EP0563424B1 - Composite material with metallic and reinforcing fibers and process for producing the same - Google Patents
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- C22C49/02—Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
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Definitions
- the object of the invention is to provide a composite material blank for a composite material and a method for its production, the high-temperature-resistant and corrosion-resistant properties of a brittle intermetallic compound showing the strength properties of an elastic fiber-reinforced metal or a fiber-reinforced metal alloy.
- a composite material is preferably produced from the composite blank, with the composite material consisting of a matrix of brittle intermetallic compounds NiAl, Ni 3 Al, CoAl, Co 3 Al, NbAl, after a shaping of the composite blank into a workpiece for engine construction and a reaction heat treatment of the shaped composite blank. or FeAl 3 and strength-increasing long fibers.
- This composite material advantageously combines all the advantages of brittle intermetallic compounds with the advantages of a fiber-reinforced metal.
- this fiber-reinforced composite material made of intermetallic compounds differs from the previously known fiber-reinforced intermetallic compounds with fiber reinforcement in that no elemental or alloyed metallic intermediate layers between fibers and matrix material made of intermetallic compounds are required.
Abstract
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.The invention relates to a composite blank made of a brittle matrix material that forms brittle intermetallic compounds and strength-increasing long fibers, the long fibers being arranged in the matrix material and a composite material produced from the composite blank, and a method for its production.
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.The future drive and cell technology for hypersonic aircraft requires materials for structural components such as housings and suspensions as well as functional components such as hot gas duct, adjusting nozzle or blades in the core engine that are lighter, more resistant to tension and pressure and more stable at high operating temperatures than previously used materials. The advantage of lighter drives with reduced demands on the cooling systems is a better thrust to weight ratio. Because of their high oxidation resistance, high corrosion resistance, high melting point and relatively low specific weight, intermetallic compounds such as Ti 3 Al, TiAl, FeAl and NbAl 3 are particularly promising materials for future aerospace applications. However, most are Modifications of the intermetallic compound are brittle at low temperatures and have low tensile strengths and notched impact strengths.
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.From document EP 0360 468 a part of a selected form made of refractory metallic material and a method for its production are known, the refractory material preferably also comprising intermetallic compounds, in particular titanium aluminide and metal wires made of Mo, W, Ti, Al, Fe or Ni -Alloys arranged in the refractory material. In the manufacture of this refractory material, all components of the composite, including the wires, are bonded together in situ.
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.The document US Pat. No. 4,816,347 discloses a hybrid material made of several foil layers of a titanium alloy with fiber intermediate layers and further foil layers made of titanium aluminide. This principle of the formation of hybrid materials is based on the previous conviction among experts that foils made of intermetallic compounds cannot be joined without intermediate foils made of metal alloys with strength-increasing fibers.
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.From US Pat. No. 4,874,044 it is known that first a soft metal, such as an aluminum-based alloy, is brought into contact with strength-increasing fibers and then an intermetallic compound, such as metal aluminide, is placed in contact with the soft metal, and finally the whole thing about the softening point of the soft metal is heated. This avoids direct contact between the reinforcing fiber structure and the intermetallic compound.
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.It is also known from EP 0332 430 that disordered fiber sections are completely surrounded by an aluminum-based alloy and intermetallic compounds are scattered in this matrix made of an aluminum-based alloy as hardening and brittle particles. This avoids direct contact between fibers and intermetallic compounds and the fiber is embedded in a soft, low-melting metal, the proportion of reinforcing fiber material being 3 to 40% by volume.
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.A composite material and its manufacturing method are known from US Pat. No. 3,936,550. The composite material is a fiber-reinforced metal band, the strength-increasing fibers being embedded between two metal foils that are plastically deformed into a metal matrix. The metal foils are preferably made of aluminum, titanium and their alloys and the strength-increasing fibers are preferably boron fibers.
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.This arrangement and the production method of this arrangement are not applicable to brittle intermetallic compounds such as NiAl, for example, since their deformability is limited and the differences in the thermal expansion coefficients of fibers made of amorphous boron and brittle intermetallic compounds as a matrix are problematic. The latter disadvantage means that the brittle matrix of an intermetallic compound tears as soon as it cools down after a hot pressing process.
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.The object of the invention is to provide a composite material blank for a composite material and a method for its production, the high-temperature-resistant and corrosion-resistant properties of a brittle intermetallic compound showing the strength properties of an elastic fiber-reinforced metal or a fiber-reinforced metal alloy.
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.This object is achieved in that the matrix material consists of aluminum and at least one component from the elements Ni, Co, Nb or Fe and the two components in a stoichiometric ratio to the formation of NiAl, Ni 3 Al, CoAl, Co 3 Al, NbAl 3 or FeAl 3 are mixed and the elementary components are precompressed to form a ductile intermediate material that can be deformed and processed at low temperatures, in the form of a sinter cake or in the form of foils, and long fibers that have a proportion of 30 to 60% by volume except less than or equal to 40 Form vol%, are spaced apart from one another in the ductile matrix.
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.This composite blank has the advantage that it is ductile and therefore malleable and thus formable and machinable in an intermediate stage, namely before the intermetallic matrix is formed by reaction sintering, and all components that can be produced from fiber-reinforced metals or metal alloys as a composite material can now be improved Properties arise from fiber-reinforced intermetallic compounds.
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.A composite material is preferably produced from the composite blank, with the composite material consisting of a matrix of brittle intermetallic compounds NiAl, Ni 3 Al, CoAl, Co 3 Al, NbAl, after a shaping of the composite blank into a workpiece for engine construction and a reaction heat treatment of the shaped composite blank. or FeAl 3 and strength-increasing long fibers.
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.This composite material advantageously combines all the advantages of brittle intermetallic compounds with the advantages of a fiber-reinforced metal. In addition, this fiber-reinforced composite material made of intermetallic compounds differs from the previously known fiber-reinforced intermetallic compounds with fiber reinforcement in that no elemental or alloyed metallic intermediate layers between fibers and matrix material made of intermetallic compounds are required.
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.The intermetallic compounds NiAl or Ni 3 Al are extremely brittle at low temperatures and can only be used as a composite material with a high proportion of fiber material between 30 and 60% by volume as a temperature-resistant material.
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 addition, the matrix material consists of the high-temperature-resistant, rigid and weight-saving intermetallic compounds NbAl 3 , FeAl 3 or CoAl or Co 3 Al. These intermetallic compounds have an extremely low impact strength, which is advantageously overcome with the formation of a fiber-reinforced composite material, so that a composite material for large-area, thin-walled Structural and cell segments in aircraft, spacecraft, engine and turbine construction are available.
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.In a preferred embodiment of the invention, the long fibers consist of Mo, Ta, W or alloys of these elements or of SiC, TiB 2 , TiC or Al 2 O 3 . Such a composite material has the advantage that the high flexibility and elasticity of the metallic fibers is paired with the corrosion and oxidation resistance of brittle intermetallic compounds and, in addition, the weight is reduced compared to components made of heavy metals such as Mo, Ta, W or their alloys. The ceramic long fibers SiC, TiB 2 , TiC and Al 2 O 3 have, in addition to increased strength properties, the advantage that they are also corrosion-resistant and oxidation-resistant and therefore allow greater design freedom for the component, since a composite material can be cut with these fibers in all spatial directions or can be processed without having to provide special corrosion or oxidation protection measures for exposed fibers or fiber ends.
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.
- a) producing a powder mixture which is formed from elementary metallic components with at least aluminum as a low-melting component of an intermetallic compound and at least one component from the elements Ni, Co, Nb or Fe as high-melting component in a stoichiometric ratio to the low-melting component,
- b) heating the powder mixture to a hot powder mixture or to a pasty sinter cake to a temperature which at most reaches the melting temperature of the low-melting component of the powder mixture and is clearly below the reaction temperature for the intermetallic compound,
- c) placing ceramic or amorphous long fibers in the hot powder mixture or in a hot powder mixture compressed into foils or in the dough sinter cake at regular intervals to form a composite blank,
- d) pre-compressing and / or cooling the hot powder mixture or the doughy sinter cake with ceramic or amorphous long fibers to form and sinterable composite material blanks made of sintered matrix and long fibers,
- e) shaping the composite material from sintered matrix and long fibers by pressing, rolling, forging or mechanical processing such as machining, grinding or polishing to form a sinterable component close to the final shape and Reaction sintering of the near-net-shape component at the reaction temperature for the intermetallic compound, the sintering matrix reacting to the intermetallic compound and the long fibers pulling the component evenly apart.
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.This method has the advantage that it provides a composite blank in a preliminary stage, ie up to process step e), which is extremely flexible and can be processed like known fiber-reinforced metals. For this purpose, a pre-pressing or pre-sintering is preferably carried out, in which a 95% space filling of the sinter matrix is achieved, the ductility and machinability of the low-melting component of the intermetallic compound being decisive, since no brittle intermetallic compound has yet been formed.
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.Dimensional stability and dimensional accuracy are only achieved after reaction sintering, the brittle phase of the intermetallic compound being formed as a matrix metal and an increased surface hardness, corrosion and oxidation resistance compared to the sinterable metal component matrix of the composite blank.
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 order to arrange the long fibers evenly spaced in the composite blank, the hot powder mixture is preferably precompressed to give foils or sheets of sintered matrix and then the long fibers are inserted between the precompressed foils or sheets evenly spaced and embedded in the precompressed foils or sheets by forging, rolling or pressing. Out the ductile composite blank with precompacted sinter matrix, the component is advantageously formed from the ductile composite blank close to the final shape during the shaping and then the intermetallic compound as the matrix material of the composite material is produced from the sintered matrix material by reaction sintering. The reaction sintering can preferably be carried out without pressure with suitable precompression of at least 95% of the maximum possible density.
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.In a further preferred implementation of the process, compression molding and reaction sintering are carried out in one process step, such as extrusion, rolling or forging, at the reaction temperature for the intermetallic compound. With this method variant, structural components such as profile supports, beams, frames or ribs can advantageously be produced. In this case, ceramic long fibers made of oxides, borides, nitrides or carbides are preferably used as long fibers, since a composite material with these long fibers can be separated into any component lengths without any disadvantage for the structure without additional protective measures for the fiber ends.
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.A hot isostatic pressing process is preferably also used for reaction sintering of the component. This is advantageously used if the sinter matrix of the composite blank has a pre-compression below 95% of the maximum possible density or if the density of the composite material is to be increased to the maximum possible density during reaction sintering.
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.In reaction sintering, modifications of the intermetallic compound can occur, which only have to be converted into other modifications by heat treatment after reaction sintering in order to bring about advantageous properties, such as high adhesion between matrix material and fiber material or high elasticity or suitable surface hardness or volume-specific precipitation hardening. A final heat treatment is therefore preferably carried out after the component has been sintered by reaction.
Das folgende Beispiel ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.The following example is an embodiment of the invention.
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.A shroud ring for the blades of a turbine wheel consists of the reaction-sintered intermetallic compound NiAl as a metal matrix and is interspersed with evenly spaced long fibers made of Mo, whereby the long fibers fulfill 30 to 60% by volume except less than or equal to 40% by volume of the shroud ring and the metal matrix 98% of them has maximum density.
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.To produce this component, a powder mixture was first formed from the elementary metallic components Ni and Al with the low-melting component Al of the intermetallic compound NiAl in the stoichiometric ratio of the intermetallic compound. For this purpose, the Ni and Al element powder was mixed with 31.5% by weight of Al.
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.For an extrusion process, the powder mixture of Ni / Al31.5 was converted into a hot powder mixture at a temperature which at most corresponded to the melting temperature of the low-melting component Al heated, which was significantly below the reaction temperature for the intermetallic compound. During extrusion, the hot powder mixture was pressed into a metallic strand and the compact was then rolled into foils with a thickness of 50 µm to 150 µm.
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.Long metallic Mo fibers were then placed evenly spaced between the foils from the pre-compressed hot powder mixture and wound onto a cylinder with the foils under cold-forming roller pressure to form a composite blank, the outer diameter and outer contour of the cylinder corresponding to the inner diameter and inner contour of the component.
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.This pre-compressed composite blank of a shroud ring is then reaction sintered at 700 ° C for 24 h under protective gas at 50 to 200 MP to a component made of a composite material made of the intermetallic compound NiAl and Mo long fibers.
Claims (9)
- A composite blank comprising a matrix material, forming brittle intermetallic compounds, and reinforcing long fibres, wherein the long fibres are arranged in the matrix material, characterised in that the matrix material comprises aluminium and at least one component from the elements Ni, Co, Nb or Fe, and the two components are mixed elementally in a stoichiometric ratio to form NiAl, Ni3Al, CoAl, Co3Al, NbAl3 or FeAl3, and the elemental components are precompressed to form a ductile intermediate material workable and deformable at low temperatures and in the form of a sintered cake or in the form of films, and long fibres in a proportion of 30 to 60 vol.%, in particular smaller than / equal to 40 vol.%, are introduced into the ductile matrix spaced apart on all sides.
- A composite blank according to claim 1, characterised in that the long fibres comprise Mo, Ta, W or alloys of these elements or comprise SiC, TiB2, TiC or Al2O3.
- A composite manufactured from a composite blank according to claim 1 or 2, characterised in that, after shaping the composite blank into a part for engine construction and after reaction heat treatment of the formed composite blank, the composite comprises a matrix of the brittle intermetallic compounds NiAl, Ni3Al, CoAl, Co3Al, NbAl3 or FeAl3 and reinforcing long fibres.
- A method of manufacturing a part from a composite blank or a composite according to any one of claims 1 to 3, characterised by the following steps:a) preparing a powder mixture formed from elemental metallic components having at least aluminium as a low-melting component of an intermetallic compound and at least one component from the elements Ni, Co, Nb or Fe as a high-melting component in a stoichiometric ratio to the low-melting component;b) heating the powder mixture to form a hot powder mixture or a pasty sintered cake up to a temperature no higher than the melting temperature of the low-melting component of the powder mixture and clearly below the reaction temperature for the intermetallic compound;c) introducing ceramic or amorphous long fibres into the hot powder mixture or into a hot powder mixture precompressed into films or into the pasty sintered cake at uniform intervals to form a composite blank;d) precompressing and/or cooling the hot powder mixture or the pasty sintered cake having ceramic or amorphous long fibres to form a workable and sinterable composite blank comprising a sintered matrix and long fibres;e) forming the composite blank comprising a sintered matrix and long fibres by pressing, rolling, forging or mechanical working, such as cutting, grinding or abrading, to produce a sinterable part close to its final shape, and by reaction sintering the part close to its final shape at the reaction temperature for the intermetallic compound, the sintered matrix reacting to the intermetallic compound and the long fibres of the part extending through at uniform intervals.
- A method according to claim 4, characterised in that the hot powder mixture is firstly precompressed to form films or sheets of sintered matrix, and then the long fibres are introduced at uniform intervals between the precompressed films or sheets and are embedded in the precompressed films or sheets by forging, rolling or pressing, and finally shaping by cold-forming and reaction sintering are carried out.
- A method according to either one of claims 4 and 5, characterised in that shaping and reaction sintering are carried out in a hot-forming step such as extrusion or rolling at the reaction temperature for the intermetallic compound.
- A method according to either one of claims 4 and 5, characterised in that the part is reaction sintered without pressure.
- A method according to any one of claims 4 to 7, characterised in that a hot isostatic pressing process is used for reaction sintering the part.
- A method according to any one of claims 4 to 8, characterised in that final heat treatment is carried out after the reaction sintering of the part.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP92105660A EP0563424B1 (en) | 1992-04-02 | 1992-04-02 | Composite material with metallic and reinforcing fibers and process for producing the same |
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