WO2010097221A1

WO2010097221A1 - Verfahren zur herstellung eines hybridbauteils und hybridbauteil mit einem ersten teil aus titan oder eine titanlegierung und mindestens einem weiteren teil aus aluminium oder eine aluminiumlegierung

Info

Publication number: WO2010097221A1
Application number: PCT/EP2010/001173
Authority: WO
Inventors: Andreas Kaufmann; Claus Kückens; Christian Sefrin; Andreas Sprenger
Original assignee: Pfw Aerospace Ag
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2010-09-02
Also published as: DE102009010404A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Hybridbauteilen sowie auf Hybridbauteile (10, 50, 54, 58) mit einem ersten Teil (12) aus Titan oder einer Titanlegierung und einem mindestens einem weiteren zweiten Teil (14, 16) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder eines plattenförmigen Bauteils (76), welches aus Einzelsegmenten (88) gefügt ist. Die mindestens zwei Teile (12, 14, 16) werden über ein thermomechanisches Fügeverfahren miteinander verbunden. Gemäß einem ersten Verfahrensschritt werden das erste Teil (12) und das mindestens eine weitere zweite Teil (14, 16, 40, 54, 64) oder die Einzel segmente (88) durch Rührreibschweißen (FSW) oder durch Reibschweißen (FW) miteinandergefügt. Das stoffschlüssige Verbinden des ersten Teils (12) mit dem mindestens einen weiteren zweiten Teil (14, 16, 40, 54, 64) erfolgt bei einer Prozesstemperatur < T_liquid des niedriger schmelzenden Werkstoffes oder der niedriger schmelzenden Werkstofflegierung. Das Fügen erfolgt durch eine intensive plastische Verformung der Werkstoffe bzw. der Werkstofflegierungen des ersten Teils (12) und des mindestens einen weiteren Teils (14, 16, 40, 54, 64) oder der Einzelsegmente (88) in plastifϊziertem Werkstoffzustand.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HYBRIDBAUTEILS UND HYBRIDBAUTEIL MIT EINEM ERSTEN TEIL AUS TITAN ODER EINE TITANLEGIERUNG UND MINDESTENS EINEM WEITEREN TEIL AUS ALUMINIUM ODER EINE ALUMINIUMLEGIERUNG

Stand der Technik

DE 103 60 807 B4 bezieht sich auf eine Sitzschiene. Die Sitzschiene dient der Befestigung von Sitzen in Verkehrsflugzeugen und besteht aus einem oberen Profilelement für die Befestigung der Sitze und einem unteren, mit diesem verbundenen Trägerelement. Die beiden Elemente sind aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt. Das Profilelement besteht aus einer Titanlegierung, während das Trägerelement aus einer Aluminiumlegierung besteht. Die beiden Elemente sind über eine durch thermisches Fügen erzeugte Stoßnaht miteinander verbunden. Die beiden Elemente werden durch thermisches Fügen mittels Laser miteinander verbunden.

DE 103 60 809 Al bezieht sich ebenfalls auf eine Sitzschiene. Diese dient der Befestigung von Sitzen in Verkehrsflugzeugen und umfasst ein oberes Profilelement und ein mit diesem verbundenes Trägerelement, wobei diese beiden Elemente aus wenigstens zwei unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt sind. Die beiden Elemente sind durch eine homogene, metallurgische Verbindungen miteinander verbunden. Das Profϊlelement besteht aus einer Titanlegierung, das Trägerelement aus einer Aluminiumlegierung.

DE 10 2004 026 228 B4 bezieht sich auf ein Titan- Aluminium Verbundbauteil. Ein erster Bereich eines Bauteils besteht aus einem Titanwerkstoff, ein zweiter Bereich aus einem Aluminiumwerkstoff. Der erste Bereich und der zweite Bereich des Bauteils sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Der erste und der zweite Bereich sind durch einen im Aluminiumwerkstoff des zweiten Bereiches ablaufenden Tiefschweißprozess oder einen Wärmeleitungsschweißprozess in Kombination mit einem durch einen Wärmefluss von Aluminiumwerkstoff hin zum Titanwerkstoff ausgelösten Diffusionsprozess stoffschlüssig miteinander verbunden. Gleiches gilt für EP 1 600 246 Bl, die sich ebenfalls auf eine Titan-Aluminium-Sitzschiene bezieht. Darstellung der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fügeverfahren anzugeben, mit welchem sich ohne Überschreitung der Schmelztemperatur zwei unterschiedliche metalli- sehe Werkstoffe, oder Legierungen metallischer Werkstoffe, stoffschlüssig miteinander fügen lassen.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, Werkstücke, die aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen oder unterschiedlichen metallischen Werkstofflegierungen bestehen, durch einen Warmumformprozess stoffschlüssig miteinander zu verbinden, wobei gewährleistet ist, dass dieser Warmumformprozess unterhalb der Schmelztemperatur der metallischen Werkstoffe bzw. der Legierungen metallischer Werkstoffe abläuft. Der Warmumformprozess, zum Beispiel das dem Pressschweißen zuzurechnende Reibschweißen, insbesondere das Rührreibschweißen (FSW Friction Stir Welding), verläuft bei einer Prozesstemperatur, die unterhalb der Temperatur T|_iquid des niedriger schmelzenden Fügewerkstoffes liegt, so dass die für dieses Fügeverfahren eingesetzten Werkstoffe nicht aufgeschmolzen werden. Bei dem Warmumformprozess, bei dem es sich insbesondere um das Rührreibschweißen handelt, erfolgt eine intensive, lokal begrenzte plastische Verformung, die verbindungsbildend wirkt, wobei im Gegensatz zu Schmelzschweißverfahren die Verbindung der beiden miteinander zu fügenden Bauteile bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes von Metalllegierungen erfolgt, so dass nachteilige Gefügeveränderungen beim Erstarren der Schmelze vermieden werden können. Dadurch können auch sehr feste Aluminiumlegierungen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommen, ohne Einsatz von Zusatzwerkstoffen und ohne große Festigkeitsverluste verarbeitet werden. Durch die Fügbar- keit unterschiedlicher Aluminium- und Magnesiumlegierungen ergibt sich weiterhin ein breites Spektrum neuer Produktmöglichkeiten.

Die Vorteile des Rührreibschweißens liegen darin, dass - wie obenstehend erwähnt - das Prozesstemperaturniveau unterhalb der Temperatur Ti,_quici des niedriger schmelzenden Fü- gewerkstoffes der beiden miteinander zu fügenden Komponenten verbleibt und dass hohe statische und dynamische Nahtfestigkeiten erreicht werden können. Bei dem Warmumformprozess, insbesondere dem Rührreibschweißen, treten, da ein Schmelzfluss vermieden wird, keine Spritzer sowie kein Rauch auf. Des Weiteren zeichnet sich der Warmumformprozess, insbesondere das Rührreibschweißen, durch einen geringeren Energieverbrauch und einen sehr geringen Verzug der miteinander zu fügenden metallischen Werkstoffe in Bezug zueinander aus. Es wird kein Zusatzwerkstoff, wie zum Beispiel ein ansonsten in Schweißverfahren eingesetzter Draht, zur Bildung von Schweißnähten eingesetzt. Die Nahtvorbereitung ist äußerst einfach, so dass sich das Rührreibschweißen sehr leicht automatisieren lässt.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Rührreibschweißen können Sonderwerkstoffe und Mischverbindungen verarbeitet werden, die nur schwierig oder eingeschränkt durch Schmelzschweißen herzustellen sind. Beispiele dafür sind hochfeste Aluminium-Stahloder Titan-Stahl-Verbindungen oder MMC-Werkstoffe (MMC = Metal Matrix Composi- tes), Leichtbauteile mit PMAl-Werkstoffen.

Bei dem Warmumformprozess wird durch Relativbewegung Wärme erzeugt, die die plastische Verformung der Fügeteilwerkstoffe der beiden miteinander zu fügenden Bauteile erleichtert. Die Werkstoffe werden nicht aufgeschmolzen, sondern durch Reibung bis in den plastifϊzierten Zustand erhitzt. Es entsteht ein feinkörniges, hochfestes Werkstoffgefüge wie beim Schmieden. Der sich durch Materialverdrängung bildende Schweißwulst kann prozessintegriert oder extern bearbeitet werden.

Als Hybridbauteile werden zum Beispiel Sitzschienen gefertigt. In den Bereichen, die aggressiven Medien und daher starker Korrosion ausgesetzt sind, werden bevorzugt Titansitzschienen verbaut. Es ergibt sich ein großes Gewichtseinsparpotential, wenn diese als Hyb- ridbauteile hergestellt werden und Titan oder dessen Legierungen nur an den Stellen eingesetzt wird, an denen Korrosion auftreten kann. Der übrige Querschnitt einer Sitzschiene - um ein Beispiel zu nennen - kann aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt werden. Sitzschienen können ein erstes schienenförmiges Bauteil, welches aus Titan gefertigt ist, umfassen, sowie entweder zwei stegförmige Seitenflächen aus Aluminium, wobei die genannten Teile über zwei Stumpfstöße miteinander gefügt werden können. Anstelle zweier Stumpfstöße kann auch ein überlappender Stoß ausgeführt werden. Anstelle von Ausführungsvarianten von Sitzschienen mit zum Beispiel zwei stegförmig ausgebildeten Bauteilen können auch einstückige Aluminiumbauteile eingesetzt werden, die lediglich einen Steg aufweisen. In Bezug auf das Bauteil, welches aus Titan oder einer Titanlegie- rung gefertigt ist, kann dieses eine Planfläche aufweisen oder in zwei unterschiedlichen Ebenen liegende Anschlussflansche umfassen, die in unterschiedlichen Ebenen liegen können.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein Sitzschienenelement, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt ist, in einem wannenförmigen Grundkörper einzulassen, der aus Aluminium gefertigt ist. Dieses Bauteil stützt dann das aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigte Bauteil ab. Zwischen den beiden Bauteilen wird bevorzugt eine überlappende Naht ausgeführt. Neben Sitzschienen können auch Hybridbauteile als Träger, aufgebaut aus einem Titan oder einem eine Titanlegierung enthaltenden Bauteil und aus einem oder mehreren Bauteilen aus Aluminiumlegierungen, hergestellt werden. Diese können zum Beispiel den Quer- schnitt eines Doppel-T-Trägers haben, wobei das aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigte Bauteil in dem aggressiven Medien ausgesetzten Bereich des Hybridbauteils eingesetzt wird.

Neben Trägern lassen sich Rollenbahnen auch als Hybridbauteile ausgebildet werden, wo- bei insbesondere die Rollenbahnböden aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt werden und die beiden die Rollenbahn seitlich begrenzenden wandförmigen Stege aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. In diesen sind dann die Rollen bzw. die PDU's und eventuelle Verriegelungselemente befestigt.

Schließlich besteht die Möglichkeit, Hybridbauteile als gebogene doppelwandige Rohre, zum Beispiel als Treibstoffrohre, auszubilden. Bei gerade verlaufenden Abschnitten von Treibstoffrohren ist typischerweise die Außenhülle aus Aluminium gefertigt. Die aus A.lu- minium gefertigte Außenhülle wird über das Innenrohr geschoben, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt ist. Zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr besteht kein metallischer Kontakt, da Kunststoffabstandselemente eingesetzt werden, die die beiden Bauteile auseinander halten.

Bei gebogenen doppelwandigen Rohren werden geschweißte Flansche eingesetzt. Hier kommt es zu einem metallischen Kontakt zwischen Innen- und Außenrohren, so dass beim bisherigen herkömmlichen Schweißen Titan auch für das Außenrohr eingesetzt werden muss. Beim Rührreibschweißen (FSW) hingegen können die Außenhüllen doppelwandiger, gebogener Rohre auch aus Aluminium beschaffen sein, wobei bei Einsatz des Rührreib- schweißverfahrens eine stoffschlüssige Verbindung bevorzugt über Rotationsreibschweißen zwischen dem aus Aluminium gefertigten Außenrohr und dem aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigten Innenrohr mit einem aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigten Flansch hergestellt werden kann. Der Einsatz eines Aluminium-Außenrohres bietet enorme Vorteile hinsichtlich des einzusparenden Gewichtes, insbesondere bei Luftfahrtanwendungen, da ein aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigtes Außenrohr wesentlich höheres Gewicht aufweist bei vergleichbarer Festigkeit.

Schließlich besteht die Möglichkeit, für strukturelle Anwendungen in Luftfahrzeugen Platten oder kombinierte Profile einzusetzen, die aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammengesetzt werden können. Bei solchen plattenförmigen Anordnungen kann es sich ent- weder um einseitig geöffnete Platten bzw. Plattenbauteile handeln oder um Platten in Hohlkammerbauweise. Bei den einseitig geöffneten Platten bzw. Plattenbauteilen besteht die Möglichkeit, die einzelnen Komponenten im Wege des FW- oder des FSW- Verfahrens sowohl an der Außenseite als auch an der Innenseite stoffschlüssig miteinander zu verbin- den, was eine höhere Nahtqualität und damit einer höhere Festigkeit ergibt. Bei den Hohl- kammerplattenbauteilen können unterschiedlich viele Fügestellen notwendig sein. In diesem Falle erfolgt das Erzeugen einer stoffschlüssigen FW- bzw. F S W- Verbindung lediglich an der Außenseite, da die Hohlkammern des Hohlkammerbauteiles nicht mehr von der Innenseite her zugänglich sind.

Für die plattenförmigen Bauteile - seien es einseitig geöffnete Plattenbauteile oder die in Hohlkammerbauweise ausgebildeten Plattenbauteile - wird insbesondere eine Aluminiumlegierung eingesetzt, bei der es sich um eine AlZnMg-Legierung handelt, die eine extrem hohe Festigkeit aufweist und daher sehr gut zur effizienten Gestaltung von Strukturen ge- eignet ist. Die genannte Legierung, erhältlich unter der Handelsbezeichnung AA 7136, oder AA 7349 oder AA 7055 weist Aluminium als Grundmaterial auf und 0,12 Massen-% Silizium, 0,15 Massen-% Eisen, einen Kupferanteil der zwischen 1,5 und 2,5 Massen-% liegt, 0,05 Massen-% Mangan, 1,8 Massen-% bis 2,5 Massen-% Magnesium, 0,05 Massen-% Chrom, 8,4 Massen-% bis 9,4 Massen-% Zink, 0,1 Massen-% Titan, 0,1 bis 0,2 Massen-% Zirkonium sowie 0,15 Massen-% andere Anteile.

Diese bevorzugt verwendete Aluminiumlegierung kann einerseits zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Hybridbauteile eingesetzt werden, wobei natürlich in diesem Falle lediglich das Bauteil, welches aus Aluminium gefertigt ist, aus der genannten Aluminium- legierung besteht. Bei dem anderen Bauteil handelt es sich - wie vorstehend beschrieben - um ein Bauteil, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt ist.

Des Weiteren kann die oben genannte spezifizierte AlZnMg-Legierung zum Fügen von strukturbildenden plattenförmigen Bauteilen aus mehreren Einzelsegmenten eingesetzt werden, wobei zum Beispiel der Boden eines Frachtraums eines Luftfahrzeuges oder eines Passagierraumes oder eines Passagierdecks eines Luftfahrzeuges aus AlZnMg-gefertigten Segmenten an Stumpfnähten mittels des Rührreibschweißens, sei es von außen oder sei es von innen und außen, abhängig von der Bauart, gefertigt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 eine Sitzschiene, ausgebildet als Alumini um-Titanhybridbauteil mit einer Planfläche im aus Titan gefertigten Teil,

Figur 2 eine weitere Ausführungsvariante einer als Aluminium-Titanhybrid ausgebildeten Sitzschiene mit überlappender Naht,

Figur 3 eine Ausgestaltungsvariante einer Sitzschiene als Aluminium- Titanhybridbauteil, wobei im aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigten

Bauteil Anschlussflansche in unterschiedlichen Ebenen liegend ausgebildet sind,

Figur 4 eine weitere Ausführungsvariante einer Sitzschiene als Aluminium- Titanhybridbauteil mit in ein wannenförmiges Bauteil eingelassenem Titan-

Bauteil,

Figur 5 einen in Doppel-T-Form ausgebildeten Träger als Hybridbauteil aus Titan und

Aluminium,

Figur 6 eine Rollenbahn, ausgebildet als Aluminium-Titanhybridbauteil mit aus Titanmaterial gefertigtem Bodenteil mit aus Aluminium hergestellten Seitenwänden,

Figur 7 eine Ausführungsvariante eines als Hybridbauteil gefertigten doppelwandigen Rohres, bei dem das Außenrohr aus Aluminium, Innenrohr und Anschlussflansch aus Titan gefertigt sind,

Figur 8 eine Ausführungsvariante einer Bodenplatte und eines Bodenplattenbauteils mit einseitig geöffneten Kammern und

Figur 9 eine Ausführungsvariante eines aus Aluminium gefertigten Hohlkammerplat- tenbauteiles, bei dem die einzelnen Hohlkammern voneinander getrennt sind.

Ausführungsvarianten

Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsvarianten von Bauteilen, die mit dem Rührreibschweißverfahren (FSW) oder dem Reibschweißverfahren (FW) gefügt werden, sind Bauteile, die eine sehr hohe Festigkeit aufweisen bei geringst möglichem Gewicht. Nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf Bauteile, die sowohl aus Aluminium als auch aus Titan gefertigt werden, wobei ausdrücklich Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen eingeschlossen sind. Eine besonders geeignete Aluminiumlegierung ist unter den Handelsbezeichnungen AA7136, AA7349 und AA7055 bekannt, eine weitere Handelsbezeich- nung einer geeigneten Aluminiumlegierung lautet AA7050.

Der Darstellung gemäß Figur 1 ist eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Hybridbauteiles, ausgebildet aus Aluminium-Titanhybridbauteil, zu entnehmen.

Ein Hybridbauteil 10 - hier als Sitzschiene ausgebildet - umfasst einen ersten Teil 12, der aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt ist. Entlang von Nähten 18, die in der Ausführungsvariante gemäß Figur 1 als Stumpf-Stöße 20 bzw. 22 ausgebildet sind, sind mit dem aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigten ersten Teil 12 ein weiterer, zweiter Teil 12 und ein dritter Teil 16 stoffschlüssig verbunden. Der zweite Teil 14 und der dritte Teil 16 - die Stegseiten der Sitzschiene - werden aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wie obenstehend aufgeführt, gefertigt. Der erste Teil 12 des Hybridbauteiles 10 gemäß der Darstellung in Figur 1 umfasst eine Planfläche 26, die von einer sich in die Zeichenebene erstreckenden, schienenförmigen Ausnehmung 24 zur Befestigung von Passagiersitzen oder dergleichen dient. Das zweite Teil 14 und das dritte Teil 16, beide aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, umfassen an ihrer Außenseite eine Verrippung 28.

Bevorzugt wird der erste Teil 12 aus Ti oder einer Ti-Legierung des Hybridbauteils 10 in dem Bereich befestigt, in dem mit verstärkter Korrosion oder Medienbeaufschlagung zu rechnen ist. Der zweite Teil 14 und gegebenenfalls ein dritter Teil 16 des Hybridbauteils 10 sind aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, wodurch sich eine hohe

Gewichtseinsparung bei gleicher Festigkeit erreichen lässt. Der Stumpfstoß 20 und der

Stumpfstoß 22 werden zum stoffschlüssigen Fügen des ersten Teils 12 mit dem zweiten und dem dritten Teil 14 bzw. 16 bevorzugt im Wege des Rührreibschweißens (FSW) oder auch im Wege des Reibschweißens (FW) erzeugt.

Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 1 sind in der Ausführungsvariante einer Sitzschiene gemäß Figur 2 das erste Teil 12, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefer- tigt ist, und das zweite Teil 14, welches aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, durch eine Naht 18 stoffschlüssig miteinander verbunden, die als überlappender Stoß 32 ausgebildet ist. Demnach umfasst die Sitzschiene 10 gemäß der Darstellung in Figur 2 als Hybridbauteil lediglich zwei Bauteile, nämlich den ersten Teil 12 aus Titan oder einer Titanlegierung und den zweiten Teil 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Analog zur Ausfuhrungsvariante gemäß Figur 1 befindet sich an der Außenseite des zweiten Teils 14, welches aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, die Verrippung 28.

Analog zur Ausbildung des ersten Teils 12 der Sitzschiene 10 gemäß Figur 1 umfasst das in Figur 2 dargestellte erste Teil 12 des Hybridbauteils 10 eine sich in die Zeichenebene erstreckende, längs verlaufende Ausnehmung 24, die von einer Planfläche 26 an der Oberseite des ersten Teils 12 begrenzt ist. Der Planfläche 26 gegenüberliegend befindet sich an der Unterseite des zweiten Teils 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, das gemäß der Ausführungsvariante in Figur 2 einstückig ausgebildet ist, eine Aufstandsfläche 30, die ebenfalls plan ausgebildet sein kann. Anstelle einer planen Ausbildbarkeit der Aufstandsfläche 30 kann diese auch an die Struktur des Luftfahrzeuges angepasst sein, insbesondere gerundet mit Ausnehmungen versehen sein oder an die Wölbung von Krümmun- gen der Flugzeugkontur in geeigneter Weise adaptiert sein.

Der Darstellung gemäß Figur 3 ist eine dritte Ausführungsvariante einer Sitzschienε ausgebildet als Aluminium-Titanhybridbauteil zu entnehmen.

Wie der Darstellung gemäß Figur 3 zu entnehmen ist, umfasst das dort dargestellte Hybridbauteil 10 lediglich zwei Teile, nämlich das erste Teil 12 sowie das entlang einer als Stumpfstoß 20 ausgeführten Naht 18 mit diesem gefügte zweite Teil 14, welches aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Im Unterschied zu den Ausführungsvarianten des ersten Teils 12 gemäß den Figuren 1 und 2 weist das erste Teil 12 Anschlussflan- sehe 34, 36 auf, die in unterschiedlichen Ebenen liegen können. Die Sitzschiene 10 gemäß der Darstellung in Figur 3 weist eine im Wesentlichen Doppel-T-förmige Gestalt auf. Im Unterschied zu den Sitzschienen gemäß den Figuren 1 und 2 weist die Sitzschiene 10 gemäß der Darstellung in Figur 3 einen Einzelsteg 38 auf, der an seinem unteren Ende eine in der Darstellung gemäß Figur 3 plan ausgebildete Aufstandsfläche 30 umfasst. Die Obersei- ten der Anschlussflansche 34, 36 sind ebenfalls als Planflächen 26 analog zu den Sitzschienen bzw. dem ersten Teil 12 des Hybridbauteils 10 gemäß den Figuren 1 und 2 als Planflächen 26 beschaffen.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer Sitzschiene, die als Aluminium- Titanhybridbauteil ausgebildet ist.

Die Ausführungsvariante gemäß Figur 4 ist an spezielle Einbausituationen im Luftfahrzeug angepasst und umfasst im Wesentlichen ein in Wannenform 40 ausgebildetes zweites Teil 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. In dieses zweite Teil 14 ist das erste Teil 12 aus Titan oder einer Titanlegierung eingelassen. Insbesondere werden die Seitenflansche des ersten Teils 12, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt wird, durch Stützflächen 42, die an der Oberseite des zweiten Teils 14 in Form einer Wanne 40 ausgebildet sind, abgestützt. Die Ausnehmung 24, welche das erste Teil 12 des Hybridbauteils 10 gemäß der Ausführungsvariante in Figur 4 senkrecht zur Zeichenebene durchzieht, ist von Hinterschneidungen 48 begrenzt und weist an der Bodenfläche ein Podest auf.

Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht hervor, dass der Boden des ersten Teils 12 aus Titan oder einer Titanlegierung als überlappender Stoß 32 mit der komplimentär ausgebildeten Fläche des als Wanne 40 ausgebildeten zweiten Teils 14, der aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, stoffschlüssig gefügt ist.

An dem in Form einer Wanne 40 ausgebildeten zweiten Teil 14 befinden sich in horizonta- Ie Richtung erstreckende Anschlussflansche, an denen Öffnungen 44 zur Befestigung des als Wanne 40 ausgebildeten zweiten Teils 14 des Hybridbauteils 10 ausgebildet sein können.

Eine Bodenfläche des zweiten Teils 14, welches als Wanne 40 ausgebildet ist, ist in der Darstellung gemäß Figur 4 durch Bezugszeichen 46 identifiziert.

Der Darstellung gemäß Figur 5 geht eine weitere Ausführungsvariante eines Aluminium- Titanhybridbauteils hervor.

Figur 5 zeigt, dass ein Träger 50 eine im Wesentlichen Doppel-T-förmige Kontur aufweist. Entlang der Naht 18, hier ausgebildet als I-Stoß 20, sind das erste Teil 12, bei welchem es sich um das aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellte Bauteil handelt, und das zweite Teil 14 mit Einzelsteg 38 und Aufstandsfläche 30 im Wege des Rührreibschweißens oder des Reibschweißverfahrens miteinander stoffschlüssig gefügt. An der Oberseite des ersten Teils 12, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt ist, verläuft die Planfläche 26; an der Unterseite des zweiten Teils 14, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, erstreckt sich die Aufstandsfläche 30, die in der Ausführungsvariante gemäß Figur 5 ebenfalls plan ausgebildet ist.

Aus der Darstellung gemäß Figur 6 ergibt sich eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Aluminium-Hybridbauteils, hier ausgeführt als Rollenbahn. Im Hinblick auf Faserverbundunterschalen, in denen Rollenbahnen 52 Teil der elektrischen Architektur sind, kann aufgrund der geringen Wärmedehnung und des geringen elektrochemischen Potentials Titan als Grundwerkstoff eingesetzt werden. Um Gewicht und Kosten für Rollenbahnen 52 einzusparen, kann auch hier auf Hybridbauteile zurückgegriffen werden. Weitere Vorteile liegen in der geringeren Verspannung aufgrund der geringeren Wärmedehnung von Titan sowie dem geringeren elektrochemischen Potential der Werkstoffpaarung Titan und Kohlefaser anstelle von Aluminium mit Kohlefaser.

Der Darstellung gemäß Figur 6 ist zu entnehmen, dass ein Rollenbahnboden 54 der RoI- lenbahn 52 das erste Teil 12 des Hybridbauteils 10 darstellt, während die Rollenbahnwände

56 die zweiten Bauteile bzw. das zweite und das dritte Bauteil 14, 16 darstellen, die aus

Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sind. Die Rollenbahnwände 56 sind entlang der Nähte 18 hier ebenfalls ausgeführt als Stumpfstöße 20, 22 mit entsprechenden

Anschlussflächen des Rollenbahnbodens 54 durch das Rührreibschweißverfahren (FSW) oder das Reibschweißverfahren (FW) miteinander stoffschlüssig verbunden.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Aluminium-Titanhybridbauteils, hier ausgebildet als gerader Abschnitt eines doppelwandig ausgebildeten Treibstoffrohres.

Aus der Darstellung gemäß Figur 7 geht hervor, dass das hier dargestellte Treibstoffrohr 58 doppelwandig ausgebildet ist. Der in Figur 7 dargestellte Abschnitt stellt einen gerade ausgeführten Abschnitt des Treibstoffrohres 58 dar. Bei doppel wandigen, gerade verlaufenden Treibstoffrohren 58 wird typischerweise die Außenhülle, d. h. ein Außenrohr 65, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt und über ein Innenrohr 60, welches aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt ist, geschoben. Es tritt kein metallischer Kontakt zwischen dem Innenrohr 60 und dem Außenrohr 64 auf, da diese über bevorzugt aus Kunststoffmaterial gefertigte Abstandshalter voneinander beabstandet werden, was gerade verlaufende Abschnitte des Treibstoffrohres 58 betrifft.

Da bei gebogen ausgeführten Abschnitten des Treibstoffrohres 58 Flansche 70 eingesetzt werden, die mit dem doppelwandig ausgebildeten Treibstoffrohr 58 zu verschweißen sind, tritt ein metallischer Kontakt zwischen dem Innenrohr 60 und dem Außenrohr 64 auf. Würden herkömmliche Schweißprozess eingesetzt, so wäre es erforderlich, auch das Außenrohr 64 aus Titan herzustellen. Wird jedoch wie - wie in Figur 7 angedeutet - eine stoffschlüssige Verbindung in Gestalt einer Umlaufnaht 68 durch Rührreibschweißen (FSW) bzw. Reibschweißen (FW) erzeugt, so kann das Außenrohr 64 auch im Bereich gebogener Rohrabschnitte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt werden, was eine enorme Gewichtsersparnis nach sich zieht. Die Umlaufnähte 68 des in Figur 7 dargestellten Bauteiles werden durch Rührreibschweißen hergestellt [

In der Darstellung gemäß Figur 7 ist der Flansch mit Bezugszeichen 70 bezeichnet, der entlang einer Umlaufnut 68 mit dem Außenrohr 64, was in diesem Falle den zweiten Teil 14 des Hybridbauteils 10 darstellt, stoffschlüssig verbunden ist. Zwischen einer Mantelfläche 62 des Innenrohres 60 und der Mantelfläche 66 des Außenrohres 64 verbleibt ein Freiraum.

Wenngleich in der Darstellung gemäß Figur 7 ein doppelwandig ausgebildetes Treibstoffrohr 58 dargestellt ist, kann dieses doppelwandig ausgebildete Rohr auch zum Führen eines anderen Mediums, so zum Beispiel einer Hydraulikflüssigkeit oder Trinkwasser, eingesetzt werden. Die Bauteile gemäß der Figuren 1 - 7 stellen Hybridbauteile dar, während die Figuren 8 und 9 Bauteile zeigen, die aus Aluminium und dessen Legierungen gefertigt werden.

In den Darstellungen gemäß den Figuren 8 und 9 sind Ausführungsvarianten von Bauteilen zu entnehmen, die im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet sind.

Bei den in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen handelt es sich um im Wege des Rührreibschweißens miteinander zu verbindende Bauteile, die aus Einzelsegmenten 88 zu größeren plattenförmigen Einheiten 76 bzw. 80 gefügt werden. Die platten- förmigen Einheiten bzw. Strukturbauteile gemäß den Figuren 8 und 9 werden ebenfalls je nach Zugänglichkeit ein- oder beidseitig Schweißnähten miteinander verbunden, die im Wege des Rührreibschweißens (FSW) hergestellt werden.

So zeigt Figur 8 ein als Aluminium-Bauteil 10 gefertigtes Plattenbauteil 76, welche als Stumpfstöße 20 ausgeführte Schweißnähte aufweist und aus einzelnen Segmenten 88 gefügt ist. An einer Außenseite 84 liegend, weist das Plattenbauteil 76 die Planfläche 26 im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Sitzschienen, die bereits mehrfach beschrieben worden ist, auf. Bei dem Plattenbauteil 76 werden durch die einzelnen Stege 38 einseitig geöffnete Kammern 78 gebildet. Die einseitig geöffneten Kammern 78 ermöglichen es in vorteilhafter Weise, die Stumpfstöße 20 qualitativ hochwertig sowohl auf der Außenseite 84 ais auch auf der Innenseite 86 des Plattenbauteils 76 im Wege des Rührreib- schweißverfahrens (FSW) zu erzeugen. Dadurch kann eine sehr hohe Nahtqualität im Bereich der Stumpfstöße 20 in Bezug auf das einseitig geöffnete Kammern 78 aufweisende, plattenförmige Bauteil 76 erreicht werden. Der Darstellung gemäß Figur 9 ist eine weitere Ausfuhrungsvariante eines Plattenbauteils als Aluminium-Bauteil dargestellt.

Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 8 handelt es sich bei dem in Figur 9 darge- stellten Hybridbauteil 10 um ein Hohlkammerplattenbauteil 80. Dieses weist abgeschlossene Hohlkammern 82 auf, die nach dem Fügen verschlossen sind. An der Oberseite, d. h. der Außenseite 84 zuweisend, umfasst das Hohlraumplattenbauteil 80 das erste Teil 12, gefertigt aus Titan oder einer Titanlegierung, während aus Gewichtsgründen der untenliegende Teil, d. h. der zweite Teil 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefer- tigt ist. Durch die Ausführung des Hybridbauteils 10 als Hohlraumplattenbauteil 80 kann durch Verwendung des zweiten Teils 14 als vorgefertigtes extrudiertes Strangprofil eine erhebliche Gewichtsreduktion erreicht werden, verglichen mit der Ausführungsmöglichkeit des Hohlraumplattenbauteils 80 als ein Teil aus Titan. Die Festigkeit des Hohlraumplattenbauteils 80 gemäß der Querschnittsdarstellung in Figur 9 ist vergleichbar einem einzelnen Bauteil und steht diesem nicht nach. Im Unterschied zur in Figur 8 dargestellten Ausführungsvariante sind die I-Stöße 20 bzw. 22 lediglich von der Außenseite 84 des Hohlraumplattenbauteils 80 her zugänglich. Dies findet seine Ursache darin, dass nach einem Fügen der Teile 12 und 14 die Hohlräume 82 nicht mehr von der Innenseite her zugänglich sind, so dass die I-Stöße 20, 22 nicht mehr von der Innenseite 86 der Hohlräume 82 her bear- beitbar sind, insbesondere die Nähte 18, ausgeführt als I-Stöße 20, 22, von der Innenseite her nicht mehr bearbeitet werden können.

Die in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsvarianten werden bevorzugt aus der obenstehend skizzierten, bevorzugt eingesetzten AlZnMg-Legierung gefertigt. Dies ist je- doch nicht zwingend erforderlich. Es können selbstverständlich auch andere Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, die im Wege des Rührreibschweißprozesses stoffschlüssig miteinander gefugt werden können.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten von Hybridbauteilen wird das Bauteil, welches aus einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, bevorzugt aus der AlZnMg- Legierung mit der Handelsbezeichnung AA 7136, AA 7349 oder AA 7055 gefertigt. Diese Aluminiumlegierung zeichnet sich durch das Grundmaterial Aluminium aus sowie einen Siliziummassenprozentanteil von maximal 0,12 %, der Anteil von Eisen beträgt maximal 0,15 Massen-%, der von Kupfer liegt zwischen 1 ,9 Massen-% und 2,5 Massen-%, der von Mangan bei 0,05 Massen-%, der von Magnesium zwischen 1,8 Massen-% und 2,5 Massen- %, der von Chrom bei 0,05 Massen-%, der von Zink zwischen 8,4 Massen-% und 9,4 Mas- sen-%, der von Titan bei 0,1 Massen-%, der von Zirkonium zwischen 0,1 und 0,2 Massen- % und die anderen Bestandteile bei maximal 0,15 Massen-%. Bezugszeichenliste

10 Hybridbauteil

12 erstes Teil (Ti oder Ti-Leg)

14 zweites Teil (Al oder Al-Leg)

16 drittes Teil (Al oder Al-Leg)

18 Naht

20 erster I-Stoß

22 zweiter I-Stoß

24 Ausnehmung

26 Planfläche

28 Verrippung

30 Aufstandsfläche

32 Überlappender Stoß

34 obenliegender Anschlussflansch

36 untenliegender Anschlussflansch

38 Einzelsteg

40 Wanne

42 Stützfläche

44 Öffnung

46 Bodenfläche

48 Hinterschneidung

50 Träger (Doppel-T)

52 Rollenbahn

54 Rollenbahnboden

56 Rollenbahnwand

58 Treibstoffrohr

60 Innenrohr

62 Mantelfläche Innenrohr

64 Außenrohr

66 Mantelfläche Außenrohr

68 Umlaufnaht

70 Flansch

74 Symmetrieachse 76 Plattenbauteil

78 einseitig geöffnete Kammer

80 Hohlraum-Plattenbauteil

82 Hohlkammer

84 Außenseite

86 Innenseite

88 Einzelsegment

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (10, 50, 54, 58) mit einem ersten Teil (12) aus Titan oder einer Titanlegierung und mindestens einem weiteren zweiten Teil

(14, 16) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, oder eines plattenförmigen Bauteils (76), welches aus Einzelsegmenten (88) gefugt ist, wobei die mindestens zwei Teile (12; 14, 16) oder die Einzelsegmente (88) über ein thermomechanisches Fügeverfahren miteinander verbunden sind, mit nachfolgenden Verfahrensschritten:

a) das erste Teil (12) und das mindestens eine weitere zweite Teil (14, 16, 40, 54,

64) oder Einzelsegmente (88) werden durch Reibschweißen (FW) oder Rühr- reibschweißen (FSW) miteinander gefügt,

b) die Durchführung des Verfahrensschrittes a) erfolgt bei einer Prozesstemperatur < Tii_qui_d des niedriger schmelzenden Fügewerkstoffes oder der niedriger schmelzenden Fügewerkstofflegierung,

c) während des Verfahrensschrittes a) erfolgt eine intensive plastische Verfor- mung der Werkstoffe bzw. der Werkstofflegierungen des ersten Teils (12) und des mindestens einen weiteren, zweiten Teils (14, 16, 40, 54, 62) oder der Einzelsegmente (88) in plastifiziertem Werkstoffzustand.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen der Werkstoffe gemäß Verfahrensschritt c) bei einer Temperatur zwischen 350 °C und 600 °C erfolgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur während des stoffschlüssigen Fügens unterhalb einer Temperatur Tii_qui_d des niedriger schmelzenden Werkstoffes oder der niedriger schmelzenden Werkstofflegierung liegt.

4. Hybridbauteil, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Sitzschiene ist, mit einem ersten Teil (12) aus Titan oder einer Titanlegierung, und mindestens einen weiteren, zweiten Teil (14, 16) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst, wobei die mindestens zwei Teile mittels des Rührreibschweißverfahrens (FSW) oder des Reibschweißverfahrens (FW) miteinander gefügt sind.

5. Hybridbauteil gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (12) aus Titan oder einer Titanlegierung eine Planfläche (26) mit einer sich schienenförmig durch das erste Teil (12) erstreckenden Ausnehmung (24), und mit Anschlussflanschen (34, 36), die in ein- und derselben horizontalen Ebene oder in unterschiedlichen, sich in horizontale Richtung erstreckenden Ebenen liegen.

6. Hybridbauteil gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (12) aus Titan oder einer Titanlegierung in ein in Wannenform (40) ausgebildetes zweites Teil (14) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingelassen und durch dieses abgestützt ist.

7. Hybridbauteil, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als T-förmiger oder Doppel-T- förmiger Träger (50) ausgeführt ist.

8. Hybridbauteil, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der An- sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Rollenbahn (52) ist, deren

Rollenbahnboden (54) aus Titan oder einer Titanlegierung gefertigt und deren Rollenbahnwände (14, 56) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung gefertigt sind, wobei der Rollenbahnboden (54) mit den Rollenbahnwänden (56) entlang von Nähten (18), insbesondere ausführt als Stumpfstöße (20, 22) stoffschlüssig miteinander gefügt sind, insbesondere mittels des Rührreibschweißverfahrens (FSW) oder des Reib- schweißverfahrens (FW).

9. Hybridbauteil, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als doppelwandiges Rohr (58), insbesondere als gebogenes doppelwandiges Rohr (58), ausgeführt ist.

10. Hybridbauteil gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigtes Außenrohr (64) und ein koaxial zu diesem verlaufendes Innenrohr (60) und einen Flansch (70) aus Titan oder einer Titan- legierung umfasst.

11. Hybridbauteil gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (70) aus Titan oder einer Titanlegierung entlang einer Umlaufnaht (68) mit dem Außenrohr (64) aus Aluminiuni oder einer Aluminiumlegierung gefügt ist und die Umlaufnaht (68) durch Rührreibschweißen (FSW) oder Reibschweißen (FW) erzeugt ist.

12. Plattenbauteil (76), hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Bodenplatte (76, 80) ist, welche aus Einzelsegmenten (88) einer AlZnMg-Legierung gefertigt ist.

13. Plattenbauteil (76) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (76), die einseitig geöffnet ist, von einer Innenseite (86) her zugängliche Kammern (78) aufweist oder ein Hohlraumplattenbauteil (80) voneinander getrennte Hohlkammern (82) umfasst.

14. Plattenbauteil (76), gefertigt gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelsegmente (88) oder dass mindestens eine weitere zweite Teil (14, 16) aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gefertigt ist. bei der es sich insbesondere um eine Aluminiumlegierung unter der Handelsbezeichnung AA 7163, AA 7349 oder AA 7055 handelt.