EP1673486B1

EP1673486B1 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstoffs und verwendung desselben

Info

Publication number: EP1673486B1
Application number: EP04786887A
Authority: EP
Inventors: Joachim Bamberg; Falko Heutling; Josef Mayr; Klaus-Dieter Tartsch
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-10-18
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: DE10348506A1; WO2005040444A1; US20070141298A1; US7524566B2; DE502004006792D1; EP1673486A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl sowie die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen eine entscheidende Rolle.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden insbesondere für Wellenteile und Getriebeteile und für Verdichtergehäuse sowie Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile, Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet.
Eine sehr vielversprechende Gruppe eines neuen Werkstoffs für künftige Generationen für Flugtriebwerke sind sogenannte faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Moderne Verbundwerkstoffe verfügen über ein Trägermaterial, welches als eine Polymer-, eine Metall- oder eine Keramikmatrix ausgebildet sein kann, sowie über in das Trägermaterial eingebettete Fasern.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei welchem das Trägermaterial als Metallmatrix ausgebildet ist. Einen derartigen Werkstoff bezeichnet man auch als Metallmatrix-Verbundwerkstoff- kurz MMC genannt. Bei hochfesten MMC-Werkstoffen, bei denen Titan als Trägermaterial zum Einsatz kommt, kann das Gewicht von Bauteilen um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen Titanlegierungen reduziert werden. Als Verstärkungen werden Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul verwendet.
Aus dem Stand der Technik sind bereits derartige faserverstärkte Verbundwerkstoffe bekannt. So offenbart die EP 0 490 629 B1 einen Vorformling für einen Verbundwerkstoff mit einer Folie, wobei die Folie eine Rille und eine in der Rille angeordnete, fadenförmige Verstärkung aufweist, und wobei der Vorformling die Form eines Rings oder einer Scheibe besitzt. Zur Herstellung einer mehrschichtigen Verbundstruktur wird gemäß der EP 0 490 629 B1 so vorgegangen, dass mehrere derartige Vorformlinge überlagert werden, wobei die Vorformlinge unter Hitze und Druck zu einem völlig dichten Verbundwerkstoff verfestigt werden. Weitere Verbundwerkstoffe und Verfahren zur Herstellung derselben sind aus der EP 0 909 826 B1 , der US 4,697,324 und der US 4,900,599 bekannt.
Das Dokument US 2002/0031678 A1 offenbart ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs über folienartige Vorformlinge mit einer Rille und einer in die Rille eingebrachten Verstärkungsfaser. Die Rille wird spanabhebend in die Folie geschnitten, wobei die Folie auf einem rotierenden Werkzeug bzw. Werktisch festgespannt ist. Zur Fertigstellung des eigentlichen Verbundwerkstoffs werden mehrere, mit Fasern versehene Folien aufeinander gestapelt und stoffschlüssig konsolidiert. Eine sichere Prüfung des mehrschichtigen Werkstoffs auf Faserbrüche bzw. Werkstoffrisse ist praktisch nicht möglich.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen zu schaffen, mit dem eine exakte Lage der Fasern und ein geringer Materialausschuss erreicht werden.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei werden Scheiben aus Trägermaterial und mindestens einer in das Trägermaterial eingebetteten Faser zusammengefügt. Erfindungsgemäß wird jede Scheibe mit Faser separat konsolidiert, danach werden die konsolidierten Scheiben gestapelt und durch einen Fügeschritt verbunden.
Vorzugsweise wird eine Ausnehmung in die Scheibe eingebracht, deren Tiefe größer als der Durchmesser der Faser ist, derart, dass bei einer in die Ausnehmung eingelegten Faser Stege aus Trägermaterial über die Faser vorstehen.
Die Scheiben werden derart gestapelt, dass die Fasern der gestapelten Scheiben in einem radial äußeren Abschnitt zur festigkeitsoptimierenden Verzahnung radial unterschiedlich weit in das Trägermaterial hineinragen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1:: eine Scheibe aus Trägermaterial in schematisiertem Querschnitt;
Fig. 2:: einen stark vergrößerten Ausschnitt aus der Scheibe gemäß Fig. 1 mit einer in die Scheibe eingebrachten Ausnehmung;
Fig. 3:: die Anordnung gemäß Fig. 1 mit einer in der Ausnehmung eingelegten Faser;
Fig. 4:: eine Scheibe aus Trägermaterial mit einer eingebetteten Faser in schematisiertem Querschnitt;
Fig. 5:: das Detail V der Fig. 4;
Fig. 6:: mehrere übereinander angeordnete Scheiben aus Trägermaterial mit eingebetteten Fasern in schematisiertem Querschnitt,
Fig. 7:: einen Ausschnitt aus der Anordnung gemäß Fig. 6; und
Fig. 8:: einen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff in schematisiertem Querschnitt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 8 werden nachfolgend die Details des erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoffs sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Verbundwerkstoffs im größeren Detail beschrieben.
Der erfindungsgemäß hergestellte Verbundwerkstoff verfügt über ein Trägermaterial aus Titan oder einer Titanlegierung sowie über mehrere in das Trägermaterial eingebettete Fasern. Bei den Fasern handelt es sich vorzugsweise um Keramikfasern aus Siliziumkarbid. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff wird aus mehreren Scheiben aus Trägermaterial gebildet, wobei in jeder Scheibe eine Faser eingebettet ist. Mehrere solcher Scheiben mit einer darin eingebetteten Faser sind zur Bildung des Verbundwerkstoffs übereinander gestapelt und miteinander verbunden. Zur Einbettung der Faser in die jeweilige Scheibe aus Trägermaterial ist in die Scheibe eine Ausnehmung eingebracht. In die Ausnehmung ist die entsprechende Faser eingelegt und allseitig von Trägermaterial umgeben, so dass die Faser in die Scheibe eingebettet ist.
Fig. 1 zeigt eine Scheibe 10 aus Trägermaterial, nämlich aus Titan, in stark schematisiertem Querschnitt. In einem mittleren Bereich verfügt die Scheibe 10 über eine Bohrung 11.
Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs wird nach einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine Stirnseite 12 der Scheibe 10 eine Ausnehmung eingebracht. Fig. 2 zeigt ein stark vergrößertes Detail der Scheibe 10 im Bereich der Stirnseite 12. Bei der Ausnehmung 13, die in die Stirnseite 12 der Scheibe 10 eingebracht wird, handelt es sich um eine spiralförmige Nut. Die spiralförmige Nut erstreckt sich demnach ausschließlich auf einer Stirnseite 12 der Scheibe 10 von innen nach außen.
Nachdem die spiralförmige Ausnehmung 13 in die Oberseite 12 der Scheibe 10 eingebracht worden ist, wird eine Faser 14 in die spiralförmige Ausnehmung 13 eingelegt. Fig. 3 kann entnommen werden, dass Stege 15 aus Trägermaterial bei eingelegter Faser 14 über der Faser 14 vorstehen. Die Tiefe der spiralförmigen Ausnehmung 13 ist demnach größer als der Durchmesser der Faser 14.
Durch die Ausnehmung 13 wird eine exakte Führung für die Faser 14 bereitgestellt. Die Position der Faser 14 innerhalb der Scheibe 10 bzw, innerhalb des Trägermaterials wird hierdurch exakt vorgegeben.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anordnung gemäß Fig. 3 einem superplastischen Umformprozess unterzogen. Hierzu wird die Scheibe 10 bzw. das Trägermaterial auf eine Umformtemperatur erhitzt und durch uniaxiales Pressen werden die Stege 15 derart superplastisch umgeformt, dass anschließend die Faser 14 im Sinne der Fig. 5 allseitig von Trägermaterial umgeben ist und somit die Faser 14 in das Trägermaterial eingebettet ist. Fig. 5 kann entnommen werden, dass die Position der Faser 14 auch nach dem superplastischen Umformen der Stege 15 erhalten bleibt. Beim superplastischen Umformen wird das Trägermaterial verdichtet.
Fig. 4 zeigt eine Scheibe 10 aus Trägermaterial mit der in der Scheibe 10 eingebetteten Faser 14 in stark schematisiertem Querschnitt. Die Faser 14 ist allseitig von Trägermaterial umgeben und demnach in das Trägermaterial eingebettet.
Zur Herstellung des eigentlichen Verbundwerkstoffs werden in einem nächsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens im Sinne der Fig. 6 mehrere Scheiben 10 mit in den Scheiben 10 eingebetteten Fasern 14 übereinander angeordnet und auf diese Art und Weise ringförmig bzw. zylinderförmig gestapelt. Die übereinander angeordneten sowie gestapelten Scheiben 10 werden dann durch Diffusionsschweißen unter geringem axialen Druck gefügt bzw. miteinander verbunden. Hierdurch wird letztendlich der Verbundwerkstoff bereitgestellt.
Vor der Stapelung der Scheiben 10 im Sinne der Fig. 6 erfolgt vorzugsweise eine Prüfung der Scheiben 10 mit den in den Scheiben 10 eingebetteten Fasern 14 auf Risse im Trägermaterial sowie auf Brüche in den Fasern 14. Diese Überprüfung kann mit Ultraschall, Röntgen oder Tomographie erfolgen. Wird ein derartiger Riss bzw. Bruch festgestellt, so wird die Scheibe 10 verworfen. Wird bei der Überprüfung festgestellt, dass kein Riss und kein Bruch in der Faser 14 vorliegt, so kann die Scheibe 10 zur Stapelung verwendet werden.
Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt aus der Anordnung gemäß Fig. 6 im Bereich von drei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Scheiben 10. So kann Fig. 7 entnommen werden, dass die in einer Scheibe 10 eingebettete Faser 14 radial versetzt zu den Fasern 14 der beiden benachbarten Scheiben 10 verläuft. Hierdurch kann eine hexagonale Packung der Fasern 14 erzielt werden. Wie Fig. 7 entnommen werden kann, verläuft eine Faser 14 derart spiralförmig innerhalb einer Scheibe 10, dass im Querschnitt die sich hierbei ergebenden Mittelpunkte der Faser 14 einer Scheibe 10 zwischen den entsprechenden Mittelpunkten der Faser 14 einer benachbarten Scheibe 10 angeordnet sind.
Fig. 6 kann entnommen werden, dass jede Faser 14 innerhalb jeder Scheibe 10 mit einem Abstand zu einem äußeren, seitlichen Ende der jeweiligen Scheibe endet. Gemäß Fig. 6 ist dieser Abstand für jede Scheibe unterschiedlich. Benachbart zur innenliegenden Öffnung 11 ist hingegen der seitliche Abstand der Fasern 14 zur Öffnung 11 gleich ausgebildet. Durch die unterschiedlichen seitlichen Abstände zwischen den Fasern 14 und dem radial äußeren, seitlichen Ende der Scheiben 10 lassen sich graduelle Änderungen in den elastischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erzielen. Weiterhin wird einer Verzahnung zwischen den unverstärkten und faserverstärkten Bereichen des Verbundwerkstoffs erzielt, was die Festigkeitseigenschaften positiv beeinflusst.
Fig. 8 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoff. Dieser wurde, wie oben beschrieben, hergestellt. Gemäß Fig. 8 sind in einem innenliegenden Abschnitt 16 des Verbundwerkstoffs die Fasern 14 in das Trägermaterial eingebettet. In einem außenliegenden Abschnitt 17 hingegen liegt nur das Trägermaterial vor. Dies bedeutet, dass im außenliegenden Abschnitt 17 lediglich Titan vorliegt. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Verbundwerkstoff einer weiteren Bearbeitung, zum Beispiel durch Fräsen, unterzogen werden soll. Beim Fräsen dürfen nämlich die Fasern 14 nicht beschädigt werden. Eine spätere Fräsbearbeitung des Verbundwerkstoffs kommt demnach ausschließlich im Bereich des Abschnitts 17 in Betracht, in welchem nur das Trägermaterial vorliegt. Weiterhin kann Fig. 8 nochmals das Detail entnommen werden, dass die Fasern 14 benachbart zur innenliegenden Öffnung mit gleichem Abstand zur Öffnung enden, am äußeren Ende hingegen, benachbart zum Abschnitt 17, in welchem nur das Trägermaterial vorliegt, dieser Abstand unterschiedlich ausgebildet ist. Die radiale Abstufung der Fasern 14 im Abschnitt 16 relativ zum Abschnitt 17 bewirkt eine festigkeitsoptimierende Verzahnung mit dem Trägermaterial.
Nach dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs wird demnach in groben Zügen, wie folgt, vorgegangen:
In einem ersten Schritt werden mehrere Scheiben aus Trägermaterial, nämlich Titan, auf einer Stirnseite derselben mit einer spiralförmigen Ausnehmung versehen. In einem zweiten Schritt wird in diese spiralförmige Ausnehmung eine Faser aus Siliziumkarbid eingelegt. Darauffolgend wird in einem dritten Schritt die Scheibe mit der in die Scheibe eingelegten Faser durch superplastisches Umformen konsolidiert. Darauffolgend ist die Faser allseitig von Trägermaterial umgeben bzw. in das Trägermaterial eingebettet. In einem nächsten Schritt erfolgt eine Überprüfung der so hergestellten Scheiben mit in den Scheiben eingebetteten Fasern auf Risse im Trägermaterial sowie Brüche in den Fasern. Ergibt diese Prüfung, dass weder ein Riss noch ein Faserbruch vorliegt, so werden die entsprechenden Scheiben zu Ringen gestapelt. Die Stapelung aus mehreren Ringen wird sodann in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens einem Diffusionsschweißen unterzogen, so dass benachbarte Scheiben miteinander verbunden werden. Nach Vollendung dieses Fügeschritts kann in einem weiteren Schritt eine Endbearbeitung des Verbundwerkstoffs, zum Beispiel durch Fräsen, erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zuverlässig und kostengünstig. Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um einen vollautomatisierbaren Prozess mit integrierter Überprüfung und damit Qualitätssicherung. Da jede Scheibe hinsichtlich ihrer Qualität überprüft werden kann, können Fehler im Verbundwerkstoff rechtzeitig erkannt und damit vermieden werden. Ausschuss wird damit reduziert. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass eine exakte Lage der Fasern in dem Verbundwerkstoff vorgegeben und eingehalten wird. Neben der bevorzugten spiralförmigen Anordnung der Fasern im Verbundwerkstoff sind auch komplexere Faserführungen, zum Beispiel sternförmige Faserführungen, möglich. Bei der Erfindung kann auf eine Titanbeschichtung der Fasern, wie diese nach dem Stand der Technik erforderlich ist, verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass keine extrem langen Fasern verwendet werden müssen. Durch die Führung der Fasern in Ausnehmungen können Faser endlicher Länge eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäß hergestellte Verbundwerkstoff zeichnet sich demnach durch eine exakte Lage der Fasern innerhalb des Trägermaterials aus. Der Verbundwerkstoff ist durch mehrere zusammengefügte Scheiben aus Trägermaterial gebildet, wobei innerhalb jeder Scheibe eine spiralförmig verlaufende Faser eingebettet ist. Die Fasern enden mit Abstand zu einem seitlichen, radial äußeren Ende des Verbundwerkstoffs, so dass in einem äußeren Bereich desselben nur das Trägermaterial vorliegt, wobei in diesem Bereich eine spätere Fräsbearbeitung des Verbundwerkstoffs erfolgen kann.
Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass in eine Ausnehmung auch mehrere Fasern eingebettet sein können, und dass in eine Scheibe auch mehrere, ineinander verschachtelte Ausnehmungen eingebracht sein können, wobei jede dieser Ausnehmungen wiederum eine oder mehrere Fasern aufnehmen kann. Das gezeigte Ausführungsbeispiel, bei welchem jede Scheibe eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Faser aufweist, ist jedoch bevorzugt.
Der erfindungsgemäß hergestellte Verbundwerkstoff eignet sich insbesondere zur Verwendung als Werkstoff bei der Herstellung von Ringen mit integraler Beschaufelung für Flugzeugtriebwerke, die auch als sogenannte Bladed Rings (Blings) bezeichnet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus mehreren zusammengefügten Scheiben (10) aus Trägermaterial, wobei vorzugsweise in jede Scheibe (10) mindestens eine Ausnehmung (13) zur Aufnahme mindestens einer Faser (14) eingebracht ist, mit folgenden Schritten:
a) Bereitstellen mehrerer Scheiben (10) aus Trägermaterial,

b) Einbringen mindestens einer Ausnehmung (13) in vorzugsweise jede Scheibe (10) und darauffolgendes Einlegen mindestens einer Faser (14) in die oder jede Ausnehmung (13) der entsprechenden Scheibe (10),

c) Konsolidieren der entsprechenden Scheibe (10), derart, dass die oder jede Faser (14) allseitig von Trägermaterial umgeben bzw. in das Trägermaterial der entsprechenden Scheibe (10) eingebettet ist,

d) Stapeln von konsolidierten Scheiben (10),

e) Verbinden der gestapelten Scheiben (10) durch einen Fügeschritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Zusammenhang mit Schritt b) eine Ausnehmung (13) in die Scheibe (10) eingebracht wird, deren Tiefe größer als der Durchmesser der Faser (14) ist, derart, dass bei in die Ausnehmung (13) eingelegter Faser (14) Stege (15) aus Trägermaterial über die Faser (14) vorstehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Zusammenhang mit Schritt c) das Trägermaterial mit der oder jeder darin eingelegten Faser (14) einem superplastischen Umformen unterzogen wird, derart, dass die oder jede Faser (14) allseitig von Trägermaterial umgeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Zusammenhang mit Schritt d) die Scheiben (10) aus Trägermaterial mit mindestens einer darin eingebetteten Faser (14) übereinander angeordnet werden, insbesondere zu einem Ring bzw, Hohlzylinder gestapelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Zusammenhang mit Schritt d) die Scheiben (10) derart gestapelt werden, dass die Fasern (14) der gestapelten Scheiben (10) in einem radial äußeren Abschnitt (17) zur festigkeitsoptimierenden Verzahnung radial unterschiedlich weit in das Trägermaterial hineinragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Zusammenhang mit Schritt e) die gestapelten Scheiben (10) durch Diffusionsschweißen zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (10) aus Trägermaterial mit mindestens einer darin eingebetteten Faser (14) vor der Verbindung derselben mit anderen Scheiben auf Brüche in der oder jeder Faser und/oder auf Risse im Trägermaterial überprüft werden, und dass bei Feststellung eines Risses oder Bruchs die Scheibe verworfen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Herstellung von rotationssymmetrischen, ringförmigen oder scheibenförmigen Bauteilen mit integraler Beschaufelung, d.h. von sogenannten Bladed Rings (Blings) oder Bladed Disks (Blisks).