DE102007054455B3

DE102007054455B3 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbunds

Info

Publication number: DE102007054455B3
Application number: DE102007054455A
Authority: DE
Inventors: Marco Hüller
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: WO2009063366A2; WO2009063366A3

Abstract

Zum Herstellen eines metallischen Verbunds werden ein erstes Zwischenprodukt aus nanoskaligen Partikeln mit einer mittleren Größe d1 < 1 µm und eines oder mehrerer Zusatzstoffe und ein Pulver aus metallischen Partikeln mit einer mittleren Größe d2 >= 1 µm zusammengestellt. Ultraschallenergie wird zum Mischen des ersten Zwischenprodukts und dem Pulver eingebracht, wobei ein zweites Zwischenprodukt aus dem gemischten ersten Zwischenprodukt und dem Pulver erzeugt wird. Dieses zweite Zwischenprodukt wird beschleunigt, um das erste Zwischenprodukt mit dem Pulver mechanisch zu legieren, wobei ein drittes Zwischenprodukt erzeugt wird. Dieses dritte Zwischenprodukt wird verdichtet und ein metallischer Verbund gebildet, der nanoskalige Körner aufweist, die in einer metallischen Matrix eingebettet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbunds, insbesondere eines metallischen Verbunds, der nanoskalige Körner aufweist, die in einer metallischen Matrix eingebettet sind.
Eine Art metallischer Verbund weist eine metallische Matrix und eine zweite Phase auf. Die zweite Phase hat die Gestalt von Körnern, die in der metallischen Matrix verteilt sind. Die zweite Phase hat eine Verstärkungswirkung, die die Festigkeit des Verbunds gegenüber der Festigkeit der zweiten Phase-freien Matrix erhöht. Die zweite Phase kann ein zweites unterschiedliches Metall oder ein nichtmetallisches Material, wie Kohlenstoff oder Kohlenstofffaser, sein.
Im Prinzip kann die Festigkeit des Verbunds mit zunehmend kleineren Körnern zunehmend erhöht werden, da die Oberfläche der Körner und folglich die Verstärkungseffekt der Körner zunehmend erhöht wird. Hierzu können nanoskalige Körner, d. h. Körner mit einer mittleren Größe von weniger als 1 μm als Verstärkungsphase verwendet werden. Diese nanoskaligen Körner können aus einem oder mehreren weiteren Metallen oder aus nichtmetallischen Materialien, wie Kohlenstoff oder Kohlenstoffnanoröhrchen, so genannten carbon nanotubes (CNT) bestehen. Die Praxis zeigt jedoch, dass die Festigkeit eines Verbunds mit nanoskaligen Körnern weniger erhöht wird als sie im Prinzip erhöht werden sollte.
Ein Ansatz, die Festigkeit eines Verbunds mit nanoskaligen Körnern zu erhöhen, besteht darin, die Verteilung der nanoskaligen Körner in der Matrix zu verbessern, insbesondere die Körner homogener in der Matrix zu dispergieren. Die US 7,217,311 offenbart ein Verfahren, bei dem nanoskalige Partikel in einer Lösung eingebracht werden, in die metallische Salze gelöst werden. Die Lösung wird da nach ausgetrocknet und reduziert, um ein metallisches Pulver mit Nanopartikeln aus den metallischen Salzen und den Nanopartikeln herzustellen.
Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es aufwendig ist und ferner, dass lösliche metallische Salze vorhanden sein müssen. Folglich ist dieses Verfahren für manche Metalle nicht geeignet.
Aus der Druckschrift US 6123895 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundes aus Aluminium mit darin dispergierten SiC-Teilchen bekannt, bei dem die Ausgangspulver gemischt, kompaktiert und gesintert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbunds anzugeben, mit dem eine homogene Verteilung eines zweiten Materials in der Matrix erreicht werden kann, das auch einfach durchzuführen ist.
Gelöst wird dies mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbunds angegeben, das folgende Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen nanoskaliger Partikel, deren mittlere Größe d₁ < 1 μm ist,
(b) Bereitstellen eines Pulvers aus metallischen Partikeln, deren mittlere Größe d₂ ≥ 1 μm ist,
(c) Erzeugen eines ersten Zwischenprodukts aus den nanoskaligen Partikeln und einem oder mehreren Zusatzstoffen,
(d) Zusammenstellen des ersten Zwischenprodukts und dem Pulver und Einbringen von Ultraschallenergie zum Mischen des ersten Zwischenprodukts und dem Pulver zum Erzeugen eines zweiten Zwischenprodukts aus dem gemischten ersten Zwischenprodukt und dem Pulver,
(e) Beschleunigen des zweiten Zwischenprodukts unter mechanischen Legieren des ersten Zwischenprodukts mit dem Pulver zum Erzeugen eines dritten Zwischenprodukts,
(f) Verdichten des dritten Zwischenprodukts unter Bilden eines metallischen Verbunds, der nanoskalige Körner aufweist, die in einer metallischen Matrix eingebettet sind.

Die Erfindung sieht ein Verfahren vor, bei dem kleinere Partikel einer ersten Phase mit größeren Partikeln einer Matrix bildenden Phase gemischt werden. Anschließend wird ein Verbund aus dieser Mischung hergestellt. Insbesondere werden nanoskalige Partikel mit einer mittleren Größe d₁ < 1 μm mit metallischen Partikeln eines Pulvers mit einer mittleren Größe d₂ ≥ 1 μm mit einem drei-stufigen Verfahren gemischt. Die metallischen Partikel des Pulvers sehen die Matrix des Verbunds und die nanoskaligen Partikel die verteilten Körner des Verbunds vor, die in der Matrix verteilt eingebettet sind.
In diesem Zusammenhang wird unter dem Begriff „nanoskalig" sowie „Nanopartikel", Partikel bzw. Körner, die eine mittlere Größe d₁ < 1 μm aufweisen verstanden. In einer weiteren Ausführungsform ist die mittlere Größe der nanoskaligen Partikel kleiner als 200 nm. Die mittlere Größe der naoskaligen Körner wird mittels Röntgenanalyse festgestellt. Die mittlere Größe der Nanopartikel, die in der Matrix des Verbunds eingebettet sind, kann mittels Transmissionselektronmikroskopie festgestellt werden.
Die metallischen Partikel des Pulvers weisen eine mittlere Größe d₂ ≥ 1 μm. Die Größen der Partikel des Pulvers können mittels des bekannten Verfahren Fisher Sub-Sieve Size (F. S. S. S.) festgestellt werden. In weiteren Ausführungsformen ist die mittlere Größe der metallischen Partikel d₂ ≥ 10 μm, oder d₂ ≥ 30 μm.
In einer Ausführungsform sind die nanoskaligen Partikel Kohlenstoffnanoröhrchen. In dieser Ausführungsform wird unter dem Begriff „nanoskalig" Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem Durchmesser d₁ ≤ 50 nm und mit einer Länge l ≤ 5 μm ver standen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die mittlere Größe der metallischen Partikel d₂ ≥ 10 μm.
Erfindungsgemäß wird ein dreistufiges Mischungsverfahren durchgeführt, das eine homogene Verteilung der nanoskaligen Phase in der Matrix des Verbunds ermöglicht. Zunächst sind die Nanopartikel mit einem oder mehreren Zusatzstoffen zusammengestellt. Danach wird dieses erste Zwischenprodukt und dem metallischen Pulver größerer Partikel zusammengestellt und Ultraschallenergie eingebracht, um ein zweites Zwischenprodukt aus einer Mischung der Nanopartikel, Zusatzstoffen und des Pulvers aus den größeren metallischen Partikeln herzustellen. Anschließend wird diese Mischung beschleunigt, um die Nanopartikel und die metallischen Partikel miteinander mechanisch zu legieren, um ein drittes Zwischenprodukt herzustellen.
Die Nanopartikel und die größeren metallischen Partikel des Pulvers werden zunächst mit einer Ultraschallbehandlung homogen gemischt. Die Ultraschallbehandlung kann zunächst die Nanopartikel voneinander auftrennen, wenn sie in Form von Agglomeraten vorhanden sind. Die Ultraschallbehandlung verhindert auch die Agglomeration der Nanopartikeln und ermöglicht die feine Verteilung der nanoskalige Partikel in das Pulver aus größeren Partikeln.
Diese Verteilung wird durch den mechanischen Legierungsschritt in das dritte Zwischenprodukt übertragen und im dritten Zwischenprodukt stabil beibehalten. Die homogene Verteilung der nanoskaligen Partikel wird dann in den verdichteten Verbund übertragen, da die Wiederballung der nanoskaligen Partikel in Agglomeraten durch die mechanische Legierung der nanoskaligen Partikel und der metallischen Partikel im dritten Zwischenprodukt verhindert wird. Die Verteilung der nanoskaligen Körner des Verbunds entspricht der Verteilung der nanoskaligen Partikel des dritten Zwischenprodukts, das die Gestalt von Pulver aufweist.
Dieses Verfahren eignet sich für metallische Verbünde mit einer Matrix aus einem Metall, das in Pulverform vorhanden ist. Ferner können kommerziell erhältliche nanoskalige Partikel verschiedener Arten, wie weitere Metalle, Keramik, Kohlenstoff und Kohlenstoffnanoröhrchen im Verfahren verwendet werden. Das Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass es geeignet ist, einen Verbund in großtechnischem Maßstab herzustellen. Metallische Verbünde mit fein verteilten nanoskaligen Körner sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in großen Mengen kostengünstig herstellbar.
In einer ersten Ausführungsform weisen die nanoskaligen Partikel eine andere Zusammensetzung als die metallischen Partikel des Pulvers auf. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die nanoskaligen Partikel Kohlenstoffnanoröhrchen. Auf Grund ihrer großen Längenverhältnisse können Kohlenstoffnanoröhrchen eine Verstärkungswirkung in der Matrix ausüben. Der Verbund nach diesem Ausführungsbeispiel ist ein nanoskaliger, kohlenfaserverstärkter metallischer Verbund.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die nanoskaligen Partikel Kohlenstoffnanoröhrchen und die metallischen Partikel bestehen aus Aluminium. Dieser Verbund ist ein kohlenstoffnanoröhrchenverstärkter Aluminiumverbund. Solch ein Verbund eignet sich für die Verwendung im Automobil- und Flugzeugbau, insbesondere für die Herstellung von Strukturbauteilen eines Automobils oder eines Flugzeugs.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Anteil an nanoskaligen Partikeln der Zwischenprodukte und folglich der Anteil an nanoskaligen Körnern des Verbunds durch die Wiederholung der Schritte (c), (d) und (e) stufenweise erhöht. Diese Wiederholung der drei Mischungsschritte führt auch bei höheren Nanopartikelanteilen zu einer homogenen Verteilung der nanoskaligen Körner im Verbund. Die Agglomeration der nanoskaligen Partikel bei zunehmenden Anteilen an nanoskaligen Partikeln wird durch die stufenweise Anteilerhöhung und die stufenweise Einmischung der nanoskaligen Partikel in das Pulver aus größeren metallischen Partikeln vermieden. Dies hat den Vorteil, dass ein höherer Anteil an nanoskaligen Partikeln zu einer erhöhten Festigkeit des Verbunds führt, die den Anteil an nanoskaligen Partikeln entspricht.
In einem Ausführungsbeispiel wird Schritt (d) des oben beschriebenen Verfahrens so durchgeführt, dass das erste Zwischenprodukt die metallischen Partikel des Pulvers benetzt. Insbesondere wird Ultraschallenergie in die zusammengestellten nanoskaligen Partikel, Zusatzstoffe und metallischen Partikel so eingebracht, dass die kleineren nanoskaligen Partikel die größeren metallischen Partikel des Pulvers benetzen. Durch diese Benetzung wird das erste Zwischenprodukt und das Pulver gleichförmig gemischt.
In einer weiteren Ausführungsform wird als einer oder mehrerer der Zusatzstoffe ein Haftvermittler eingesetzt. Der Haftvermittler wird so ausgewählt, dass auf Grund der Haftvermittlerwirkung die nanoskaligen Partikel an den größeren metallischen Partikeln im zweiten Zwischenprodukt haften. Dies hat den Vorteil, dass die Agglomeration der nanoskaligen Partikel während der Ultraschallbehandlung sowie nachdem die Ultraschallbehandlung zu Ende ist, verhindert wird.
Ein oder mehrere Zusatzstoffe mit einer Kombination eines Benetzungsverhaltens und eines Haftungsverhaltens ist besonders vorteilhaft, da zunächst die kleineren nanoskaligen Partikel die größeren metallischen Partikel benetzen und danach an den größeren metallischen Partikeln haften. Dies führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der nanoskaligen Partikel im metallischen Partikel, die auch stabil ist, so dass eine Wiederballung der nanoskaligen Partikel vermieden wird. Folglich kann die gleichmäßige Verteilung der nanoskaligen Partikel des Pulvers in den verdichteten Verbund übertragen werden, um einen Verbund mit fein dispergierten nanoskaligen Körnern herzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel wird Stearinsäure als Zusatzstoff eingesetzt. Stearinsäure hat eine Benetzungs- sowie eine Haftungswirkung. Stearinsäure hat eine Schmelztemperatur von ungefähr 69°C, und eine Siedetemperatur von unterhalb 375°C. Folglich hat Stearinsäure den weiteren Vorteil, dass sie einfach in das Gemisch einzubringen sowie einfach später zu entfernen ist. Stearinsäure hat somit eine gute Dispergierwirkung während des Mischverfahrens und gleichzeitig beeinträchtigt die Eigenschaften des Verbunds nicht, da sie vor dem Verdichten des Verbunds entfernt werden kann.
Die mechanische Legierung der nanoskaligen Partikel mit dem größeren metallischen Partikeln des Pulvers wird mittels des Beschleunigens dieser Komponente, d. h. des zweiten Zwischenprodukts durchgeführt. In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Beschleunigen des zweiten Zwischenprodukts in einer Mühle.
In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Beschleunigen des zweiten Zwischenprodukts in einer Schutzatmosphäre. Dies hat den Vorteil, dass der Oxidanteil nicht erhöht wird. Unter Schutzatmosphäre wird eine Atmosphäre definiert, die die Bildung von Oxiden aus dem Metallelement der metallischen Partikel verhindert. Geeignete Atmosphären können durch die Verwendung von Inertgasen wie Stickstoff oder Argon vorgesehen werden. Eine Schutzatmosphäre kann auch durch ein wasserstoffhaltiges Gas wie Ar-4% H₂ vorgesehen werden. Ein wasserstoffhaltiges Gas hat den Vorteil, dass nicht nur die Bildung von Oxiden vermieden wird, sondern auch, insbesondere bei erhöhten Temperaturen Oxide zersetzt werden und aus dem Zwischenprodukt entfernt werden können. Eine Schutzatmosphäre ist vorteilhaft bei einem Aluminiumpulver, da sich Aluminiumoxid an der Oberfläche der Partikel bildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Schritte (c) bis (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Schutzatmosphäre durchgeführt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Bildung von Oxiden während des gesamten Mischungs- und Verdichtungsverfahren vermieden wird. Die Reinheit des Endprodukts bzw. des Verbunds kann durch diese Maßnahmen erhöht werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Beschleunigen so gesteuert, dass die mittlere Größe der nanoskaligen Partikel beibehalten wird. Die mittlere Größe der nanoskaligen Partikel wird deshalb auf Grund des Beschleunigungsverfahren nicht verkleinert. Dies kann zum Beispiel durch die Steuerung der Beschleunigungsgeschwindigkeit und die Dauer der Beschleunigung erfolgen. Eine hohe Kraft bzw. eine hohe Geschwindigkeit bei einer kurzen Dauer kann verwendet werden, um die Verkleinerung der mittleren Größe der nanoskaligen Partikel zu vermeiden. Insbesondere bei Kohlenstoffnanoröhrchen ist es vorteilhaft, wenn die Durchschnittslänge der Nanoröhrchen durch das Beschleunigen zumindest nicht drastisch reduziert wird, so dass die faserartige Verstärkungswirkung der nanoskaligen Partikel nicht beeinträchtigt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Beschleunigen so gesteuert, dass Kaltverschweißen der Partikel des metallischen Pulvers untereinander vermieden wird. Dies kann ebenfalls durch die Steuerung der Beschleunigungsgeschwindigkeit und die Dauer der Beschleunigung erfolgen. Kaltverschweißen der metallischen Partikel untereinander führt zu Partikeln mit einer größeren Größe. Dies verhindert die feine Verteilung der nanoskaligen Partikel in die metallischen Partikel. Durch die Optimierung des Beschleunigensverfahrens kann dieses Kaltverschweißen der metallischen Partikel vermieden und eine feine Dispergierung der nanoskaligen Partikel vorgesehen werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird vor dem Verdichten im Schritt (f) das dritte Zwischenprodukt entgast. Das Entgasen kann durch die Verwendung eines Vakuums und/oder durch eine Hitzebehandlung durchgeführt werden. Physisch enthaltene Gasblasen sowie adsorbierte Gase können entfernt werden, was zu geringerer Porosität des Verbunds und zu einer größeren Dichte führt.
Das Entgasen kann so durchgeführt werden, dass während des Entgasens der Zusatzstoff auch entfernt wird. Dies kann zum Beispiel durch die Steuerung der Temperatur erreicht werden, bei der das Entgasen durchgeführt wird. Zum Beispiel kann zumindest ein Teil des Entgasungsverfahrens bei einer Temperatur durchgeführt werden, die oberhalb der Siedetemperatur des Zusatzstoffs liegt. Auch kann die Dauer dieses Schritts eingestellt werden, so dass der Zusatzstoff aus dem dritten Zwischenprodukt ausreichend oder vollständig entfernt wird.
Zum Verdichten des dritten Zwischenprodukts kann das dritte Zwischenprodukt zunächst gekapselt und danach heißisostatisch gepresst werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass bekannte Einrichtungen für heißisostatische Verdichtung von Pulvern eingesetzt werden können.
Der metallische Verbund kann als Endprodukt gleich nach dem Verdichten verwendet werden. In weiteren Ausführungsformen wird der verdichtete Verbund weiterverarbeitet. Während dieser weiteren Schritte kann die Außenkontur des Verbunds in eine gewünschte Form gebracht und/oder der Verbund weiter verdichtet und gereinigt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird nach dem Bilden des metallischen Verbunds im Schritt (f) der metallische Verbund weiter verdichtet. Dies kann mittels einer Hitzebehandlung und/oder eines oder mehrerer Verformungsverfahren erfolgen. Zum Beispiel kann eine weitere heißisostatische Verdichtung und/oder ein spanloses Verformungsverfahren durchgeführt werden. Als spanlose Verformung kann Walzen, Hämmern, Ziehen und/oder Strangpressen eingesetzt werden.
Durch diese spanlose Verformungsverfahren kann der Verbund auch in die gewünschte Endkontur, wie ein Strukturbauteil eines Flugzeugs, geformt werden.
Die Erfindung wird nun anhand einer Figur sowie den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines metallischen Verbunds.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines metallischen Verbunds 1, der mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Der Verbund 1 ist ein Strukturbauteil eines Flugzeugs. Der Verbund 1 weist eine Matrix 2 aus Aluminium und eine nanoskalige Phase 3 in Form einer Vielzahl von Körnern 4 auf. Die Körner 4 sind im ganzen Volumen der Matrix 2 verteilt.
Die verteilte nanoskalige Phase 3 hat in diesem Ausführungsbeispiel die Gestalt einer Vielzahl von Kohlenstoffnanoröhrchen 5 (carbon nanotubes). Die Kohlenstoffnanoröhrchen 5 sind faserartig, da sie eine Länge aufweisen, die zumindest 10 mal größer als der Durchmesser des Rohrs ist. Der Durchschnittsdurchmesser liegt im Bereich 5 nm bis 40 nm und die Durchschnittslänge im Bereich 3 μm bis 7 μm. Auf Grund ihrer Form und ihrer großen Oberfläche sehen die Kohlenstoffnanoröhrchen 5 eine Verstärkung des metallischen Verbunds 1 vor, so dass die Festigkeit des Verbunds 1 gegenüber reinem Aluminium erhöht ist. Der Anteil an Kohlenstoffnanoröhrchen 5 des Verbunds 1 beträgt 10 Gew.-% und der Anteil an Aluminium 90 Gew.-%.
Der Verbund 1 wird mit dem folgenden Verfahren hergestellt. Zunächst werden die Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem Durchschnittsdurchmesser im Bereich 5 nm bis 40 nm und einer Durchschnittslänge im Bereich 3 μm bis 7 μm sowie ein Pulver aus Aluminiumpartikel mit einer mittleren Größe von 40 μm bereitgestellt.
Ein erstes Zwischenprodukt wird aus den Kohlenstoffnanoröhrchen und einem Zusatzstoff in Form von Stearinsäure erzeugt, wobei der Anteil an Stearinsäure ungefähr 5 Gew.-% beträgt. Die Stearinsäure wird als Dispergiermittel verwendet. Dieses erste Zwischenprodukt aus den Kohlenstoffnanoröhrchen, der Stearinsäure und das Aluminiumpulver werden zusammengestellt und in einem Ultraschallbad eingebracht. Die Mengen an Kohlenstoffnanoröhrchen und Aluminiumpartikel wird so gewählt, dass 10 Gew.-% der Mischung aus Kohlenstoffnanoröhrchen und 90 Gew.-% aus Aluminiumpartikel besteht.
Danach wird Ultraschallenergie zum Mischen des ersten Zwischenprodukts und dem Aluminiumpulver eingebracht. Nach diesem Schritt wird ein zweites Zwischenprodukt bereitgestellt, in dem die kleineren Kohlenstoffnanoröhrchen die größeren Partikel des Aluminiumpulvers benetzen und gleichmäßig im gesamten zweiten Zwischenprodukt dispergiert sind.
Das zweite Zwischenprodukt wird dann in einer Mühle beschleunigt, wobei die Kohlenstoffnanoröhrchen, die auf den Aluminiumpartikeln angeordnet sind, mit dem Aluminiumpulver mechanisch legieren. Dadurch wird ein drittes Zwischenprodukt hergestellt. Durch die mechanische Legierung der zwei Arten von Partikeln unterschiedlicher Größe kann die homogene Verteilung der kleineren Kohlenstoffnanoröhrchen im Aluminiumpulver mit größeren Partikeln im dritten Zwischenprodukt festgehalten werden. Die mittlere Länge der Kohlenstoffnanoröhrchen wird somit auf Grund des Mahlverfahrens im Wesentlichen nicht verkleinert.
Der metallische Verbund 1 wird anschließend aus dem dritten Zwischenprodukt mittels heißisostatischen Pressens hergestellt. Zunächst wird das dritte Zwischenprodukt gekapselt, entgast und die Stearinsäure entfernt. Zum Entgasen und Entfernen der Stearinsäure wird das gekapselte Zwischenprodukt bei einer Temperatur von 375°C aufgeheizt, die oberhalb die Siedetemperatur der Stearinsäure liegt. Folglich verdämpft die Stearinsäure aus dem dritten Zwischenprodukt.
Danach wird das dritte Zwischenprodukt heißisostatisch gepresst, um einen gesinterten metallischen Verbund 1 mit einer Matrix 2 aus Aluminium und darin dispergierten Kohlenstoffnanoröhrchen 4 zu bilden.
Die Herstellung der ersten, zweiten und dritten Zwischenprodukte sowie das Verdichten des dritten Zwischenprodukts zum Bilden des Verbunds wird in einer Schutzatmosphäre von Ar-4%H₂ durchgeführt. Die Bildung von Aluminiumoxid auf der Oberfläche der Aluminiumpartikel wird verhindert, so dass die Reinheit des Verbunds sowie die Dichte des Verbunds hoch bleibt.
Der Verbund wird in einem ersten Ausführungsbeispiel mit der gewünschten Endkontur mittels des heißisostatischen Pressverfahrens hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Verbund nach diesem heißsiostatischen Pressverfahren weiterverarbeitet. Der Verbund wird nach seinem Herstellen mittels spanloser Verformungsverfahren in die gewünschte Endkontur geformt. Dies kann mittels eines Verfahrens wie Walzen oder Strangpressen durchgeführt werden. Diese Weiterverarbeitung kann auch den Verbund weiter verdichten. Zwischenglühungen können auch durchgeführt werden, um die Duktilität des Verbunds während dieser spanlosen Verformung wieder herzustellen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält der Verbund einen höheren Anteil an Kohlenstoffnanoröhrchen von 30 Gew.-%. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Anteil an Kohlenstoffnanoröhrchen stufenweise in das Pulver aus größeren Aluminiumpartikeln eingebracht.
Ein erstes Zwischenprodukt aus Stearinsäure und Kohlenstoffnanoröhrchen wird bereitgestellt. Zunächst werden 10 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhrchen in das Pulver eingebracht, mittels Ultraschallenergie mit dem Pulver gemischt und anschließend mit dem Pulver mittels eines Mahlverfahrens mechanisch legiert. Ein weiterer Anteil an Kohlenstoffnanoröhrchen von 10 Gew.-%, bezogen auf das Ausgangsgewicht des Metallpulvers, wird in dieses Gemisch eingebracht und die Ultraschall- und mechanische Legierungsbehandlung wiederholt. Ein weiterer Anteil an Kohlenstoffnanoröhrchen von 10 Gew.-%, bezogen auf das Ausgangsgewicht des Metallpulvers, wird in dieses Gemisch mit 20 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhrchen eingebracht und ein Ultraschall und Mahlverfahren durchgeführt. Das Gemisch enthält nun 30 Gew.-% Kohlenstoffnanoröhrchen und wird anschließend zum Bilden eines Verbunds heißisosatisch gepresst, verdichtet und gesintert. Alle diese Schritte werden unter Schutzgas durchgeführt.

1: Verbund
2: Matrix
3: nanoskalige Phase
4: Körner
5: Kohlenstoffnanoröhrchen

Claims

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbunds, das folgende Verfahrensschritte aufweist: (a) Bereitstellen nanoskaliger Partikel, deren mittlere Größe d₁ < 1 μm ist, (b) Bereitstellen eines Pulvers aus metallischen Partikeln, deren mittlerer Größe d₂ ≥ 1 μm ist, (c) Erzeugen eines ersten Zwischenprodukts aus den nanoskaligen Partikeln und eines oder mehrerer Zusatzstoffe, (d) Zusammenstellen des ersten Zwischenprodukts und dem Pulver und Einbringen von Ultraschallenergie zum Mischen des ersten Zwischenprodukts und dem Pulver zum Erzeugen eines zweiten Zwischenprodukts aus dem gemischten ersten Zwischenprodukt und dem Pulver, (e) Beschleunigen des zweiten Zwischenprodukts unter mechanischen Legieren des ersten Zwischenprodukts mit dem Pulver zum Erzeugen eines dritten Zwischenprodukts, (f) Verdichten des dritten Zwischenprodukts unter Bilden eines metallischen Verbunds, der nanoskalige Körner aufweist, die in einer metallischen Matrix eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an nanoskaligen Körnern des Verbunds durch die Wiederholung der Schritte (c), (d) und (e) stufenweise erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (d) so durchgeführt wird, dass das erste Zwischenprodukt die metallischen Partikel des Pulvers benetzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff eine Haftvermittlerwirkung aufweist, so dass im zweiten Zwischenprodukt die nanoskaligen Partikel an den metallischen Partikeln haften.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stearinsäure als Zusatzstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigen des zweiten Zwischenprodukts in einer Mühle erfolgt.
Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigen des zweiten Zwischenprodukts unter einer Schutzatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigen so gesteuert wird, dass die mittlere Größe der nanoskaligen Partikel beibehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschleunigen so gesteuert wird, dass Kaltverschweißen der Partikel des metallischen Pulvers untereinander vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (c) bis (f) unter einer Schutzatmosphäre erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als nanoskalige Partikel Kohlenstoffnanoröhrchen eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel des Pulvers eine mittlere Partikelgröße von weniger als 30 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Pulver Aluminiumpulver eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verdichten das dritte Zwischenprodukt entgast wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Entgasen so durchgeführt wird, dass während des Entgasens der Zusatzstoff entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdichten des dritten Zwischenprodukts das dritte Zwischenprodukt zunächst gekapselt und danach heißisostatisch gepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bilden des metallischen Verbunds im Schritt (f) der metallische Verbund weiter verdichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bilden des metallischen Verbunds im Schritt (f) der metallische Verbund verformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bilden des metallischen Verbunds im Schritt (f) der metallische Verbund spanlos verformt wird.