DE3718677A1 - Formkoerper aus einem verbundwerkstoff von metallen und nichtmetallen - Google Patents

Formkoerper aus einem verbundwerkstoff von metallen und nichtmetallen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus einem Verbundwerkstoff von Metallen und Nichtmetallen.
Sein Einsatz erfolgt bei hohen Temperaturen insbesondere solchen über 1000 Grad Celsius.
Bei bekannten Formkörpern aus Verbundwerkstoffen insbesondere von Metallen und Nichtmetallen besteht die Schwierigkeit, daß bei dem Ver­ bund die sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Einzelwerkstoffe zu berücksichtigen und zu überwinden sind. Hierauf wird bereits in der Deutschen Patentschrift - 33 27 219 - hingewie­ sen. Der dort offenbarte Verbundkörper ist jedoch insbesondere dann für den Einsatz bei hohen Temperaturen über längere Zeit nicht geeignet, wenn der metallische Teil auch nur teilweise freiliegt und der Betrieb in oxidierender Atmosphäre erfolgt.
Man hat daher auch bereits versucht, metallische Werkstoffe oder Ver­ bundwerkstoffe mit Metallen durch eine Schutzschicht auf dem metalli­ schen Teil vor dem oxidativen Angriff zu schützen. Dieser Schutz reicht jedoch nur so lange aus, als die Schutzschicht nicht durch Thermoermü­ dung und/oder mechanische Belastung zerstört wird. Bereits sehr kleine Schäden in der Schutzschicht können genügen, um ein Total-Versagen des Bauteils innerhalb kürzester Zeit herbeizuführen. Dies gilt insbesonde­ re dann, wenn die Einsatztemperatur im Betrieb wesentlich höher ist, als die Temperatur, bei dem der Werkstoff ohne Schutzschicht von sich aus oxidationsfest ist.
Zum Beispiel ist es vorgekommen, daß faserverstärkte Kohlenstoffbauteile die eine Schutzschicht aus Siliziumkarbid trugen, durch diese Dünn-Schicht zwar bis etwa 1600 Grad Celsius einsatzfähig waren, jedoch führte eine Verletzung der Schutzschicht bereits im Zeitraum unter einer Minute zum Brennen des Bauteils.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Formkörper aus einem Verbundwerk­ stoff von Metallen und Nichtmetallen zu schaffen, der auch bei hoher Temperatur von über 1000 Grad Celsius, insbesondere über 1400 Grad Celsius, im Betrieb in oxidierender Atmosphäre, wie Luft, für die gewünschte Lebensdauer des Bauteils geeignet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen neuen Aufbau des Formkörpers aus einem Verbundwerkstoff wie er in Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weitere Merkmale sind den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Zur Erfindung gehören auch alle Kombinationen und Unterkombinationen der beanspruchten, beschriebenen und dargestellten Merkmale.
Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind vor allem darin zu se­ hen, daß ein Totalversagen des Bauteils innerhalb so kurzer Zeit wie im Stand der Technik nicht mehr auftritt. Das Versagen kann nicht mehr schlagartig erfolgen, sondern selbst nach einer Beschädigung bleibt der allergrößte Teil des Bauteils aus Verbundwerkstoff erhalten. Selbst eine Beschädigung des Werkstoffes von hoher Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur kann nur zu einem lokal begrenzten Angriff auf den zu schützenden Werkstoff (Kern) führen. Für ein Totalversagen sind dagegen mehrere Beschädigungen größerer Art erforderlich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung rein schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Formkörper als Mehrschichtverbundwerkstoff (Laminat),
Fig. 2 einen Formkörper aus Verbundwerkstoff mit alternierendem Aufbau der einzelnen Teile.
In der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 wechseln also die Schichten mit einem Werkstoff (1) von hoher mechanischer Festigkeit, aber geringer Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur mit Schutzschichten aus Werkstoff von geringer mechanischer Festigkeit und hoher Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur. Dabei genügt im einfachsten Falle, daß das Laminat sandwichartig ausgebildet ist mit nur einer Schicht aus einem Werkstoff hoher Festigkeit und geringer Oxidationsbeständigkeit umgeben mit einem Mantel aus hochoxidations­ beständigem Werkstoff, auch bei hohen Temperaturen. Legt man mehrere Schichten sandwichartig übereinander oder läßt man sie immer wieder abwechseln, so bekommt man einen ständig alternierenden Verbundwerk­ stoff, jedoch derart, daß immer ein insgesamt massiver Formkörper aus­ gefüllt ist und nach außen hin umhüllt ist mit dem besser oxidations­ beständigen Werkstoff (2).
Die Werkstoffkombination von (1) und (2) werden bevorzugt so ausge­ wählt, daß sich zwischen beiden Werkstoffen (1) und (2) eine gute Haf­ tung ergibt. Eventuell ist jedoch zwischen beiden Werkstoffen (1) und (2) noch eine Haftschicht anzubringen. Die Werkstoffkombination und -verbindung kann jedoch auch so getroffen werden, daß sich einerseits zwischen beiden Werkstoffen (1) und (2) in Teilbereichen eine gute Haf­ tung ergibt, in anderen jedoch eine schlechte Haftung oder gar keine Bindung ergibt.
Ein solcher Verbundwerkstoff kann hergestellt werden, nach einem Ver­ fahren wie es in der Deutschen Patentschrift 33 23 855 beschrieben ist. Dieses Verfahren mit haftaktiven und haftungsverminderten bzw. -verhin­ dernden Schritten und Bereichen läßt sich besonders vorteilhaft anwen­ den auf kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffe, umgeben von Siliziumme­ tall oder Siliziumoxid, SiC, Si3N4, Glas oder Glasmetall oder Glaskera­ mik. Sie lassen sich auch anwenden für metallfaserverstärkte Keramik oder keramikfaserverstärkte Keramiken, jeweils außen mit entsprechend oxidationsfestem Werkstoff umgeben.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf faserverstärkte Verbundwerkstoffe beschränkt, sondern es können auch Schichten, Folien, Bänder, Streifen, Platten, Quader oder Profile eines metallischen Werkstoffs als der me­ chanisch festere Werkstoff mit dem bei höherer Temperatur oxidations­ beständigeren Werkstoff durch den neuen Aufbau der Erfindung in geeig­ neter Weise für eine hohe Bauteillebensdauer geschützt werden.
Insbesondere kann Metall mit SiAlON-, MCrAlY-, Al2O3- oder Cr2O3-Kera­ mik beabstandet und umgeben sein. Gleiches gilt für St, Cr, Ni, Mo mit MgO, Wolframkarbid oder ähnlichem umhüllt.
Nickellegierungen, Titanlegierungen können außen umgeben sein durch Titankarbid-, Titansilizid-, Zirkonoxid-, Keramik oder ähnliches wobei auch andere Karbide, Nitride oder Silizide, Oxide oder Kombinationen hiervon geeignet sind, sofern sie bereichsweise haftungsaktiv sind und die Außenhülle entsprechend oxidationsfest und dicht, gegebenenfalls auch glatt bis glänzend ist, z. B. eine mit Laserstrahl-bearbeitete Oberfläche aufweist. Gewünschtenfalls hat die Außenumgebung glasigen oder Emailcharakter und sie kann nach innen hin zum Kern aus weniger oxidationsbeständigem Werkstoff einen Gradienten aufweisen, d. h. in ihrer Zusammensetzung sich ändern (kontinuierlich) von außen nach innen vom keramischen oder glasigen mehr zum metallischen hin, falls der Kern metallisch ist oder aus Metallfasern oder einem Metallfaserverbund be­ steht. Auch ein CFC-Verbund oder B-faserverstärkter-Glasmetallverbund ist geeignet.

Claims (12)

1. Formkörper aus einem Verbundwerkstoff von Metallen und Nichtmetallen, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau:
  • a) ein erster Werkstoff (1) hoher mechanischer Festigkeit aber geringer Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur und
  • b) ein zweiter Werkstoff (2) von geringer mechanischer Festigkeit und hoher Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur sind
  • c) so angeordnet, daß der erste Werkstoff (1) vom zweiten Werkstoff (2) vollständig umgeben ist, auch wenn er nur einen Teil des Volumens des ge­ samten Formkörpers ausfüllt.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Laminat ausgebildet ist, das sandwichartig mit dem ersten Werkstoff (1) als Kern und dem zweiten Werk­ stoff (2) als Mantel bzw. alternierend von diesem um­ geben ist.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß rela­ tiv kleinvolumige Teile aus Werkstoff (1) in wenigstens einer ihrer Ausdehnungen (Länge, Breite, Dicke) so gewählt sind, daß sie einan­ der in der Richtung dieser Ausdehnung einerseits immer in Teilbe­ reichen überdecken, andererseits in den Zwischenräumen untereinan­ der stets vom Werkstoff (2) getrennt sind.
4. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der/die Teile von Werkstoff (1) mit Werkstoff (2) um­ spritzt, umpreßt, umgossen oder dergleichen umhüllt sind.
5. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Werkstoff (1) ausgewählt ist aus der Gruppe Kohlen­ stoff, Graphit, künstlicher Diamant, während Werkstoff (2) aus­ gewählt ist aus der Gruppe Siliziummetall, Siliziumdioxid, Sili­ ziumcarbid, Siliziumcarbonitrid, Si3N4, Glas oder siliziumdioxid­ haltige Glaskeramik.
6. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstoff (1) ausgewählt ist aus der Gruppe Metall, Metallegie­ rung, während Werkstoff (2) ausgewählt ist aus der Gruppe Keramik, Cerm´t, Glas, Glaskeramik, Glasmetall.
7. Formkörper nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Werkstoffen noch ein dritter Werkstoff insbesondere in Form einer Verbindungsschicht angeordnet ist.
8. Formkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Stelle der Verbindungsschicht eine Vorbehandlung tritt, einschließ­ lich solcher, die eine Bindung von Werkstoff (1) an Werkstoff (2) und umgekehrt an behandelten Stellen oder Bereichen verhindert.
9. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (1) als Folie, Matte, Netz, Gewebe, Gelege, Gerüst, Schwamm, Schaum, Wabe, Stapel oder dergleichen ausgebildet ist, wobei dessen bzw. deren Teile wie Fäden, Fasern, Drähte, Bahnen bereits mit Werkstoff (2) oder Verbindungsmaterial getränkt, infil­ triert oder imprägniert sind, bevor sie vom Werkstoff (2) in geeig­ neter Weise massiv umhüllt werden.
10. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er als ablängbares, endloses, z. B. bandförmiges, Halbzeug ausgebildet ist.
11. Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Umhül­ len in einer Form erfolgt, die für ein Beinahe-Endteil oder ein Fertigteil ausgebildet ist.
12. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Anwendung für Heißteile im Maschinen- und Apparatebau, in Gasturbinen, Turbinen- oder Raketentriebwerken oder dergleichen Antrieben bei Flugkörpern in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere für Brennkammern, Turbinenräder, Leitapparate, Verstelldüsen und andere Heißgasaustrittsteile von Fahrzeugen oder stationären Anla­ gen.
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