DE4208100C2 - Rohling zur Herstellung von faserverstärkten Beschichtungen oder Metallbauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohling zur Herstellung von faser­ verstärkten Beschichtungen oder Metallbauteilen mit Fasern aus hochfestem Material und Metallen von geringerer Festigkeit als die Fasern, sowie Verfahren zur Herstellung des Rohlings der Beschichtungen oder der Bauteile.

Aus US-PS 39 36 550 ist ein Verfahren zur Herstellung von faser­ verstärkten Beschichtungen oder Metallbauteilen mit Fasern aus hoch­ festem Material und Titan- oder Titanlegierungen als Metall bekannt. Dazu werden die Fasern zwischen zwei Titanblechen heißisostatisch verpreßt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Fasern in ihrer Lage zwischen den Blechen nicht fixiert sind, so daß sich die Fasern zwischen den Titanblechen beim Verpressen zu einem Verbundwerkstoff überlagern oder berühren können und dadurch den Verbundwerkstoff an diesen Stellen schwächen. Außerdem sind Fasern und Bleche relativ steif und lassen sich nicht auf Bauteile oder Kerne vor dem heiß­ isostatischen Pressen aufbringen oder anformen. Darüberhinaus be­ stehen die Fasern aus Boroxiden, die bereits bei geringer thermischer Belastung ihre Festigkeit verlieren und sich plastisch deformieren.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Rohlings aus Titanplatten und Boroxid-Fasern ist, daß beim Verpressen des Rohlings zu faserver­ stärkten Metallplatten die Packungsdichte der Fasern begrenzt ist. Bei Bauteilen mit mehreren Faserlagen übereinander ist bei Verwendung des bekannten Rohlings aus US-PS 39 36 550 zwischen jeder Faserlage eine Metallplatte, was die Packungsdichte der Fasern begrenzt. Bei hoher Packungsdichte der Fasern innerhalb einer Faserlage besteht die Gefahr, daß beim Verpressen zu einem faserverstärkten Metall nicht genügend Metallmaterial zwischen die Fasern dringt und Poren, Lunker oder Hohlräume frei von Matrixmetall im Verbundmaterial verbleiben. Diese Poren, Lunker oder Hohlräume verursachen eine Werkstoffschwä­ chung und stellen Bereiche erhöhter Bruchgefahr für die Fasern dar.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen gattungsgemäßen Rohling anzugeben, der sich an Bauteile oder Kerne anformen läßt, ohne daß eine Ver­ schiebung der Faserlage auftritt. Dieser Rohling soll eine poren­ freie Weiterverarbeitung zu einem Verbundwerkstoff und zu faserver­ stärkten Metallbauteilen mit hoher Packungsdichte der Fasern er­ möglichen und thermische Preßverfahren ohne Schädigung der Fasern für den Rohling zulassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fasern zueinander parallel ausgerichtet sind und in gestrickten Metalldrahtmaschen voneinander beabstandet eingebettet und hochtemperaturfest sind.

Dieser Rohling hat den Vorteil, daß er mechanisch äußerst flexibel ist und in seiner Flexibilität Web- oder Filzstrukturen übertrifft. Er kann deshalb breiter eingesetzt werden und ermöglicht faser­ verstärkte Metallstrukturen, die bisher nicht verwirklicht werden konnten, durch ein Verpressen oder Verdichten von erfindungsgemäßen Rohlingen. Die Packungsdichte der Fasern wird lediglich durch die Drahtstärke der gestrickten Metalldrahtmaschen begrenzt. Ein zu einem faserverstärkten Metallbauteil, Metallhalbzeug oder einer Metall­ beschichtung verdichteter erfindungsgemäßer Rohling weist keine Lunker, Hohlräume oder Poren, die frei von Matrixmetall sind, auf, da die Metalldrahtmaschen jede Faser vollständig umhüllen. Durch den Einsatz hochtemperaturfester Fasern im Rohling können vorteilhaft bei der Weiterverarbeitung des Rohlings thermische Preßverfahren eingesetzt werden.

Ein bevorzugter Werkstoff für die Fasern ist Siliziumkarbid. Dieser Werkstoff erlaubt nicht nur höchste Weiterverarbeitungstemperaturen, sondern verfügt über eine außergewöhnlich hohe Festigkeit. Beim be­ vorzugten Einsatz von Siliziumkarbidlangfasern lassen sich darüber hinaus aufwickelbare äußerst flexible und lange Rohlinge herstellen.

Zur Verbesserung der Weiterverarbeitung des Rohlings und zur Ver­ besserung der Verdichtungsmöglichkeit des Rohlings und zur Ver­ besserung der Beabstandung zwischen den Fasern, sind vorzugsweise die Fasern Siliziumkarbidlangfasern mit einer Metallbeschichtung aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metallegierung wie die Metall­ drahtmaschen. Mit einer derartigen Metallbeschichtung der Fasern läßt sich auch die Packungsdichte der Fasern erhöhen.

In einer bevorzugten Ausbildung des Rohlings sind die Metall­ drahtmaschen mit ihren Fanghenkeln im Querschnitt doppelflächig untereinander verstrickt. Das hat den Vorteil, daß im Flächenschwerpunkt einer jeden Verknüpfung eine Faser als Schußfaden angeordnet werden kann. Dadurch läßt sich vorteilhaft der Rohling verformen und einem Bauteil oder Formkörper angleichen, ohne daß sich die Fasern oder auch die beschichteten Fasern berühren oder auseinanderfallen oder verschieben. Damit läßt sich die vorteilhafte Drapierbarkeit eines Gestricks für die Herstellung faserverstärkter metallischer Bauteile nutzen.

Eine hohe Packungsdichte wird mit einer bevorzugten Ausbildung des Rohlings erreicht, bei der sich die Metalldrahtmaschen zu einem gleichbleibend dicken Rohling ergänzen. Dabei sind ein unterer Metalldraht und ein oberer Metalldraht so miteinander verstrickt, daß die zugehörigen Fanghenkel abwechselnd eine Verknüpfung zwischen oberem und unterem Metalldraht bilden. Damit lassen sich vorteilhaft sehr dünne Matten als Rohlinge herstellen, wobei die beiden Faserlagen zueinander versetzt angeordnet sind.

Während die Fasern von beliebiger Länge sind, sind die Metalldraht­ maschen in einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung aus endlosen Metalldrähten gestrickt. Das hat den Vorteil, daß die Rohlinge auf industriellen Strickmaschinen kostengünstig hergestellt werden kön­ nen.

Zur weiteren vorteilhaften Erhöhung der Packungsdichte bilden vor­ zugsweise die Fasern in Maschen eingelegte Schußfäden, wobei Fasern, die von den unteren Metalldrahtmaschen umgeben sind, eine untere Lage formen und die Fasern, die als Schußfaden in den oberen Metall­ drahtmaschen eingebettet sind, eine obere Lage bilden. Die höhere Packungsdichte wird vorteilhaft durch die versetzte Anordnung der Fasern zwischen oberer und unterer Faserlage erreicht.

Bei dicken Rohlingen sind die Fasern in mehr als zwei Lagen im Gestrick aus Maschen mit oder ohne Fanghenkel gestaffelt fixiert. Dadurch lassen sich vorteilhaft beliebige Dicken der Rohlinge verwirklichen.

Ein bevorzugtes Metall für die Metalldrahtmaschen ist Titan. Titan­ bauteile werden besonders im Triebwerksbau als Leichtbauteile ein­ gesetzt und sind hohen Temperaturen, aggressiven Gasströme und hohen Zugspannungen ausgesetzt. Eine Verbesserung dieser Eigenschaften durch Faserverstärkung beispielsweise in Zugrichtung läßt eine höhere Beanspruchung der Bauteile und eine höhere Zuverlässigkeit der Triebwerke zu.

Zur Herstellung eines Rohlings werden vorzugsweise die Fasern als Schußfäden in einer Strickmaschine parallel zueinander geführt und von Metalldrahtmaschen umstrickt. Dazu werden vorteilhaft die Fasern in Form von Langfasern von Vorratsspulen abgewickelt und der Strick­ maschine zugeführt, während sie quer zur Schußrichtung von einem dünnen Metalldraht engmaschig umstrickt werden.

Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Rohlings dient der Herstellung von faserverstärkten Titanplatten, Titanringen oder Titanhalbzeugen, wobei ein Rohling aus Fasern und Titandrahtmaschen einzeln oder in mehreren Lagen aufeinandergelegt oder zu einem Ring aufgewickelt mittels heißisostatischem Pressen zu faserverstärkten Titanplatten, Titanringen oder Titanhalbzeugen verdichtet wird. Die aus den erfindungsgemäßen Rohlingen hergestellten Platten, Ringe oder Halbzeuge zeichnen sich durch die regelmäßige Verteilung der Fasern in einer Metallmatrix aus Titan aus.

Eine weitere bevorzugte Verwendung des Rohlings ist sein Einsatz in einem Verfahren zur Herstellung eines freitragenden Bauteils aus faserverstärktem Titan, dabei wird ein Rohling aus Fasern und Titan­ drahtmaschen ein- oder mehrlagig auf einen Kern aufgezogen und mit­ tels heißisostatischem Pressen verdichtet und anschließend der Kern entfernt. Das Entfernen des Kerns kann bei einer offenen Struktur des Bauteils durch Herausnehmen erfolgen. Bei teilweise geschlossenen Bauteilen wird der Kern entweder als teilbarer Kern strukturiert oder beispielsweise durch Herausbrennen oder Herausätzen entfernt. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Rohlings in diesem Verfahren hat den Vorteil, daß die Richtung der Fasern in jeder Lage den konstruktiven Erfordernissen angepaßt werden kann und selbst bei kreuzenden Fa­ serlagen ein Berühren oder Schleifen der Fasern aufeinander unterbunden wird.

Die anliegenden Figuren zeigen beispielhafte Ausbildungen der Erfin­ dung.

Fig. 1a zeigt einen zweilagigen Rohling im Querschnitt,

Fig. 1b zeigt einen zweilagigen Rohling in Draufsicht,

Fig. 2 zeigt einen mehrlagigen heißisostatisch zu einer faser­ verstärkten Titanplatte verdichteten Rohling,

Fig. 3 zeigt einen auf ein Rohr aufgewickelten Rohling,

Fig. 4 zeigt einen auf ein Rohr aufgewickelten Rohling nach Ver­ dichtung zu einer Rohrbeschichtung als faserverstärkte Triebwerkswelle,

Fig. 5 zeigt ein Laufrad mit einem Deckband aus Rohling und beschichteten Langfasern,

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch ein Deckband nach Fig. 5,

Fig. 7 zeigt das Aufwickeln eines Rohlings und metallbeschichteter Langfasern auf eine Deckbandform,

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch die aufgewickelte Deckbandform vor einem heißisostatischen Pressen.

Fig. 1a zeigt einen zweilagigen Rohling 1 im Querschnitt mit parallel zueinander angeordneten Fasern 2, die in Metalldrahtmaschen 3 eingebettet sind. Die Metalldrahtmaschen 3 bilden mit den Fasern 2 eine Matte, die biegsam und flexibel ist. Derartige Rohlinge 1 können aufeinandergelegt und die Richtung der Fasern 2 den konstruktiven Erfordernissen angepaßt werden. Durch Verdichten mittels heißiso­ statischem Pressen kann aus einem Rohling ein faserverstärktes Me­ tallband hergestellt werden, das eine hohe Packungsdichte der Fasern 2 aufweist, wobei jede Faser 2 vollständig von Metall ummantelt ist. Die Fasern 2 sind 20 bis 150 µm dick, während der Durchmesser des Metalldrahtes 20 bis 80 µm beträgt.

Eine obere Lage 25 der Fasern 2 ist von oberen Metalldrahtmaschen 26 umgeben, wobei Fanghenkel 27 der unteren Metalldrahtmaschen 28 und Fanghenkel 31 der oberen Metalldrahtmaschen 26 die oberen 26 und die unteren 28 Metalldrahtmaschen miteinander verknüpfen. Durch die Verknüpfung ist die obere Lage 25 der Fasern 2 zu einer unteren Lage 29 der Fasern 2 versetzt angeordnet. Die Fasern 2 in der unteren Faserlage 29 werden von den unteren Metalldrahtmaschen 28 und von Fanghenkeln 31 der oberen Metalldrahtmaschen 26 eingeschlossen. Jede Metalldrahtmasche ist dabei mit der benachbarten Masche verknüpft. Dieses Gestrick zeichnet sich durch eine hohe Drapierbarkeit und Flexibilität aus.

Fig. 1b zeigt einen zweilagigen Rohling 1 in Draufsicht. Deutlich sind die parallele Ausrichtung der Fasern 2 zu erkennen, wobei die obere Lage 25 der Fasern 2 und die untere Lage 29 der Fasern 2 allseitig umstrickt sind. Lediglich zur besseren Unterscheidung lie­ gen die Metallmaschen 3, 26 und 28 weitauseinander. Für den faser­ durchzogenen Rohling 1 werden die Metalldrahtmaschen 3, 26 und 28 äußerst eng gestrickt, so daß jede Faser vollständig von Metalldraht umschlossen ist und ein heißisostatisches Pressen des Rohlings zu einer porenfreien Metallmatrix führt.

Fig. 2 zeigt einen mehrlagigen heißisostatisch zu einer faser­ verstärkten Titanplatte 4 verdichteten Rohling. In diesem Beispiel wurden lediglich zwei Rohlinge aufeinandergelegt und miteinander verdichtet, wobei die Fasern 2 aus Siliziumkarbid bestehen und gleichgerichtet bleiben. Aufgrund des heißisostatischen Pressens sind die Fasern 2 aus Siliziumkarbid nach dem Verdichten vollständig und gleichmäßig von einer Titanmatrix 5 umhüllt.

Außerdem können Triebwerksschaufeln im Schaufelblattbereich aus diesem Material hergestellt werden, wodurch vorteilhaft eine hohe Zugbelastung in Schaufelachsrichtung zugelassen werden kann.

Darüber hinaus läßt sich der Rohling bevorzugt zur Herstellung von freitragenden ringförmigen Bauteilen wie Deckbändern von Turbinenschaufelrädern mit Dichtspitzen und scheibenförmigen Flanschen verwenden, wobei zunächst ein ringförmiges Bauteil aus einem Rohling mit Maschen aus Titan oder aus Schaufelwerkstoff gewickelt wird und anschließend die Dichtspitzen und scheibenförmigen Flansche mit titanbeschichteten oder schaufelwerkstoffbeschichteten SiC-Langfasern auf oder an den ringförmigen Rohling auf Negativformen gewickelt und abschließend Langfasern und Rohling zu einem Bauteil heißisostatisch verpreßt werden. Durch die erhöhte Zugbelastbarkeit dieser Deckbänder ist es erstmals möglich auch Laufschaufelräder mit einem mitrotierenden dynamisch und thermisch stabilen und geschlossenen Deckband auszustatten und die Spaltdichtung über radial außen angeordnete Dichtspitzen zu erreichen, so daß eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinentriebwerken erreichbar wird.

Der Rohling wird vorzugsweise auch für Beschichtungsverfahren verwendet, wobei der Rohling ein- oder mehrlagig auf das Bauteil gelegt, gewickelt, geklebt, gelötet, diffusionsgeschweißt oder punktgeschweißt wird und mittels heißisostatischem Pressen auf dem Bauteil zu einer faserverstärkten Beschichtung verdichtet wird.

Dieses Beschichtungsverfahren hat den Vorteil, daß hochbelastete Bauteile wie Triebwerkswellen aus Leichtmetallen mit einer festigkeitserhöhenden Beschichtung verstärkt werden können. Außerdem können Triebwerksschaufeln im Schaufelblattbereich dünner und damit gewichtsparender konstruiert werden.

Fig. 3 zeigt einen doppellagig auf ein Rohr 7 aufgewickelten Rohling 1, wobei die Wickelrichtung winklig zur Rohrachse angeordnet ist und die erste Lage 9 in einem anderen Winkel als die zweite Lage 6 gewickelt wurde. Derartig aufgewickelte Rohlinge 1 lassen sich zu einem freitragenden Bauteil weiterverarbeiten, wenn nach einem heiß­ isostatischen Pressen das Rohr abgezogen oder herausgeätzt wird.

Fig. 4 zeigt einen auf ein Rohr 7 aufgewickelten Rohling nach Ver­ dichtung durch heißisostatisches Pressen zu einer Rohrbeschichtung 8 als faserverstärkte Triebwerkswelle. Durch die hochfeste faser­ verstärkte Beschichtung 8 des Rohres 7, das in diesem Beispiel aus Aluminium besteht, kann eine äußerst torsionssteife und gewichts­ sparende Triebwerkswelle realisiert werden.

Fig. 5 zeigt ein Laufrad mit einem Deckband 11 aus Rohling und zu­ sätzlichen mit titanbeschichteten Langfasern, das die Schaufeln 12 ringförmig radial außen umschließt. Der Dichtspalt 13 zwischen Tur­ binengehäuse 14 und Laufrad 10, das aus Laufradscheibe 22, Schaufel­ kranz 23 mit Schaufeln 12 und Deckband 11 besteht, wird über äußerst wirksame auf dem Deckband 11 integral angeordnete Dichtspitzen mini­ miert. Diese Dichtspitzen 15 sind in Fig. 6, die einen Querschnitt durch ein Deckband 11 nach Fig. 5 zeigt, deutlich erkennbar. Das Deckband 11 besteht im wesentlichen aus einem Deckbandring 16, zwei scheibenförmigen Flanschen 17 und 18 an den Ringaußenflächen und aus den Dichtspitzen 15. Der Innenradius des Deckbandringes 16 nimmt vom Flansch 17 zum Flansch 18 zu.

Um ein derartiges Bauteil aus faserverstärktem Titan herzustellen wird zunächst der erfindungsgemäße Rohling 1 für den Deckbandring 16 auf eine Form 19 in Pfeilrichtung A wie es Fig. 7 zeigt mehrlagig gewickelt. Die Flansche 17 und 18 und die Dichtspitzen 15 können mittels titanbeschichteten SiC-Langfasern 20 wie es Fig. 8 zeigt aus titanbe­ schichteten Langfasern auf die Form 19 gewickelt werden. Die freien Oberflächen von Rohling 1 und titanbeschichteten SiC-Langfasern 20 werden nach dem Wickeln eingekapselt und evakuiert. Der gesamte Auf­ bau mit Form 19 und mit dem gewickelten Rohbauteil 21 und der Ein­ kapselung (nicht gezeichnet) wird anschließend heißisostatisch ge­ preßt. Nach dem Preßvorgang wird die mehrfach teilbare Form 19 vom Bauteil aus faserverstärktem Metall getrennt und das selbsttragende Bauteil von der Einkapselung befreit und entsprechend Fig. 5 auf die Schaufeln 12 montiert und anschließend der Schaufelkranz 23 mit Deck­ band 11 auf die Laufradscheibe 22 aufgesetzt.

Claims (13)

1. Rohling zur Herstellung von faserverstärkten Beschichtungen oder Metallbauteilen mit Fasern aus hochfestem Material und Metallen von geringerer Festigkeit als die Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (2) zueinander parallel ausgerichtet sind und in gestrickten Metalldrahtmaschen (3) voneinander beabstandet einge­ bettet und hochtemperaturfest sind.

2. Rohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (2) Siliziumkarbidlangfasern sind.

3. Rohling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Siliziumkarbidlangfasern (20) mit einer Metallbeschichtung aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metallegierung wie die Metalldrahtmaschen (3) sind.

4. Rohling nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) mit ihren Fanghenkeln (27, 31) im Querschnitt doppelflächig untereinander verknüpft sind.

5. Rohling nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) zu einem gleichbleibend dicken Rohling gänzen, wobei ein unterer Metalldraht und ein oberer Metalldraht miteinander so verstrickt sind, daß die zugehörigen Fanghenkel (27, 31) abwechselnd eine Verknüpfung zwischen oberem und unterem Metalldraht zeigen.

6. Rohling nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) aus einem endlosen Metall­ draht gestrickt sind.

7. Rohling nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (2) in die Maschen eingelegte Schußfäden sind und in einer oberen (25) und in einer unteren Lage (29) angeordnet sind, wobei die untere Lage (29) von den Fasern (2) gebildet wird, die von den unteren Metalldrahtmaschen (28) umgeben sind und die obere Lage (25) von den Fasern (2), die als Schußfäden von den oberen Metalldrahtmaschen (26) eingebettet sind.

8. Rohling nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) aus Titan bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Rohlings nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (2) als Schußfäden in einer Strickmaschine parallel zueinander geführt und von Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) umstrickt werden.

10. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Titanbauteilen, Titanplatten (4), Titanringen oder Titanhalbzeugen unter Verwen­ dung des Rohlings (1) nach Anspruch 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) aus Titan be­ stehen und der Rohling (1) einzeln oder in mehreren Lagen (25, 29) aufeinandergelegt oder zu einem Ring aufgewickelt wird und durch heißisostatisches Pressen zu faserverstärkten Titanplatten, Ti­ tanringen, Titanhalbzeugen oder Titanbauteilen verdichtet wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines freitragenden Bauteils aus faser­ verstärktem Titan unter Verwendung des Rohlings nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldrahtmaschen (3, 26, 28) aus Titan bestehen und der Rohling ein- oder mehrlagig auf einen Kern aufgezogen wird und mittels heißisostatischem Pressen ver­ dichtet und anschließend der Kern entfernt wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines freitragenden ringförmigen Bau­ teils wie Deckband von Turbinenschaufelrädern mit Dichtspitzen und scheibenförmigen Flanschen unter Verwendung eines Rohlings nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Me­ talldrahtmaschen (3, 26, 28) aus Titan oder dem Schaufelwerkstoff bestehen und zunächst ein ringförmiges Bauteil aus dem Rohling (1) gewickelt wird und anschließend die Dichtspitzen (15) und schei­ benförmigen Flansche (17, 18) mit titanbeschichteten oder schaufel­ werkstoffbeschichteten SiC-Langfasern (20) auf oder an den ring­ förmigen Rohling auf Negativformen gewickelt und abschließend Langfasern und Rohling zu einem Bauteil heißisostatisch verpreßt werden.

13. Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen unter Verwendung des Rohlings nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling ein- oder mehrlagig auf das Bauteil gelegt, gewickelt, geklebt, gelötet, diffusionsgeschweißt oder punktgeschweißt wird und mittels heißisostatischem Pressen auf dem Bauteil zu einer faserverstärkten Beschichtung (8) verdichtet wird.