DE3318767C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines mit Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxid-Fasern verstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials, das als Matrixmaterial Borsilicat-, Aluminiumsilicat- oder hoch-siliciumdioxidhaltiges Glas oder eine Lithium-Aluminium­ silicat-Glaskeramik enthält, an einem Bauteil aus Metall, unverstärkter Keramik, Glas oder Glaskeramik oder an einem Bauteil aus dem Verbundmaterial selbst.

Infolge der Knappheit und der steigenden Kosten für viele übliche Hochtemperatur-Konstruktionsmetalle hat man nicht-metallischen faserverstärkten Verbundmaterialien verstärkte Aufmerksamkeit gewidmet. Die Verwendung von Ersatzmaterialien für Metall, von hochfesten faserver­ stärkten Harz-Verbundmaterialien oder sogar hochfesten faserverstärkten Metallmatrix-Verbundmaterialien ist bereits soweit fortgeschritten, daß derartige Materialien für Produkte beginnend bei Sportartikeln bis hin zu hochentwickelten Teilen von Düsenflugzeugen kommerziell eingeführt sind. Eines der großen Probleme dieser Ver­ bundmaterialien liegt jedoch darin, daß ihre maximale Verwendungstemperatur begrenzt ist.

Keramik-, Glas- und Glaskeramik-Körper, die für Hoch­ temperatur-Anwendungszwecke verwendet werden können, sind dem Fachmann gut bekannt. Leider weisen derartige Körper jedoch häufig nicht die gewünschte mechanische Festigkeit auf und sind stets im Hinblick auf ihre Zähigkeit und Schlagfestigkeit unzureichend. Diese Si­ tuation hat dazu geführt, daß Körper aus Verbundmate­ rialien hergestellt wurden, die aus einer Matrix aus einem Keramik-, Glas- oder Glaskeramik-Material bestehen, in der anorganische Fasern in kontinuierlicher oder dis­ kontinuierlicher Weise dispergiert sind. Diese im Fol­ genden als Glasmatrix-Verbundmaterialien bezeichneten Materialien sind in den US-PSen 43 14 852 und 43 24 843 beschrieben.

Wie oben angegeben, werden mögliche Anwendungen für der­ artige Materialien auf dem Gebiet der Gasturbinen-Trieb­ werke und anderer Wärmekraftmaschinen erwartet, bei denen die überlegene Bruchzähigkeit, die Oxidationsbe­ ständigkeit und die niedrige Dichte dieser Materialien zu ausgeprägten Verbesserungen im Hinblick auf die Gesamt­ leistungsfähigkeit des Antriebs und auf den Brennstoff­ verbrauch führen. In ähnlicher Weise wird erwartet, daß diese faserverstärkten Verbundmaterialien auch für viele Hochtemperatur-Bauteile, die nicht zu Triebwerken oder Wärmekraftmaschinen gehören, bevorzugt werden, und zwar wegen ihrer ausgezeichneten Zähigkeit und Oxida­ tionsbeständigkeit, wenn man als Vergleich unverstärkte Keramik- oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien wählt. Bei der Erzeugung von Befestigungen dieser Ver­ bundmaterialien an gleichartige Materialien oder andere Bauteile aus Materialien wie Metall oder Keramik in derartigen Umgebungen haben sich jedoch Probleme er­ geben oder sind vorauszusehen. Derartige Befestigungen müssen auch bei großen Temperaturschwankungen dicht bleiben und es darf zu keiner Korrosion der Verbindungs- Teile infolge einer Wechselwirkung der Materialien oder einer Wechselwirkung der Teile mit der Triebwerks- bzw. Maschinen-Umgebung kommen. Es ist in den meisten Fällen zu erwarten, daß das faserverstärkte Verbundmaterial und seine Befestigung extremen Temperaturbedingungen aus­ gesetzt sein werden. Demzufolge müssen die Befestigungs­ mittel die rauhesten Umgebungsbedingungen aushalten.

Es besteht daher auf dem vorliegenden Fachgebiet Be­ dürfnis nach einem Verfahren für die Befestigung von faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterialien an andere Bauteile in sicherer Weise, über ausgedehnte Zeiträume und unter extremen Umgebungsbedingungen.

Die US 42 63 367 erwähnt die Möglichkeit Gegenstände mit Schraubenlöchern und Gewindeschrauben herzustellen. Sie ist aber auf ein Verbundmaterial beschränkt, das diskontinuier­ liche Graphitfasern in einer Glasmatrix, insbesondere einer Borsilicatglasmatrix, enthält. Es fehlen jedoch Angaben, die die Bearbeitung eines Glasmatrixmaterials mit einer Ver­ stärkung von Siliciumcarbidfasern betreffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine auch bei großen Temperaturschwankungen dichte, korrosionsunempfind­ liche Verbindung eines Glasmatrixmaterials mit einer Ver­ stärkung von Siliciumcarbidfasern zu strukturellen Bauteilen zu schaffen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des kenn­ zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Sowohl die Materialien als auch die Verfahren zur Her­ stellung der erfindungsgemäßen Befestigungsmittel sind in den US-PSen 43 14 852 und 43 24 843 der gleichen An­ melder beschrieben, und der Inhalt dieser Patentschriften ist durch ausdrückliche Bezugnahme als Teil der vorlie­ genden Anmeldung anzusehen. Wie dort beschrieben wird, wurde trotz der Grundtatsache, daß jedes beliebige Bor­ silicat-Glas, das dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial eine hohe Temperaturfestigkeit verleiht, verwendet wer­ den kann, ein spezielles Borsilicat-Glas (Corning 7740, Corning Glass Works) als für dieses Verfahren besonders geeignet ermittelt. In ähnlicher Weise sind ein etwa 96 Gew.-% Siliciumdioxid enthaltendes Glas, das durch Auslaugen des Bors aus einem Borsilicat-Glas erhalten wurde (Corning 7930), sowie Corning 1723 bevorzugte Gläser mit einem hohen Siliciumdioxidgehalt bzw. Alumi­ niumsilicat-Gläser. Während das Borsilicat-Glas und das Aluminiumsilicat-Glas in der handelsüblichen -0,044 mm Teilchengröße verwendet werden kann, können die ge­ wünschten Eigenschaften im Falle des Glases mit dem hohen Siliciumdioxidgehalt bei den Verbundmaterialien nur dann in befriedigender Weise erhalten werden, nach­ dem das Glas mehr als 100 Stunden in Propanol in einer Kugelmühle vermahlen wurde. Es ist ferner darauf hinzu­ weisen, daß auch Mischungen der oben erwähnten Gläser verwendet werden können. Während jedes beliebige Glas oder jede beliebige Glaskeramik, die den Verbundmate­ rialien der vorliegenden Erfindung die erforderliche Festigkeit und Stabilität gegenüber der Einwirkung der Umgebung verleihen, verwendet werden können, erwies sich Lithium-aluminiumsilicat-Glaskeramik als ganz be­ sonders gut für diesen Zweck geeignet.

Während der Verbundstoff-Verdichtung wird die Matrix im Glaszustand gehalten, wodurch eine Zerstörung der Fasern vermieden wird und eine Verdichtung bei niedrigen angewandten Drucken gefördert wird. Nach der Verdichtung zu der gewünschten Konfiguration aus Faser + Matrix kann die Glasmatrix in den kristallinen Zustand über­ führt werden, wobei das Ausmaß und der Grad der Kristalli­ sation von der Matrixzusammensetzung und dem Programm der Wärmebehandlung gesteuert wird. Auf die beschriebene Weise kann eine große Anzahl von glaskeramischen Ma­ terialien verwendet werden, wobei jedoch bei der Ver­ wendung von Siliciumcarbid-Fasern eine strenge Begren­ zung hinsichtlich der Menge und Aktivität des Titans, das in dem Glas vorliegt, von ausschlaggebender Bedeutung ist. Wenn demzufolge Siliciumcarbid-Fasern und Titan­ dioxid-Keimbildungsmittel verwendet werden, muß das Titandioxid desaktiviert werden oder unterhalb eines Anteils von 1 Gew.-% gehalten werden. Das kann dadurch erreicht werden, daß man einfach als Ersatz ein anderes Keimbildungsmittel wie Zirkoniumoxid an Stelle des üb­ lichen Titandioxids verwendet, oder daß man ein Mittel zusetzt, das die Reaktivität des Titandioxids gegenüber der Siliciumcarbidfaser maskiert. Es ist jedoch in jedem der Fälle erforderlich, entweder die Wirkungen des Titandioxids auf die Siliciumcarbidfaser auszuschließen oder zu maskieren, um ein Verbundmaterial mit guten Hochtemperaturfestigkeits-Eigenschaften zu erhalten. Während übliches Lithium-Aluminiumsilikat das bevorzugte glaskeramische Material ist, können auch andere übliche glaskeramische Materialien wie Aluminiumsilikat, Magnesium- Aluminiumsilikat und Kombinationen der obengenannten Ma­ terialien verwendet werden, solange das keramische Matrix­ material titanfrei ist (weniger als etwa 1 Gew.-%) oder maskiert ist (vergl. US-PS 43 24 843).

Im allgemeinen kann das glaskeramische Ausgangsmaterial im Glaszustand in Pulverform erhalten werden. Wenn je­ doch das keramische Material in kristalliner Form er­ halten wird, ist es erforderlich, das Material zu schmel­ zen und es in den Glaszustand zu überführen, es dann zu verfestigen und anschließend in Pulverform zu zerstampfen, vorzugsweise bis zu einer Teilchengröße von etwa -0,044 mm Teilchengröße, bevor man die erfindungsgemäß zu verwenden­ den Aufschlämmungen bereitet. Bei der Auswahl eines glas­ keramischen Materials ist es wichtig, daß eins ausge­ wählt wird, das im Glaszustand verdichtet werden kann, wobei die Viskosität niedrig genug ist, eine vollständige Verdichtung mit anschließender Überführung in einen im wesentlichen vollständig kristallinen Zustand zuzulassen. Es ist jedoch auch möglich, das kristalline Pulver-Aus­ gangsmaterial während einer Wärmevorbehandlung in den Glaszustand zu überführen, bevor man zum Zwecke der Verdichtung einen Druck anlegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Siliciumcarbidfasern ganz besonders bevorzugt. Ein Multifilament-Siliciumcarbid-Garn mit einem mittleren Faserdurchmesser bis zu 50 µm, bei­ spielsweise 5 bis 50 µm, ist ganz besonders bevorzugt. Ein derartiges Garn mit etwa 250 Fasern pro Werggarn und einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 10 µm wird von der Nippon Carbon Company of Japan hergestellt. Die durchschnittliche Festigkeit der Faser beträgt etwa 2000 MPa, und seine Einsatztemperatur erstreckt sich bis hinauf zu 1200°C. Das Garn weist eine Dichte von etwa 2,6 g/cm³ auf und einen Elastizitätsmodul von etwa 221 GPa.

Wenn die Befestigung unter Verwendung der Nieten, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstel­ len, bewirkt wird, wird das Ende der Niete genauso be­ festigt wie eine ganz gewöhnliche Niete befestigt werden würde, und zwar durch Steigerung seiner Temperatur über den Erweichungspunkt der Glasmatrix, um ein Herausrutschen zu verhindern. Im Falle der Verwendung der Ausführungs­ form als Schraube kann eine übliche Metallmutter oder eine Mutter aus einem faserverstärkten Glasmatrix- oder Glaskeramik-Matrix-Verbundmaterial, die durch Ausschnei­ den entsprechender Stücke aus einem rechteckigen Blatt des Verbundmaterials, wie es oben für die Niete be­ schrieben wurde, oder durch Spritzgießen hergestellt wurde, verwendet werden. In die aneinander zu befesti­ genden Teile werden Löcher gebohrt, in die die erfin­ dungsgemäßen Nieten und Schrauben passen.

Das Bohren eines Glaskeramikmatrix-Verbundmaterials wird am besten unter Verwendung eines Diamantkopf-Bohrers durchgeführt. Alternativ dazu können in geeigneter Wei­ se angeordnete Löcher auch bereits ausgebildet werden, wenn die eigentlichen Teile gebildet werden, z. B. durch Formen. Typen von Gegenständen, die gemäß der vorliegen­ den Erfindung befestigt werden können, sind Teile von Düsentriebwerken wie die äußeren Spitzendeckbänder, Brenn­ kammersegmente, Auskleidungen der Nachbrennkammern, Spritzleisten sowie Leitschaufeln, wobei diese Teile aus einem Glasmatrix-Verbundmaterial, einem anderen hoch­ temperaturfesten Verbundmaterial oder einem unverstärkten hochtemperaturfesten Keramikmaterial hergestellt sein können.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen gezeigt und werden im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 typische Vorformlinge, Formen und geprägte Stä­ be, die für die Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden,;

Fig. 2 eine typische Form für das Prägen oder Nachpres­ sen der Köpfe auf Nieten gemäß der vorliegenden Erfindung,;

Fig. 3 gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Nieten;

Fig. 4 eine Mikrophotographie eines Schnitts durch eine derartige Niete;

Fig. 5 eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für die gebildeten Nieten während deren Prüfung;

Fig. 6 gebrochene Nieten nach der Prüfung;

Fig. 7 eine mit einem Gewinde versehene erfindungsge­ mäße Schraube; und

Fig. 8 die Belastung, die erforderlich ist, um Gewinde in Siliciumcarbid-Glaskeramik-Verbundmaterial- Platten, die für die vorliegende Erfindung von Nutzen sind, abzuscheren.

Beispiel 1

Eine Platte mit den Abmessungen 7,6 cm×7,6 cm×0,345 cm (3 inch×3 inch×0,136 inch) aus einem mit unidirek­ tional orientierten Siliciumcarbidfasern verstärkten Lithium-aluminiumsilicat-Matrix-Verbundmaterial wurde wie in der US-PS 43 24 843 beschrieben, hergestellt. Die­ se Verbundmaterial-Platte wurde in Stäbe einer Breite von etwa 0,53 cm (0,210 inch) zerschnitten. Dabei wird eine Querschnittsfläche des Stabs erhalten, die etwa der eines runden Stabes mit einem Durchmesser von 0,48 cm (0,19 inch) entspricht. Diese rechteckigen Stäbe dienten als Vorformlinge oder Rohlinge. Eine Form für einen runden Stab wurde dadurch aufgebaut, daß man zwei Graphitplatten der Abmessungen 7,6 cm×7,6 cm×1,3 cm (3 inches×3 inches×0,5 inch), die durch eine Pa­ pierlage einer Dicke von 0,015 cm (0,006 inch) voneinander getrennt waren, verklammerte, und unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,49 cm (Bohrer Nr. 10, Durchmesser 0,1935 inch) symmetrisch entlang der Mittel­ linie der gebildeten Platte Löcher bohrte. Molybdänbleche einer Dicke von 0,0076 cm (0,003 inch) wurden so verformt, daß ihre Form der so erzeugten Graphitform entsprach. Die rechteckigen Stäbe wurden in geeigneter Weise zwischen die Molybdän-Trennblätter eingelegt, und anschließend wurde die ganze Gruppe in eine Warmpresse gegeben und in einer Stickstoffatmospähre auf 1400°C erhitzt. Sobald diese Temperatur erreicht war, wurde ein Druck ausgeübt, um die rechteckigen Stäbe zu runden Stäben zu verformen (nach­ zupressen). Die Vorformlinge sind in Fig. 1A gezeigt, die Formen in Fig. 1B und die umgepreßten Stäbe in Fig. 1C. Zur Ausbildung der Köpfe auf den Nieten wurde eine zwei­ te Nachpreß-Operation durchgeführt. Die Form für diesen Schritt ist in Fig. 2 gezeigt und bestand aus einem Graphitblock 21 mit Löchern 22, die in diesen gebohrt worden waren, um die Nieten aufzunehmen, und die einen konisch abgeschrägten Abschnitt 23 zur Ausbildung des Kopfes aufwiesen. Außerdem ist eine Preßplatte 24 zur Erzeugung der in Fig. 3 dargestellten fertigen Nieten gezeigt. Eine Mikrophotographie eines Axialschnitts durch das Verbundmaterial im Bereich des Kopfes einer der Nieten ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Nieten wurden einer Zugprüfung unterworfen. Die Köpfe wurden in eine Standard- 82°-Senkbuchse eingespannt, und der Schaft mit einer Weichmetallhülle wurde von einem Zweibacken-Spannfutter gefaßt und mit einer Geschwindigkeit von 0,127 cm/min (0,05 inch/min) deformiert, bis es zum Bruch kam. Alle Brüche traten an der Basis des Kopfes (51) auf, wie aus Fig. 6 zu erkennen ist. Dabei traten die Schäden eher allmählich als plötzlich auf, und die Proben hielten selbst nach einer beginnenden Rißbildung noch hohe Be­ lastungen aus, wie aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve in Fig. 5 zu erkennen ist.

Beispiel 2

Es wurde festgestellt, daß die Stäbe aus dem Siliciumcar­ bid-Glaskeramikmatrix-Verbundmaterial wie in Fig. 7 ge­ zeigt, mit einem Gewinde versehen werden können, und zwar durch Schneiden mit einem Einzelgewindestahl in einer Drehbank. Die Erzeugung des Gewindes kann auch durch Nachpressen in der gleichen Weise wie die Erzeugung des ursprünglichen Schafts und gleichzeitig mit dessen Formung erfolgen. Obwohl kein Bruchversuch zur Bestimmung der gepreßten Gewinde durchgeführt wurde, sind die Trag­ fähigkeitsdaten für mit Gewinde versehene Platten (Na­ tional Fine Thread number 10-32) aus einem mit 0°/90° orientierten Fasern verstärkten Glasmatrix-Verbundma­ terialien repräsentativ für die Belastung, die erforder­ lich ist, die Gewinde aus diesem Material abzuscheren. Diese Daten sind in Fig. 8 gezeigt. Es kann gezeigt wer­ den, daß die Gewindebelastungen für ein Material ge­ eignet sind, das eine Scherfestigkeit von etwa 44,7 MPa (6500 psi) aufweist.

Obwohl Mehrfach-Nachpreßtechniken zur Herstellung der Befestigungsmaterialien verwendet wurden, ist es einem Fachmann klar, daß derartige Arbeitsgänge für die Massen­ produktion automatisiert werden können, und daß für die meisten Anwendungszwecke ein einziger Nachpreßvorgang ausreicht, um das Befestigungsmittel zu formen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Befestigung eines mit Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxid-Fasern verstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials, das als Matrixmaterial Borsilicat-, Aluminiumsilicat- oder hoch-siliciumdioxidhaltiges Glas oder eine Lithium-Aluminium­ silicat-Glaskeramik enthält, an einem Bauteil aus Metall, unverstärkter Keramik, Glas oder Glaskeramik oder an einem Bauteil aus dem Verbundmaterial selbst, dadurch gekennzeichnet, daß man
aus dem Verbundmaterial Nieten oder Schrauben herstellt, indem man
aus dem Verbundmaterial zuerst durch Warmpressen ein Blatt herstellt,
das Blatt in Stäbe von im wesentlichen quadratischem Quer­ schnitt zerschneidet,
die zugeschnittenen Stäbe in einer Form zu Stäben mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt umformt, und
ein Ende der verformten Stäbe unter Bildung eines flachen Kopfabschnitts erhitzt,
und daß man in dem zu befestigenden Verbundmaterial und dem Bauteil an der Verbindungsstelle im wesentlichen konzentrische Löcher erzeugt und das Verbundmaterial durch Einschieben der Niete oder Schraube durch diese Löcher und anschließendes Schließen des offenen Endes der Niete oder der Schraube durch Warmverformung bzw. eine Mutter an dem Bauteil befestigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial einen Faseranteil von 20 bis 60 Vol.-% enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man während oder nach der Erzeugung des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts Gewinde in die Stäbe einprägt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Stäbe von kreisförmigem Querschnitt Gewinde schneidet.