DE1950408A1 - High-strength metal-fiber composite material - Google Patents
High-strength metal-fiber composite materialInfo
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Description
MASGHHiMFABEIK AUGSBURG-NÜBNBERGMASGHHiMFABEIK AUGSBURG-NÜBNBERG
Aktiengesellschaft
Zweigniederlassung MünchenCorporation
Branch office in Munich
München, den 3. Oktober 1969Munich, October 3, 1969
Ho chf e st er Met all-Fas er-Verbund-Werks to ffThe highest metal fiber composite works to ff
Die Erfindung bezieht sich auf einen hochfesten Metall-Faser-Verbund-Werkstoff, bei dem hochfeste Fasern in einem Metallmatrix eingebettet sind.The invention relates to a high-strength metal-fiber composite material, in which high-strength fibers are embedded in a metal matrix.
Derartige Verbundkörper finden in neuester Zeit in allen denkbaren Gebieten der Technik Anwendung, da sie bei hoher Festigkeit und Biegewechselfestigkeit ein sehr geringes Baugewicht aufweisen, also Eigenschaften in sich vereinigen, welche für hochbelastbare Konstruktionsteile sehr wünschenswert erscheinen.Such composite bodies are found in all conceivable in recent times Areas of technology application, since they have a very low structural weight with high strength and flexural fatigue strength have, that is, combine properties that appear very desirable for heavy-duty structural parts.
Bekanntlich wurden eine Reihe von Verbundwerkstoffen entwickelt, wobei man ursprünglich davon ausging, in eine KunstharzHasse Glasfasern einzubauen. Dieser Verbundwerkstoff ist unter der Bezeichnung GFK bekannt. Um die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe weiter zu steigern, wurden Verbund-Werkstoffe geschaffen,As is well known, a number of composites have been developed, originally believed to be in a synthetic resin hate To incorporate glass fibers. This composite material is known as GRP. To the mechanical properties of this To further increase materials, composite materials were created,
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welche aus einer Kunstharz-Matrix "bestehen, in die Kohlenstofffasern eingebettet sind. Derartige Verbundkörper, CFK genannt, sind allerdings mit einem großen Nachteil behaftet, der im wesentlichen darin,besteht, daß auf Grund der niedrigen Haftfestigkeit der Kohlenstoff-Pasern in der Kunstharzmatiix bei Dauerschwingbelastung des Werkstoffes der Verbund zwischen beiden Komponenten weitgehend aufgehoben wird. Die auf ihren mechanischen Eigenschaften beruhenden Vorteile der einzelnen Komponenten wie z.B. die hohe Festigkeit und Zähigkeit können also hier nicht genutzt werden.which consist of a synthetic resin matrix "into the carbon fibers are embedded. Such composite bodies, called CFRP, have a major disadvantage, however, which is essentially is that due to the low adhesive strength of the carbon fibers in the Kunstharzmatiix with continuous vibration load of the material is the bond between the two Components is largely canceled. The advantages of the individual components based on their mechanical properties such as E.g. the high strength and toughness cannot be used here.
Außerdem kann der Kohlenstoff-Faser verstärkte Kunststoffverband nur auf etwa 230° C erwärmt wird, da bei höheren Temperaturen die Kunststoffmatrix nicht mehr beständig istj somit ist eine wesentliche Einschränkung des Anwendungsbereiches des CFK-Verbandes gegeben, womit z.B. auch die Anwendung im Gasturbinensektor nicht möglich ist.In addition, the carbon fiber reinforced plastic bandage can only be heated to around 230 ° C, as the higher temperatures Plastic matrix is no longer stable, so it is an essential one There is a restriction in the area of application of the CFRP association, which means, for example, that it cannot be used in the gas turbine sector either is possible.
Weiterhin ist bekannt, reine Metalle z.B. Aluminium als Matrix für Kohlenstofffasern zu benutzen, wodurch einerseits eine gute Haftfestigkeit^ zwischen beiden Komponenten erreichbar ist, andererseits aber infolge ihrer verschieden hohen Wätaneausdehnungs-Koeffizienten bei der Herstellung und Verwendung des Verbundkörpers unzulässig hohe Eigenspannungen auftreten, die im allgemeinen bei einer Zugoder Biegebeanspruchung des Verbundkörpers zu dessen Bruch führen.It is also known to use pure metals, e.g. aluminum, as a matrix for To use carbon fibers, whereby on the one hand a good adhesive strength ^ between the two components is achievable, but on the other hand due to their different high thermal expansion coefficients During the production and use of the composite body, inadmissibly high internal stresses occur, which generally occur during a tensile or Bending stress on the composite body lead to its breakage.
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Der Verbundkörper wird derart hergestellt, daß die Kohlenstofffasern mittels an sich bekannter Methoden z.B. Aufdampfen des Metalls am Umfang mit einem Mantel bestimmter Stärke versehen werden. Der Ausdehnungskoeffizient des Aluminiums beträgt ca. das 30-fache des Ausdehnungskoeffizienten der Kohlenstoff-Faser, so daß sich bei der Abkühlung tfon der Aufdampf-Temperatur an den Berührungsflächen des Metalls mit den Kohlenstoff-Fasern merkbare Scherkräfte aufbauen. Die mit den Metallummantelungen versehenen Kohlenstoff-Fasern werden anschließend zusammengepresst, bzw. zusammengesintert, um die endgültige Form des Verbundkörpers zu erhalten. Bei diesem Vorgang werden zusätzlich die Eigenspannungen sehr stark erhöht, aus denen die Scherkraft resultiert} wird diese größer als die Haftfestigkeit, tritt eine Lockerung bzw. losaft lösung der beiden Komponenten ein, wodurch eine weitere Verwendung des Verbundbau-Teiles ausgeschlossen ist.The composite body is made in such a way that the carbon fibers using methods known per se, e.g. vapor deposition of the metal on the circumference with a jacket of a certain thickness will. The expansion coefficient of aluminum is approx. 30 times the expansion coefficient of the carbon fiber, so that the vapor deposition temperature on the Contact surfaces of the metal with the carbon fibers are noticeable Build up shear forces. The carbon fibers provided with the metal sheaths are then pressed together, or sintered together in order to obtain the final shape of the composite body. During this process, the residual stresses are also reduced very strongly increased, from which the shear force results} If this is greater than the adhesive strength, loosening or loosening occurs solution of the two components, whereby further use of the composite part is excluded.
Alle diese hochfesten Verbundwerkstoffe besitzen also Nachteile, die z.B. bei dynamisch und wärmebeanspruchten Bauteilen nicht in Kauf genommen werden können.All of these high-strength composite materials therefore have disadvantages that, for example, do not apply to dynamic and heat-stressed components Can be purchased.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen hochfesten Metall-Faser-Verbund-Verkstoff zu schaffen, welcher die oben angeführten Nachteile nicht aufweist, d.h. einen Werkstoff also, welcher insbes. neben einer hohen Verbundwirkung beider Komponenten eine hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Festigkeit, Steifigkeit und geringes Baugewicht aufweist.The object of the invention is therefore to provide a high-strength metal-fiber composite material to create which does not have the disadvantages listed above, i.e. a material which In particular, in addition to a high bond between the two components, high temperature resistance, high strength, rigidity and low Has construction weight.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider den Verbund-Werkstoffe aufbauenden Komponenten, d.h. hochfeste Fasern und einer Metall-Legierung-Matrix in den bei der Herstellung und Anwendung des Werkstoffes auftretenden Temperaturbereich annähernd gleich und sehr niedrig sind.This object is achieved in that the Thermal expansion coefficients of both the composite materials constituent components, i.e. high-strength fibers and a metal-alloy matrix in the manufacture and application of the material occurring temperature range are approximately the same and very low.
Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß die hochfesten Fasern aus Kohlenstoff oder Bor- bzw. Borverbindungen bestehen und daß die Metall-Legierung, welche die Matrix bildet auf die Basis einer Eisen-Mckel-Legierung beruht, in welcher der Anteil an Nickel zwischen 30 und 40 % beträgt.Further features of the invention are that the high-strength fibers are made of carbon or boron or boron compounds exist and that the metal alloy which forms the matrix is based on an iron-Mckel alloy in which the proportion of nickel is between 30 and 40%.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Merkmale wird zusätzlich der bisher nicht erreichte Vorteil erreicht, da infolge gleich hoher Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Komponenten, welcher vorzugsweise in etwa Null beträgt, bei einer Wärmebeanspruchung des Verbundkörpers keine Eigenspannungen und somit keine Ablösungen des Metalls von der Kohlenstoff-Faser auftritt. Als metallische Matrix des Verbundkörpers scheinen sich vorerst nur Eisen-Kickel-Legierungen zu eignen, die unter de» Bezeichnung "ßuper-Invar" bekannt sind, deren Wärmeausdehnungskoeffizient in dem Temperaturbereich von Null bis 600° 0 annähernd et» °fo~^3· -0^ Kohlenstoff-Faser besitzt ebenfalls keine Wärmeausdehnung in Faserlängsrichtung.With the help of the features according to the invention, the previously unachieved advantage is achieved, since due to the same high thermal expansion coefficients of both components, which is preferably approximately zero, when the composite body is exposed to heat, no internal stresses and thus no detachment of the metal from the carbon fiber occurs. For the time being, only iron-Kickel alloys appear to be suitable as the metallic matrix of the composite body. - 0 ^ carbon fibers also have no thermal expansion in the longitudinal direction of the fibers.
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Die Wärmeausdehnungkoeffizienten der Borfasern und der Fasern aus Borverbindungen liegen zwar etwas höher als derjenige der Koltenstoff-Faser, jedoch eignen sich diese Fasern auch zur Bewährung der erfindungsgemäßen Metall-Legierung-Matrix.The coefficient of thermal expansion of the boron fibers and the fibers made from boron compounds are somewhat higher than that of the Koltenstoff fiber, however, these fibers are also suitable for Proof of the metal alloy matrix according to the invention.
Gemäß weiterer erfindungsgemäßer Vorschläge ist es möglich, den erfindungsgemäßen Metallfaser-Verbund-Werkstoff auf verschiedene Art und Weise herzustellen; im folgenden seien beispielsweise zwei Möglichkeiten aufgezeigt:According to further proposals according to the invention, it is possible to use the metal fiber composite material according to the invention in different ways Way to manufacture; In the following two possibilities are shown, for example:
Um die Herstellung des erfindungsgemäßen Metall-Faser-Verbund-Werkstoffes exakt zu ermöglichen, wird daher weiterhin vorgeschlagen, daß am Umfang der hochfesten Faser die Metall-Legierung mit konstanter Mantelstärke angeordnet wird und anschließend ein Verband derart ummanteiter Fasern bei hoher Temperatur und / oder hohem Druck geformt wird. Die Ummantelung wird mittels an sich bekannter Methoden wie Aufdampfen oder galvanisieren bewerkstelligt.About the production of the metal-fiber composite material according to the invention To enable exactly, it is therefore also proposed that the metal alloy be used on the circumference of the high-strength fiber is arranged with constant jacket thickness and then a bandage of such ummanteiter fibers at high temperature and / or high pressure. The sheathing is done using methods known per se, such as vapor deposition or electroplating.
Weiterhin wird zum Zwefeke der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbund-Werkstoffes vorgeschlagen, daß jeweils bei Raumtemperatur auf eine Lage parallel ausgerichteter hochfester Fasern eine Lage bzw. Schicht der Metall-Legierung gestepplt wird, wobei mehrere Stapelreihen entstehen, die ansphließend bei hoher Temperatur und / oder hohem Druck auf die gewünschte Geometrie des Verbund-Werkstoffes verformt werden.Furthermore, for the purpose of producing the invention Composite material proposed that each layer of high-strength fibers aligned in parallel at room temperature or layer of metal alloy is quilted, with several Rows of stacks are created, which adjoin at high temperature and / or high pressure to be deformed to the desired geometry of the composite material.
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Der Vorteil dieser Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß jede beliebige Form eines Bauteiles erreicht werden kann. Obwohl bei der Formgebung der Verbundwerkstoff erwärmt wird, treten in ihm beim Abkühlungsvorgang keine inneren Spannungen auf, weil sich die Komponenten infolge ihrer vergleichbarer Wärmeausdehnungskoeffizienten gleich verhalten.The advantage of this method is essentially that any shape of a component can be achieved. Although the composite material is heated during the shaping process, in No internal stresses occur during the cooling process, because the components are different due to their comparable thermal expansion coefficients behave equally.
fe Die derait hergestellten, beliebig geformten Verbund-Werkstoffe finden überall dort Anwendung,+wo geringes Baugewicht, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Maßhaltigkeit, hohe spezifische Steifigkeit, hohe Festigkeit und Biegefestigkeit usw. gefordert werden. Derartige Verbund-Werkstoffe eignen sich demnach auch für Turbinenschaufeln, die in besonders hohem Maße fhermoschockbeanspruchungen unterworfen sind.The fe, arbitrarily shaped composite materials produced derait found everywhere application + where low structural weight, high temperature resistance, high dimensional stability, high specific stiffness, high strength and flexural strength, etc. required. Such composite materials are therefore also suitable for turbine blades that are subject to thermal shock loads to a particularly high degree.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below.
Es zeigen jeweils in einem Schnitt senkrecht zur Faserlängsiichtung in schematischer DarstellungThey each show a section perpendicular to the longitudinal direction of the fibers in a schematic representation
* Fig. 1 q eine erste Herstellung des Metall-Faser-Verbund-Werkstoff es * Fig. 1 q a first production of the metal-fiber composite material es
Fig. 1b eine zweite Herstellungsmethode des Met all-Faser- Verbund-Werkstoff esFig. 1b a second production method of the metal all-fiber composite material it
Fig. 2 einen Metall-Faeer-Verbund-Werkstoff2 shows a metal fiber composite material
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Wie aus Fig. 1aersichtlich ist, liegen die mit der Eisen- Nickel-Legierung 2 ummantelten Kohlenstofffasern 1, welche schraffiert dargestellt sind in dichter Packung der Matrize 5 aufeinander. Mit der Patrize 4 und der Beheizung (Heizspirale 5) werden der nötige Druck und die nötige Wärme auf den zu verformenden Metall-Pas er-Verband aufgebracht. Bei dem Verformungsvorgang fließen die einzelnen Eisen-Nickel-Ummantelungen der Kohlenstoff-Fasern zusammen, so daß eine außerordentlich fester Verbund zwischen den Komponenten gewährleistet ist.As can be seen from Fig. 1a, those with the iron-nickel alloy are located 2 coated carbon fibers 1, which are shown hatched in close packing of the die 5 on top of one another. With the patrix 4 and the heating (heating coil 5) the The necessary pressure and heat are applied to the metal-pas-er bandage to be deformed. During the deformation process, the flow individual iron-nickel sheaths of the carbon fibers together, so that an extremely strong bond between the Components is guaranteed.
Fig. 1b zeigt ein auf. der Matrize5a liegende Eisen-Nickel-Legierung-Schicht 2aj dafiauf ist nun abwechselnd eine Lage mehrerer parallel nebeneinander liegender Kohlenästoff-Fasern 1 a und eine Schicht der Legierung 2a gestapelt. Als Abschluß der Stapelreihe dient immer ein Bisen-Nickel-Legierung-Schicht 2a, auf welche die Patrize 4-a drückt. Als Beheizung der Stapelreihe dient.die Heizspirale 5·Fig. 1b shows a. the iron-nickel alloy layer lying on the die5a 2aj there is now a layer of several parallel alternately adjacent carbon fibers 1 a and a layer of alloy 2a stacked. Serves as the end of the stack row always a bis-nickel alloy layer 2a, on which the patrix 4-a presses. The heating coil 5 serves to heat the stack row.
Wird auf den Stapel über die als Matrize 3 und als Patrize 4 ausgebildeten Stempeljflruck ausgeübt, so fließt die Eisen-Nickel-Legierung in die zwischen den Kohlenstoff-Fasern freie Räume, wodurcl mit den Kohlenstoff-Fasern ebenfalls ein hoher Haftverbund entsteht .Is placed on the stack via the die 3 and the male die 4 When the pressure is applied, the iron-nickel alloy flows in the free spaces between the carbon fibers, wodurcl a high adhesive bond is also created with the carbon fibers.
Sowohl das in Fig. 1a §Lb auch das in Fig. 1b beschriebene Herstellungsverfahren führen zu den erfindungsgemäßen Metall-Faser-Verbund-Werkstoff, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. In der Metall-Legierung-Matrix 2 sind die Kohlenstoffasern 1 eingebettet.Both the manufacturing method described in FIG. 1a §Lb as well as the manufacturing method described in FIG. 1b lead to the metal-fiber composite material according to the invention, as shown in FIG. The carbon fibers 1 are embedded in the metal alloy matrix 2.
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