DE10357658B4

DE10357658B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE10357658B4
Application number: DE2003157658
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: DE10357658A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Verbundwerkstoff, mit folgenden Schritten:
a) in Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial wird jeweils mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme mindestens einer Faser einbracht,
b) in die oder jede Ausnehmung einer Scheibe bzw. Folie wird mindestens eine Faser eingelegt,
c) mehrere Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial mit in der oder jeder Ausnehmung derselben positionierten Fasern werden gestapelt,
d) der Stapel wird fixiert und in einer Vakuumkammer positioniert,
e) der Stapel wird in der Vakuumkammer zur Bereitstellung einer gasdichten Kapsel abgedichtet,
f) die gasdichte Kapsel wird durch heißisostatisches Pressen zum Halbzeug verdichtet,
dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Scheibe bzw. Folie auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Scheibe bzw. Folie eine spiralförmige Ausnehmung eingebracht wird, wobei die Innenkontur der Ausnehmung an die Außenkontur der einzulegenden Faser angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus Verbundwerkstoff.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl sowie die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen eine entscheidende Rolle.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen (auch Superlegierungen genannt) und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden insbesondere für Wellenteile und Getriebeteile und für Verdichtergehäuse sowie Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile, Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet.
Eine sehr vielversprechende Gruppe eines neuen Werkstoffs für künftige Generationen von Flugtriebwerken sind sogenannte faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Moderne Verbundwerkstoffe verfügen über ein Trägermaterial, welches als eine Polymer-, eine Metall- oder eine Keramikmatrix ausgebildet sein kann, sowie über in das Trägermaterial eingebettete Fasern. Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, bei welchem das Trägermaterial als Metallmatrix ausgebildet ist. Einen derartigen Werkstoff bezeichnet man auch als Metallmatrix-Verbundwerkstoff – kurz MMC genannt. Bei hochfesten MMC-Werkstoffen, bei denen Titan als Trägermaterial zum Einsatz kommt, kann das Gewicht von Bauteilen um bis zu 50% gegenüber herkömmlichen Titanlegierungen reduziert werden. Als Verstärkungen werden Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul verwendet.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen bekannt.
Die EP 0 909 825 B1 offenbart ein Verfahren zum Verdichten einer Vielzahl von Verbundwerkstoffen, wobei im Sinne des dort beschriebenen Verfahrens wenigstens zwei Vorformen von Verbundwerkstoffen in eine Presse eingesetzt werden, wobei Druck auf die Vorformen von Verbundwerkstoffen in der Presse ausgeübt wird, um diese zu verdichten, und wobei anschließend die verdichteten Verbundwerkstoffe aus der Presse herausgenommen und getrennt werden. Die Vorformen von Verbundwerkstoffen verfügen über eine Vielzahl von Folienschichten eines Matrixmaterials, in denen Rillen ausgebildet sind, wobei in den Rillen Fasern angeordnet sind. Das Verfahren gemäß EP 0 909 825 B1 dient demnach dem Herstellen von Halbzeugen aus einem Verbundwerkstoff, die aus mehreren Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial gebildet werden, und wobei in die Folien bzw. Scheiben Ausnehmungen zur Aufnahme von Fasern eingebracht sind. Das Verfahren gemäß EP 0 909 825 B1 verfügt über den Nachteil, dass eine Verbindung zwischen den Fasern und dem Matrixmaterial der Scheiben bzw. Folien nicht ausreichend hergestellt werden kann. Damit ist auch die Festigkeit der Halbzeuge aus dem Verbundwerkstoff eingeschränkt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus Verbundwerkstoff zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird in jeder Scheibe bzw. Folie auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Scheibe bzw. Folie eine spiralförmige Ausnehmung eingebracht, wobei die Innenkontur der Ausnehmung an die Außenkontur der einzulegenden Faser angepasst ist.
Die hier vorliegende Erfindung stellt eine Prozesskette für die Herstellung von Halbzeugen aus MMC-Verbundwerkstoffen bereit, die eine sehr gute Verbindung der Fasern mit dem Grundwerkstoff bzw. Matrixwerkstoff ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Prozesskette eine kostengünstige Herstellung von Halbzeugen aus MMC-Verbundwerkstoff.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, nachfolgend näher erläutert.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird in einem ersten Schritt in Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial, insbesondere aus einer Nickellegierung oder Titanlegierung, jeweils mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme mindestens einer Faser eingebracht. In jede Scheibe bzw. Folie wird dabei in eine Oberseite und/oder eine Unterseite derselben durch Massivumformen oder durch Senken oder durch Fräsen oder auch durch Ätzen eine spiralförmige Rille eingebracht. Die Geometrie der Rille ist an die Geometrie der einzulegenden Faser angepasst. Die Innenkontur der Ausnehmung ist im Falle einer runden Faser halbkreisförmig ausgebildet. Ein Innendurchmesser der Innenkontur der halbkreisförmigen Ausnehmung entspricht genau dem Außendurchmesser der in die Rille bzw. in die Ausnehmung einzulegenden Faser.
Nach einem zweiten Schritt der hier vorliegenden Erfindung wird demnach eine Faser, deren Außendurchmesser an den Innendurchmesser der Ausnehmung angepasst ist, in die Ausnehmung einer entsprechenden Scheibe bzw. Folie aus Trägermaterial eingelegt. Es sei darauf hingewiesen, dass bevorzugt beschichtete SiC-Fasern in die Ausnehmungen der Scheiben bzw. Folien eingelegt werden. Die Beschichtung der Fasern begünstig in weiter nachfolgenden Schritten der erfindungsgemäßen Prozesskette die Verbindung bzw. chemische oder atomare Anbindung der Fasern an das Trägermaterial der Scheiben bzw. Folien.
In einem nachfolgenden, dritten Schritt werden mehrere Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial mit in den Ausnehmungen derselben positionierten Fasern gestapelt. Bedingt durch die Abstimmung der Geometrie der Ausnehmungen bzw. Rillen an die Geometrie der Fasern ist sichergestellt, dass beim Stapeln der Scheiben bzw. Folien hohe Packungsdichten für die Fasern ohne nennenswerte Spalte erzielt werden. Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, an den äußeren Enden der Stapel Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial anzuordnen, in denen keine Fasern angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, dass an den äußeren Positionen die Stapel von Trägermaterial abgeschlossen werden.
Darauffolgend werden in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die so bereitgestellten Stapel fixiert und in einer Vakuumkammer positioniert. Unter Vakuum wird sodann der Stapel zur Bereitstellung einer gasdichten Kapsel abgedichtet. Das Abdichten kann zum Beispiel unter Vakuum durch PVD-Beschichten des Stapels erfolgen. Auch ist es möglich, den Stapel an den Nahtstellen zwischen einzelnen Scheiben bzw. Folien unter Vakuum miteinander zu verschweißen. Die innerhalb des Stapels vorhandenen Spalte bzw. Freiräume sind demnach evakuiert und nach dem Abdichten gasdicht abgeschlossen.
Die so bereitgestellte, gasdichte Kapsel wird dann durch heißisostatisches Pressen bei einem hohen Gasdruck und hohen Temperaturen von mehr als 700°C zu einem monolithischen Bauteil verdichtet. Nach dem Verdichten kann dann optional eine mechanische oder elektrochemische Endbearbeitung des hergestellten Halbzeugs erfolgen.
Die hier vorliegende Erfindung ermöglicht eine kostengünstige Herstellung von Halbzeugen aus Verbundwerkstoff und eine gute Verbindung von Fasern und Trägermaterial des Verbundwerkstoffs. Es müssen nur geringe Restvolumina beim heißisostatischen Pressen verdichtet werden. Weiterhin lassen sich hohe Ordnungsgrade ohne Stapelfehler für die Fasern erzielen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Verbundwerkstoff, mit folgenden Schritten: a) in Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial wird jeweils mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme mindestens einer Faser einbracht, b) in die oder jede Ausnehmung einer Scheibe bzw. Folie wird mindestens eine Faser eingelegt, c) mehrere Scheiben bzw. Folien aus Trägermaterial mit in der oder jeder Ausnehmung derselben positionierten Fasern werden gestapelt, d) der Stapel wird fixiert und in einer Vakuumkammer positioniert, e) der Stapel wird in der Vakuumkammer zur Bereitstellung einer gasdichten Kapsel abgedichtet, f) die gasdichte Kapsel wird durch heißisostatisches Pressen zum Halbzeug verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Scheibe bzw. Folie auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite der Scheibe bzw. Folie eine spiralförmige Ausnehmung eingebracht wird, wobei die Innenkontur der Ausnehmung an die Außenkontur der einzulegenden Faser angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Ausnehmung halbkreisförmig ist, wobei der Innendurchmesser der Innenkontur der Ausnehmung dem Außendurchmesser der einzulegenden Faser entspricht.
Verfahren nach der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beschichtete Fasern in die Ausnehmungen der Scheiben bzw. Folien eingelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel in der Vakuumkammer durch Schweißen abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel in der Vakuumkammer durch Beschichten, insbesondere Beschichten in PVD-Technik, abgedichtet wird.