NL7907197A - Werkwijze voor de produktie van met vezel-gewapende metaalcompositie. - Google Patents

Description

... .

Br/0/lh/210

Werkwijze voor de produktie van met vezel-gewapende metaal-compositie.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de produktie volgens een poeder-metallurgische methode van met anorganische of metaal-vezels gewapende metaalcomposities met een goede sterkte, stijfheid en temperatuurbestand-5 heid.

Materialen met een goede (soortelijke) stérkte en {soortelijke) elasticiteitsmodules bij hoge of lage temperaturen zijn voor verschillende technologien nodig, zoals voor de ruimtevaart, atoomenergie en automobielindustrie en .voor 10 reservoirs voor aardgas. Met vezel-gewapende metaalcomposities (hierna met vezel/metaal aan te duiden), als vervanging van metaallegeringen of met vezel-gewapende hars (hierna met ve-zel/hars aan te duiden) trekken de laatste tijd de aandacht.

Voor de produktie van vezel/metaal zijn reeds - 15 verschillende werkwijzen bekend, voorbeelden· waarvan de volgende zijn: 1) de vloeibare fasemethode, zoals het infiltreren met gesmolten metaal; 2) vaste fasemethode, zoals de hechting door diffusie; 20 3) poeder-metallurgie; 4) afzettingsmethode, zoals plasma-spróeien, electrobeplatiiig, opdampen, spetteren of ionisch beplaten; 5} stollen in één richting; 6) plastische methode, zoals warmwalsen.

25 Methode (4) wordt in vele gevallen toegepast in combinatie met de methode (1), (2) of (3).

Ter verschaffing van een goed vezel/metaal met goede sterkte en elasticiteitsmoduled dient de bewapenings-vezel aan de volgende eisen te voldoen: wat betreft de vorm 30 van de vezel: a) doorlopende vezel en b) in het algemeen een kleine diameter voor de verbetering van de vezelsterkte; wat betreft de kwaliteit van het oppervlak van de vezel: 35 c) goede hechting aan een matrixraetaal zonder ongewenste reac- -2- ί„ 4. .

tie^ . Daardoor worden dus beperkingen opgelegd aan de produktie-wijze voor vezel/metaal, als in onderstaande zal worden uiteengezet, en zijn technieken van hogere graad nodig dan voor de 5 produktie van vezel/hars of metaallegeringen.

Vanwege de vereiste (a) is van voornoemde methoden de methode (5) ongewenst. Methode (6) is niet gemakkelijk toepasbaar op anorganische vezels, die gewoonlijk pletbaar zijn of vatbaar zijn voor andere beschadigingen vanwege de 10 kleine rek bij het breekpunt.

De beperkingen, die het vereiste (b) aan een pro-duktie-methode oplegt, zijn de volgende.Van als bewapenings-vezels bekend staande polykristallijne anorganische of metaal-vezels is de sterkte groter naar mate de diameter kleiner is.

15 Er worden dan ook dikwijls dunne vezels met een diameter van circa 10 urn gebruikt. Bij met vezels gewapende materialen wordt de belasting van buiten via de af schuif spanning bij het grensvlak van de matrix naar de vezels overgebracht, zodat het matrixmetaal bij het grensvlak geen gaten mag bevatten. Bij 20 methode (2) is het zeer moeilijk om de matrixmetaalfilm over de bundels van dunne vezels te spreiden zonder dat gaten worden gevormd. Het bekleden volgens de methode (4) kan voor-noemd nadeel ondervangen, doch bij dunne vezels zijn hoge technieken vereist, evenals arbeid en produktiekosten voor ·, 25 het gelijkmatig en dun bekleden van de afzonderlijke vezels met het metaal of keramisch materiaal.

Bij methode (c) is er het probleem van het grensvlak tussen de vezels en de matrix. In het algemeen is er een goede hechting tussen twee soorten metalen, doch hun 30 reactiviteit is over het algemeen zo groot, dat al gauw een grosse tussenverbinding ontstaat. De hechting tussen keramische materialen en metalen is niet goed. Bij sommige systemen, zoals met glasvezels gewapendë aluminiummatrix, vindt bij hogere temperaturen een reactie plaats, die de vezel 35 verzwakt. Het is dus wenselijk ter voorkoming van zulk een reactie bij de produktie van vezel/metaal de temperatuur zo laag mogelijk te houden. Wat dit betreft is de vloeibare fase-methode (1) minder geschikt dan de methoden (2) en (3). Bij 7907197 * * * I '· - -3- methode (1) zijn de fixatie en de oriëntering van de vezels moeilijk, terwijl de vezelverdeling onregelmatig wordt, indien de volumefraktie van de vezels klein is, waardoor een kleinere betrouwbaarheid van het produkt wordt verkregen. Bovendien is 5 de methode niet geschikt voor de produktie van vezel/metaal-produkten van grote afmetingen en/of ingewikkelde vorm.

De poedermetallurgiemethode (3) is bedoeld voor het ondervangen van voornoemde nadelen bij de produktie van vezel/metaal. Zo beschrijft de Japanse octrooiaanvrage 10 25083/1974 een werkwijze, waarbij het buitenoppervlak van een aggregaat van koolstofvezels wordt bekleed met een metaal-poeder of film, waarna het metaal onder toevoer van electri-sche stroom en onder verminderde druk op een hoge temperatuur wordt gebracht ter verschaffing van een samengesteld materiaal 15 van koolstofvezels en metaal. Bij deze werkwijze is de hechting tussen de koolstof en het gesmolten metaal gering, zodat geen gelijkmatige verdeling van het matrixmetaal in het aggregaat van koolstofvezels kan worden verkregen en bij het grensvlak tussen vezel en matrix gemakkelijk gaten worden gevormd.

20 De Japanse octrooiaanvrage 37803/1976 beschrijft een werkwijze, waarbij koolstofvezels worden bekleed met een organische metaalverbinding, het beklede produkt met een mengsel van aluminiumpoeder en een oplossing van acrylhars wordt behandeld en het geheel bij een lagere temperatuur dan het smeltpunt ·.

25 van het matrixmetaal warm wordt geperst ter verschaffing van een materiaal van koolstofvezels en aluminium. Deze werkwijze heeft echter ook nadelen, met name: i) het bekleden met een organische metaalverbinding, zoals triethylaluminium, dat op industriële schaal moeilijk hanteerbaar is, vereist arbeid 30 en kosten; ii) de temperatuur voor het warn persen is aanzienlijk lager dan het smeltpunt van het matrixmetaal (poeder-sinter-methode), zodat het sinteren van het matrixmetaalpoe-der niet in een zodanige mate plaatsvindt, dat het voldoende over dunne vezels kan worden verdeeld, zodat gemakkelijk 35 gaten kunnen worden gevormd? iii) het warm persen geschiedt bij een kleine plastische fluiditeit van het matrixmetaal, zodat de vezels worden beschadigd en de sterkte daarvan afneemt.

790 7 1 9 7 i‘ 'i ‘ -4-

Ook is een werkwijze bekend, waarbij koolstof-vezels worden geïmpregneerd met een brij van een poeder van koper of een koper legering en een bindmiddel, waarna de geïmpregneerde vezel onder druk wordt gesinterd of gesmolten . 5 én dan gestold (Japanse octrooiaanvrage 5213/1976). Daarbij kan een vezel/metaal van hoge kwaliteit alleen met moeite verkregen worden vanwege reden (ii) bij sinteren onder druk.

Bij het infiltreren met smelt dient de vervaardigingstemperatuur aanzienlijk hoger dan het smeltpunt van het matrixmetaal 10 te zijn teneinde het'matrixmetaal te smelten en te doen vloeien, zodat hetzelfde nadeel geldt als bij voornoemde vloeibare fasemethode (1).

Een uitgebreid onderzoek heeft aangetoond, dat een goed vezel/metaal zonder gaten tussen de vezels en het 15 matrixmetaal, zelfs zonder oppervlaktebehandeling van de vezels, kan worden verkregen door een aantal velvormige voorcomposi-ties te lamineren, waarbij matrixmetaalpoeders van verschillende deeltjesgrootte over filamenten van vezels en bundels van filamenten in twee stappen worden verspreid, waarna het 20 laminaat onder verminderde druk of in een inert gas wordt verwarmd en bij een temperatuur in de buurt van het smeltpunt van het metaal warm wordt geperst.

De uitvinding verschaft dan ook een werkwijze voor de produktie van een met vezel gewapende metaalcompositie, .

25 welke werkwijze bestaat uit het lamineren van een aantal velvormige voorcomposities met bewapeningsvezels voor metaal, over de filamenten van welke vezels een matrixmetaalpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van ten hoogste de helft van de diameter van de vezel en over de bundels van welke 30 vezels een matrixmetaalpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 2-10 maal de diameter van de vezel wordt verdeeld, waarna het verkregen laminaat in vacuum of in een inert gasatmosfeer warm wordt geperst.

De deeltjesgrootte van het matrixmetaalpoeder voor 35 de filamenten van de vezels en die van de. deeltjes voor de bundels van vezels dienen van elkaar te verschillen, vooral bij bewapeningsvezels met een kleine diameter, enwel op de volgende redenen. Een hoge vullingsgraad van het matrixmetaal 7907197 I Λ- % -5- tussen de filamenten van de vezels kan verkregen worden, indien de gemiddelde deeltjesgrootte van het matrixmetaalpoeder ten hoogste de helft van de vezeldiameter bedraagt. Daardoor kan de vorming van gaten in het na de verdelingsbewerking door warm 5 persen verkregen samengestelde materiaal tot een minimum beperkt worden. Indien de gemiddelde deeltjesgrootte van het matrixmetaalpoeder meer bedraagt dan de helft van het filament-diameter is het moeilijk de matrixmetaaldeelt j es over de filamenten te verdelen, omdat de vèlumefraktie van de vezels zo 10 groot mogelijk dient te zijn voor hét verschaffen van een grotere sterkte aan het samengestelde materiaal. De vorming van gaten zou. tot een verslechtering van de mechanische eigenschappen, zoals sterkte en vermoeiingssterkte, leiden.

Een matrixpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte 15 van tenminste twee maal de vezeldiameter kan voor een grote bindingssterkte van de vezelbundel zorgen dan fijnere metaal-poeders enwel cm de volgende reden. Daar op het oppervlak van de deeltjes van een metaalpoeder zich gewoonlijk een metaal-oxidelaag bevindt bevatten fijnere poeders verhoudingsgewijs 20 meer metaaloxide. Bij gebruik van grovere poeders bevindt zich tussen de vezelbundels minder metaaloxide, zodat een grotere bindingssterkte van de vezelbundels wordt verkregen. Bovendien is het met fijnere poeders tussen de vezelbundels moeilijk eenzelfde druk op elk gedeelte uit te oefenen, zoals indien zulks 25 geschiedt bij een temperatuur rondom het smeltpunt, zodat de vaste oxidelaag rondom het metaal moeilijk kan scheuren, hetgeen kan leiden tot een onvoldoende sintering van de poeders en de vorming van gaten.

Bedraagt de gemiddelde deeltjesgrootte van het 30 matrixmetaal tussen de vezelbundels tenminste 10 maal de vezeldiameter dan wordt het oppervlak van het velvormige, groepen vezelbundels bevattende vooraf samengestelde laag veel ongelijkmatiger. Daardoor kan moeilijk om en nabij het smeltpunt eenzelfde druk op alle delen van de laag uit te oefenen, het-35 geen leidt tot de vorming van gaten en desoriëntatie van de vezels.

In het volgende zal de uitvinding meer in het bijzonder worden uiteengezet.

7907197

f S

-6-

Het te gebruiken matrixmetaalpoeder kan bestaan uit een enkelvoudig metaal (lood, tin, zink, magnesium, aluminium, koper, nikkel, ijzer, titaan) met. een zuiverheids-graad van tenminste 99,0% of mengsels daarvan in een geschikte 5 mengverhouding ter verschaffing van een vaste oplossing of eutectische legering; of uit een poeder van een legering van 2 of meer metalen. De keus van het matrixmetaal wordt bepaald door de toepassing van het beoogde vezel/metaal. Voor een licht en.sterk samengesteld materiaal dient bijvoorbeeld mag-10 nesium, aluminium of legeringen daarvan gebruikt te worden. Voor toepassing bij hogere temperaturen dient het matrixmetaal uit koper, nikkel, titaan of legeringen daarvan te bestaan.

Voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen van het matrixmetaal, zoals de sterkte en de rek, het 15 bevorderen van de hechting tussen de vezel en het matrixmetaal en het voorkomen van ongewenste reacties worden mengsels van twee of meer metalen of legeringen gebruikt. Bijvoorbeeld is een aluminium-magnesium-koper-mangaanlegering, het zeer sterke duralumin, geschikt om als matrixmateriaal gebruikt te worden. 20 Het gebruik van lithium bevattende aluminiumlegeringen als het matrixmateriaal kan de produktie van vezel/metalen vergemakkelijken. Het verwerken van kleine hoeveelheden chroom, titaan, zirkoon, lithium of magnesium in het matrixmateriaal bevordert de hechting tussen alumina-vezels en aluminium-25 matrix.

Bij gebruik van een mengsel van metalen in poeder-vorm dient de gemiddelde deeltjesgrootte dichtbij die van het voornaamste matrixmetaalpoeder te liggen. De te verwerken hoeveelheid daarvan dient zodanig te zijn, dat het samenge-30 stelde materiaal niet bros wordt door de vorming van tussen-verbindingen.

Geschikte bewapeningsvezels zijn bijvoorbeeld vezels van keramisch materiaal, zoals alumina, silica, een mengsel daarvan, koolstof, grafiet, siliciumcarbide, zirkonia 35 en borium en keramische monokristaldraden en vezels van metaal, zoals wolfraam en roestvrijstaal, en ijzer-monokristaldraden.

De voorkeur gaat echter uit naar keramische vezels, vooral vezels van alumina, alumina/silica en siliciumcarbide, omdat 7907197 -7- ze nauwelijks met verschillende matrixmetalen reageren.

Het oppervlak van zulke bewapeningsvezels kan met een metaal of keramisch materiaal (bijvoorbeeld borium/sili-ciumcarbide) op bekende wijze bekleed zijn, zoals door 1) ver-5 sproeien van metaal (plasma-sproeien), 2) electro-afzetting (electrobeplating, chemische beplating) of 3) in vacuum opdampen (vacuumbeplating, chemisch opdampen, spetteren, ionische beplating).

De versterkingsvezei kan uit bundels van meerdere 10 filamenten bestaan. Er gelden geen beperken wat betreft de diameter van het filament, doch gewoonlijk gaat de voorkeur uit naar een diameter van 1-500 pm. Bij een kleinere diameter dan 1 pm kan moeilijk een matrixmetaalpoeder gevonden worden. Vezels met een grotere diameter dan 500 urn hebben een geringere 15 sterkte en buigzaamheid. Bij voorkeur bedraagt het aantal filamenten per bundel 10-200.000, met meer voorkeur voor 50- 30.000. Het is‘wenselijk doorlopende vezels of vezels ter lengte van tenminste 50 mm te gebruiken. Gezien de theorie van het samengestelde materiaal kunnen ook korte vezels met een 20 lengte/diameter-verhouding van tenminste 10, bij voorkeur van tenminste 50, of monokristaldraden gebruikt worden.

Ter verschaffing van goede resultaten dient een goede combinatie van vezel en matrixmetaalpoeder gekozen te worden. Een combinatie, waarbij een reaktie tussen de vezels 25 en de matrix gemakkelijk kan optreden, bijvoorbeeld E-glas-vezels en aluminium of aluminiumlegering, dient vermeden te worden. Bij zulk een combinatie echter kan de ongewenste reactie tussen vezel en matrixmetaal voorkomen worden door het oppervlak van de vezels met één van voornoemde metalen 30 of keramische materialen te bekleden. Een combinatie, waarbij de mechanische eigenschappen van de vezels zelf (sterkte, elasticiteitsmodules) bij hoge temperaturen achteruitgaan is vanwege de vereiste behandeling bij het smeltpunt van het matrixmetaal eveneens ongewenst. Voorbeelden van geschikte 35 combinaties zijn alumina-vezels/aluminium, alumina-silica-vezels/aluminium, met siliciumcarbide bekleed boriumvezels/ aluminium, enz.

Een velvormige voorcompositie, waarin het matrix- 7907197 -8- metaalpoeder gelijkmatig over de filamenten en over de bundels zijn verdeeld, kan bijvoorbeeld als volgt verkregen worden: (A) Sen matrixmetaalpoeder, waarvan de gemiddelde deeltjesgrootte ten hoogste de helft bedraagt van de vezeldiameter, 5 wordt in een organisch oplosmiddel gesuspendeerd, in welke verkregen suspensie dan de vezelbundels worden ondergedompeld. De concentratie van het metaalpoeder in de suspensie is niet aan beperkingen onderhevig, doch gewoonlijk wordt een voldoende gedispergeerde toestand verkregen bij een concentratie 10 van 10-30 gew.%. De geïmpregneerde vezelbundels worden dan gedroogd. Het gebruikte organische oplosmiddel kan van elk type zijn, met voorkeur voor lagere kokénde oplosmiddelen. Voorbeelden van geschikte oplosmiddelen zijn ketonen, zoals aceton en methylethylketon; alcoholen, zoals methylalcohol; 15 en alifatische koolwaterstoffen, zoals hexaan.

(B) De behandelde vezelbundels worden dan gelijkmatig riaar êën richting gericht ter verschaffing van een vlakke laag.

Deze laag wordt dan in een suspensie gedrenkt, die is. verkregen door in een oplossing van een hars in een organisch oplos- 20 middel (bijvoorbeeld een keton, zoals methylethylketon; een aromatische koolwaterstof, zoals tolueen) een matrixmetaal-poeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 2-10 maal de . vezeldiameter te suspenderen. Ook kan voornoemde suspensie op de. laag aangebracht worden. Als hars kan elke hars gebruikt 25 worden, die bij een niet hogere temperatuur dan in de buurt van het smeltpunt van het matrixmetaal in vacuum of in een inert gas, zoals argon, geheel kan worden ontleed. Voorbeelden van geschikte harsen zijn acryl- en polystyreenhars. De zo behandelde laag vezelbundel wordt dan gedroogd ter verschaffing 30 van een velvormig produkt, alszijnde een voorcompositie van de metaalcompositie van de uitvinding.

De velvormige voorcompositie kan ook als volgt verkregen worden. De vezelbundels worden eerst tot een vlakke laag gerangschikt, waarop dan de matrixmetaaldeeltjes ter 35 grootte van ten hoogste de helft van de vezeldiameter door plasma-spraeien worden aangebracht. Ter voorkoming van oxidatie van het metaal geschiedt het sproeien bij voorkeur in een mengsel van een inert gas (bijvoorbeeld argon) en waterstof.

7907197 -Θ’-

De vezelbundels worden dan in één richting georienteerd ter verschaffing van een vlakke laag, waarop het matrixmetaal-poeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 2-10 maal de vezeldiameter wordt gesproeid ter verschaffing van een vel-5 vormige voorcompositie. De sproei-duur wordt bepaald door de Volumefraktie van de vezels in het beoogde samengestelde materiaal en de omstandigheden van het warm persen, als hieronder zal worden uiteengezet. Bij een groot aantal filamenten in de vezelbundel en bij onvoldoende impregnering met matrixmetaal 10 bij het versproeien van metaal op één zijde van de laag vezelbundels kan de andere zijde van de laag eveneens met metaal besproeid worden.

Het plasma- en metaal-sproeien zijn bekende werkwijzen en bijvoorbeeld beschreven in "Metal Spraying and the 15 Flame Deposition of Ceramics and Plastics" (1963), Griffin, Londen (W.W. Ballard en "Flame Spray Handbook", deel 3 (1965), Metco, New York (H.S. Ingham and A-P. Shepard)..

Het zo verkregen velvormige vooraf samengestelde materiaal wordt in stukken met de vorm van het beoogde samen-20 gestelde materiaal gesneden, een aantal vanwelke stukken dan wordt gelamineerd. Het laminaat wordt in vacuum of in een inert gas verwarmd en bij het smeltpunt van het matrixmetaal geperst ter verschaffing van een vezel/metaal, waarin het matrixmetaal op geschikte wijze over de filamenten is verdeeld. 25 Het velvormige voorafsamengestelde materiaal kan in êên richting of in meerdere richtingen gelamineerd worden, afhankelijk van het beoogde samengestelde materiaal. Daarbij kan het laminaat, behalve tot een vlakke plaat, bijvoorbeeld ook tot een gebogen plaat of cilinder gevormd worden, al naar 30 de vorm van het beoogde produkt.

Het verwarmen kan charge-gewijs met een warme pers in een mol geschieden of door heet isostatisch persen (HIP).

Ook kan het beoogde vezel/metaal verkregen worden door walsen bij het smeltpunt van het matrixmetaal, waarbij beschadiging 35 van de vezels wordt voorkomen door met een meertraps wasinrichting de belasting geleidelijk te verminderen.

Met een temperatuur in de nabijheid van het smeltpunt van het matrixmetaal wordt een temperatuur van 0,98-1,03 790 7 1 9 7 -10- T bedoeld, waarin T de betekenis heeft van het smeltpunt in m * van het matrixmetaal, uitgedrukt in de absolute temperatuur. Indien het persen bij een lagere temperatuur geschiedt dan 0,98 Tm wordt een geringere plastische fluiditeit van het 5 matrix verkregen, zodat de oxidelaag van het metaalpoeder-oppervlak niet kan scheuren, hetgeen leidt tot onvoldoende sintering en de vorming van veel gaten. De hechting tussen de vezels en het matrixmetaal in het verkregen vezel/metaal wordt dan onvoldoende en de mechanische eigenschappen, zoals de 10 sterkte, elasticiteitsmodules en vermoeidheidssterkte, worden . slecht. Indien bij een hogere temperatuur dan 1,03 T wordt geperst wordt het gesmolten matrixmetaal te vloeibaar, waardoor de bewapeningsvezels worden desgeorienteerd en teveel . matrixmetaal bij het wam persen uit het samengestelde mate-15 riaal vloeit, waardoor de volumefraktie van de vezels groter wordt- Theoretisch en proefondervindelijk is bewezen, dat in een in êén richting versterkt vezel/metaal de sterkte snel afneemt met de mate van desoriëntatie van de vezels, die een hoek van 3-5° of meer met de richting van de spanning maken.

20' Het persen bij een te hoge temperatuur leidt eveneens tot een geringere mechanische sterkte.

De omstandigheden van het persen wordt, bepaald door de volumefraktie van de vezels in het beoogde samengestelde 2 materiaal. Gewoonlijk wordt met een druk van 25-250 kg/cm 25 geperst ter verschaffing van een vezel/metaal, waarbij het matrixmetaal goed in de vezels kan doordringen zonder de vezels te beschadigen.

Volgens de werkwijze van de uitvinding kan een algehele impregnering van de bewapeningsvezels met het matrix-30 metaal verkregen worden zonder de vezels te beschadigen, zelfs bij een kleine vezeldiameter en een grote volumefraktie van de vezels en zelfs bij gebruik van niet oppervlakte-behandelde vezels. Zulks kan met de bekende werkwijzen moeilijk tot stand gebracht worden.

35 De werkwijze van de uitvinding is geschikt voor het verschaffen van een velvormige of dun produkt in de vorm van een vlakke plaat, gebogen plaat of dergelijke. De verkregen produkten hebben zelfs bij hogere of lagere temperaturen, 790 7 1 9 7 -11- • * waarhij het matrixmetaal de mechanische eigenschappen verliezen, bij kamertemperatuur goede eigenschappen (sterkte, elas-ticiteitsmodules, vermoeiingssterkte). Het samengestelde materiaal van de uitvinding is dan ook veel beter dan metaallege-5 ringen, die bij hoge temperaturen een geringe sterkte en vermoeiingssterkte bezitten, of br.os worden bij lage temperaturen (bijvoorbeeld bij staal) of dan vezel/harsmaterialen zonder een hoge temperatuurbestandheid. Het materiaal van de uitvinding is dan ook voor vele doeleinden geschikt, zoals 10 voor de ruimtevaart, atoomenergie en de automobielindustrie en voor gas-reservoirs.

De uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de volgende niet beperkende voorbeelden.

Voorbeeld I

15 Bundels van doorlopende aluminavezels (85 gew.% alumina; 15 gew.% silica) met een vezeldiameter van 15 jam, 2 200 filamenten/bundel, een treksterkte van 22,3 t/cm (bij een meetlengte van 20 mm) en een elasticiteitsmodules van 2 2350 t/cm worden in een laag met een gelijke spoed om een 20 doorn gewonden. De doorn wordt dan in een suspensie van alu-miniumpoeder gedompeld, welke suspensie is verkregen door 60 g Alpaste 0225M (van Toyo Aluminium K.K.; gemiddelde deeltjesgrootte: 5pm; cumulatieve frequentieverdeling: 50% 5 pm) in 500 ml aceton te dispergeren (hierna met "eerste .

25 stap suspensie" aan te duiden) en dan bij kamertemperatuur gedroogd. De doom wordt dan in een suspensie gedompeld, die is verkregen door 60 g aluminiumpoeder met een deeltjesgrootte van 44 pm (zuiverheidsgraad van 99,5%) en 40 g polymethyl-raethacrylaat in 400 ml methylethylketon te dispergeren (hierna 30 met "tweede stap suspensie" aan te duiden). Na in de lucht gedroogd te zijn wordt de vezelvormige vooraf samengestelde laag om de doorn opengesneden ter verschaffing van een vel, dat in stukken wordt gesneden, die corresponderen met de afmetingen van de mol van de warme pers. Een voorafbepaald 35 aantal van de stukken worden in ëën richting gelamineerd, waarna het laminaat in de mol van de warme pers wordt gelegd en in vacuum 30 min bij 500°C gehouden ter verwijdering van het oplosmiddel en ter ontleding van het polymeer. Terwijl het 7907197 -12- laminaat zich in een vacuum of inert gasatmosfeer bevindt wordt de temperatuur op 665°C en de druk op 50 kg/cm2 gebracht, welke omstandigheden 1-2 uren worden gehandhaafd teneinde de vellen aan elkaar te doen hechten en het matrixmateriaal in 5 de vezels te doen dringen. De treksterkte en de buigsterkte van het zo verkregen vezel/metaal (alszijnde gemiddelden van.

10 monsters) zijn in tabel A opgencmen. De elasticiteitsmodu-les van het produkt bedraagt 1,45.10 kg/mm .

Ter vergelijking worden op vorenstaande wijze 10 compositiemetalen verschaft, waarbij echter voor het impregneren de eerste stap suspensie of de tweede stap suspensie wordt gebruikt. De sterkten van de zo verkregen materialen zijn eveneens in tabel A opgenomen. Daaruit blijkt, dat er een nauw verband bestaat tussen de pers-temperatuur en de 15 sterkte van het verkregen samengestelde materiaal. Zulk een verband is in de begeleidende figuur 1 weergegeven, waarin Tm de betekenis heeft van het smeltpunt van aluminium in termen van absolute temperatuur (vezelgehalte van de samengestelde materialen = 50 _+ 2 vol.%).

20 TABEL A

—.

Sterkte van samengesteld materiaal(kg/mm ) • Suspensie voor _;__ __ impregnering Treksterkte Buigsterkte . Serste stap 25 suspensie alleen 64 83

Eweede stap suspensie alleen 58 75

Eerste en tweede 30 stap suspensie 113 147

Voorbeeld II

Dezelfde ononderbroken alumina-vezel van voorbeeld I wordt op dezelfde wijze als in voornoemd voorbeeld om een 35 doorn gewikkeld. Op de doorn wordt een suspensie gesproeid, die is verkregen door 40 g silumin (een aluminium/siliciura-legering-poeder, bestaande uit aluminium met 12 gew.% silicium, met een zuiverheidsgraad van 99,0%) in 500 ml aceton te dis- 7907197 -13- pergeren. Nadat de doorn bij kamertemperatuur is gedroogd wordt daarop een dispersie gesproeid, die is verkregen door 60 g alurainium/silicium-legeringpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 44 pm en 40 g polymethylmethacrylaat in 5 400 ml methylethylketon te dispergeren, waarna de doorn in lucht wordt gedroogd. De vooraf samengestelde laag. ter dikte van 0,5 mm wordt dan in stukken ter grootte van de mol van de pers gesneden. 20 van de stukken worden in één richting gelamineerd en in de warme pers gelegd, die 30 min in vacuum 10 bij 500°C wordt verwarmd. Het laminaat wordt dan in een argon gasatmosfeer tot 59Ö°C verder verwarmd en 1-2 uur geperst 2 o met een druk van 25 kg/cm . Na tot 300°C of lager gekoeld te zijn wordt het produkt uit de mol gehaald ter verschaffing van een samengesteld materiaal (150 x 150 mm) ter dikte van 2 15 2,1 mm. De gemiddelde buigsterkte bedraagt 152 kg/mm (vezel-gehalte: 50 vol.%).

Voorbeeld III

Bundels van aluminavezels met een diameter van 2 19 pm, 100 filamenten/bundel, treksterkte van 19,2 t/cm 20 (20 mm meetlengte) eii een elasticiteitsmodules van 2240 t/cm^ (85 gew.% alumina; 15 gew.% silica) worden ondergedompeld in een suspensie van 150 g Alpaste 0225M met een gemiddelde deeltjesgrootte van 5 pm (van Toyo Aluminium K.K.) en elec-trolytisch koperpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 25 5 pm (zuiverheidsgraad: 99,99%) in 500 ml aceton (94,4 gew.% aluminium en 5,6 gew.% koper) en dan in een suspensie van 94,9 g aluminiumpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 44 pm (zuiverheidsgraad: 99,5%), 5 g electrolytisch koperpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 50 pm (zuiverheids-30 graad: 99,9%) en 40 g polymethylmethacrylaat in 400 ml tolueen. De strengen worden dan op dezelfde wijze als in voorbeeld I om een doom gewonden, waarna het tolueen geleidelijk wordt verdampt. Het zo verkregen velvormige voorcompositie wordt opengesneden ter verschaffing van een vel. Een aantal vellen 35 worden gelamineerd en onder argongas warm geperst (680°C; 2 100 kg/cm ) ter verschaffing van een vezel/metaal met goed met het matrixmetaal geïmpregneerde vezels. De buigsterkte 2 van het verkregen produkt bedraagt 144 kg/mm (vezelgehalte: 7907197 -14- 50 vol.%).

Voorbeeld IV

Het oppervlak van een koolstofvezel T-300 (van Toray Industries Ine.; vezeldiameter: 6,9 jüra; aantal filamen- 5 tent 3000; treksterkte: 27 t/cm2; elasticiteitsmodules bij 2 belasting: 2500 t/cm ) wordt onder de volgende omstandigheden met. koper electrolytisch beplaat. Electrolyse-bad met per liter 200 g kopersulfaat en 50 g zwavelzuur; electrolyse-tem-peratuur: 20°C; electrische stroomdichtheid: 0,5 A/dm2; elec-10 trolyse-duur: 5-10 min. De zo behandelde koolstofvezel, waarvan het oppervlak met een koper laag ter dikte van 0,7 pia. is bekleed, wordt goed uitgewassen, gedroogd en op dezelfde wijze als in voorbeeld I om een doorn gewikkeld. Electrolytisch koperpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 40 pm 15 (zuiverheidsgraad: 99,9%) wordt met een waterzeef g&zeefd ter verschaffing van deeltjes met een diameter van ten hoogste 5 JUm. Bij· bepaling van de verdeling van de deeltjesgrootte blijkt 50% van de deeltjes uit deeltjes van 3 pa te bestaan (cumulatieve frequentieverdeling). De vezel op de doorn wordt 20 dan in een dispersie van 150 g van het koperpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 3 pa in 500 ml methylethyl-keton gedompeld en dan in lucht gedroogd. De vezel wordt dan in een dispersie van 180 g koperpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 44 pa en 40 g polystyreen met een gemid-25 deld meleculair gewicht van 50.000 in 400 ml tolueen gedompeld en dan gedroogd ter verschaffing van een velvormige voorcompo-sitie op de doorn. De voorcorapositie wordt dan opengesneden ter verschaffing van een vel, dat in stukken ter grootte van de mol van de pers wordt gesneden. 25 van de stukken worden 30 in één richting gelamineerd, waarna het laminaat 1 uur bij 700°C onder een argongasatmosfeer wordt verwarmd. De tempèra- tuur wordt tot 1060°C opgevoerd en na 30 min wordt het lami- 2 naat 10 min geperst met een druk van 2'5 kg/cm . Na het koelen . wordt een vezel/metaal ter grootte van 50 x 50 mm en ter dikte 35 van 4 mm verkregen. De treksterkte van het verkregen produkt bedraagt 108 kg/mm (vezelgehalte: 50 vol.%).

Voorbeeld V

_ _ Op dezelfde wijze als in voorbeeld I wordt een 7907197 -15- do or lopende aluminavezel in een laag om een doom gewonden en op het oppervlak van de aluminavezel op de roterende doorn wordt een aluminiumpoeder met een zuiverheidsgraad van 99,9% en een gemiddelde deeltjesgrootte van 5 pm (High Purity Chemi-5 cal Research Laboratory) met een plasma-sproei-inrichting (5 MR-630 van Metco? voorzien van een krachtbron) gesproeid.

Het sproeien geschiedt onder de volgende omstandigheden: atmosfeer: mengsel van argon en waterstof (30:1); sproei-af-stand: 22 cm; sproeiduur: 70 sec. Het vel wordt dan van de 10 doorn genomen, waarna de andere zijde daarvan 25 sec aan dezelfde sproei-bewerking wordt onderworpen. Op hetzelfde oppervlak wordt dan onder voornoemde omstandigheden gedurende 20 sec aluminiumpoeder met een zuiverheidsgraad van 99,9% en een gemiddelde deeltjesgrootte van 44 pm gesproeid ter verschaffing 15 van een velvormige voorcompositie ter dikte van 0,35 mm, die in stukken van 66 x 10 mm wordt gesneden. 32 stukken worden met de vezel als in dezelfde richting gelamineerd, waarna het laminaat 30 min bij 670°C met een druk van 50 kg/cm in een argongasatmosfeer wordt geperst en dan gekoeld ter verschaf-20 fing van een met aluminavezel gewapende aluminiumcompositie ter dikte van 2,2 mm. De buigsterkte van de verkregen compo- / 2 sitie bedraagt 138 kg/cm . Het vezelgehalte, bepaald door het matrixmetaal in zoutzuur op te lossen, bedraagt 52 vol.%.

Met een electronenmicroscoop bekeken blijkt een breukvlak geen 25 aanwijzigingen te bevatten, die kunnen wijzen op het uit- ! stoten van vezels, en blijken de vezels geheel door het matrixmetaal doordrongen te zijn. Het produkt bevat ten hoogste 0,1 vol.% gaten. De versterkende funktie van de aluminavezel of het aluminium wordt hiermee dus aangetoond.

30 Ter vergelijking wordt de bij de eerste stap met aluminiumpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 5 jiim gesproeide voorcompositie verwarmd en onder voornoemde omstandigheden geperst ter verschaffing van een compositiemetaal. De buigsterkte van het verkregen materiaal bedraagt slechts 35 81 kg/mm . Het breukvlak daarvan vertoont circa 3 vol.% gaten tussen de vezel en de matrix.

7907197

Claims (15)

1. Werkwijze voor het verschaffen van een met vezel-versterkte metaalcompositie/ met het kenmerk/ dat een aantal velvormige stukken voorcompositie wordt gelamineerd, 5 welke voorcompositie bestaat uit bundels van filamenten van bewapeningsvezel voor metaal, over welke filamenten een matrix-métaalpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van ten hoogste de helft van de vezeldiameter en over de bundels een matrixmetaalpoeder met een gemiddelde deeltjesgrootte van 10 2-10 maal de vezeldiameter is verdeeld, en het verkregen laminaat in een vacuum of een inert gasatmosfeer warm wordt geperst.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de voorcompositie wordt verkregen door 1) het matrixmetaal- 15. poeder, waarvan de deeltjesgrootte ten hoogste de helft van de vezeldiameter bedraagt, over de filamenten van de vezel en 2. het matrixmetaalpoeder, waarvan de deeltjesgrootte 2-10 maal de vezeldiameter bedraagt, over de bundels van de vezel te verdelen.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het verdelen bij de stap 1) geschiedt door het onderdompelen van de bundels van de vezel in een suspensie van het matrixmetaalpoeder in een organisch oplosmiddel gevolgd door een droging, of door plasmasproeien.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het verdelen bij de stap 2) geschiedt door het op de vezel-bundels aanbrengen van een suspensie van een hars en het matrixmetaalpoeder in een organisch oplosmiddel, gevolgd door een droging of door plasmasproeien.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het aanbrengen geschiedt door onderdompelen.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het warm persen geschiedt, bij een temperatuur in de nabijheid van het smeltpunt van het matrixmetaal.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het persen geschiedt bij 0,98-1,03 T^, waarin de betekenis heeft van het smeltpunt van het matrixmetaal, uitgedrukt in absolute temperatuur. 7907197 -17-

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk/ dat het matrixraetaalpoeder bestaat uit lood, zink, tin, magnesium, aluminium, koper, nikkel, ijzer, titaan of een mengsel daarvan.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het mengsel bestaat uit een vaste oplossing of een eutec-toide.

10. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bewapeningsvezel uit een keramisch materiaal of metaal 10 bestaat.

11. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de diameter van het filament 1-500 jum bedraagt.

12. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aantal filamenten per bundel 10-200.000 bedraagt.

13. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de lengte/dikteverhouding van de vezel tenminste 10 bedraagt.

14. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vezel bestaat uit een doorlopende vezel of een vezel 20 ter lengte van tenminste 50 mm.

15. Met vezel gewapende compositiemetaal, verkregen met de werkwijze van conclusies 1-14. 7907197