WO2020239149A1 - Method for producing a component from a ceramic fibre-reinforced composite material with a modified sliding or frictional surface - Google Patents

Method for producing a component from a ceramic fibre-reinforced composite material with a modified sliding or frictional surface Download PDF

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WO2020239149A1
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Beate SCHLEIF
Benedikt Albert
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Abstract

The present invention relates to a component formed from a fibre-reinforced composite material and to a method for producing same. In the fibre-reinforced composite material, fibres (8) consisting of ceramic and/or carbon are embedded in a matrix (9) consisting of ceramic and/or carbon and/or a polymer. The component has a surface which is at least in part designed as a contact face for mechanical contact with a contact partner, and solid lubricant particles (10) are inlaid in the matrix (9) in at least one surface edge region of the component adjacent to the contact face, wherein the solid lubricant particles (10) are intermeshed or dispersed with the matrix and/or the fibres in the microstructure.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUTEILS AUS EINEM KERAMISCHEN FASERVERBUNDWERKSTOFF MIT MODIFIZIERTER GLEIT - ODER REIBFLÄCHE METHOD FOR MANUFACTURING A COMPONENT FROM A CERAMIC FIBER COMPOSITE MATERIAL WITH A MODIFIED SLIDING OR FRICTION SURFACE
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei bei dem Faserverbundwerkstoff Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff eingebettet sind. The present invention relates to a component made of a ceramic fiber composite material and a method for producing the same, wherein in the fiber composite material fibers made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix made of ceramic and / or carbon.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Faserverbundwerkstoffe, wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) und keramische Faserverbundwerkstoff, die im englischen auch als Ceramic Matrix Composites CMC bezeichnet werden, werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Fiber composite materials such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and ceramic fiber composite materials, which are also referred to as Ceramic Matrix Composites CMC, are used in many areas of technology due to their excellent mechanical properties.
Keramische Faserverbundwerkstoffe, die neben keramischen Stoffen zur Bildung der Matrix und / oder der Fasern auch solche aus Kohlenstoff mit einschließen sollen, werden aufgrund ihrer guten Hochtemperatur - sowie Korrosionsbeständigkeit unter anderem bei Hochtemperaturanwendungen im Flugzeug - bzw. Flugtriebwerksbau verwendet. Verfahren zur effizienten Herstellung von möglichst dichten keramischen Faserverbundwerkstoffen, die in Gasturbinen oder Flugtrieb werken eingesetzt werden können, sind beispielsweise in dem europäischen Patent EP 1 999 288 Bl und der US - Patentanmeldung US 2018/0187560 Al beschrieben. Ceramic fiber composite materials, which should also include those made of carbon in addition to ceramic materials for forming the matrix and / or fibers, are used, among other things, in high-temperature applications in aircraft or aircraft engine construction due to their good high temperature and corrosion resistance. Processes for the efficient production of ceramic fiber composite materials which are as dense as possible and which can be used in gas turbines or aircraft engines are described, for example, in European patent EP 1 999 288 B1 and US patent application US 2018/0187560 A1.
Darüber hinaus gelangen auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, bei denen Kohlenstofffasern in einer Matrix aus einem Polymer bzw. Kunstharz eingebettet sind. In addition, carbon fiber-reinforced plastics are also used, in which carbon fibers are embedded in a matrix made of a polymer or synthetic resin.
Bestätigungskopie Allerdings müssen Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen häufig mit Schutzschichten versehen werden, wenn die Faserverbundwerkstoffe bei mechanischem Kontakt mit anderen Bauteilen einem hohen Verschleiß unterliegen oder diesen bei benachbarten Bauteilen verursachen würden. Beispielsweise können bei Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen oder Flugtriebwerken, hoch belastete Kontaktflächen vorliegen, wie z.B. an Laufschaufel, insbesondere an Laufschaufel- deckbändem oder Laufschaufel - Scheibe - Kontaktflächen, oder an dem den Strömungskanal umgebenden Gehäuse oder anderen Bauteilen, die gegeneinander anliegen. Confirmation copy However, components made of fiber composite materials often have to be provided with protective layers if the fiber composite materials are subject to high wear in the event of mechanical contact with other components or if they would cause this in adjacent components. For example, in fluid flow machines, such as gas turbines or aircraft engines, there may be highly stressed contact surfaces, such as on rotor blades, in particular on rotor blade shrouds or rotor blade-disk contact surfaces, or on the housing surrounding the flow channel or other components that bear against each other.
Schutzschichten können jedoch bei zyklischer thermischer Beanspruchung oder Thermoschock- beanspruchung abplatzen, sodass die Schutzwirkung verloren geht und zudem die abgeplatzten Partikel Schädigungen in entsprechenden Maschinen bzw. Triebwerken verursachen können. Für einen dauerhaften und zuverlässigen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen muss somit die Funktionalität der daraus hergestellten Bauteile über einen breiten Temperaturbereich sichergestellt werden. Darüber hinaus ist ein übermäßiger Verschleiß zu vermeiden, der die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile stark beschränken würde. Protective layers can, however, flake off in the event of cyclical thermal stress or thermal shock stress, so that the protective effect is lost and the flaked particles can also cause damage to the corresponding machines or engines. For permanent and reliable use of fiber composite materials, the functionality of the components made from them must be ensured over a wide temperature range. In addition, excessive wear must be avoided, which would severely limit the service life of the relevant components.
Entsprechend ist es beispielsweise aus dem US - Patent US 9 238 595 B2 bekannt, die Oberflä che von keramischen Faserverbundwerkstoffen zu glätten, um den Reibwiderstand zu verringern. Accordingly, it is known for example from US Pat. No. 9,238,595 B2 to smooth the surface of ceramic fiber composite materials in order to reduce the frictional resistance.
In der europäischen Patentanmeldung EP 2 535 182 Al wird vorgeschlagen, bei einem Bauteil mit mehreren Gewebeschichten eine äußere Gewebeschicht zu perforieren und in die ausgestanz ten Bereiche ein schmierendes Füllmaterial einzubringen. Ein derartiger Herstellungsprozess ist jedoch durch die zusätzlichen Herstellungsschritte aufwändig und das Füllmaterial kann leicht aus den ausgestanzten Ausnehmungen ausbrechen. In the European patent application EP 2 535 182 A1, it is proposed to perforate an outer fabric layer in a component with several fabric layers and to introduce a lubricating filler material into the punched out areas. However, such a manufacturing process is complex due to the additional manufacturing steps and the filler material can easily break out of the punched-out recesses.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG DISCLOSURE OF THE INVENTION OBJECT OF THE INVENTION
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere einen keramischen Faserverbund Werkstoff, dessen Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und dessen Fasern ebenfalls aus Keramik und / oder Kohlenstoff gebildet sind, oder einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff bereitzustellen, der in seinen tribologischen Eigenschaften gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, wobei insbesondere Reibung und Verschleiß an entsprechenden Oberflächen dauerhaft verringert sind. Darüber hinaus soll ein derartiger Faserverbundwerkstoff effizient herstellbar sein und eine hohe Lebensdauer aufweisen. It is therefore an object of the present invention to provide a fiber composite material, in particular a ceramic fiber composite material, its matrix made of ceramic and / or carbon and whose fibers are also made of ceramic and / or carbon, or to provide a carbon fiber-reinforced plastic which is improved in its tribological properties compared to the prior art, with in particular friction and wear on corresponding surfaces being permanently reduced. In addition, such a fiber composite material should be able to be produced efficiently and have a long service life.
TECHNISCHE LÖSUNG TECHNICAL SOLUTION
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faser verbundwerkstoff, welches die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst, sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method for producing a component from a fiber composite material, which comprises the features of claim 1, as well as by a component with the features of claim 4. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schlägt zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffs vor, direkt bei der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs in der Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer, in die die Fasern des Faserverbundwerkstoffs eingebettet werden, zusätzlich zumindest in entsprechenden Oberflächenrandbereichen des her zustellenden Bauteils, die in mechanischen Kontakt, z.B. Reib - oder Gleitkontakt, mit Kontakt- partnem, wie Reib - bzw. Gleitpartnem, gelangen können, Festschmierstoffpartikel einzulagem, sodass der Festschmierstoff an den entsprechenden Kontaktflächen eines aus dem modifizierten Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauteils vorliegt und eine Schmierung bereitstellen kann. Durch die direkte Einlagerung der Festschmierstoffpartikel in das Gefüge mit der Matrix und den Fasern wird eine sichere und feste Anordnung der Festschmierstoffpartikel und somit eine zuver lässige und dauerhafte Bereitstellung des Festschmierstoffs an Kontaktflächen des entsprechend hergestellten Bauteils gewährleistet. Außerdem ist die Herstellung gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht, da keine zusätzlichen Herstellschritte zur Aufbringung einer zusätzlichen Schutzschicht oder zur Vorbereitung eines Randbereichs des Bauteils zur Einbringung der Fest- schmierstoffpartikel vorgenommen werden müssen. Ferner besteht durch den Verzicht auf eine Beschichtung keine Gefahr von entsprechenden Abplatzungen der Schicht. Dementsprechend ist ein entsprechendes Bauteil im Bereich der Kontaktfläche vorzugsweise unbeschichtet, muss also in diesem Bereich keine separat und/oder nachträglich ausgebildete, aufgebrachte oder abgelagerte Schicht aufweisen. Dadurch muss auch kein damit einhergehender Schichtübergang oder -Interface und/oder kein abrupter Übergang in der chemischen Zusam mensetzung vorliegen. The invention proposes to improve the tribological properties of a fiber composite material, directly during the production of the fiber composite material in the matrix of ceramic and / or carbon and / or a polymer, in which the fibers of the fiber composite material are embedded, additionally at least in corresponding surface edge areas of the to be produced Components that can come into mechanical contact, e.g. friction or sliding contact, with contact partners, such as friction or sliding partners, incorporate solid lubricant particles so that the solid lubricant is present on the corresponding contact surfaces of a component formed from the modified fiber composite material and provides lubrication can. The direct incorporation of the solid lubricant particles into the structure with the matrix and the fibers ensures a secure and solid arrangement of the solid lubricant particles and thus a reliable and permanent supply of the solid lubricant to the contact surfaces of the correspondingly manufactured component. In addition, the production is simplified compared to the prior art, since no additional production steps have to be carried out to apply an additional protective layer or to prepare an edge area of the component for the introduction of the solid lubricant particles. Furthermore, by dispensing with a coating, there is no risk of the layer flaking off. Accordingly, a corresponding component is preferably uncoated in the area of the contact surface, so it does not have to have a separately and / or subsequently formed, applied or deposited layer in this area. As a result, there is no need for an accompanying layer transition or interface and / or an abrupt transition in the chemical composition.
Die Einbringung der Festschmierstoffpartikel erfolgt vor und / oder gleichzeitig mit der Anord nung des Matrixmaterials in einem Fasergebilde, z.B. durch Infiltration, wobei mit dem Faserge bilde die zur Verstärkung des Faserverbundwerkstoffs vorgesehenen Fasern bereitgestellt werden. Ein entsprechendes Fasergebilde kann beispielsweise als Fasergewebe, Fasergeflecht, Fasergewirk oder ähnliches bereitgestellt werden. The solid lubricant particles are introduced before and / or simultaneously with the arrangement of the matrix material in a fiber structure, e.g. by infiltration, the fibers provided for reinforcing the fiber composite material with the fiber structure. A corresponding fiber structure can be provided, for example, as a fiber fabric, fiber braid, fiber knitted fabric or the like.
Die Festschmierstoffpartikel können in dem Fasergebilde beschränkt auf die Oberflächenrandbe reiche eingebracht werden, in denen ein mechanischer Kontakt, z.B. in Form eines Reib - oder Gleitkontakts, zu erwarten ist. Entsprechend kann eine lokal begrenzte Ausbildung von Oberflächenrandbereichen mit den Festschmierstoffpartikel verwirklicht werden. The solid lubricant particles can be incorporated in the fiber structure limited to the surface edge areas in which mechanical contact, e.g. in the form of frictional or sliding contact is to be expected. Correspondingly, a locally limited formation of surface edge regions with the solid lubricant particles can be realized.
Die Festschmierstoffpartikel können in den entsprechenden Oberflächenrandbereichen in unterschiedlicher Konzentration vorgesehen werden, also mit unterschiedlichem Volumenanteil, so- dass Konzentrationsgradienten, insbesondere mit kontinuierlich, insbesondere monoton oder streng monoton, ab- oder zunehmender Konzentration, entlang der Oberfläche des Bauteils und / oder vertikal zur Oberfläche des Bauteils ausgebildet werden können. Beispielsweise kann der Volumenanteil der Festschmierstoffpartikel in dem Gefüge in den Oberflächenrandbereichen von einem inneren Bereich zur Oberfläche hin ansteigen. The solid lubricant particles can be provided in the corresponding surface edge areas in different concentrations, i.e. with different volume proportions, so that concentration gradients, in particular with continuous, in particular monotonous or strictly monotonous, decreasing or increasing concentration, along the surface of the component and / or vertical to the surface of the component can be formed. For example, the volume fraction of the solid lubricant particles in the structure in the surface edge areas can increase from an inner area to the surface.
Die Ausbildung der Matrix kann durch unterschiedliche Verfahren verwirklicht werden. Ange passt an das gewählte Verfahren zur Ausbildung der Matrix um die Fasern bzw. in den Hohlräu- men und Öffnungen des Fasergebildes kann die Einbringung der Festschmierstoffpartikel in die entsprechenden Oberflächenrandbereiche angepasst werden. Beispielsweise ist es möglich die Abscheidung der Matrix aus der Gasphase vorzunehmen, z.B. durch chemische Dampfphasenabscheidung oder chemische Gasphaseninfiltration, wobei in die sem Fall die Festschmierstoffpartikel bereits im Fasergebilde, beispielsweise aus einem mit Harz verklebten Fasern ausgebildeten Fasergebilde, angeordnet sein können. The formation of the matrix can be realized by different methods. The introduction of the solid lubricant particles into the corresponding surface edge areas can be adapted to the selected method for forming the matrix around the fibers or in the cavities and openings of the fiber structure. For example, it is possible to deposit the matrix from the gas phase, for example by chemical vapor phase deposition or chemical gas phase infiltration, in which case the solid lubricant particles can already be arranged in the fiber structure, for example made of a fiber structure made of fibers bonded with resin.
In dem Fasergebilde können auch Polymere zur anschließenden Pyrolyse, beispielsweise siliciumhaltige Polymere vorgesehen sein, wobei in den Oberflächenrandbereichen, in denen der Werkstoff entsprechend der Erfindung modifiziert werden soll, zusätzlich die Feststoffschmierpartikel angeordnet sind. Polymers for subsequent pyrolysis, for example silicon-containing polymers, can also be provided in the fiber structure, with the solid lubricant particles additionally being arranged in the surface edge areas in which the material is to be modified according to the invention.
Auch bei weiteren Infiltrationsverfahren, wie der Flüssiginfiltration, z.B. der Flüssigpolymerin filtration oder der Infiltration über Schlicker oder Schmelzinfiltrationsverfahren, wie der Flüs sigsiliciuminfiltration oder dergleichen, können die Festschmierstoffpartikel bereits im Faserge bilde vorgesehen sein, wobei zusätzlich weitere Bestandteile zur chemischen Reaktion mit dem infiltrierten Stoff zur Ausbildung der Matrix angeordnet sein können. Also in other infiltration processes, such as liquid infiltration, e.g. liquid polymer filtration or infiltration via slurry or melt infiltration processes, such as liquid silicon infiltration or the like, the solid lubricant particles can already be provided in the fiber structure, with additional components for chemical reaction with the infiltrated substance to form the matrix.
Weitere Verfahren zur Ausbildung der Matrix, insbesondere einer Keramikmatrix sind die Elektrophorese oder Sinterverfahren, bei denen ebenfalls die Festschmierstoffpartikel bereits im Fasergebilde vorgesehen sein können, um in der sich ausbildenden Matrix eingelagert zu werden. Further methods for forming the matrix, in particular a ceramic matrix, are electrophoresis or sintering processes, in which the solid lubricant particles can also already be provided in the fiber structure in order to be embedded in the forming matrix.
Durch die Einlagerung der Festschmierstoffpartikel in das Gefüge aus einer Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einer organischen Matrix, insbesondere einem Polymer, und Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff wird eine feste Einbindung der Festschmierstoffpar tikel in die Oberfläche des Bauteils bewirkt, wobei z.B. durch ungleichmäßige, dreidimensionale Grenzflächen zwischen den Festschmierstoffpartikeln und den Körnern der Matrix und / oder den Fasern insbesondere mit Vorsprüngen und Vertiefungen oder Hinterschneidungen sowie durch die Dispersion in der Matrix eine feste Einbindung der Festschmierstoffpartikel im Gefüge bewirkt wird. By embedding the solid lubricant particles in the structure of a matrix made of ceramic and / or carbon and / or an organic matrix, in particular a polymer, and fibers made of ceramic and / or carbon, the solid lubricant particles are firmly embedded in the surface of the component, where e.g. uneven, three-dimensional interfaces between the solid lubricant particles and the grains of the matrix and / or the fibers, in particular with protrusions and depressions or undercuts, and the dispersion in the matrix cause the solid lubricant particles to be firmly integrated in the structure.
Die eingebrachten Festschmierstoffpartikel können unterschiedlicher Art sein und sollen lediglich den für die beabsichtigten tribologischen Eigenschaften entsprechenden Schmierstoff bereitstellen. Beispielsweise können Bornitrid, insbesondere amorphes Bomitrid oder hexagonales Bomitrid, Metalloxide, wie Molybdänoxid oder Wolframoxid, sowie Chalkogene oder Graphit hierfür eingesetzt werden. The solid lubricant particles introduced can be of different types and are only intended to provide the lubricant appropriate for the intended tribological properties. For example, boron nitride, especially amorphous boron nitride or hexagonal Boron nitride, metal oxides such as molybdenum oxide or tungsten oxide, and chalcogens or graphite can be used for this.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in The accompanying drawings show in a purely schematic manner
Figur 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, welches mit zwei anderen Figure 1 is a representation of a component according to the invention, which with two other
Bauteilen in mechanischem Kontakt ist, Components are in mechanical contact,
Figur 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß modifizierten Oberflächenrandbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils, wie es in Figur 1 dargestellt ist, FIG. 2 shows a section through a surface edge region of a component according to the invention modified according to the invention, as shown in FIG.
Figur 3 eine Darstellung eines Fasergebildes als Ausgangsmaterial für die Herstellung ei nes erfindungsgemäßen Bauteils, FIG. 3 shows a representation of a fiber structure as a starting material for the production of a component according to the invention,
Figur 4 eine Darstellung des Fasergebildes aus Figur 3 nach Befüllen von Oberflächen randbereichen mit Festschmierstoffpartikeln zur Ausbildung eines erfindungsge mäßen Bauteils und in FIG. 4 shows an illustration of the fiber structure from FIG. 3 after surface areas have been filled with solid lubricant particles to form a component according to the invention and in FIG
Figur 5 eine Darstellung des fertig gestellten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, das modifizierte Oberflächenrandbereiche aufweist. FIG. 5 shows a representation of the finished component made from a fiber composite material which has modified surface edge regions.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EXAMPLES
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nach folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele ersichtlich. Allerdings ist die Er findung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Further advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent from the following detailed description of the exemplary embodiments. However, the invention is not limited to these exemplary embodiments.
Die Figur 1 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Bauteils 1, welches aus einem kerami schen Faserverbundwerkstoff gebildet ist und mit zwei weiteren Reib - bzw. Gleitpartnem 2 und 3 im Reib - bzw. Gleitkontakt ist. Entsprechend weist das Bauteil 1 eine erste Kontaktfläche 4, die im Kontakt mit dem ersten Reib - bzw. Gleitpartner 2 ist, und eine zweite Kontaktfläche 5 auf, die im Kontakt mit dem zweiten Reib - bzw. Gleitpartner 3 ist. Benachbart zu den Kontaktflächen 4, 5 sind Oberflächenrandbereiche 6 und 7 im Bauteil 1 ausgebildet, die aus einem gegenüber den restlichen Bereichen des Bauteils 1 modifizierten Werkstoff bestehen. FIG. 1 shows part of a component 1 according to the invention which is formed from a ceramic fiber composite material and is in frictional or sliding contact with two further friction or sliding partners 2 and 3. Accordingly, the component 1 has a first contact surface 4, which is in contact with the first friction or sliding partner 2, and a second contact surface 5 which is in contact with the second friction or sliding partner 3. Adjacent to the contact surfaces 4, 5, surface edge areas 6 and 7 are formed in the component 1, which consist of a material that is modified compared to the remaining areas of the component 1.
In den Oberflächenrandbereichen 6 und 7 ist der keramische Faserverbundwerkstoff dahinge- hend modifiziert, dass in das Gefüge bestehend aus den die Matrix bildenden Keramikpartikeln und den Fasern Festschmierstoffpartikel eingelagert sind, die im Bereich der Kontaktflächen 4, 5 an der Oberfläche des Bauteils 1 vorliegen und dort zu einer Verbesserung des tribologischen Verhaltens, also des Reib - bzw. Gleitverhaltens zwischen den Reib - bzw. Gleitpartner 2 und 3 und dem Bauteil 1 an den Kontaktflächen 4 und 5 des Bauteils 1 beitragen. Beispielsweise kön- nen die Festschmierstoffpartikel hexagonales Bornitrid sein, das eine Schmierung an den Kon taktflächen 4 und 5 bereitstellt und somit eine Verbesserung des Gleitverhaltens der Kontaktflä chen 4 und 5 bewirkt. In the surface edge areas 6 and 7, the ceramic fiber composite material is modified in such a way that solid lubricant particles are embedded in the structure consisting of the ceramic particles forming the matrix and the fibers, which are present in the area of the contact surfaces 4, 5 on the surface of the component 1 and there Contribute to an improvement in the tribological behavior, that is to say the friction or sliding behavior between the friction or sliding partners 2 and 3 and the component 1 on the contact surfaces 4 and 5 of the component 1. For example, the solid lubricant particles can be hexagonal boron nitride, which provides lubrication on the contact surfaces 4 and 5 and thus improves the sliding behavior of the contact surfaces 4 and 5.
Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Oberflächenrandbereich 6, 7 des Bauteils 1 , wobei in der Schnittansicht zum einen die Fasern 8 und zum anderen die Keramikkömer 9 des kerami- sehen Faserverbundwerkstoffs zu sehen sind. In das Gefüge aus der Keramikmatrix 9 und den Fasern 8 sind Festschmierstoffpartikel 10 eingelagert, sodass beim Kontakt des Bauteils 1 an der Kontaktfläche 4, 5 mit einem Gleit - bzw. Reibpartner 2, 3 die Festschmierstoffpartikel 10 an der Oberfläche den Festschmierstoff in den Spalt zwischen der Kontaktfläche 4, 5 des Bauteils 1 und des Reib - bzw. Gleitpartners 2, 3 abgeben. Dadurch kann das tribologische Verhalten bzw. das Kontaktverhalten eines entsprechend modifizierten Bauteils 1 verbessert werden. FIG. 2 shows a section through a surface edge region 6, 7 of the component 1, the fibers 8 on the one hand and the ceramic grains 9 of the ceramic fiber composite material on the other being visible in the sectional view. Solid lubricant particles 10 are embedded in the structure of the ceramic matrix 9 and the fibers 8, so that when the component 1 comes into contact with a sliding or friction partner 2, 3 on the contact surface 4, 5, the solid lubricant particles 10 on the surface get the solid lubricant into the gap between the contact surface 4, 5 of the component 1 and the friction or sliding partner 2, 3. As a result, the tribological behavior or the contact behavior of a correspondingly modified component 1 can be improved.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen verschiedene Stadien bei einer Ausführungsform der Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs mit modifizierten Oberflächenrandbereichen gemäß der Erfindung. Figures 3 to 5 show different stages in an embodiment of the production of a fiber composite material with modified surface edge areas according to the invention.
Zunächst wird ein Fasergebilde 1 1 bereitgestellt, wie in Figur 3 dargestellt, welches die Fasern umfasst, die in dem zu bildenden Faserverbundwerkstoff die Faserverstärkung bereitstellen sol- len. Das Fasergebilde 1 1 kann durch ein Gewebe oder eine sonstige Faseranordnung, wie ein Geflecht oder Gewirk, bei dem die Fasern vorzugsweise über ein Harz miteinander verklebt sind, bereitgestellt werden, wobei das Fasergebilde kein dichtes Gebilde darstellt, sondern eine Viel zahl von Hohlräumen und Poren umfasst, in denen nachfolgend die Keramikmatrix ausgebildet wird. Die Fasern selbst können ebenfalls aus Keramik sein, wobei Kohlenstoff für die vorliegende Darstellung der Erfindung unter dem Begriff der Keramik fallen soll. Entsprechend kann das Fasergebilde aus einer Vielzahl von Kohlenstofffasem und / oder Keramikfasem, wie bei spielsweise SiC-Fasem bestehen, um die herum eine Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer gebildet wird. Firstly, a fiber structure 11 is provided, as shown in FIG. 3, which comprises the fibers which are intended to provide the fiber reinforcement in the fiber composite material to be formed. The fiber structure 11 can be provided by a fabric or some other fiber arrangement, such as a braid or knitted fabric, in which the fibers are preferably glued to one another via a resin, the fiber structure not being a dense structure, but a multitude of cavities and pores includes, in which subsequently the ceramic matrix is formed becomes. The fibers themselves can also be made of ceramic, carbon for the present description of the invention falling under the term of ceramic. Correspondingly, the fiber structure can consist of a large number of carbon fibers and / or ceramic fibers, such as SiC fibers, for example, around which a matrix of ceramic and / or carbon and / or a polymer is formed.
Gemäß der Darstellung in Figur 4 werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in die Oberflächenrandbereiche 12 und 13 des Fasergebildes 1 1, die benachbart zu den Kontaktoberflächen 14 und 15 sind, Festschmierstoffpartikel eingefüllt, sodass bei der nachfolgenden Herstellung der Matrix diese nicht nur die Fasern des Fasergebildes 1 1 umschließt, sondern auch die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 vorliegenden Festschmierstoffpartikel. According to the illustration in Figure 4, in the embodiment shown, solid lubricant particles are filled into the surface edge regions 12 and 13 of the fiber structure 1 1, which are adjacent to the contact surfaces 14 and 15, so that during the subsequent production of the matrix these not only the fibers of the fiber structure 1 1, but also the solid lubricant particles present in the surface edge regions 12 and 13.
Neben den Festschmierstoffpartikeln, die nur in den Oberflächenrandbereichen 12, 13 vorgesehen werden, können im gesamten Fasergebilde weitere Stoffe, wie beispielsweise Keramikpartikel, in dem Fasergebilde 1 1 angeordnet werden, um beispielsweise durch einen Sinterprozess die Keramikmatrix aus den Keramikpartikeln zu bilden, wobei die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 zusätzlich vorgesehenen Festschmierstoffpartikel in die Keramikmatrix eingelagert werden. In addition to the solid lubricant particles, which are only provided in the surface edge areas 12, 13, further substances, such as ceramic particles, can be arranged in the fiber structure 11 in the entire fiber structure in order to form the ceramic matrix from the ceramic particles, for example by means of a sintering process the surface edge regions 12 and 13 additionally provided solid lubricant particles are embedded in the ceramic matrix.
Alternativ ist es auch möglich, Ausgangsstoffe für die anschließende Bildung der Matrix in dem Fasergebilde 1 1 anzuordnen, um beispielsweise durch eine nachfolgende Pyrolyse oder chemische Reaktion mit einem schmelzflüssig oder gasförmig infiltrierten Stoff wiederum die Matrix zu bilden. Auch in diesem Fall werden die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 vorgese henen Festschmierstoffpartikel in die entsprechende Matrix eingelagert. Alternatively, it is also possible to arrange starting materials for the subsequent formation of the matrix in the fiber structure 11 in order, for example, to form the matrix again by a subsequent pyrolysis or chemical reaction with a molten or gaseous infiltrated substance. In this case too, the solid lubricant particles provided in the surface edge regions 12 and 13 are embedded in the corresponding matrix.
Gleiches gilt für eine mögliche Abscheidung des Keramikmaterials über die Dampfphase, bei der mittels chemischer Dampfphasenabscheidung oder chemischer Dampfphaseninfiltration das Keramikmaterial in den Freiräumen des Fasergebildes 1 1 gebildet wird und dabei die in den Ober- flächenrandbereichen 12 und 13 bereitgestellten Festschmierstoffpartikel in der Matrix mit ein geschlossen werden. The same applies to a possible deposition of the ceramic material via the vapor phase, in which the ceramic material is formed in the free spaces of the fiber structure 11 by means of chemical vapor phase deposition or chemical vapor phase infiltration and the solid lubricant particles provided in the surface edge areas 12 and 13 are included in the matrix will.
Die Figur 5 zeigt ein entsprechend fertig gestelltes Bauteil aus einem keramischen Faserverbund werkstoff 18, welches Oberflächenrandbereiche 16 und 17 mit in der Keramikmatrix und / oder den Fasern eingelagerten Festschmierstoffpartikeln aufweist, die das Gleitverhalten verbessern und / oder den Verschleiß in den Kontaktoberflächen 14 und 15 wesentlich verringern. FIG. 5 shows a correspondingly finished component made of a ceramic fiber composite material 18 which has surface edge regions 16 and 17 in the ceramic matrix and / or has solid lubricant particles embedded in the fibers, which improve the sliding behavior and / or significantly reduce wear in the contact surfaces 14 and 15.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wor den ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausfuhrungs- beispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefugten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkmale, die nur in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch bei anderen Ausführungsbeispielen oder nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen eingesetzt werden können. Although the present invention has been described in detail on the basis of the exemplary embodiments, it is obvious to a person skilled in the art that the invention is not limited to these exemplary embodiments, but rather that modifications are possible in such a way that individual features are omitted or other types of combinations of features can be realized without departing from the scope of protection of the attached claims. In particular, the present disclosure includes all combinations of the individual features shown in the various exemplary embodiments, so that individual features that are only described in connection with one exemplary embodiment can also be used in other exemplary embodiments or combinations of individual features that are not explicitly shown.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE LIST
1 Bauteil 1 component
2 Reib - bzw. Gleitpartner 2 friction or sliding partners
3 Reib - bzw. Gleitpartner 3 friction or sliding partners
4 Kontaktfläche 4 contact area
5 Kontaktfläche 5 contact area
6 Oberflächenrandbereich 6 surface edge area
7 Oberflächenrandbereich 7 surface edge area
8 Fasern 8 fibers
9 Keramikkörner bzw. Keramikmatrix 9 ceramic grains or ceramic matrix
10 Festschmierstoffpartikel 10 solid lubricant particles
1 1 Fasergebilde 1 1 fiber structure
12 Oberflächenrandbereich 12 surface edge area
13 Oberflächenrandbereich 14 Kontaktfläche 13 Surface edge area 14 contact area
15 Kontaktfläche 15 contact area
16 Oberflächenrandbereich 16 surface edge area
17 Oberflächenrandbereich 17 Surface edge area
18 keramischer Faserverbundwerkstoff 18 ceramic fiber composite

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
1 . Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, bei welchen Fasern (8) aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix (9) aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer eingebettet sind, wobei mindestens ein Faserge bilde (1 1) aus den Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff bereitgestellt wird, wobei Matrixmaterial oder Ausgangsmaterial für Matrixmaterial so in und / oder an dem Fasergebilde angeordnet wird, dass die Matrix aus dem Matrixmaterial oder dem Ausgangsmaterial gebildet werden kann, sodass die Fasern (8) des Fasergebildes in der Matrix (9) eingebettet sind, 1 . Process for the production of components made of fiber composite materials, in which fibers (8) made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix (9) made of ceramic and / or carbon and / or a polymer, with at least one fiber structure (11) the fibers made of ceramic and / or carbon is provided, with matrix material or starting material for matrix material being arranged in and / or on the fiber structure so that the matrix can be formed from the matrix material or the starting material so that the fibers (8) of the fiber structure in the matrix (9) are embedded,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
vor und / oder gleichzeitig mit der Anordnung des Matrixmaterials oder des Ausgangs materials für die Matrix Festschmierstoffpartikel (10) in oder an mindestens einem Ober flächenrandbereich (12,13) des Fasergebildes (1 1) angeordnet werden, sodass bei der Ausbildung der Matrix (9) die Festschmierstoffpartikel (10) in dem mindestens einem Oberflächenrandbereich des Bauteils angrenzend an eine Oberfläche des Bauteils einge lagert sind. before and / or simultaneously with the arrangement of the matrix material or the starting material for the matrix, solid lubricant particles (10) are arranged in or on at least one upper surface edge area (12, 13) of the fiber structure (1 1) so that when the matrix (9 ) the solid lubricant particles (10) are incorporated in the at least one surface edge region of the component adjacent to a surface of the component.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Ausbildung der Matrix (9) durch eines oder mehrere Verfahren aus der Gruppe durchgeführt wird, die die Abscheidung aus der Gasphase, die chemische Dampfphasenabscheidung, die chemische Gasphaseninfiltration, die Pyrolyse von Polymeren, die Pyrolyse von Si - haltigen Polymeren, Infiltrationsverfahren, Schmelzinfiltrationsverfahren, Flüssigsiliciuminfiltration, die Flüssigpolymerinfiltration, Elektrophorese, Schlickerverfahren und Sinterverfahren umfasst. the formation of the matrix (9) is carried out by one or more processes from the group that includes deposition from the gas phase, chemical vapor phase deposition, chemical gas phase infiltration, pyrolysis of polymers, pyrolysis of Si-containing polymers, infiltration processes, melt infiltration processes, Liquid silicon infiltration, which includes liquid polymer infiltration, electrophoresis, slip processes, and sintering processes.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 3. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel (10) ausgewählt sind aus der Gruppe, die Bomitrid, amorphes Bomitrid, hexagonales Bomitrid, Graphit, Chalkogene, Metalloxide, Molybdänoxid und Wolframoxid umfasst. characterized in that the solid lubricant particles (10) are selected from the group comprising boron nitride, amorphous boron nitride, hexagonal boron nitride, graphite, chalcogens, metal oxides, molybdenum oxide and tungsten oxide.
4. Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei dem Faserverbundwerkstoff Fasern (8) aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix (9) aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer eingebettet sind, wobei das Bauteil ( 1) eine Oberfläche aufweist, von der zumindest ein Teil als Kontaktfläche (4,5; 14, 15) zum mechanischen Kontakt mit einem Kontaktpartner (2,3) ausgebildet ist, 4. Component made of a fiber composite material, in particular produced by the method according to one of claims 1 to 3, wherein the fiber composite material fibers (8) made of ceramic and / or carbon in a matrix (9) made of ceramic and / or carbon and / or a Polymer are embedded, the component (1) having a surface of which at least a part is designed as a contact surface (4, 5; 14, 15) for mechanical contact with a contact partner (2, 3),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
Festschmierstoffpartikel (10) in mindestens einem Oberflächenrandbereich (6,7; 16,17) des Bauteils angrenzend an die Kontaktfläche (4,5; 14, 15) in die Matrix (9) eingelagert sind, wobei die Festschmierstoffpartikel (10) im Gefüge mit der Matrix und / oder den Fasern verzahnt oder dispergiert sind. Solid lubricant particles (10) are embedded in the matrix (9) in at least one surface edge area (6, 7; 16, 17) of the component adjacent to the contact surface (4, 5; 14, 15), the solid lubricant particles (10) in the structure with the matrix and / or the fibers are interlocked or dispersed.
5. Bauteil nach Anspruch 4, 5. Component according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Festschmierstoffpartikel (10) durch ungleichmäßige, dreidimensional Grenzflächen mit Vorsprüngen und Vertiefungen oder Hinterschneidungen mit der umgebenden Matrix und / oder den Fasern fest gehalten sind und/oder das Bauteil im Bereich der Kontaktfläche (4,5;14,15) unbeschichtet ist. the solid lubricant particles (10) are firmly held by uneven, three-dimensional interfaces with projections and depressions or undercuts with the surrounding matrix and / or the fibers and / or the component is uncoated in the area of the contact surface (4, 5; 14, 15).
6. Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, 6. Component according to claim 4 or 5,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Festschmierstoffpartikel (10) im Oberflächenrandbereich (6,7;16,17) des Bauteils (1) über den Oberflächenrandbereich (6,7; 16, 17) mit unterschiedlichem Volumenanteil ent halten sind the solid lubricant particles (10) in the surface edge area (6,7; 16,17) of the component (1) over the surface edge area (6,7; 16, 17) with different volume percentages are held ent
7. Bauteil nach Anspruch 6, 7. component according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
ein Gradient des Volumenanteils der Festschmierstoffpartikel (10) mit zunehmendem Volumenanteil der Festschmierstoffpartikel (10) in der Matrix (9) in Richtung der Oberfläche und / oder ein Gradient des Volumenanteils der Festschmierstoffpartikel (10) in der Matrix (9) entlang der Oberfläche des Bauteils (1) vorliegt. a gradient of the volume fraction of the solid lubricant particles (10) with increasing Volume fraction of the solid lubricant particles (10) in the matrix (9) in the direction of the surface and / or a gradient of the volume fraction of the solid lubricant particles (10) in the matrix (9) along the surface of the component (1).
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, 8. Component according to one of claims 4 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Festschmierstoffpartikel (10) ausgewählt sind aus der Gruppe, die Bomitrid, amor phes Bornitrid, hexagonales Bomitrid, Graphit, Chalkogene, Metalloxide, Molybdänoxid und Wolframoxid umfasst. the solid lubricant particles (10) are selected from the group comprising boron nitride, amorphous boron nitride, hexagonal boron nitride, graphite, chalcogens, metal oxides, molybdenum oxide and tungsten oxide.
PCT/DE2020/000095 2019-05-24 2020-05-18 Method for producing a component from a ceramic fibre-reinforced composite material with a modified sliding or frictional surface WO2020239149A1 (en)

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