EP0563424B1

EP0563424B1 - Verbundwerkstoff aus einem metallischen Matrixwerkstoff und festigkeitserhöhenden Langfasern und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP0563424B1
Application number: EP92105660A
Authority: EP
Inventors: Wilfried Dr. Smarsly; Michael Dr. Dahms
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH; MTU Aero Engines AG
Priority date: 1992-04-02
Filing date: 1992-04-02
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2012-04-02
Also published as: EP0563424A1; DE59207341D1; ATE144000T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoffrohling aus einem spröde intermetallische Verbindungen bildenden Matrixwerkstoff und festigkeitserhöhenden Langfasern, wobei die Langfasern im Matrixwerkstoff angeordnet sind und einen aus dem Verbundwerkstoffrohling hergestellten Verbundwerkstoff, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Die zukünftige Antriebs- und Zellentechnologie für Hyperschallflugzeuge erfordert für Strukturbauteile wie Gehäuse und Aufhängung sowie Funktionsbauteile wie Heißgaskanal, Verstelldüse oder Schaufeln im Kerntriebwerk Werkstoffe, die leichter, zug- und druckfester und stabiler bei hohen Betriebstemperaturen sind, als bisher eingesetzte Materialien. Der Vorteil von leichteren Antrieben bei gleichzeitig verminderten Anforderungen an die Kühlsysteme liegt in einem besseren Schub zu Gewichts-Verhältnis. Wegen hoher 0xidationsbeständigkeit, hoher Korrosionsfestigkeit, hohem Schmelzpunkt und relativ geringem spezifischem Gewicht sind besonders intermetallische Verbindungen wie Ti₃Al, TiAl, FeAl und NbAl₃ vielversprechende Materialien für künftige Luft- und Raumfahrtanwendungen. Allerdings sind die meisten Modifikationen der intermetallischen Verbindung bei niedrigen Temperaturen spröde und haben geringe Zugfestigkeiten und Kerbschlagzähigkeiten.
Aus der Druckschrift EP 0360 468 ist ein Teil von ausgewählter Form aus feuerfestem metallischem Material und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, wobei das feuerfeste Material vorzugsweise auch intermetallische Verbindungen umfaßt, insbesondere Titanaluminid und Metalldrähte aus Mo, W, Ti, Al, Fe oder Ni-Legierungen, die in dem feuerfesten Material angeordnet sind. Bei der Herstellung dieses feuerfesten Materials werden alle Komponenten des Verbundwerkstoffs einschließlich der Drähte in situ miteinander verbunden.
Die Druckschrift US-PS 4,816,347 offenbart einen Hybridwerkstoff aus mehreren Folienlagen einer Titanlegierung mit Faserzwischenlagen und weiteren Folienlagen aus Titanaluminid. Dieses Prinzip der Bildung von Hybridwerkstoffen basiert auf der bisherigen Überzeugung der Fachwelt, daß Folien aus intermetallischen Verbindungen nicht ohne Zwischenfolien aus Metallegierungen mit festigkeitserhöhenden Fasern verbindbar sind.
Aus US-PS 4,874,044 ist bekannt, daß zunächst ein weiches Metall, wie eine Aluminiumbasislegierung, in Kontakt mit festigkeitserhöhenden Fasern gebracht wird und anschließend eine intermetallische Verbindung wie Metallaluminid in Kontakt mit dem weichen Metall angeordnet wird und schließlich das Ganze über den Erweichungspunkt des weichen Metalls erhitzt wird. Damit wird ein unmittelbarer Kontakt zwischen verstärkender Faserstruktur und intermetallischer Verbindung vermieden.
Darüber hinaus ist aus EP 0332 430 bekannt, daß ungeordnete Faserabschnitte vollständig von einer Aluminiumbasislegierung umgeben sind und intermetallische Verbindungen in dieser Matrix aus einer Aluminiumbasislegierung verstreut als härtende und spröde Partikel angeordnet werden. Damit wird der unmittelbare Kontakt zwischen Fasern und intermetallischen Verbindungen vermieden und die Faser in ein weiches niedrig schmelzendes Metall eingebettet, wobei der Anteil an verstärkendem Fasermaterial 3 bis 40 Vol% betragen kann.
Ein Verbundwerkstoff und sein Herstellungsverfahren sind aus US-PS 3,936,550 bekannt. Der Verbundwerkstoff ist ein faserverstärktes Metallband, wobei die festigkeitserhöhenden Fasern zwischen zwei Metallfolien, die plastisch zu einer Metallmatrix verformt werden, eingebettet sind. Die Metallfolien bestehen vorzugsweise aus Aluminium, Titan und ihren Legierungen und die festigkeitserhöhenden Fasern sind vorzugsweise Borfasern.
Diese Anordnung und die Herstellungsmethode dieser Anordnung ist auf spröde intermetallische Verbindungen wie sie beispielsweise NiAl darstellen nicht anwendbar, da ihre Verformbarkeit begrenzt ist und die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Fasern aus amorphem Bor und spröden intermetallischen Verbindungen als Matrix problematisch sind. Der letztere Nachteil führt dazu, daß die spröde Matrix aus einer intermetallischen Verbindung bereits beim Abkühlen nach einem Heißpreßvorgang reißt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoffrohling für einen Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, wobei die hochtemperaturfesten und korrosionsbeständigen Eigenschaften einer spröden intermetallischen Verbindung mit den Festigkeitseigenschaften eines elastischen faserverstärkten Metalles oder einer faserverstärkten Metallegierung zeigt.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Matrixwerkstoff aus Aluminium und mindestens einer Komponente aus den Elementen Ni, Co, Nb oder Fe besteht und die beiden Komponenten elementar im stöchiometrischen Verhältnis zur Bildung von NiAl, Ni₃Al, CoAl, Co₃Al , NbAl₃ oder FeAl₃ gemischt sind und die elementaren Komponenten zu einem duktilen, bei niedrigen Temperaturen verformbaren und bearbeitbaren Zwischenwerkstoff, in Form eines Sinterkuchens oder in Form von Folien vorverdichtet sind und Langfasern, die einen Anteil von 30 bis 60 Vol% ausgenommen kleiner/gleich 40 Vol% bilden, allseits voneinander beabstandet in der duktilen Matrix eingelegt sind.
Dieser Verbundwerkstoffrohling hat den Vorteil, daß er in einem Zwischenstadium nämlich bevor die intermetallische Matrix durch Reaktionssintern gebildet wird, bei niedrigen Temperaturen duktil und damit formbar und bearbeitbar vorliegt und alle Bauteile, die aus faserverstärkten Metallen oder Metallegierungen als Verbundwerkstoff herstellbar sind, können nun mit verbesserten Eigenschaften aus faserverstärkten intermetallischen Verbindungen entstehen.
Vorzugsweise wird aus dem Verbundwerkstoffrohling ein Verbundwerkstoff hergestellt, wobei nach einer Formgebung des Verbundwerkstoffrohlings zu einem Werkstück für den Triebwerksbau und einer Reaktionswärmebehandlung des geformten Verbundwerkstoffrohlings der Verbundwerkstoff aus einer Matrix der spröden intermetallischen Verbindungen NiAl, Ni₃Al, CoAl, Co₃Al, NbAl, oder FeAl₃ und festigkeitserhöhenden Langfasern besteht.
Dieser Verbundwerkstoff vereinigt vorteilhaft alle Vorteile spröder intermetallischer Verbindungen mit den Vorteilen eines faserverstärkten Metalls. Darüberhinaus unterscheidet sich dieser faserverstärkte Verbundwerkstoff aus intermetallischen Verbindungen von den bisher bekannten faserverstärkten intermetallischen Verbindungen mit Faserverstärkung dadurch, daß keine elementaren oder legierten metallischen Zwischenschichten zwischen Fasern und Matrixwerkstoff aus intermetallischen Verbindungen erforderlich sind.
Die intermetallischen Verbindungen NiAl oder Ni₃Al sind extrem spröde bei niedrigen Temperaturen und nur als Verbundwerkstoff bei hohem Anteil an Faserwerkstoff zwischen 30 und 60 Vol% als temperaturwechselbeständiger Werkstoff einsetzbar.
Darüberhinaus besteht der Matrixwerkstoff aus den hochtemperaturfesten, steifen und gewichtssparenden intermetallischen Verbindungen NbAl₃, FeAl₃ oder CoAl bzw. Co₃Al. Diese intermetallischen Verbindungen weisen eine extrem geringe Kerbschlagzähigkeit auf, die mit der Bildung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes vorteilhaft überwunden wird, so daß ein Verbundwerkstoff für großflächige, dünnwandige Struktur- und Zellensegmente im Flugzeug-, Raumfahrzeug-, Motoren- und Turbinenbau zur Verfügung steht.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung bestehen die Langfasern aus Mo, Ta, W oder Legierungen dieser Elemente oder aus SiC, TiB₂, TiC oder Al₂O₃. Ein solcher Verbundwerkstoff hat den Vorteil, daß die hohe Flexibilität und Elastizität der metallischen Fasern mit der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit von spröden intermetallischen Verbindungen gepaart ist und außerdem das Gewicht gegenüber Bauteilen aus den Schwermetallen wie Mo, Ta, W oder ihren Legierungen vermindert wird. Die keramischen Langfasern SiC, TiB₂, TiC und Al₂O₃ haben neben erhöhten Festigkeitseigenschaften den Vorteil, daß sie zusätzlich korrosionsbeständig und oxidationsbeständig sind und deshalb eine größere konstruktive Gestaltungsfreiheit für das Bauteil zulassen, da ein Verbundwerkstoff mit diesen Fasern in allen Raumrichtungen geschnitten oder bearbeitet werden kann, ohne besondere Korrosionsoder Oxidationsschutzmaßnahmen für freiliegende Fasern oder Faserenden vorsehen zu müssen.
Die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff mit Matrixwerkstoff aus spröden durch Reaktionssintern gebildeten intermetallischen Verbindungen und aus mindestens Al als einer duktilen und niedrigschmelzenden Komponente und mindestens einer Komponente aus den Elementen Ni, Co, Nb oder Fe anzugeben, wobei die Langfasern allseits voneinander beabstandet im Matrixwerkstoff angeordnet sind, wird durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

a) Herstellen eines Pulvergemisches, das aus elementaren metallischen Komponenten mit mindestens Aluminium als eine niedrigschmelzende Komponente einer intermetallischen Verbindung und mindestens einer Komponente aus den Elementen Ni, Co, Nb oder Fe als hochschmelzende Komponente in einem stöchiometrischen Verhältnis zur niedrigschmelzenden Komponente gebildet wird,
b) Aufheizen des Pulvergemisches zu einem Heißpulvergemisch oder zu einem teigigen Sinterkuchen auf eine Temperatur, die höchstens die Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente des Pulvergemisches erreicht und deutlich unter der Reaktionstemperatur für die intermetallische Verbindung liegt,
c) Einlegen von keramischen oder amorphen Langfasern in das Heißpulvergemisch oder in ein zu Folien verdichtetes Heißpulvergemisch oder in den teigigen Sinterkuchen in gleichmäßigen Abständen zur Bildung eines Verbundwerkstoffrohlings,
d) Vorverdichten und/oder Abkühlen des Heißpulvergemisches oder des teigigen Sinterkuchens mit keramischen oder amorphen Langfasern zu einem form- und sinterbaren Verbundwerkstoffrohling aus Sintermatrix und Langfasern,
e) Formung des Verbundwerkstoffrohlings aus Sintermatrix und Langfasern durch Pressen, Walzen, Schmieden oder mechanisches Bearbeiten wie spanabhebendes Bearbeiten, Schleifen oder Polieren, zu einem sinterbaren endkonturnahen Bauteil und Reaktionssintern des endkonturnahen Bauteils bei der Reaktionstemperatur für die intermetallische Verbindung, wobei die Sintermatrix zur intermetallischen Verbindung reagiert und die Langfasern das Bauteil gleichmäßig beabstandet durchziehen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es in einer Vorstufe, also bis zum Verfahrenssschritt e) einen Verbundwerktoffrohling liefert, der äußerst flexibel ist und wie bekannte faserverstärkte Metalle bearbeitet werden kann. Dazu wird vorzugsweise ein Vorpressen oder Vorsintern durchgeführt, bei dem eine 95% Raumerfüllung der Sintermatrix erreicht wird, wobei die Duktilität und Bearbeitbarkeit der niedrigschmelzenden Komponente der intermetallischen Verbindung ausschlaggebend ist, da noch keine spröde intermetallische Verbindung gebildet wird.
Formfestigkeit und Maßgenauigkeit werden erst nach dem Reaktionssintern erreicht, wobei sich die spröde Phase der intermetallischen Verbindung als Matrixmetall ausbildet und eine gegenüber der sinterfähigen Metallkomponentenmatrix des Verbundwerkstoffrohling erhöhte Oberflächenhärte, Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit bewirkt.
Um die Langfasern gleichmäßig beabstandet im Verbundwerkstoffrohling anzuordnen wird vorzugsweise das Heißpulvergemisch zunächst zu Folien oder Platten aus Sintermatrix vorverdichtet und anschließend die Langfasern zwischen den vorverdichteten Folien oder Platten gleichmäßig beabstandet eingelegt und durch Schmieden, Walzen oder Pressen in die vorverdichteten Folien oder Platten eingebettet. Aus dem duktilen Verbundwerkstoffrohling mit vorverdichteter Sintermatrix wird bei der Formgebung das Bauteil vorteilhaft aus dem duktilen Verbundwerkstoffrohling endkonturnah gestaltet und anschließend durch ein Reaktionssintern aus dem Sintermatrixwerkstoff die intermetallische Verbindung als Matrixwerkstoff des Verbundwerkstoffs hergestellt. Das Reaktionssintern kann vorzugsweise bei geeigneter Vorverdichtung von mindestens 95% der maximal möglichen Dichte drucklos erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden verdichtende Formgebung und Reaktionssintern in einem Verfahrensschritt wie Strangpressen, Walzen oder Schmieden bei Reaktionstemperatur für die intermetallische Verbindung erfolgen. Mit dieser Verfahrensvariante können vorteilhaft Strukturbauteile wie Profilstützen, Träger, Spanten oder Rippen hergestellt werden. In diesem Fall werden vorzugsweise als Langfasern keramische Langfasern aus Oxiden, Boriden, Nitriden oder Karbiden eingesetzt, da ein Verbundwerkstoff mit diesen Langfasern ohne Nachteil für die Struktur in beliebige Bauteillängen ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen für die Faserenden trennbar ist.
Zum Reaktionssintern des Bauteils wird vorzugsweise auch ein heißisostatisches Preßverfahren eingesetzt. Dieses findet vorteilhaft Anwendung, wenn die Sintermatrix des Verbundwerkstoffrohlings eine Vorverdichtung unter 95% der maximal möglichen Dichte aufweist oder wenn die Dichte des Verbundwerkstoffs bis zur maximal möglichen Dichte beim Reaktionssintern gesteigert werden soll.
Beim Reaktionssintern können Modifikationen der intermetallischen Verbindung auftreten, die erst durch eine Wärmebehandlung nach dem Reaktionssintern in andere Modifikationen umgesetzt werden müssen, um vorteilhafte Eigenschaften, wie hohe Haftung zwischen Matrixwerkstoff und Faserwerkstoff oder hohe Elastizität oder geeignete Oberflächenhärte oder volumenspezifische Ausscheidungshärtung zu bewirken. Deshalb erfolgt vorzugsweise nach dem Reaktionssintern des Bauteils eine abschließende Wärmebehandlung.
Das folgende Beispiel ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ein Deckbandring für die Laufschaufeln eines Turbinenrades besteht aus der reaktionsgesinterten intermetallischen Verbindung NiAl als Metallmatrix und ist mit gleichmäßig beabstandeten Langfasern aus Mo durchzogen, wobei die Langfasern 30 bis 60 Vol% ausgenommen kleiner/ gleich 40 Vol% des Deckbandringes erfüllen und die Metallmatrix 98% ihrer maximalen Dichte aufweist.
Zur Herstellung dieses Bauteils wurde zunächst ein Pulvergemisch aus den elementaren metallischen Komponenten Ni und Al mit der niedrigschmelzenden Komponente Al der intermetallischen Verbindung NiAl im stöchiometrischen Verhältnis der intermetallischen Verbindung gebildet. Dazu wurde das Ni- und Al-Elementpulver mit 31,5 Gew.% Al gemischt.
Für ein Strangpreßverfahren wurde das Pulvergemisch aus Ni/Al31,5 zu einem Heißpulvergemisch auf eine Temperatur die höchstens der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente Al entsprach aufgeheizt, die damit deutlich unter der Reaktionstemperatur für die intermetallische Verbindung lag. Beim Strangpressen wurde das Heißpulvergemisch zu einem metallischen Strang verpreßt und der Preßling anschließend zu 50µm bis 150µm dicken Folien gewalzt.
Anschließend wurden metallische Langfasern aus Mo zwischen die Folien aus dem vorverdichteten Heißpulvergemisch gleichmäßig beabstandet gelegt und dabei auf einen Zylinder mit den Folien unter kaltverformendem Walzendruck zu einem Verbundwerktoffrohling gewickelt, wobei Außendurchmesser und Außenkontur des Zylinders dem Innendurchmesser und der Innenkontur des Bauteils entsprechen.
Dieser vorverdichtete Verbundwerkstoffrohling eines Deckbandringes wird anschließend bei 700° C für 24 h unter Schutzgas bei 50 bis 200 MP zu einem Bauteil aus einem Verbundwerkstoff aus der intermetallischen Verbindung NiAl und Mo-Langfasern reaktionsgesintert.

Claims

Verbundwerkstoffrohling aus einem spröde intermetallische Verbindungen bildenden Matrixwerkstoff und festigkeitserhöhenden Langfasern, wobei die Langfasern im Matrixwerkstoff angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff aus Aluminium und mindestens einer Komponente aus den Elementen Ni, Co, Nb oder Fe besteht und die beiden Komponenten elementar im stöchiometrischen Verhältnis zur Bildung von NiAl, Ni₃Al, CoAl, Co₃Al, NbAl₃ oder FeAl₃ gemischt sind und die elementaren Komponenten zu einem duktilen, bei niedrigen Temperaturen verformbaren und bearbeitbaren Zwischenwerkstoff, in Form eines Sinterkuchens oder in Form von Folien vorverdichtet sind und Langfasern, die einen Anteil von 30 bis 60 Vol% ausgenommen kleiner/gleich 40 Vol% bilden, allseits voneinander beabstandet in der duktilen Matrix eingelegt sind.
Verbundwerkstoffrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Langfasern aus Mo, Ta, W oder Legierungen dieser Elemente oder aus SiC, TiB₂, TiC oder Al₂O₃ bestehen.
Verbundwerkstoff hergestellt aus einem Verbundwerkstoffrohling nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Formgebung des Verbundwerkstoffrohlings zu einem Werkstück für den Triebwerksbau und einer Reaktionswärmebehandlung des geformten Verbundwerkstoffrohlings der Verbundwerkstoff aus einer Matrix der spröden intermetallischen Verbindungen NiAl, Ni₃Al, CoAl, Co₃Al, NbAl₃ oder FeAl₃ und festigkeitserhöhenden Langfasern besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoffrohling bzw. einem Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte,
a) Herstellen eines Pulvergemisches, das aus elementaren metallischen Komponenten mit mindestens Aluminium als eine niedrigschmelzende Komponente einer intermetallischen Verbindung und mindestens einer Komponente aus den Elementen Ni, Co, Nb oder Fe als hochschmelzende Komponente in einem stöchiometrischen Verhältnis zur niedrigschmelzenden Komponente gebildet wird,

b) Aufheizen des Pulvergemisches zu einem Heißpulvergemisch oder zu einem teigigen Sinterkuchen auf eine Temperatur, die höchstens die Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente des Pulvergemisches erreicht und deutlich unter der Reaktionstemperatur für die intermetallische Verbindung liegt.

c) Einlegen von keramischen oder amorphen Langfasern in das Heißpulvergemisch oder in ein zu Folien vorverdichtetes Heißpulvergemisch oder in den teigigen Sinterkuchen in gleichmäßigen Abständen zur Bildung eines Verbundwerkstoffrohlings,

d) Vorverdichten und/oder Abkühlen des Heißpulvergemisches oder des teigigen Sinterkuchens mit keramischen oder amorphen Langfasern zu einem form- und sinterbaren Verbundwerkstoffrohling aus Sintermatrix und Langfasern.

e) Formung des Verbundwerkstoffrohlings aus Sintermatrix und Langfasern durch Pressen, Walzen, Schmieden oder mechanisches Bearbeiten wie spanabhebendes Bearbeiten, Schleifen oder Polieren, zu einem sinterbaren endkonturnahen Bauteil und Reaktionssintern des endkonturnahen Bauteils bei der Reaktionstemperatur für die intermetallischen Verbindung, wobei die Sintermatrix zur intermetallischen Verbindung reagiert und die Langfasern des Bauteils gleichmäßig beabstandet durchziehen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißpulvergemisch zunächst zu Folien oder Platten aus Sintermatrix vorverdichtet wird und anschließend die Langfasern zwischen den vorverdichteten Folien oder Platten gleichmäßig beabstandet eingelegt und durch Schmieden, Walzen oder Pressen in die vorverdichteten Folien oder Platten eingebettet werden und schließlich die Formgebung in Form von Kaltverformen und das Reaktionssintern erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Formgebung und Reaktionssintern in einem Heißverformungs - Verfahrensschritt wie Strangpressen oder Walzen bei Reaktionstemperatur für die intermetallische Verbindung erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionssintern des Bauteils drucklos erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Reaktionssintern des Bauteils ein heißisostatisches Preßverfahren eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Reaktionssintern des Bauteils eine abschließende Wärmebehandlung erfolgt.