EP1071831A1 - Verfahren zur herstellung von faserverstärkten metallischen bauteilen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von faserverstärkten metallischen bauteilen

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EP1071831A1
EP1071831A1 EP00904850A EP00904850A EP1071831A1 EP 1071831 A1 EP1071831 A1 EP 1071831A1 EP 00904850 A EP00904850 A EP 00904850A EP 00904850 A EP00904850 A EP 00904850A EP 1071831 A1 EP1071831 A1 EP 1071831A1
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EP
European Patent Office
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fibers
metallic
fiber
profile piece
sic
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EP00904850A
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English (en)
French (fr)
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Bertram Kopperger
Michael Buchberger
Alexander Sagel
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1071831B1 publication Critical patent/EP1071831B1/de
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing fiber-reinforced metallic components with complex, spatial geometry, according to the preamble of patent claim 1.
  • SiC fibers are well known. In combination with their thermal resilience, these predestine the ceramic SiC fibers as reinforcing elements for metallic materials. With regard to an intimate, load-transmitting connection between the ceramic fiber and the metallic matrix, the fiber must be provided in advance with a firmly adhering surface coating made of a metal which is identical or at least “related” to the component material, with regard to the subsequent one Diffusion connection / welding.
  • the fiber coating is usually carried out using the PVD process, especially by magnetron sputtering.
  • MMCs metal matrix composites
  • SiC fibers are produced as long or “endless fibers” with lengths of up to about 40 km, whereby in construction practice mostly fragments / sections of, for example, 150 m in length are processed.
  • a preferred fiber diameter is about 100 ⁇ m.
  • a certain disadvantage of The stiff SiC fiber is sensitive to kinking, which is why it can only be bent with relatively large radii.
  • the minimum bending radius for said 100 ⁇ m fibers is about 2.5 cm. Because of the long fiber length, it is possible to advantageously reinforce them using winding technology Components have to be applied, of course taking into account the fiber-specific minimum bending radius.
  • contoured Components such as lids, sleeves, pipes, discs, etc.
  • flexible or pourable elements such as foils, wires, powder, etc.
  • titanium and its alloys occupy a preferred position among the metals to be reinforced. See, for example, DE-PS 43 24 755.
  • SiC fiber-reinforced components are practically always easier to build than corresponding components that consist only of metal. This in turn predestines "MMC's" with SiC reinforcement for use in high-speed rotors of all kinds.
  • the fiber content that can currently be achieved in the reinforcement area is approximately 40% by volume.
  • the object of the invention is to provide a method for producing SiC fiber-reinforced metallic components, which enables the production of defined fiber reinforcements in a reproducible and economical manner, particularly in the case of more complex, three-dimensional geometries, and thus the use of the MMC technology in complex shapes Makes components really useful for the first time.
  • This object is achieved by the method steps A to C characterized in claim 1, in conjunction with the generic features in its preamble.
  • the principle of the invention is that the fiber reinforcement is applied to a metallic profile piece with simple geometry and is held by means of a metallic counterpart, that the unit consisting of profile piece, fibers and counterpart with still “loose” fibers is plastically formed into the complex final shape and only then
  • the steps of plastic forming and consolidation take place at least largely separately one after the other in the same device / within the same molds, the process parameters pressure, temperature and time being controlled accordingly there is no finished component yet, so that further manufacturing steps, for example machining or joining technology, follow.
  • FIG. 1 shows a cross section through a fiber-coated profile piece with a counterpart
  • FIG. 2 shows a section through two molding tools with a unit that is still to be deformed
  • FIG. 3 shows a diagram with the temporal pressure and temperature curve during the forming and consolidation, as well as a section comparable to FIG. 2 with a deformed and consolidated part
  • FIG. 4 shows a rotatable carrier with several, fiber-wound profile pieces
  • FIG. 5 shows two consolidated parts to be connected to form a hollow airfoil
  • 6 shows the airfoil joined from the parts according to FIG. 5.
  • the geometrically simple, metallic profile piece 1 in FIG. 1 is formed by a U-profile with a flat base area and with low, vertical legs. It is already covered with metal-coated SiC fibers 4 - more precisely with pieces of one or a few SiC long fibers - and is to be “closed” by means of the lid-like, metallic counterpart 2, for which the latter is done, for example, by spot welding on the legs of the profile piece 1
  • the counterpart 7 is intended to hold the SiC fibers 4 in their desired position as freely as possible, so that the metallic fiber surfaces remain longitudinally displaceable with little friction relative to one another and relative to adjacent profile surfaces, which is important for the subsequent forming Fibers can - at least partially - be filled with metal powder (not shown), which may facilitate and improve later consolidation.
  • Figure 2 shows a still flat unit 10 made of profile piece 2, SiC fibers 5 and counterpart 8, which is inserted between two molds 12J 3 with similarly convex / concave curved contact surfaces.
  • the molds 12, 13 belong to a hot press (not shown), the work space of which can be evacuated and heated (character “T” for temperature).
  • the arrows above and below the molds 12, 13 including the character “p” symbolize the pressure, whereby at least one molding tool is designed to be movable in the direction of the arrow - and vice versa.
  • the contact surfaces of the molding tools 12, 13, which are shown here as simply curved due to the clarity, will in reality usually have more complex, three-dimensional shapes, as are required, for example, in gas turbine engine blades.
  • FIG. 3 shows a diagram on the left with the courses of pressure (p) and temperature (T) over time for the two process steps "forming” and “consolidation”, which are carried out one after the other in the same device.
  • the pressure and temperature curves tend to be uniform, which is not always the case.
  • the molds 12, 13 come into contact with one another with a defined pressure / force to be moved until the unit 10 is completely plastically formed, that is to say over the entire surface of the contact surfaces of the molding tools 12, 13.
  • FIG. 4 shows a particularly economical method for providing several profile pieces 3 simultaneously with a fiber covering.
  • the "trick" is to arrange several profile pieces 3 on the circumference of a wheel-shaped, rotatable carrier 14 in such a way that the desired fiber direction of each profile piece 3 is tangential Profile pieces 3 can be flat or - relatively simple - curved.
  • the metallic counterparts 9 are applied and fixed, so that the SiC fibers are held in place.
  • Figures 5 and 6 relate specifically to the manufacture of hollow titanium blades for gas turbines in axial design.
  • Figure 5 shows two separate, already formed and consolidated parts 1 1, 15 made of titanium or titanium alloy with integrated SiC fiber reinforcement.
  • the fiber orientation and assignment is adapted to the later operating conditions, whereby the fiber direction can be unidirectional or multiple oriented. With blades, the fibers predominantly run in the direction of the centrifugal force, ie radially, with guide blades, other and multiple fiber orientations can be advantageous, for example in order to counteract vibration forms in a targeted manner.
  • the plate-shaped parts 1 1, 15 are curved to different degrees in order to form a hollow flow profile after the joining.
  • the reference symbol R with arrow indicates that the curvature can follow an arc of a circle in the simplest case. Depending on the fluidic requirements, largely any spatial curvature curves can be realized.
  • Parts 11 and 15 have metallic surfaces which can be integrally connected in various ways, in particular by welding and soldering. For titanium and its alloys there are now solders and soldering processes that enable connections that are equal in strength to the component material.
  • Figure ⁇ shows in this sense a hollow airfoil 16, which is joined by soldering the two parts 1 1 and 15.
  • the solder joints are located in the area of the blade entry and exit edges and are designated by 17 and 18.
  • a blade longitudinal axis preferably the stack axis running through the profile focal points, is recognizable as a vertical arrow Z.
  • the axis Z extends at least predominantly radially, starting from the longitudinal central axis of the gas turbine, which can also be an aircraft engine. It is clear to the person skilled in the art that the illustrated airfoil 16 is not yet ready for installation. Connection and functional elements are missing, e.g.
  • a blade root with or without a platform an inner and outer cover band segment in the case of a guide blade, a wear-resistant blade tip, etc.
  • These elements consist wholly or partly of a comparable metal, in particular a titanium alloy, and can contain ceramic fibers and / or particles.
  • the elements can consist of various alloys which are best adapted to the local operating conditions. Criteria such as titanium fire resistance, wear resistance etc. play a role here.
  • the integral integration is preferably also carried out by soldering.
  • This hollow blade concept can of course also be applied to other, fiber-reinforced metals, e.g. based on iron, nickel or cobalt (Fe, Ni, Co).

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten metallischen Bauteilen mit komplexer Geometrie, bei dem metallbeschichtete SiC-Fasern durch Druckeinwirkung bei hoher Temperatur in Vakuum miteinander und mit dem Bauteilmetall stoffschlüssig verbunden werden, mit folgenden Schritten: A) auf ein metallisches Profilstück (2) mit einfacher Geometrie werden SiC-Fasern (5) aufgebracht und mit einem metallischen Gegenstück (8) zwangsfrei gehalten, B) die Einheit aus Profilstück, Fasern und Gegenstück wird zwischen Formwerkzeugen (12, 13) unter Anwendung von Druck bei höherer Temperatur in Vakuum plastisch bis zur komplexen Endgestalt umgeformt, ohne Stoffschluss der Fasern untereinander bzw. mit dem Bauteilmetall, C) durch weitere Erhöhung von Druck bzw. Temperatur wird die umgeformte Einheit zwischen den Formwerkzeugen weiter verdichtet und metallisch stoffschlüssig konsolidiert.

Description

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten metallischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten metallischen Bauteilen mit komplexer, räumlicher Geometrie, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die außergewöhnlichen Festigkeitseigenschaften von SiC-Fasern sind bekannt. Diese in Verbindung mit deren thermischer Belastbarkeit prädestinieren die keramischen SiC-Fasern als Verstärkungselemente für metallische Werkstoffe. Im Hinblick auf eine innige, lastübertragende Verbindung zwischen der keramischen Faser und der metallischen Matrix muss die Faser vorab mit einer festhaftenden Oberf lächenbe- schichtung aus einem Metall versehen werden, welches mit dem Bauteilwerkstoff identisch oder zumindest „verwandt" ist, im Hinblick auf die anschließende Diffusionsverbindung / - verschweissung. Die Faserbeschichtung erfolgt meist nach dem PVD-Verfahren, speziell durch Magnetron-Sputtem. Die letztlich entstehenden, faserverstärkten Metallbauteile werden auch als „MMC's" (Metal Matrix Composites) bezeichnet. SiC-Fasern werden als Lang- bzw. „Endlosfasern" mit Längen bis etwa 40 km hergestellt, wobei in der konstruktiven Praxis meist Bruchstücke/Abschnitte von beispielsweise 150 m Länge verarbeitet werden. Ein bevorzugter Faserdurchmesser liegt bei etwa 100 μm. Ein gewisser Nachteil der steifen SiC-Faser ist ihre Knickempfindlichkeit, weshalb sie nur mit relativ großen Radien gebogen werden darf. Der Mindestbiegeradius für besagte 100 μm - Fasern liegt bei etwa 2,5 cm. Durch die große Faserlänge ist es möglich, diese vorteilhaft in Wickeltechnik auf zu verstärkende Bauteile aufzubringen, natürlich unter Beachtung des faserspezifischen Mindest- biegeradius. Als konkrete Anwendungsfälle werden bis dato hauptsächlich geometrisch relativ einfache Rotorelemente genannt, z.B. in Form von rotationssymmetrischen Wellen, Scheiben und Ringen bzw. Kombinationen aus diesen Elementen. Die Herstellung soll meist in der Weise erfolgen, dass metallische Träger mit einer zumindest weitgehend der Endform entsprechenden Kontur mit einer metallbeschich- teten SiC-Langfaser bewickelt, die Faserwicklungen metallisch abgedeckt, und die so vorgefertigte Einheit in Vakuum durch Druck- und Temperatureinwirkung stoffschlüssig monolithisiert, d.h. konsolidiert werden, letzteres bevorzugt im „HIP"-Verfahren (Hot isostatic Pressing). Als Abdeckung für die Fasern kommen neben konturierten Bauteilen, wie Deckeln, Hülsen, Rohren, Scheiben etc., auch flexible bzw. schüttfähige Elemente, wie Folien, Drähte, Pulver usw., in Frage. Aufgrund des günstigen Fe- stigkeits-/Gewichtsverhältnisses nehmen Titan und dessen Legierungen eine bevorzugte Stellung unter den zu verstärkenden Metallen ein. Siehe hierzu beispielsweise die DE-PS 43 24 755.
Für höhere Einsatztemperaturen bieten sich Metalle wie Nickel und Kobalt als Matrixwerkstoffe an. Aufgrund der hohen Festigkeit der SiC-Faser sowie aufgrund ihrer relativ geringen Dichte (ca. 3,9 g/cm3) lassen sich mit SiC faserverstärkte Bauteile praktisch immer leichter bauen als entsprechende Bauteile, welche nur aus Metall bestehen. Dies wiederum prädestiniert „MMC's" mit SiC-Verstärkung für den Einsatz in hochtourigen Rotoren aller Art. Der derzeit erzielbare Faseranteil im Verstärkungsbereich liegt bei etwa 40 Vol.-%.
Bis dato nicht zufriedenstellend gelöst ist das Problem der Herstellung von MMC- Bauteilen mit SiC-Faserverstärkung in komplexen, dreidimensionalen Geometrien, z.B. in Form von Triebwerksschaufeln. Einerseits lassen sich räumlich komplex geformte Metallträger - als Bauteilvorstufe - praktisch nicht definiert mit den „widerborstigen" SiC-Fasern belegen, schon gar nicht in der bevorzugten Wickeltechnik. Andererseits lassen sich konsolidierte SiC-Fasern, deren metallische Oberflächen bereits stoffschlüssige Verbindungen aufgebaut haben, de facto nicht mehr bleibend verformen, es sei denn unter Faserbruch / - Zerstörung.
Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von SiC-faserverstärkten metallischen Bauteilen anzugeben, welches speziell bei komplexeren, dreidimensionalen Geometrien die Erzeugung von definierten Faserverstärkungen auf reproduzierbare und ökonomische Weise ermöglicht und somit die Anwendung der MMC-Technik auf komplex geformte Bauteile erstmalig wirklich sinnvoll macht. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Verfahrens- schritte A bis C gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Das Prinzip der Erfindung liegt darin, dass die Faserverstärkung auf ein metallisches Profilstück mit einfacher Geometrie aufgebracht und mittels eines metallischen Gegenstücks gehalten wird, dass die Einheit aus Profilstück, Fasern und Gegenstück mit noch „losen" Fasern plastisch in die komplexe Endgestalt umgeformt und erst dann zu einem monolithischen Teil konsolidiert wird. Die Schritte der plastischen Umformung und der Konsolidierung laufen zumindest weitgehend separat nacheinander in der selben Vorrichtung / innerhalb der selben Formwerkzeuge ab, wobei die Verfahrensparameter Druck, Temperatur und Zeit entsprechend gesteuert werden. Nach der Konsolidierung wird in der Regel noch kein fertiges Bauteil vorliegen, so dass sich weitere Fertigungsschritte, z.B. spanabhebender bzw. fügetechnischer Art, anschließen.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, eher schematischer Darstellung:
Figur 1 einen Querschnitt durch ein faserbelegtes Profilstück mit Gegenstück,
Figur 2 einen Schnitt durch zwei Formwerkzeuge mit einer noch zu verformenden Einheit,
Figur 3 ein Diagramm mit dem zeitlichen Druck- und Temperatur- verlauf bei der Umformung und Konsolidierung sowie einen mit Figur 2 vergleichbaren Schnitt mit einem umgeformten und konsolidierten Teil,
Figur 4 einen drehbaren Träger mit mehreren, faserbewickelten Profil- stücken,
Figur 5 zwei konsolidierte, zu einem hohlen Schaufelblatt zu verbindende Teile, und Figur 6 das aus den Teilen gemäß Figur 5 gefügte Schaufelblatt.
Das geometrisch einfache, metallische Profilstück 1 in Figur 1 wird von einem U- Profil mit ebener Grundfläche und mit niedrigen, vertikalen Schenkeln gebildet. Es ist bereits mit metallbeschichteten SiC-Fasern 4 - genauer gesagt mit Stücken von einer oder wenigen SiC-Langfasem - belegt und soll mittels des deckelartigen, metallischen Gegenstücks 2 „verschlossen" werden, wozu letzteres z.B. durch Punkt- schweissung auf den Schenkeln des Profilstücks 1 fixiert wird. Das Gegenstück 7 soll die SiC-Fasern 4 möglichst zwangsfrei in ihrer Sollage halten, so dass die metallischen Faseroberflächen noch mit geringer Reibung relativ zueinander und relativ zu angrenzenden Profilflächen längsverschiebbar bleiben, was für die spätere Umformung wichtig ist. Die Hohlräume zwischen den Fasern können - zumindest teilweise - mit Metallpulver befüllt werden (nicht dargestellt), wodurch die spätere Konsolidie- rung ggf. erleichtert und verbessert wird.
Figur 2 zeigt eine noch ebene Einheit 10 aus Profilstück 2, SiC-Fasern 5 und Gegenstück 8, welche zwischen zwei Formwerkzeuge 12J 3 mit gleichartig konvex/konkav gekrümmten Kontaktflächen eingelegt ist. Die Formwerkzeuge 12, 13 gehören zu einer - nicht dargestellten - Heißpresse, deren Arbeitsraum evakuierbar und aufheizbar ist (Zeichen „T" für Temperatur). Die Pfeile oberhalb und unterhalb der Formwerkzeuge 12,13 einschließlich der Zeichen „p" symbolisieren den Pressdruck, wobei mindestens ein Formwerkzeug in Pfeilrichtung - und umgekehrt - bewegbar ausgeführt ist. Die hier der Übersichtlichkeit wegen einfach gekrümmt dargestellten Kontaktflächen der Formwerkzeuge 12,13 werden in der Realität meist komplexere, dreidimensionale Formen aufweisen, wie sie beispielsweise bei Gasturbinentriebwerksschaufeln erforderlich sind.
Figur 3 zeigt links ein Diagramm mit den Verläufen von Druck (p) und Temperatur (T) über der Zeit für die beiden Verfahrensschritte „Umformen" und „Konsolidierung", welche in der selben Vorrichtung zeitlich nacheinander vollzogen werden. Die Kurven von Druck und Temperatur verlaufen tendenziell gleichförmig, was nicht immer so sein muss. Ausgehend von dem in Fig. 2 erkennbaren Zustand mit noch geöffneten Formwerkzeugen 12, 13 sowie nach Erreichen einer Werkzeug- und Werkstücktemperatur, bei der die Metallteile der Einheit 10 problemlos plastisch verformbar sind, werden die Formwerkzeuge 12, 13 mit definiertem Druck / definierter Kraft aufeinander zu be- wegt, bis die Einheit 10 vollständig plastisch umgeformt ist, d.h. vollflächig an den Kontaktflächen der Formwerkzeuge 12, 13 anliegt. Während dieses Verformungsvorganges dürfen die metallbeschichteten SiC-Fasern 5 noch nicht miteinander bzw. mit den angrenzenden Teilen 2,8 verkleben / verschweissen, weil die sich dann ergebenden, hohen Scherspannungen die Verformung behindern bzw. zu Faserbruch füh- ren würden. Deshalb dürfen Druck p und Temperatur T hier noch nicht zu hoch sein. Im p-T-Zeit-Diagramm ist dieser Umformschritt in Gestalt der beiden kleinen, unteren Plateaus zu erkennen.
Nach Beendigung der plastischen Umformung, d.h. nachdem das bewegliche Form- Werkzeug bei unverändertem Druck zum Stillstand gekommen ist, werden der Druck und die Temperatur weiter erhöht, um den Verfahrensschritt der Konsolidierung einzuleiten, bei welchem unter weiterer Strukturverdichtung durch Diffusionsverbindung / - verschweissung der inneren Metalloberflächen ein monolithisches, weitestgehend „hohlraumfreies" Teil mit lasttragend integrierter Faserverstärkung entsteht. Dieser Zustand mit dem endverdichteten, konsolidierten Teil 1 1 ist in Figur 3 rechts wiedergegeben. Im Druck-Temperatur-Zeit-Diagramm entspricht die Konsolidierung den beiden oberen, breiten Plateaus.
Es kann möglicherweise ausreichen, für den Übergang von der plastischen Umformung zur Konsolidierung nur einen der Parameter p, T zu erhöhen. Hierzu sind expe- rimentieile Untersuchungen sicher unumgänglich.
Es leuchtet ein, daß das Teil 1 1 nach Entnahme aus den Formwerkzeugen 12, 13 in aller Regel noch kein fertiges Bauteil darstellt.
Figur 4 zeigt eine besonders ökonomische Methode, um mehrere Profilstücke 3 si- multan mit einer Faserbelegung zu versehen. Dies setzt allerdings eine - im Ausgangszustand - unidirektionale Faserorientierung voraus. Der „Trick" besteht darin, mehrere Profilstücke 3 am Umfang eines radförmigen, drehbaren Trägers 14 so anzuordnen, dass die Soll-Faserrichtung jedes Profilstücks 3 tangential verläuft. Die Profilstücke 3 können hierbei ebenflächig oder - relativ einfach - gekrümmt sein. Durch Drehung des Trägers 14 und Bewicklung mit mindestens einer langen, tangen- tial zugeführten SiC-Faser 6 wird nach einer bestimmten Umdrehungszahl und einer gesteuerten seitlichen Verschiebung der Faserzufuhr, d.h. einer schraubenlinienför- migen Bewicklung in ggf. mehreren Lagen, die gewünschte Belegung erreicht. Dann werden die metallischen Gegenstücke 9 aufgebracht und fixiert, so dass die SiC- Fasern festgehalten sind. Dieser Zustand - bei stehendem Träger 14 - ist in Figur 4 wiedergegeben (der Rotationspfeil um die Trägerachse ist deshalb nur gestrichelt). Jetzt können die freistehenden Faserstränge zwischen den Profilstücken 3 durch- trennt und bis an die Bauteilenden zurückgeschnitten werden, so daß die Einheiten aus Profilstücken, Fasern und Gegenstücken separat vom Träger 14 abnehmbar sind. Danach wird jede Einheit, wie bereits erläutert, plastisch umgeformt und konsolidiert.
Es ist auch denkbar, die Formwerkzeuge aus Figur 2 und 3 so auszuführen, dass mehrere, vorgefertigte Einheiten -jeweils bestehend aus Profilstück, Fasern und Gegenstück - zusammen plastisch umgeformt, konsolidiert und eventuell auch miteinander verbunden werden, wobei die Einheiten nebeneinander/hintereinander und/oder aufeinander zwischen den Formwerkzeugen angeordnet werden.
Die Figuren 5 und 6 betreffen speziell die Herstellung von hohlen Titanschaufeln für Gasturbinen in Axialbauweise.
Figur 5 zeigt zwei separate, bereits umgeformte und konsolidierte Teile 1 1 , 15 aus Titan bzw. Titanlegierung mit integrierter SiC-Faserverstärkung. Die Faserorientierung und -belegung ist den späteren Betriebsbedingungen angepasst, wobei die Faserrichtung unidirektional oder mehrfach orientiert sein kann. Bei Laufschaufeln verlaufen die Fasern vorwiegend in Richtung der Fliehkraft, d.h. radial, bei Leitschaufeln können andere sowie mehrfache Faserorientierungen vorteilhaft sein, beispiels- weise, um Schwingungsformen gezielt entgegenzuwirken. Die plattenförmigen Teile 1 1, 15 sind verschieden stark gekrümmt, um nach dem Fügen ein hohles Strömungsprofil zu bilden. Das Bezugszeichen R mit Pfeil weist darauf hin, dass die Krümmung im einfachsten Fall einer Kreisbogenlinie folgen kann. Je nach den strömungstechnischen Anforderungen sind aber weitgehend beliebige, räumliche Krümmungsverläufe realisierbar. Die Teile 1 1 und 15 weisen metallische Oberflächen auf, welche sich auf verschiede- ne Weise stoffschlüssig verbinden lassen, insbesondere durch Schweissen und Löten. Für Titan und dessen Legierungen gibt es inzwischen Lote und Lötverfahren, die Verbindungen ermöglichen, welche festigkeitsmäßig dem Bauteilwerkstoff ebenbürtig sind.
Figur ό zeigt in diesem Sinne ein hohles Schaufelblatt 16, das durch Löten aus den beiden Teilen 1 1 und 15 gefügt ist. Die Lötstellen liegen im Bereich der Schaufelein- und der Schaufelaustrittskante und sind mit 17 und 18 bezeichnet. Eine Schaufellängsachse, vorzugsweise die durch die Profilschwerpunkte verlaufende Stapelachse, ist als vertikaler Pfeil Z erkennbar. In einer das Schaufelblatt 16 verwendenden Gas- turbine verläuft die Achse Z zumindest überwiegend radial, ausgehend von der Längsmittelachse der Gasturbine, welche auch ein Flugtriebwerk sein kann. Dem Fachmann ist klar, dass das dargestellte Schaufelblatt 16 noch nicht einbaufertig ist. Es fehlen Anschluss- und Funktionselemente, wie z.B. ein Schaufelfuß mit oder ohne Plattform, ein inneres und äusseres Deckbandsegment im Falle einer Leitschaufel, eine verschleißfeste Schaufelspitze usw.. Diese Elemente bestehen ganz oder teilweise aus einem vergleichbaren Metall, insbesondere einer Titanlegierung, und können keramische Fasern und/oder Partikel enthalten. Die Element können aus verschiedenen Legierungen bestehen, welche den lokalen Betriebsverhältnissen bestmöglich angepasst sind. Hierbei spielen Kriterien wie Titanfeuerresistenz, Verschleiß- festigkeit usw. eine Rolle. Die stoffschlüssige Integration erfolgt bevorzugt auch durch Löten.
Dieses Hohlschaufelkonzept ist natürlich auch auf andere, faserverstärkte Metalle anwendbar, z.B. auf Basis von Eisen, Nickel oder Kobalt (Fe, Ni, Co).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten metallischen Bauteilen mit kom- plexer, räumlicher Geometrie, bei dem metallbeschichtete SiC-Faserabschnitte - hier SiC-Fasern genannt - durch Druckeinwirkung bei hoher Temperatur in Vakuum miteinander sowie mit dem Bauteilmetall stoffschlüssig verbunden werden, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
A) Auf ein metallisches Profilstück (1 ,2,3) mit einfacher Geometrie werden metallbeschichtete SiC-Fasern (4,5,6) in gewünschter Anzahl, Verteilung und Orientierung aufgebracht und mit einem danach auf dem Profilstück ( 1 ,2,3) fixierten, metallischen Gegenstück (7,8,9) zwangsfrei gehalten,
B) die Einheit (10) aus Profilstück, Fasern und Gegenstück (2,5,8) wird zwischen Formwerkzeugen (12J 3) unter Druck bei erhöhter Temperatur in Vakuum plastisch bis zum Erreichen der gewünschten, komplexen Geometrie umgeformt, wobei noch keine nennenswerte, stoffschlüssige Verbindung der Fasern (5) untereinander sowie der Fasern (5) mit dem Bauteilmetall entsteht,
C) durch Erhöhung des Druckes und/oder der Temperatur wird die umgeformte Einheit (10) zwischen den Formwerkzeugen ( 12, 13) weiter verdichtet und durch metallischen Stoffschluss (Diffusionsschweissen) zu einem monolithischen Teil (1 1 , 5) konsolidiert, wobei - nach Abkühlung und Entnahme aus den Formwerk- zeugen (12,13) - das Teil alleine oder in stoffschlüssiger Verbindung mit weiteren
Teilen das Bauteil (16) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungs- metall für die SiC-Fasern und als Bauteilmetall Titan (Ti) und/oder mindestens ei- ne Legierung auf Titanbasis zur Anwendung kommt/kommen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungs- metall für die SiC-Fasern und als Bauteilmetall eines der Elemente Nickel (Ni), Ko- balt (Co) und Eisen (Fe) und/oder mindestens eine Legierung auf Basis eines dieser Elemente zur Anwendung kommt/kommen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Profilstück ( 1,2,3) ein ebener oder einfach gekrümmter Abschnitt eines Halbzeugs verwendet wird, beispielsweise eines Bleches, eines U-Profils usw..
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der plastischen Umformung bei einer Temperatur von ungefähr 800 °C erfolgt, der Schritt der Konsolidierung bei einer Temperatur von ungefähr 950 °C.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenstück (7,8,9) durch Punktschweissen auf dem Profilstück (1 ,2,3) fixiert wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere metallische Profilstücke (3) am Umfang eines radförmi- gen Trägers (14) angeordnet und hinsichtlich ihrer vorgesehenen Faserorientierung tangential ausgerichtet werden, dass die Profilstücke (3) unter Drehung des Trägers ( 14) mit mindestens einer langen SiC-Faser (6) gemeinsam bewickelt werden, bis eine vorgegebene Faserzahl je Bauteil erreicht ist, dass auf jedem Profilstück (3) ein deckelartiges Gegenstück (9) unter lokaler Abdeckung der Faserwicklungen fixiert wird, dass die die Profilstücke (3) verbindenden, offenen Faserstränge im Bereich der
Profilstückenden durchtrennt und entfernt werden, und dass die somit separierten Einheiten, jeweils bestehend aus Profilstück, Fasern und Gegenstück (3,6,9), vom Träger (14) abgenommen und in weiteren Schritten plastisch umgeformt und konsolidiert werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einheiten, jeweils bestehend aus Profilstück, SiC-Fasern und Gegenstück, zusammen zwischen Formwerkzeugen plastisch umgeformt, konsolidiert und ggf. miteinander durch metallischen Stoffschluss verbunden werden, wobei die Einheiten nebeneinander/hintereinander und/oder aufeinander zwischen den Formwerkzeugen angeordnet werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei plastisch umgeformte und konsolidierte Teile (1 1 , 15) mit gleicher oder unterschiedlicher Geometrie stoffschlüssig zu einem hohlen Bauteil (16) verbunden werden, vorzugsweise durch Löten und/oder Schweissen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei konsolidierte, plattenförmige Teile ( 1 1 , 15), insbesondere Teile mit Titan (Ti) als Basismetall, mit unterschiedlicher Plattenkrümmung zu einem hohlen Schaufelblatt (16) verbunden werden, insbesondere durch Löten (17, 18).
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei plattenförmige Teile ( 1 1 J 5) mit -quer zur späteren Schaufellängsachse (Z) - jeweils kreisbogenförmiger Krümmung verbunden werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mit dem hohlen Schaufelblatt (16) weitere Teile, wie z.B. ein Schaufelfuß, eine Plattform, ein oder zwei Deckbandsegmente bzw. eine Blattspitze, verbunden werden, wobei für die Teile unterschiedliche Legierungen mit speziellen Eigenschaften, wie Abrasionsbeständigkeit, Titanfeuer-Resistenz, Ermüdungsfestigkeit usw., verwendet werden können, und wobei die für das Schaufelblatt (16) und die für die weiteren
Teile (Schaufelfuß etc.) erforderlichen Fügevorgänge gleichzeitig oder nacheinander ausführbar sind.
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