver anledning til egensvingninger i rotationslegemet, og nærmere bestemt især til bøjningssvingninger langs rotoraksen, hvilke fører til vekslende træk- og trykspændinger i aksial retning. På grund af de store centrifugalkræfter opstår der i det roterende legeme meget store trækspændinger i tangential retning, hvilke kun et med fibre forstærket materiale kan modstå.

Da et sådant materiale kun kan optage trækspændinger i fiberretningen, forløber fibrene i det væsentlige i tangential retning, som det er angivet i det svenske fremlæggelsesskrift.

Ganske vist forøger de der omhandlede, indlejrede fiberafsnit rotorens modstandsevne mod tangentialkræfter, men samtidigt forringes vægmaterialets modstandsdygtighed føleligt mod aksialt ret- 3 141356 tede, vekslende bøjningsbelastninger, der forekommer ved svingende rotorer, idet der langs fibrene dannes h&rrevner eller kærve, der kan føre til ødelæggelse af rotoren.

Det har derfor hidtil ikke været muligt at anvende fiberarmeret materiale i rotationslegemer af denne art ved meget store omdrejningstal, idet et sådant materiale ikke har været i stand til at modstå de trækspændinger, der virker vinkelret på fiberretningen ved aksialt virkende vekselbelastninger.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebring ge et fiberarmeret rotationssymmétrisk compoundlegeme, f.eks. en centrifugerotor, der, samtidig med at det bibeholder de hos den kendte teknik foreliggende fordele såsom forøget modstandsdygtighed mod tangentiale kræfter, tillige er i stand til at optage de ved de aksiale bøjningssvingninger forårsagede, vekslende træk- og trykspændinger.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen for et rotationssymmetrisk, hult compoundlegeme af den indledningsvis anførte art ved, at compoundlegemet i området, hvor lagene går fugeløst over i hinanden, har i hinanden indgribende krystaldannelse, og at det ydre lags varmeudvidelseskoefficient er mindre end eller lig med det indre lags.

Når det ydre lag består af fiberarmeret metal, som har en mindre varmeudvidelseskoefficient end metallet i det indre lag, opnås / at når det ved centrifugalstøbning fremstillede rotationslegeme afkøles, trækker det indre lag sig kraftigere sammen end det ydre lag. Der opstår således en aksialt rettet træk-forspænding i det indre lag, og en trykforspænding i det ydre lag.

På grund af den aksiale trykforspænding i det ydre lag bliver de vekslende, aksiale træk- og trykspændinger omdannet til varierende trykspændinger, som et fiberforstærket rotationslegeme er i stand til at modstå.

Mens det støbte emne afkøler, holdes centrifugalstøbeformen på et højt omdrejningstal. Herunder størkner det indre lag, hvorefter det deformeres plastisk i radial retning og lægger sig så tæt mod det fiberarmerede lag, at der kan opbygges en tangential spændingstilstand mellem de to lag. Herved sikres det, at den aksiale spændingstilstand kan opretholdes langs skillefladen mellem de to lag, navnlig da de to lag yderligere indgriber i hinanden gennem krystaldannelse ved afkølingen.

141355 4

Den førnævnte spændingstilstand opnås ifølge opfindelsen ikke kun, når det ydre lags varmeudvidelseskoefficient er mindre end det indre lags, men også når varmeudvidelseskoefficienten for de to lag er lige stor, og nærmere bestemt fordi det indre lag afkøles først under rotation af centrifugalstøbeformen, og det ydre lag først derefter selv afkøles.

Under brugen af rotationslegemet forekommer der således ikke længere trækspændinger i aksial retning i det fiberarmerede lag, der på sin side holder det indre lag sammen under dettes påvirkning af centrifugalkræfter. Rotationslegemer ifølge opfindelsen kan således modstå de ved hidtil uopnåelige omdrejningstalsområder forekommende centrifugalkræfter og forstyrrelsesbevægelser.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes tillige en fremgangsmåde til fremstilling af et sådant rotationssymmetrisk compoundlegeme, ved hvilken støbemetallet, især legeringer på nikkel-, titan-, kobolt- og aluminiumbasis, ved hjælp af et roterende eller faststående støbeapparat, der ligger i en roterende kokilles akse, udstøbes på de mod kokillens indervæg liggende endeløse fibre, fiberlængder eller fibermåtter af fibermateriale, især af wolfram, beryllium, bor, stål, kulstof eller siliciumkarbid, og ved hvilken der i umiddelbar tilslutning hertil på det med matrixmetallet mættede, fiberforstærkede lag støbes et andet lag af et metal, især af et af de forannævnte ; metaller, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at det ydre lag holdes varmt, medens det indre lag afkøler, og først derefter selv afkøles, og at kokillens rotation opretholdes, indtil metallet i det indre lag efter størkning har opnået sin endelige styrke. Ved afkøling af compoundlegemet optræder således aksialt rettede trykspændinger i de ydre, fiberarmerede lag og aksialt rettede trækspændinger i der indre, metalliske lag. Består af de ydre lag f.eks. af en med kulstoffibre armeret nikkellegering og de indre lag af en (uarmeret) aluminiumlegering, så er varmeudvidelseskoefficienten mindre i de ydre end i de indre lag. Ved afkøling vil det indre lag forsøge at trække sig sammen i aksial retning i forhold til det ydre lag, der i det væsentlige ikke trækker sig sammen. Derved opbygges en aksial egenspændingstilstand, der giver compoundlegemet særlig gunstige egenskaber overfor vekslende bøjningsbelastning, f.eks. ved anvendelse som centrifugetromle eller lignende, idet en bøjning af de ydre lag, der medfører trækbelastning af disse, 5

U135B

på grund af trykforspændingen ikke medfører afrivning af de ydre lag.

Fremgangsmåden udmærker sig endvidere ved, at overgangen mellem det ydre og det indre lag forløber jævnt, og at der tilvejebringes en forankring af kraft- og formmæssig art. Et compoundlege-me med denne egenspændingstilstand fremviser ringe radial deformation ved rotation eller ved pålægning af et indre tryk. Gennem opfindelsen tilvejebringes derudover et compoundlegeme, som er egnet til anvendelse ved høje temperaturer, og ved hvilket fibrene er meget fast inkorporeret i matrix. Herved må selvfølgelig tages hensyn til, at kravene til fibrenes stabilitet ved anvendelse til høje temperaturer indskrænker udvalget af systemer til sådanne, hvis tilstandsdiagrammer ikke eller kun i begrænset omfang tillader dannelse af forbindelser, diffusionsreaktion med matrix og indre oxidation. Under hensyntagen til disse faktorer egner sig f.eks. følgende systemer til fremstillingsfremgangsmåden ifølge opfindelsen: Kulstoffibre eller wolframfibre i Ni-superlegeringer eller berylliumfibre i aluminiumlegeringer. Der foreligger yderligere den mulighed, at optimere forbindelsen mellem og komprimeringen af komponenterne til forskellige anvendelsesformål ved passende indstilling af tromlens og støbeindretningens omdrejningstal. En yderligere fordel må ses i, at der er mulighed for under støbningen at tilsætte forskelligt matrixmateriale, således at der kan fremstilles et compoundlegeme med forskellige lag med f.eks. forskelligt store, specifikke E-moduler. Således vil man ved anvendelse af compoundlegemer til centrifugetromler lade det specifikke E-mo-dul, der er forholdet mellem E-modul og massefylde, vokse indefra og udefter. Sammenhængningsegenskaberne hos et sådant compoundlegeme er væsentligt bedre end hos et viklet compoundlegeme. Compoundlegemer, der er fremstillet på denne måde egner sig f.eks. til centrifugetromler, til beholdere, til lejer og valser eller til brænd-kamre eller drivdyser i raketter.Ved fremstilling af raketdyser tilsættes efter omstændighederne udsvedningskølematerialer {schwitz-kiihlwerkstoffe), evt. grafit.

Opfindelsen skal i det følgende beskrives nærmere, idet der henvises til tegningen, som viser et apparat til udøvelse -af fremgangsmåden ifølge opfindelsen og med et compoundlegeme ifølge opfindelsen.

141355 6

Et støbeapparat 3 rager i aksial retning ind i en lodret roterende, cylindrisk tromle 2, som er lukket med en bund 1. Støbe-apparatet 3 består af en cylindrisk beholder, der er forsynet med diametralt overfor hinanden liggende, i længderetningen forløbende dyser 4. I beholderen indmunder foroven et rørformet stykke 5, foran hvilket der er indskudt et blandekammer 6, til hvilket de ønskede metaller hhv. legeringsbestanddele (pilene A,B) sættes. I støbe-apparatets 31 s midtakse er anbragt et opvarmningsorgan i form af en varmeslange 7. Dyserne eller slidserne 4 er anbragt radialt eller tangentialt i beholdervæggen. I midten af tromlen 2's bund 1 er anbragt en aksialt rettet spindel 8, der tjener til drift og lejring af tromlen 2. Det skematisk viste leje er betegnet med 9.

I tromlens væg er indlagt opvarmningsmidler 10. Tromlen omsluttes af en ring 11. Hele apparatet er omgivet af en kappe 12 (vist punkteret) , således at der efter ønske kan udstøbes i vakuum eller beskyttelsesgas .

Efter denne beskrivelse af apparatet lader fremgangsmåden sig forklare på enkel måde. Fibrene 13, f.eks. berylliumfibre i form af fiberlængder, indlægges mod tromlens væg i flere lag i det væsentlige i periferiretningen. På lignende måde kan f.eks. indlægges fibermåtter. Matrixmaterialet 14, f.eks. en aluminiumlegering, tilføres i flydende form til blandekammeret, hvor det homogeniseres og i givet fald blandes med et befugtningsmiddel, f.eks. et fluorer-et carbonhydrid, således at en for indeslutninger fri legering med konstant temperatur tilføres det roterende støbeapparat. Herfra bliver matrixmaterialet slynget gennem dyserne mod den roterende indervæg af tromlen, hvor det med det samme omgiver fibrene og på grund af den herunder virkende store centrifugalkraft danner et tæt compoundlegeme. De i tromlens væg værende opvarmningsmidler holder compoundlegemet på 'forhøjet temperatur. Under centrifugalstøbningen kan, efter at fibrene er påslynget et tæt lag metal, støbes et andet metal 15, f.eks. med noget større specifikt E-modul men med omtrent samme eller noget større varmeudvidelseskoef-ficient, såsom en aluminium titanium legering, der eventuelt indgår forbindelse med den forud støbte metalmatrix. Disse forhold må afpasses efter det ønskede anvendelsesformål for compoundlegemet.

F.eks. fremstilles det ydre lag med større massefylde end det indre, 7 1A1355 når legemet skal anvendes som svinghjul. Efter afslutning af udstøb-ningen af metal gennem dyserne fortsættes tromlens rotation, indtil de indre lag er afkølet tilnærmelsesvis til rumtemperatur. Ved den fortsatte rotation indtræder en størkning af det indre lag. Først derefter afkøles ifølge opfindelsen det ydre, i det væsentlige endnu plastiske lag til rumtemperatur. Som følge af krystallisationen opnås tillige en indbyrdes forankring af det indre og ydre lag. De herved opstående spændingsforhold kan uden videre påvirkes hhv. optimeres ved ændring af temperaturen af tromlens væg. Smeltning og centrifugalstøbning i vakuum eller beskyttelsesgas medfører de kendte fordele, ifølge hvilke det er muligt at fremstille materialer med den største renhed med bestemte kemiske og fysiske egenskaber, uden at man behøver at frygte sugninger, oxidation* og lignende i compoundmaterialet.

Ved fremstilling af compoundlegemer af større længder kan det være fordelagtigt at anbringe støbeapparatet aksialt forskydeligt i tromlen, således at støbeapparatet under støbningen bevæger sig fra den ene ende af tromlen til den anden. Ved passende valg af støbemateriale og afpasning af støbeapparatets tilspænding og tromlens omdrejningstal samt afkølingsbetingelserne kan der fremstilles et compoundlegerne, som har de til anvendelsesformålet ønskede, optimale egenskaber. Ved anvendelse af en længere tromle til fremstilling af længere compoundlegemer er en yderligere lejring af tromlen naturligvis nødvendig.