AT402615B - Verfahren zum herstellen von verfahren zum herstellen von metall-matrix-verbundwerkstoffen metall-matrix-verbundwerkstoffen - Google Patents

Description

AT 402 615 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hersteilen von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen aus einer Metall-Matrix, in die Verstärkungsmaterialien eingebettet sind, bei dem die Verstärkungsmaterialien in eine Vorform gebracht werden, die Vorform in einem Tiegel angeordnet wird und im Bereich der Formöffnung das Metallmaterial angeordnet wird, das die Metall-Matrix bilden soll, und der Tiegel mit der Vorform und dem Metallmaterial evakuiert, bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt, über ein Fluid oder mittels eines Kolbens mit Druck beaufschlagt und anschließend abgekühlt wird.

Derartige Verfahren sind aus der US-PS 3 547 180, der DE 35 46 148 A1, der WO 90115681 und der GB 2 247 636 bekannt

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit einem Volumsanteil Verstärkung von mehr als 30% werden üblicherweise dadurch hergestellt, daß ein Verstärkungsmaterial mit Hilfe eines Vorformhalters durch Wickeln oder Legen in die gewünschte Form gebracht wird. Das in dieser Weise angeordnete Verstärkungsmaterial bildet die durch das Metall zu infiltrierende Vorform. Das Metallmaterial, das die Vorform infiltrieren soll, das heißt, der sogenannte Speiser wird im Bereich der Formöffnung angeordnet. Anschließend wird die gesamte Anordnung evakuiert und bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt. Sobald das Metallmaterial geschmolzen ist, bildet es einen gasdichten Abschluß zur Vorform. Von außen wird ein Gasdruck aufgebaut, der das aufgeschmolzene Metallmaterial in die Vorform drückt, so daß die evakuierten Hohlräume zwischen den Verstärkungsmaterialteilen ausgefüllt werden. Wegen der Nichtbenetzbarkeit oder der schlechten Benetzbarkeit der Verstärkungsmaterialien durch das Metallmaterial ist zum Ausfüllen dieser Zwischenräume ein Vielfaches des Atmosphärendruckes notwendig. Um unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem Metallmaterial und dem Verstärkungsmaterial zu vermeiden, muß die Anordnung anschließend sehr schnell abgekühlt werden, was insbesondere bei der Verwendung von Kohlenstoffasern als Verstärkungsmaterialien von Bedeutung ist. Derartige unerwünschte chemische Reaktionen können die Verstärkungsmaterialien beispielsweise die Fasern schwächen und andererseits in der Metall-Matrix Einlagerungen bilden, welche die Eigenschaften der Matrix verschlechtern. Darunter sind insbesondere Sprödigkeiten, Festigkeitsverluste und Rißbildungen zu verstehen.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen besteht darin, daß Gaseinschlüsse außerordentlich störend sind und wesentlich schwerer als bei üblichen Gießverfahren zu vermeiden sind.

Bei dem Eingangs genannten Verfahren, daß aus der US-PS 3 547 180, der DE 35 46 148 A1, der WO 90/15681 und der GB 2 247 636 bekannt ist, wird eine aus nur einer Baueinheit bestehende Vorrichtung dazu benutzt, die Anordnung aus der Vorform und den diese umgebenden und stützenden Teilen zu evakuieren, zu erwärmen, mit Druck zu beaufschlagen und anschließend abzukühlen.

Die bei diesen bekannten Verfahren benutzten Infiltrationsgefäße müssen bei einer erhöhten Temperatur von bis zu 800 · C vakuum- und druckbeständig sein. Da sie auch beheizbar und schnell abkühlbar sein müssen, müssen sie zwei Paaren von einander widersprechenden Anforderungen genügen.

Das hat zur Folge, daß das die Infiltrationsgefäße eine hohe Festigkeit haben müssen und in ihrer Ausführung mit dementsprechend hohen Kosten verbunden sind. Je größer der herzustellende Körper des Verbundwerkstoffes ist um so höher werden diese Kosten, was zur Folge hat, daß Bauteile mit großen Abmessungen überproportional hohe Kosten verursachen.

Nach dem Druckaufbau und nach dem Infiltrieren der Vorform durch das Metallmaterial muß zur Vermeidung der eingangs genannten chemischen Reaktionen eine möglichst schnelle Abkühlung erzielt werden. Diese ist um so schwieriger, je größer die Vorform ist, wobei erschwerend hinzukommt, daß nicht nur der infiltrierte Körper, sondern die gesamte Inneneinrichtung des Infiltrationsgefäßes Wärme gespeichert hat, die gleichfalls abgeführt werden muß. Dadurch erhöht sich der Aufwand für das Kühlsystem.

Entsprechend der EP 293 960 und der DE 36 03 310 werden monolithische Metallteile gegossen indem Metall in einem Teil einer Vakuumkammer geschmolzen wird, die Schmelze dann in eine in der Vakuumkammer angeordnete Form gegossen wird und die Form dann in einer Teilkammer der Vakuumkammer vom Rest der Vakuumkammer abgesperrt und mit einem Gasdruck beaufschlagt wird, wobei gekühlt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Verfahren der eingangs genannten Art für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen so auszubilden, daß die Kosten der zu seiner Durchführung erforderlichen Vorrichtung verringert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll es insbesondere möglich sein, den infiltrierten Körper schneller abzukühlen und dadurch chemische Wechselwirkungen zwischen dem Verstärkungsmaterial und dem aufgeschmolzenen Metallmaterial insbesondere zwischen einem Fasermaterial und schmelzflüssigem Aluminium zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Tiegel mit der Vorform und dem Metallmaterial in einem Vakuumofen zunächst evakuiert und erwärmt wird und anschließend aus dem 2

AT 402 615 B

Vakuumofen herausgenommen und in einem Druckgefäß angeordnet und darin mit Druck beaufschlagt und abgekühlt wird.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Ausbildung besteht somit darin, im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren nicht eine einzige Baueinheit als Infiltrationsgefäß zu verwenden, sondern zwei verschiedenen Gefäße, nämlich einen Vakuumofen und ein Druckgefäß vorzusehen, die zusammen mit geringeren Kosten als das aufwendige Infiltrationsgefäß verbunden sind, das bei dem bekannten Verfahren verwandt wird.

Im ersten Gefäß, d. h. im Vakuumofen wird die Anordnung aus Metallmaterial und Vorform evakuiert und bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt. Sobald diese Vorgänge abgeschlossen sind, wird der Tiegel samt Inhalt in das zweite Gefäß, d. h. das Druckgefäß gegeben. Im Druckgefäß wird ein Druck aufgebaut, der ausreicht, um das Verstärkungsmaterial der Vorform zu infiltrieren, woraufhin das Druckgefäß, der Tiegel und die infiltrierte Vorform schnell abgekühlt werden.

Vorzugsweise werden die Materialien der Verbundwerkstoffe und/oder der Volumenanteil der Verstärkungsmaterialien und/oder die Homogenität ihrer Verteilung so gewählt, daß der Atmosphärendruck nicht ausreicht, das in dem Vakuumofen aufgeschmolzene Metallmaterial in die Vorform zu drücken.

Da während der zeit zwischen dem Öffnen des Vakuumofens und dem Druckaufbau im Druckgefäß der normale Luftdruck, d. h. der Atmosphärendruck die Metallschmelze auf die Vorform drückt, sollte die Ausbildung von Tiegel, Vorformhalter, Schmelz- und Vorform so sein, daß die Vorform durch die durch den Atmosphärendruck beaufschlagte Metallschmelze gasdicht abgeschlossen ist, damit keine Luft in die evakuierte Vorform eindringt. Der Atmosphärendruck sollte aber nicht ausreichen, die Metallschmelze in die Vorform hineinzudrücken, sie sollte die Vorform nur an der Oberfläche berühren. Würde die Vorform schon durch das Wirken des Atmosphärendruckes infiltriert, so könnte es zu chemischen Wechselwirkungen zwischen der Metallschmelze und dem Verstärkungsmaterial kommen, da unter Umständen relativ viel Zeit vergeht, bis der Tiegel vom Vakuumofen im Druckgefäß angeordnet ist.

Bei der Verwendung von Keramikfasem als Verstärkungsmaterial ist vorzugsweise ein Volumenanteil von 45% Keramikfasern vorgesehen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Vakuumofen zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 in einer Schnittansicht ein Druckgefäß zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 in einem Diagramm das infiltrierte Volumen gegenüber dem aufgebrachten Druck bei Verwendung von Keramikfasern als Verstärkungsmaterial mit einem Volumenanteil von 45% und

Fig. 4 in einem Diagramm, den Infiltrationsaußendruck gegenüber dem Volumenfüllfaktor der Vorform.

In Fig. 1 ist ein Vakuumofen 5 dargestellt, der mit einer Heizung 6 versehen ist und in dem herausnehmbar ein Tiegel 4 angeordnet ist, der einen Vorformhalter 3 aufnimmt, in dem die Vorform 1, d. h. die in der gewünschten Weise angeordneten Verstärkungsmaterialien und der Speiser 2, d. h. das Metallmaterial, beispielsweise ein Stück Aluminium angeordnet sind.

Der in Fig. 1 dargestellt Vakuumofen wird im ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffes dazu verwandt, die Vorform 1 und den Speiser 2 im Tiegel 4 zu evakuieren und bis zum Schmelzen des Speisers 2 zu erwärmen. Dazu wird der Tiegel 4 mit dem Speiser 2, dem Vorformhalter 3 und der Vorform 1 beladen und im Vakuumofen 5 angeordnet. Vor dem Evakuieren wird mit einem Inertgas gespült. Nach dem Evakuieren erfolgt ein Aufheizen unter Vakuum, sodaß der Speiser 2 aufschmilzt. Die gewünschte Schmelztemperatur unter Vakuum wird entsprechend eingestellt.

Vor dem zweiten Verfahrensschritt, nämlich der eigentlichen Infiltration der Vorform 1 durch das Metallmaterial wird der Vakuumofen 5 geöffnet und wird der Tiegel 4 mit dem schmelzflüssigem Metallmaterial herausgenommen.

Die Anordnung ist dann dem Atmosphärendruck ausgesetzt, der die Metallschmelze beaufschlagt und dafür sorgt, daß die Vorform 1 gasdicht abgeschlossen ist. Es wird dafür gesorgt, daß der Atmosphärendruck allerdings nicht ausreicht, die Metallschmelze in die Vorform 1 zu drücken und damit bereits eine Infiltration zu bewirken.

Der Mindestdruck, bei dem eine Infiltration der Metallschmelze in die Vorform 1 beginnt, hängt von der Höhe der Nichtbenetzbarkeit zwischen der Metallschmelze und dem Verstärkungsmaterial und damit von der Wahl der verwandten Materialien, der Oberflächenspannung der Metallschmelze, vom Querschnitt der Hohlräume oder Kanäle zwischen den einzelnen Teilen des Verstärkungsmaterials und damit vom Volumenanteil oder Volumenfüllfaktor der Verstärkungsmaterialien und der Homogenität ihrer Verteilung ab. 3

Claims (2)

1. AT 402 615 B Fig. 3 zeigt den typischen Verlauf des infiltrierten Volumens gegenüber dem aufgebrachten Druck bei Keramikfasern als Verstärkungsmaterial mit einem Volumenanteil von 45 %. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß eine Infiltration erst bei einem Druck von mehr als 0,1 MPa, das heißt bei einem Druck über dem Atmosphärendruck beginnt und daß das Maß an Infiltration bis zu einem Druck von etwa 1,2 MPa zunimmt. Höhere Volumenanteile der Fasern verschieben die Druckgrenzwerte nach oben. Das heißt mit anderen Worten, daß bei gleichem Volumenfüllfaktor Vorformen mit Fasern mit größerem Durchmesser leichter zu infiltrieren sind als Vorformen mit Fasern mit kleineren Durchmessern. Nichtbenetzbarkeit liegt bei AI203-Fasern, bei SiC-Fasem, bei bestimmten Kunststoffasern und bei Kohlenstoffasern vor. Von diesen Fasern haben die AI203-Fasern mit einem Benetzungswinkel von etwa 103' die geringste Benetzbarkeit mit Aluminium, der entsprechende Wert für SiC-Fasern und Kohlenstoffasern liegt bei etwa 150*. Das Diagramm gemäß Fig. 4 zeigt den Druck, bei welchem die Infiltration beginnt gegenüber dem Volumenfüllfaktor für AI203-Fasern mit 15 um Durchmesser bei 660 * C und bei einer Schmelzenoberflächenspannung von 0,86 J/m2. Der in Fig. 4 dargestellte Kurvenverlauf wurde unter der Annahme berechnet, daß die Fasern genau parallel und mit konstantem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei hat jede Faser, welche sich nicht an der Oberfläche der Vorform befindet, genau sechs gleich weit entfernte Nachbarfasern. Gemäß Fig. 4 würde bei einem Volumenfüllfaktor von weniger als 0,33 bereits eine Infiltration bei Atmosphärendruck auftreten. Tatsächlich tritt eine fehlerhafte Infiltration bei Atmosphärendruck bei diesen Fasern nicht so gleichmäßig in die Vorform eingebracht werden können, wie es bei der Berechnung des Kurvenverlaufes angenommen wurde, so daß sich auch größere Kanäle ergeben, in welche die Schmelze vorzeitig eindringen kann. Der aus dem Vakuumofen 5 herausgenommene Tiegel 4, dessen Vorform 1 durch die Metallschmelze unter Atmosphärendruck luftdicht abgeschlossen ist, wird anschließend in ein Druckgefäß 8 eingebracht, das in Fig. 2 dargestellt ist. Dieses Druckgefäß 8 ist mit einer Kühlung 9 versehen. Im Druckgefäß wird anschließend ein Druck von 1 bis etwa 15 MPa aufgebaut, der dazu führt, daß das aufgeschmolzene Metallmaterial die Vorform 1 zum infiltrierten Körper 7 in Fig. 2 infiltriert. Der Tiegel 4 mit Vorformhalter 3 und dem darin gebildeten infiltrierten Körper 7 wird anschießend im Druckgefäß · 8 abgekühlt und aus dem Druckgefäß 8 herausgenommen. Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von Metall-Matrix Verbundwerkstoffen aus einer Metall-Matrix, in die Verstärkungsmaterialien eingebettet sind, bei dem - die Verstärkungsmaterialien in eine Vorform gebracht werden, - die Vorform in einem Tiegel angeordnet wird und im Bereich der Formöffnung das Metallmaterial angeordnet wird, das die Metall-Matrix bilden soll, und - der Tiegel mit der Vorform und dem Metallmaterial evakuiert, bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt, mit Druck beaufschlagt und anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß - der Tiegel (4) mit der Vorform (3) und dem Metallmaterial (2) in einem Vakuumofen (5) zunächst evakuiert und bis zum Schmelzen des Metallmateriais erwärmt wird und anschließend aus dem Vakuumofen entfernt und unter Atmosphärendruck zusammen mit dem geschmolzenem Metallmaterial, welches die Vorform gegen die Umgebungsluft abdichtet, in ein separates Druckgefäß (8) gegeben wird, in welchem der Tiegel ohne weitere Erwärmung mit Druck beaufschlagt und dann abgekühlt wird, wobei die Materialien der Verbundwerkstoffe und/oder der Volumenanteil der Verstärkungsmaterialien und/oder die Homogenität ihrer Verteilung so gewählt werden, daß der Atmosphärendruck nicht ausreicht, das aufgeschmolzene Metallmaterial in die Vorform zu infiltrieren.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Keramikfasern als Verstärkungsmaterial der Volumenanteil bei wenigstens 45% liegt. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 4