DE4335557C1 - Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen.

Um Bauteilen bei geringerem Gewicht größere Stabilität zu verleihen, ist es grundsätzlich bekannt, in die Bau­ teile Fasern einzubetten. Je nach Wahl des Materials für die Faser werden auch die Temperaturausdehnung ver­ ringert und die Temperaturfestigkeit des derart faser­ verstärkten Bauteils erhöht. Das Faserverstärkungsmate­ rial besteht zweckmäßigerweise aus mit einem Matrix­ material beschichteten Fasern; dies hat den Vorteil, daß sich benachbarte Fasern nicht berühren sondern vielmehr von einem Material, dem Matrixmaterial umgeben sind. Vorzugsweise werden als Matrixmaterial Titan­ basis-Legierungen verwendet, während die Faser selbst aus Siliziumcarbid (SiC) besteht.

Im Rahmen dieser Erfindung ist mit dem Begriff "Faser" eine Monofaser gemeint, die im Innern aus Fasermaterial besteht und außen eine Beschichtung aus Matrixmaterial aufweist. Das Fasermaterial im Innern kann eine zentrale Seele aufweisen. Das Fasermaterial kann eine umgebende Schutzschicht aufweisen, auf die das Matrixmaterial aufgebracht ist. Bei einer SiC-Faser besteht die Seele aus Kohlenstoff, das die Seele umgebende Fasermaterial aus SiC, die Schutzschicht aus im wesentlichen Kohlen­ stoff und das Matrixmaterial aus einer Titanbasis-Legie­ rung.

Aus DE 40 21 547 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen bekannt, bei dem ein Träger­ körper mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial beschichteten Faser umwickelt wird und dieser Wickelkör­ per anschließend einem heißisostatischen Preßvorgang ausgesetzt wird. Beim heißisostatischen Pressen wird der Wickelkörper eingekapselt, d. h. von einer Kapsel um­ geben, die Kapsel anschließend evakuiert und vakuumdicht verschlossen und danach diese Kapsel erhitzt sowie all­ seitig einem hohen Druck ausgesetzt wird. Mit dem be­ kannten Verfahren lassen sich lediglich faserverstärkte Bauteile herstellen, bei denen die Faserverstärkung gewickelt ist. Oftmals ist es jedoch wünschenswert, daß das faserverstärkte Bauteil in einer Dimension hohe Stabilität aufweisen muß. Dies ist beispielsweise bei Turbinenschaufeln der Fall, die insbesondere in radialer Richtung der Turbine extremen Belastungen ausgesetzt ist.

Aus DE 29 15 412 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers aus faserverstärktem Metall- (Matrix-)Material bekannt. Die einzelnen Fasern sind in Röhrchen eingelassen, die das Matrixmaterial darstellen. Mehrere derartiger Röhrchen werden in einen hüllen­ artigen Formkörper eingebracht, der bereits der Kontur des herzustellenden Bauteils entspricht. Der Formkörper, der an seinen beiden stirnseitigen Enden offen ist, wird durch Pfropfen aus geeignetem Material verschlossen, woraufhin der derart verschlossene Formkörper einem heißisostatischen Preßvorgang ausgesetzt wird. An­ schließend werden die Pfropfen entfernt bzw. der Form­ körper an seinen Enden anderweitig bearbeitet. Damit der Formkörper heißisostatisch gepreßt werden kann, bedarf es des luftdichten Abschlusses an seinen Enden, was verfahrenstechnisch aufwendig ist, da sich die Verhält­ nisse an den Enden des Formkörpers während des heißiso­ statischen Preßvorganges, bei dem eine Verdichtung stattfindet, verändern.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist aus DE 37 00 805 C2 bekannt. Auch bei diesem bekannten Verfahren werden die Fasern in einen Hohlkörper eingebracht, der bereits der Kontur des herzustellenden Bauteils entspricht. Über einen gas­ dichten Abschluß der Enden der Hohlform ist dabei nichts ausgesagt. Es ist lediglich ausgeführt, daß die Fasern und die zwischen ihnen eingebrachte Pulvermatrix so stark verdichtet werden, daß die Pulverpartikel sowohl untereinander als auch mit den Fasern verschweißen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen anzu­ geben, bei denen die Faserverstärkung in Form von ein­ zelnen im wesentlichen parallelen Langfasern vorliegt, wobei sich die Herstellung verfahrenstechnisch einfach gestaltet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bau­ teilen, die ein Matrixmaterial mit darin eingebetteten, mit Matrixmaterial beschichteten, im wesentlichen parallelen Langfasern aufweisen, anzugeben, wobei bei dem Verfahren zunächst ein Werkstück aus einem mit dem Matrixmaterial der Fasern verträglichen Material, ins­ besondere aus dem Matrixmaterial mit wenigstens einem zumindest einseitig offenen Hohlraum, der im Quer­ schnitt kleiner ist als das herzustellende Bauteil, erzeugt wird, der Hohlraum anschließend mit mit Matrix­ material beschichteten Langfasern ausgefüllt wird, wobei die einzelnen Langfasern im wesentlichen parallel zueinander im Hohlraum angeordnet werden, das Werkstück mit den in seinem Hohlraum befindlichen Langfasern einem heißisostatischen Preßvorgang ausgesetzt wird und danach das Werkstück zur Herstellung des langfaser­ verstärkten Bauteils bearbeitet wird.

Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Werkstück aus vorzugsweise Matrixmaterial, also aus dem Beschichtungsmaterial der Langfasern, das einen zumin­ dest einseitig offenen Hohlraum aufweist, der im wesentlichen der Form des herzustellenden Bauteils ent­ spricht und im Querschnitt kleiner ist als dieses. Der Hohlraum wird mit einzelnen beschichteten Langfasern dicht ausgefüllt, wobei die einzelnen Fasern im wesent­ lichen parallel zueinander im Hohlraum angeordnet sind. Das derart präparierte Werkstück wird einem heißisosta­ tischen Preßvorgang ausgesetzt, bei dem zunächst das Werkstück gekapselt wird, wobei der dazu verwendete Behälter evakuiert und vakuumdicht verschlossen wird, und danach der Behälter auf hohe Temperaturen erhitzt und einem allseitigen hohen Druck ausgesetzt wird, so daß aufgrund der Temperatur und des Drucks der Duktili­ tätspunkt des Matrixmaterials erreicht und gegebenen­ falls überschritten wird. Nach dem heißisostatischen Preßvorgang wird das aus dem Behälter entnommene Werk­ stück dann zur Herstellung des gewünschten Bauteils bearbeitet.

Die Evakuierung des Behälters erfolgt vorzugsweise unter Temperaturerhöhung, um die Oberfläche der mit Matrixmaterial beschichteten Fasern und/oder des Werk­ stücks auszugasen. Diese Oberflächen können chemisch verunreinigt sein, z. B. durch Kleber, Sauer- und/oder Wasserstoff. Kleber kann z. B. eingesetzt werden, um die Langfasern beim Bestücken des Werkstücks an den Innen­ wänden des Hohlraums zu halten.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bauteil ist in einer Dimension faserverstärkt. Das Ver­ fahren ist insbesondere von Vorteil bei der Herstellung von faserverstärkten Turbinenschaufeln, die insbeson­ dere in radialer Richtung der Turbine extremen Be­ lastungen ausgesetzt sind. Als Langfasern kommen dabei insbesondere Siliziumcarbid-Fasern in Frage, die mit einer Legierung auf Titanbasis beschichtet sind. Die erhöhte Temperaturfestigkeit der nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren gefertigten Turbinenschaufeln macht es möglich, bis zum mittleren Betriebstemperaturbereich der Turbine auf eine Kühlung der Turbinenschaufeln zu verzichten, in jedem Fall aber weniger als bei den kon­ ventionellen Turbinenschaufeln kühlen zu müssen.

Allgemein kann zum erfindungsgemäßen Verfahren gesagt werden, daß der Hohlraum im Werkstück derart ausgebil­ det und bemessen ist, daß das fertige Bauteil den - dann mit Langfasern und Matrixmaterial ausgefüllten - Hohlraum einschließt, also etwa eine den faserverstärk­ ten Bereich umgebende Hülle bzw. Ummantelung aufweist. Der Hohlraum ist also dementsprechend dimensioniert.

Das den Hohlraum aufweisende Werkstück kann prinzipiell einstückig oder aber auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet sein. Die zwei oder mehreren Teile des Werkstücks werden dann beim Befüllen des Hohlraums zusammengepaßt, wobei sie zwischen sich den mit Langfasermaterial zu befüllenden Raum bilden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch partiell faserverstärkte Bauteile herstellen. Bei­ spielsweise können mehrere Hohlräume in dem Werkstück ausgebildet sein, wobei das fertige Bauteil sämtliche Hohlräume umschließt. Es ist ebenfalls denkbar, daß der oder die Hohlräume mit jeweils einem oder mehreren Ker­ nen aus vorzugsweise Matrixmaterial bestückt werden, um dann lediglich den verbleibenden "Ringraum" mit Lang­ fasern zu bestücken. Ferner kann das Material des Kerns nach dem heißisostatischen Pressen wieder entfernt wer­ den, um etwa im Falle einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Turbinenschaufel für diese einen inneren Kühlraum zu schaffen.

Zur Erhöhung des Füllungsgrades des zumindest einseitig offenen Hohlraums im Werkstück mit Langfaser­ material wird das Werkstück zweckmäßigerweise bei der Einführung des Langfasermaterials in Vibration ver­ setzt. Wenn nötig kann das Matrixmaterial zusätzlich mit Pulver aus dem Matrixmaterial verdichtet werden. Hierbei wird zweckmäßigerweise Pulver der Korngröße von 10 bis 20 µm verwendet.

Zweckmäßigerweise wird das Werkstück vor dem Einbringen der Langfasern von Oberflächenschmutz befreit. Dies erfolgt vorzugsweise durch Ätzen des mit dem Hohlraum versehenen Werkstücks.

Wird ein mit parallelen Langfasern bestücktes Werkstück einem heißisostatischen Preßvorgang unterzogen, so erfahren die Langfasern in der Mitte eine stärkere Ver­ dichtung als zu ihren Stirnseiten hin, wo sie an die das Werkstück umgebende Kapsel angrenzen. Dies hat seine Ursache darin, daß der auf die Langfasern wirken­ de radiale Druck wegen der Kapselwandung an den stirn­ seitigen Enden der Langfasern geringer ist. Die Lang­ fasern laufen also an ihren stirnseitigen Enden gering­ fügig auseinander. Diele im folgenden als "Kanten­ effekt" bezeichnete Auswirkung läßt sich beim heißiso­ statischen Preßvorgang zweckmäßigerweise dadurch ver­ hindern, daß die stirnseitigen Enden der in den Hohl­ raum eingebrachten Langfasern mit Matrixmaterial ver­ sehen werden. Damit reichen die Langfasern nicht mehr bis unmittelbar zur Kapselwandung, sondern sind durch eine Schicht aus Matrixmaterial davon beabstandet. Zweckmäßigerweise wird der Hohlraum im Werkstück mit Platten oder dergleichen aus Matrixmaterial verschlos­ sen.

Vorzugsweise wird der Hohlraum im Werkstück durch Funkenerosion ausgearbeitet, aber auch "gepreßte" Werkstücke, in denen sich nach Entfernen eines Kerns, um den herum das Material des Werkstücks gepreßt wor­ den ist, der Hohlraum bildet, sind verwendbar. Grund­ sätzlich sind auch noch andere Bearbeitungsverfahren für das Herstellen bzw. Ausarbeiten des Hohlraums darin möglich.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1 bis 5 die verschiedenen Stadien zum Herstel­ len einer langfaserverstärkten Turbinenschaufel aus einer Legierung auf Titanbasis mit Siliziumcarbid-Lang­ fasern.

Ausgangspunkt ist ein im wesentlichen quarderförmiger Werkstück-Block 10 aus einer Titanbasis-Legierung. In diesen in Fig. 1 dargestellten Werkstück-Block 10 wird durch Funkenerosion ein an zwei Seiten, nämlich an der Oberseite 12 und an der Unterseite 14 offener durch­ gehender Hohlraum 16 ausgearbeitet, der im Querschnitt der gewünschten Schaufelgeometrie entspricht und klei­ ner ist als die herzustellende Turbinenschaufel. Nach Fertigstellung des Hohlraums 16 wird der Werkstück- Block 10 geätzt, um die Hohlraum-Innenflächen zu reini­ gen. Im Anschluß daran wird der Hohlraum 16 mit Sili­ ziumcarbid-Fasern 18 befüllt, die eine Beschichtung z. B. aus dem gleichen Material wie der Werkstück-Block 10 aufweisen. Bei den Fasern 18 handelt es sich um Langfasern, die sich über die gesamte Höhe des Werk­ stück-Blocks 10 zwischen dessen Ober- und Unterseite 12, 14 erstrecken. Die Langfasern 18 sind, wie in Fig. 3 angedeutet, in paralleler Ausrichtung relativ zuein­ ander in dem Hohlraum 18 untergebracht. Der Füllungs­ grad des Hohlraums 16 mit Langfasern 18 wird durch Vibrationsrütteln des Werkstück-Blocks 10 während der Befüllung erhöht. Zusätzlich kann zur Verdichtung Titanbasis-Legierungs-Pulver mit einer Korngröße von ca. 10 bis 20 µm in den Hohlraum 16 eingebracht werden.

Der derart präparierte Werkstück-Block 10 wird an­ schließend einem heißisostatischen Preßvorgang ausge­ setzt. Dazu wird der Werkstück-Block 10 gemäß Fig. 4 zunächst an seinen Ober- und Unterseiten 12, 14 mit Blechen 20 abgedeckt, die aus der gleichen Titanbasis- Legierung wie der Werkstück-Block 10 und die Beschich­ tung der Langfasern 18 bestehen. Der derart an den offenen Seiten seines Hohlraums 16 abgedeckte Werk­ stück-Block 10 wird dann gekapselt, in dem er in einem V2A-Behälter 22 eingebracht wird. Dieser Behälter 22 wird bis auf ca. 10^-7 mbar bei Temperaturen von ca. 500°C evakuiert und danach vakuumdicht verschlossen. Anschließend erfolgt der eigentliche heißisostatische Preßvorgang, bei dem durch Temperatur und allseitiger Druckeinwirkung der Duktilitätspunkt des Matrixmate­ rials, also der Titanbasis-Legierung erreicht und zweckmäßigerweise überschritten wird. Nach dem heißiso­ statischen Preßvorgang wird der Werkstück-Block 10 durch beispielsweise eine CNC-Maschine bearbeitet, um die Geometrie der Turbinenschaufel 24 gemäß Fig. 5 zu erhalten. Diese Turbinenschaufel 24 zeichnet sich durch eine Umhüllung 26 aus Matrixmaterial und einem faser­ verstärkten Kern 28 aus, der aus den im Matrixmaterial eingebetteten parallelen Langfasern besteht. Integraler Bestandteil der Turbinenschaufel 24 ist ein Sockel 30, der zur Befestigung der Turbinenschaufel 24 an der Welle der Turbine gedacht ist. Die Langfasern 18 er­ strecken sich bis in den Sockel 30 hinein. Wie die Schaufelgeometrie wird auch der Sockel 30 durch die CNC-Maschinen-Bearbeitung des heißisostatisch ge­ preßten Werkzeugs erzielt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Bauteilen, die ein Matrixmaterial mit darin einge­ betteten, mit Matrixmaterial beschichteten, im wesentlichen parallelen Langfasern aufweisen, bei dem

• - ein Werkstück (10) aus insbesondere Matrixmate­ rial mit mindestens einem zumindest einseitig offenen Hohlraum (16) erzeugt wird, der im Querschnitt kleiner ist als das herzustellende Bauteil (24),
• - der Hohlraum (16) mit mit Matrixmaterial be­ schichteten Langfasern (18) ausgefüllt wird, wobei die einzelnen Langfasern (18) im wesent­ lichen parallel zueinander angeordnet werden,
• - das Werkstück (10) mit den in seinem Hohlraum (16) befindlichen Langfasern (18) eingekapselt und einem heißisostatischen Preßvorgang ausge­ setzt wird und
• - danach das Werkstück (10) zur Erzeugung der Außenkontur des langfaserverstärkten Bauteils (24) bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10) bei der Einführung von Langfasern (18) in den mindestens einen Hohlraum (16) in Vibrationen versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den mindestens einen Hohlraum (16) des Werkstücks (10) zusätzlich Pulver aus Matrix­ material eingebracht wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück (10) vor dem Einbrin­ gen der Langfasern (18) in den mindestens einen Hohlraum (16) geätzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in den mindestens einen Hohlraum (16) mindestens ein Kern aus insbesondere Matrixmaterial eingesetzt wird, wobei der min­ destens eine Kern im Querschnitt kleiner ist als der mindestens eine Hohlraum (16) und der verblei­ bende Raum mit Langfasern (18) ausgefüllt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück (10) an seiner min­ destens einen zum Hohlraum (16) offenen Seite (12; 14) zum Bedecken der stirnseitigen Enden der Langfasern (18) mit Matrixmaterial (20) ver­ sehen wird, bevor der heißisostatische Preßvor­ gang erfolgt.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum (16) in dem Werkstück (10) ausgearbeitet, insbesondere durch Funken­ erosion ausgearbeitet wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Werkstück (10) einstückig oder mehrteilig ist.

9. Bauteil erhältlich durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 7 zum Herstellen einer langfaser­ verstärkten Turbinenschaufel (24).