DE69807306T2

DE69807306T2 - Metallmatrixverbundkörper mit hoher Steifigkeit und hoher Stabilität in Längsrichtung

Info

Publication number: DE69807306T2
Application number: DE69807306T
Authority: DE
Inventors: Laetitia Billaud; Jocelyn Gaudin; Martine Nivet Lutz; Joel Poncy
Original assignee: European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Current assignee: Airbus Defence and Space SAS
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP4283359B2; FR2772049B1; EP0922779B1; JPH11256254A; RU2217522C2; EP0922779A1; US6197411B1; ES2182246T3; FR2772049A1; DE69807306D1; CA2255402A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Teil einer gestreckten Form aus einem Verbundstoff, der eine Metallmatrix auf Aluminium- oder Magnesiumbasis sowie durchgehende Carbonfasern, die in aufeinanderliegenden Schichten angeordnet sind, umfasst.
Im gesamten Text bezeichnet der Ausdruck "durchgehende Fasern" Fasern großer Länge, die sich ohne Unterbrechung von einem Ende des Teils zum anderen oder über den gesamten Umfang oder die Begrenzungslinie entsprechend der den Fasern im Inneren des Teils gegebenen Ausrichtung erstrecken.
Andererseits bezeichnet der Ausdruck "gestrecktes Teil" jedes Teil (Platte, Stange, Rohr und dgl.), das in einer gegebenen Richtung, die als "Längsrichtung" bezeichnet wird, in welcher Kräfte übertragen werden müssen, eine größere Dimension aufweist.
Ferner bezeichnet der Ausdruck "Schicht" hier jede Schicht von gewebten oder nicht-gewebten Fasern ungeachtet des Herstellungsverfahrens (Ausbreiten, Aufwickeln und dgl.).
Das erfindungsgemäße Metallmatrixverbundstoffteil ist besonders geeignet für Verwendungszwecke in der Raumfahrtindustrie und in allgemeinerer Form für jeden Verwendungszweck, der eine große Dimensionsstabilität impliziert.

Stand der Technik

Die unterschiedlichen Strukturteile von Satelliten, Sonden und anderen zur Verwendung im Raum bestimmten Maschinen sind besonders hohen, insbesondere mechanischen und thermischen Beanspruchungen unterworfen.
So müssen während der Montage und Versuchen am Boden die Wirkungen der Schwerkraft, der Feuchtigkeit und der Temperatur mit Aufmerksamkeit überwacht werden.
Während der Startphase überträgt die Rakete starke Schubkräfte und Schwingungen auf das Raumfahrzeug.
Schließlich erfährt das Gerät, wenn es in Betrieb ist, entsprechend seinen unterschiedlichen Flächen, die von der Sonne beleuchtet oder nicht beleuchtet sind, sehr starke Temperaturschwankungen. Zu dieser Beanspruchung kommt das Verbringen des Fahrzeugs in Vakuum hinzu, das ein Freisetzen von Feuchtigkeit zur Folge haben kann.
Bei Vorliegen all dieser Beschränkungen stellt die Realisierung von Strukturteilen ein delikates Problem dar, wenn sie insbesondere als Träger von Vorrichtungen hoher Präzision, wie zu optischen Systemen gehörende Spiegel, dienen.
In diesem Zusammenhang gibt es derzeit kein Material, das als solches eine Dimensionsstabilität und Festigkeit aufweist, die zur Realisierung von Strukturteilen, die die im vorhergehenden angegebenen Beanspruchungen unter gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Positionierungsgenauigkeit aushalten können, ausreichen. Deshalb sind mehr oder weniger komplexe Wärmeregler manchmal mit derartigen Teilen verbunden.
So zeigen die Metallteile immer einen von Null verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten, der sich in einer Positionierungsinstabilität zeigt, wenn das Teil Wärmeschwankungen erfährt. Ferner ist die Festigkeit rein metallischer Teile im allgemeinen für die betrachtete Anwendung unzureichend.
Verbundstoffteile mit organischer Matrix sind für Temperaturschwankungen viel weniger empfänglich und sie können eine erhöhte Festigkeit in der Längsrichtung des Teils bieten. Doch besitzen sie den deutlichen Nachteil, dass sie, wenn sie in Vakuum bzw. luftleeren Raum gelangen, das Wasser, das sie absorbierten, während sie sich auf der Erde befanden, fortschreitend desorbieren. Diese fortschreitende Desorption zeigt sich in Dimensionsänderungen des Teils. Sie erfordert das Durchführen von sehr einschränkenden Verfahren bei der Herstellung des Raumfahrzeugs. Sie führt auch dazu, dass dieses Fahrzeug mit mehr oder weniger komplexen Einrichtungen ausgestattet wird, die eine Neupositionierung der Hochpräzisionsgeräte, wenn sie sich im Weltraum befinden, ermöglichen. Es handelt sich jedoch um delikate und energieaufwändige Operationen, was die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs beeinflussen und dessen Lebensdauer vermindern kann.
Die Verwendung von Metallmatrixverbundstoffteilen ermöglicht aufgrund des Vorhandenseins von durchgehenden Fasern eine deutliche Erhöhung der Festigkeit gegenüber rein metallischen Teilen. Ferner werden die Probleme von Dimensionsänderungen aufgrund der Desorption im luftleeren Raum vermindert. Diese Vorteile sind insbesondere im Artikel "High Stable Advanced Materials For Space Telescope, An Application Of Metal Matrix Composites" von C. Désagulier et al., IAF-96-I.3.01, im Falle von Carbonfaser-Aluminium- und Carbonfaser-Magnesium-Verbundstoffen dargelegt. Genauer gesagt empfiehlt dieser Artikel die Verwendung von Carbonfasern eines supergroßen Moduls und er gibt an, dass eine Lage oder eine Grund"falte", die einen longitudinalen Wärmeausdehnungskoeffizienten αL von 1·10&supmin;&sup6;/ºC (Magnesiummatrix) oder 1,27·10&supmin;&sup6;/ºC (Aluminiummatrix) und ein longitudinales Zugmodul EL von 280 GPa (Magnesiummatrix) oder 302 GPa (Aluminiummatrix) aufweist, erhalten werden kann.
Jedoch wird kein Verfahren vorgeschlagen, das die Realisierung eines massiven Teils (Gruppe von Schichten), das einen longitudinalen Wärmeausdehnungskoeffizienten αL von praktisch Null, d. h. dessen Absolutwert vorzugsweise unter 0,2·10&supmin;&sup6;/ºC liegt, aufweisen muss, betrifft.
In Dokument EP-A-0 164 536 wird ein Verbundstoff vorgeschlagen, der aus Carbonfasern und einer Metallmatrix aus einer Magnesiumlegierung, die Aluminium, Zirconium und Zink enthält, gebildet ist. Zur Herstellung dieses Materials wird ein Bündel paralleler Carbonfasern hoher Festigkeit in ein längliches Gehäuse aus rostfreiem Stahl, das auf etwa 700ºC vorgeheizt ist und sich im Hohlraum einer Druckgießform, die auf etwa 200ºC vorgeheizt ist, derart befindet, dass die Öffnung des Gehäuses nach oben gerichtet ist, eingeführt. Die geschmolzene Magnesiumlegierung wird dann bei etwa 700ºC in den Hohlraum gegossen und danach wird ein ebenfalls auf etwa 200ºC vorgeheizter Kolben auf den oberen Teil der Form gepresst, um die geschmolzene Legierung zu komprimieren und beim Abkühlen der Vorrichtung ein Eindringen in das Faserbündel zu bewirken. Nach dem Entfernen des Kolbens wird das verfestigte Teil durch einen Stössel nach oben entnommen. Das fertige Teil wird durch eine Behandlung, während der das Gehäuse entfernt wird, erhalten.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist, genauer gesagt, ein Metallmatrixverbundstoffteil, dessen ursprüngliche Gestaltung möglich macht, dass es gleichzeitig eine hohe Festigkeit und eine große Dimensionsstabilität aufweist, sodass es insbesondere im Weltraum verwendet werden kann, um dort Hochpräzisionsgeräte zu tragen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird dieses Ergebnis mittels eines Metallmatrixverbundstoffteils einer in einer gegebenen Richtung gestreckten Form, dadurch gekennzeichnet, dass es jeweils zu 35 bis 45 Vol.-% eine Matrix aus einer Legierung auf Aluminiumbasis und zu 65 bis 55 Vo.-% durchgehende Carbonfasern, die in aufeinanderfolgenden Schichten parallel zu dieser Richtung angeordnet sind, umfasst, wobei mindestens etwa 90% der Carbonfasern Fasern eines supergroßen Moduls sind, die einen Zugmodul von mindestens gleich etwa 650 GPa aufweisen, wobei die Fasern eines supergroßen Moduls in Bezug auf diese Richtung auf 0º ± 5º in etwa 25 bis etwa 60% der Schichten und zwischen ±20º und ±40º in den anderen Schichten ausgerichtet sind, erhalten.
In diesem Fall ist die Matrix aus einer Legierung auf Aluminiumbasis vorzugsweise eine Legierung des Typs AG10, die insbesondere etwa 10 Vol.-% Magnesium enthält.
Vorteilhafterweise sind die Fasern eines supergroßen Moduls auf 0º ± 5º in 45 bis 55% der Schichten und vorzugsweise in etwa 50% der Schichten ausgerichtet.
Ferner sind die Fasern eines supergroßen Moduls vorteilhafterweise auf etwa ±25º in den anderen Schichten ausgerichtet.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die angestrebten Eigenschaften erreicht durch ein Metallmatrixverbundstoffteil einer in einer gegebenen Richtung gestreckten Form, das eine Matrix aus einer Legierung auf Magnesiumbasis und durchgehende Carbonfasern, die in aufeinanderfolgenden Schichten parallel zu dieser Richtung angeordnet sind, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es jeweils zu 35 bis 45 Vol.-% diese Matrix und zu 65 bis 55 Vol.-% diese Carbonfasern umfasst, wobei mindestens etwa 90 % der Carbonfasern Fasern eines supergroßen Moduls sind, die einen Zugmodul von mindestens gleich etwa 650 GPa aufweisen, wobei die Fasern eines supergroßen Moduls in Bezug auf diese Richtung auf 0º ± 5º in mindestens 90% der Schichten ausgerichtet sind.
In diesem Fall ist die Matrix aus einer Legierung auf Magnesiumbasis vorzugsweise eine Legierung des Typs GA9Z1, die insbesondere etwa 9 Vol.-% Aluminium enthält.
Vorteilhafterweise sind die Fasern eines supergroßen Moduls auf 0º ± 5º in etwa 100% der Schichten ausgerichtet.
In den beiden Ausführungsformen zeigen die Teile zumindest in Längsrichtung eine fast vollkommene Stabilität. Tatsächlich erfolgt, wie bei allen Metallteilen oder Teilen mit einer Metallmatrix, auf dem Boden keine Feuchtigkeitsadsorption derart, dass sich die Dimensionen nicht ändern, wenn das Teil in den luftleeren Raum gebracht wird. Ferner ist aufgrund der erfindungsgemäßen materialeigenen Eigenschaften der Wärmeausdehnungskoeffizient αL in Längsrichtung praktisch Null. Tatsächlich ist dessen Absolutwert kleiner als 0,2·10&supmin;&sup6;/ºC oder nahe diesem Wert.
Ferner zeigt ein Teil gemäß der Erfindung in der im vorhergehenden genannten Längsrichtung eine hohe spezifische Festigkeit. Genauer gesagt ist die spezifische Festigkeit in dieser Richtung als das Verhältnis zwischen dem Zugmodul in Längsrichtung EL und der spezifischen Dichte ρ definiert, wobei dieses Verhältnis in den meisten Fällen größer als 100 MPa ist.
Vorzugsweise sind zumindest bestimmte Schichten Gewebe, beispielsweise der Art Mull, die etwa 90% Kettfäden, die aus durchgehenden Carbonfasern eines supergroßen Moduls bestehen, und etwa 10% Schussfäden, die aus anderen durchgehenden Carbonfasern eines geringeren Moduls bestehen, umfassen. Die Funktion der Schussfäden ist das Zusammenhalten der Kettfäden.
Vorzugsweise sind die Schichten spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittenlängsfläche parallel zur Längsrichtung angeordnet.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Gemäß der Erfindung muss, damit ein Teil einer gestreckten Form gleichzeitig eine sehr große spezifische Festigkeit und eine praktisch vollkommene Dimensionsstabilität in seiner Längsrichtung aufweist, dieses Teil aus einem Metallmatrixverbundstoff, der klar bestimmte Eigenschaften aufweist, ausgeführt sein.
Der Ausdruck "sehr große spezifische Festigkeit in Längsrichtung" kennzeichnet ein Verhältnis zwischen dem Zugmodul EL und der spezifischen Dichte ρ in dieser Richtung von im allgemeinen größer als 100 GPa. In den bevorzugten Ausführungsformen, die beschrieben werden, wird diese Aufgabe erreicht, da die in der Längsrichtung ermittelte spezifische Festigkeit 119 GPa (Matrix auf Aluminiumbasis) bzw. 197 (Matrix auf Magnesiumbasis) beträgt.
In ähnlicher Weise bedeutet der Ausdruck "praktisch vollständige Dimensionsstabilität in Längsrichtung", dass der Absolutwert des Wärmeausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung αL im allgemeinen kleiner als 0,2·10&supmin;&sup6;/ºC ist. In den bevorzugten Ausführungsformen wird dieses Ergebnis auch erreicht, da der Absolutwert des ermittelten Wärmeausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung 0,08·10&supmin;&sup6;/ºC (Matrix auf Aluminiumbasis) oder 0,01·10&supmin;&sup6;/ºC (Matrix auf Magnesiumbasis) beträgt.
Gemäß der Erfindung umfasst das zur Herstellung eines Teils einer gestreckten Form verwendete Verbundmaterial eine Matrix aus einer Legierung auf Aluminium- oder Magnesiumbasis sowie durchgehende Carbonfasern, die in aufeinanderfolgenden Schichten parallel zur Längsrichtung des Teils angeordnet sind.
Genauer gesagt bilden die Matrix und die Fasern etwa 40% bzw. etwa 60% des Gesamtvolumens des Teils. Wenn das Teil ein oder mehrere Bestandteile, die in einem anderen Material. beispielsweise einem Metall, ausgeführt sind, umfasst, betrifft dieser Volumenanteil nur den aus Verbundmaterial ausgeführten Teil des Teils. In der Praxis geben die Ausdrücke "etwa 40%" und "etwa 60%" an, dass die Matrix 35 bis 45% des Gesamtvolumens des Teils ausmacht bzw. die Fasern 65 bis 55% dieses Volumens ausmachen.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Legierung, in der die Matrix ausgeführt ist, eine Aluminiumlegierung, die insbesondere etwa 10 Vol.-% Magnesium enthält. Eine derartige Legierung ist im allgemeinen unter der Bezeichnung "Legierung AG10" bekannt.
In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens etwa 90% der durchgehenden Carbonfasern Fasern eines supergroßen Moduls, d. h. Fasern, deren Zugmodul mindestens gleich etwa 650 GPa ist. Genauer gesagt sind die durchgehenden Carbonfasern die Fasern "K139" der Firma MITSUBISHI.
Ferner sind die Carbonfasern eines supergroßen Moduls zwischen -5º und +5º in Bezug auf die Längsrichtung des Teils in 45 bis 55% der Schichten ausgerichtet. In den übrigen Schichten, d. h. in jeweils 55 bis 45% der Schichten, sind die Carbonfasern eines supergroßen Moduls abwechselnd in der einen oder anderen Richtung zwischen 20º und 40º in Bezug auf die Längsrichtung des Teils ausgerichtet.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Teil eine gerade Zahl von Faserschichten und diese Schichten sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittenlängsfläche parallel zur Längsrichtung angeordnet. Diese Oberfläche ist eben oder zylindrisch, je nachdem, ob das Teil einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist.
In jeder der Schichten sind die Fasern eines supergroßen Moduls untereinander parallel und sie erstrecken sich von einem Ende des Teils zum andern entsprechend der Längsrichtung desselben.
Ein erfindungsgemäßes Teil wird hergestellt, indem zunächst eine Faservorform hergestellt wird und danach diese Vorform mit Legierung gefüllt wird, wobei die Matrix gebildet wird. Die Ausführung der Faservorform hängt von der Form des herzustellenden Teils ab. Insbesondere können Fasern eines supergroßen Moduls allein (im Falle eines Umwickelns), in Verbindung mit anderen Fasern (im Falle eines Gewebes) oder unter Kombination dieser beiden Verfahren verwendet werden.
Wenn alle Schichten nur aus Fasern mit supergroßem Modul, die in jeder Schicht untereinander parallel sind, gebildet sind, besteht die Gesamtheit der Carbonfasern, die die Fasermatrix bilden, aus Fasern eines supergroßen Moduls. Wenn andererseits alle Schichten die Form eines Gewebes, in dem die Fasern eines supergroßen Moduls den Kettfaden bilden, aufweisen, sind etwa 90% der Fasern der Fasermatrix Fasern eines supergroßen Moduls. In bestimmten Fällen wird ein Teil der Schichten nur aus Fasern eines supergroßen Moduls gebildet und die anderen Schichten werden aus Geweben gebildet. Entsprechend dem Prozentsatz der Schichten jeder Kategorie liegt der Prozentsatz der Fasern eines supergroßen Moduls in der Faservorform daher zwischen etwa 90% und 100%.
Im Falle des beschriebenen Beispiels sind die Fasern eines supergroßen Moduls verwebt, um diese Fasern in der betrachteten Schicht untereinander zusammenzuhalten, um eine zufriedenstellende Fertigung des Teils zu gewährleisten. Um diesen Zusammenhalt zu gewährleisten, wird daher ein Gewebe, beispielsweise des Typs Mull, ausgeführt, das etwa 90% Kettfäden, die aus Carbonfasern eines supergroßen Moduls bestehen, und etwa 10% Schussfäden, die aus anderen durchgehenden Carbonfasern bestehen, eines geringeren Moduls umfasst. In dieser beschriebenen ersten Ausführungsform sind die anderen Fasern Fasern des Typs "M40" oder "M50" der Firma TORAY.
Ein erfindungsgemäßes Metallmatrixverbundstoffteil wird durch Spritzgießen hergestellt.
Gemäß diesem Verfahren werden in einen hermetisch verschließbaren Behälter, der einem Autoklaven vergleichbar ist, ein Tiegel, der Blöcke der Legierung, die die Matrix des Teils bilden soll, enthält, sowie eine Form, in die zuvor die Faservorform, die zuvor gemäß dem im vorhergehenden beschriebenen Aufbau hergestellt wurde, eingeführt wurde, gegeben.
In einer ersten Stufe werden das Innere des Behälters und der Form evakuiert, der die Metalllegierungsblöcke enthaltende Tiegel erhitzt und die Form vorerhitzt.
Wenn die im Tiegel enthaltene Legierung vollständig geschmolzen ist, wird sie ins Innere der Form transportiert. Dieser Transport erfolgt automatisch, indem der Behälter automatisch auf eine Druckhöhe, die im allgemeinen zwischen etwa 30 bar und etwa 100 bar liegt, mit Druck beaufschlagt wird.
Sobald die Form gefüllt ist, wird das Abkühlen des Teils beschleunigt, indem ein Kühlmittel mit einer Wand der Form in Kontakt gebracht wird. Solange die Temperatur nicht unter den Festpunkt der Legierung zurückgegangen ist, wird der Druck im Behälter beibehalten, um das natürliche Zurückziehen des Metalls zu kompensieren.
Für weitere Details, die die bekannten Hauptverfahren zur Durchführung dieses Verfahrens betreffen, sei auf den Artikel "Pressure Infiltration Casting of Metal Matrix Composites" von Arnold J. Cook und Paul S. Werner in "Materials Science and Engineering" A 144 (Oktober 1991), S. 189-2206 verwiesen.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung wurden sechs, mit 1 bis 6 nummerierte unterschiedliche Metallmatrixverbundstoffteile einer gestreckten Parallelepipedform durch dieses Spritzgussverfahren hergestellt. Die mit 1 bis 5 nummerierten Teile wiesen die gleichen Dimensionen von 260 mm · 130 mm · 3 mm auf. Das als 6 nummerierte Teil wies die Dimensionen 160 mm · 80 mm · 3 mm auf. Alle Teile wiesen die gleiche Matrix AG10 auf. Sie unterschieden sich im wesentlichen durch die Struktur ihrer Faservorform. Tatsächlich war, wenn jede dieser Vorformen aus sechzehn (die Teile 1 bis 5) oder zehn (Teil 6) Gewebeschichten, die jeweils 90% der Fasern K139 und 10% der Fasern M40 (die Teile 1 bis 5) oder M50 (Teil 6) umfassten, gebildet wurde, die Ausrichtung der Fasern K139 eines supergroßen Moduls von einer Vorform zur anderen unterschiedlich. Diese Ausrichtung ist in Tabelle I angegeben. TABELLE I
Die durch Tabelle I definierten Vorformen entsprechen Referenzteilen, die es ermöglichen, die Bedeutung der Ausrichtung der Fasern im Inneren des Verbundmaterials, um zum gewünschten Ergebnis zu gelangen, aufzuzeigen.
Ausgehend von den auf diese Weise ausgeführten Vorformen wurde danach jedes der Teile durch das Spritzgussverfahren unter identischen Herstellungsbedingungen hergestellt. Diese Bedingungen sind die folgenden:
- Temperatur des aus der Aluminiumlegierung AG10 bestehenden Metallbads: 720ºC;
- Temperatur der Vorform: 670ºC;
- maximaler Infiltrationsdruck: 60 bar;
- Druckerhöhung: 1 bar/s;
- mittlere Abkühlgeschwindigkeit: etwa 50ºC/min.
Prüflinge wurden dann mit dem Diamantschneider von jedem der auf diese Weise erhaltenen Teile abgeschnitten, um insbesondere mechanische Tests und physikalische Messungen durchführen zu können.
Vor dem Abschneiden von Prüflingen wurde die Infiltration der Legierung in die Faservorformen gleichzeitig durch Röntgenographie und metallographische Beobachtungen kontrolliert. Diese Kontrollen zeigten eine sehr gute Infiltration der Vorform und die Abwesenheit von Gussfehlern.
Die an den durch mechanische Bearbeitung der Teile erhaltenen Prüflingen durchgeführten mechanischen Tests sind hauptsächlich Zugtests. Die physikalischen Messungen betreffen insbesondere den Wärmeausdehnungskoeffizienten in Querrichtung, den Wärmeausdehnungskoeffizienten in Längsrichtung und den volumenbezogenen Anteil der Faser.
Die physikalischen Messungen zeigten, dass die volumenbezogene Masse des Verbundstoffs immer zwischen 2,26 g/cm³ und 2,30 g/cm³ lag.
Die Ergebnisse der mechanischen Tests und der physikalischen Untersuchungen, die an jedem der Prüflinge bei Umgebungstemperatur (etwa 20ºC) durchgeführt wurden, sind in Tabelle II zusammengefasst. TABELLE II
In dieser Tabelle bezeichnet der Ausdruck "Richtung L" die Längsrichtung, der Ausdruck "Richtung T" die Querrichtung und die in Klammern angegeben Werte geben die Zahl der jedesmal durchgeführten Versuche an.
Die in Tabelle II angegebenen Ergebnisse zeigen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient αL in Längsrichtung von Teil 1 bis Teil 5 als Absolutwert fortschreitend abnimmt, wobei die Teile 2, 3 und 6 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in dieser Richtung von im wesentlichen gleichem Wert zeigen. Nur die Teile 4 und 5 zeigen einen Koeffizienten αL von kleiner als 0,2·10&supmin;&sup6;/ºC in der Längsrichtung. Ferner zeigen nur die Teile 1, 5 und 6 eine spezifische Festigkeit in der Längsrichtung EL/ρ von größer als 100 GPa.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt das Teil 5 daher den besten Kompromiss zwischen einem gleichzeitigen Erreichen von hoher Festigkeit und großer Stabilität in der Längsrichtung.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Matrix aus einer Legierung auf Magnesiumbasis, die insbesondere etwa 9 Vol.-% Aluminium enthält, ausgeführt. Diese Legierung ist vom Typ GA9Z1 hoher Reinheit.
Wie in der ersten beschriebenen Ausführungsform weisen die Matrix und die durchgehenden Carbonfasern Volumenanteile von etwa 60% bzw. etwa 60% auf.
In dem zur Erläuterung dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung gewählten Beispiel wird eine Vorform ausgehend von einem Aufeinanderstapeln von Gewebeschichten ausgeführt. Das Gewebe umfasst etwa 90 Vol.-% Carbonfasern eines supergroßen Moduls des Typs K139, die in Längsrichtung angeordnet sind, und 10% Carbonfasern des Typs M50, die in Querrichtung angeordnet sind, um die Fasern K139 zusammenzuhalten.
Das Aufeinanderstapeln der Gewebeschichten wird derart ausgeführt, dass in allen Schichten die Fasern eines sußergroßen Moduls auf 0º ± 5º in Bezug auf die Längsrichtung des Teils ausgerichtet sind.
Wie in der beschriebenen ersten Ausführungsform wird das Teil durch Spritzguss unter den im folgenden angegebenen Bedingungen hergestellt:
- Temperatur des Magnesiumlegierungsbads GA9Z1: 750ºC;
- Temperatur der Vorform: 750ºC;
- maximaler Infiltrationsdruck: 60 bar;
- Druckerhöhung: 1 bar/s;
- mittlere Abkühlgeschwindigkeit: etwa 25ºC/min.
Proben des erhaltenen Teils mit der Bezeichnung "Teil 7" wurden abgeschnitten, um die gleichen mechanischen und physikalischen Messungen wie für die Teile 1 bis 6, die die erste Ausführungsform der Erfindung erläutern, durchzuführen.
Die volumenbezogene Masse des Teils 7 wurde zu 1,95 g/cm³ durch physikalische Messungen bestimmt.
Die Tabelle III gibt bei Raumtemperatur (etwa 20ºC) die Ergebnisse der durchgeführten mechanischen und physikalischen Messungen an (die Bezeichnungen sind wie in Tabelle II). TABELLE III
Die Betrachtung der Tabelle III zeigt, dass Teil 7 als Absolutwert einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αL in Längsrichtung von sehr viel kleiner als 0,2·10&supmin;&sup6;/ºC aufweist. Ferner ist die spezifische Festigkeit EL/ρ in Längsrichtung bei weitem größer als 100 GPa. Die angestrebten Aufgaben werden daher auch durch diese zweite Ausführungsform der Erfindung erreicht, wenn die Ausdrichtung der Fasern 0º ± 5º in mindestens 90% der Schichten beträgt.
Folglich zeigen die erfindungsgemäßen Metallmatrixverbundstoffteile mechanische und physikalische Eigenschaften, die deren Verwendung insbesondere in der Raumfahrtindustrie für alle Anwendungen, die gleichzeitig eine hohe Festigkeit und eine hervorragende Stabilität in der Längsrichtung des Teils erfordern, ermöglichen.

Claims

1. Metallmatrixverbundstoffteil einer in einer gegebenen Richtung gestreckten Form, dadurch gekennzeichnet, dass es jeweils zu 35 bis 45 Vol.-% eine Matrix aus einer Legierung auf Aluminiumbasis und zu 65 bis 55 Vol.-% durchgehende Carbonfasern, die in aufeinanderfolgenden Schichten parallel zu dieser Richtung angeordnet sind, umfasst, wobei mindestens etwa 90% der Carbonfasern Fasern eines supergroßen Moduls sind, die einen Zugmodul von mindestens gleich etwa 650 GPa aufweisen, wobei die Fasern eines supergroßen Moduls in Bezug auf diese Richtung auf 0º ± 5º in etwa 25 bis etwa 60% der Schichten und zwischen +20º und +40º in den anderen Schichten ausgerichtet sind.

2. Teil nach Anspruch 1, in dem die Matrix aus einer Legierung auf Aluminiumbasis, die etwa 10 Vol.-% Magnesium enthält, besteht.

3. Teil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Fasern eines supergroßen Moduls auf 0º ± 5º in 45 bis 55% der Schichten ausgerichtet sind.

4. Teil nach Anspruch 3, in dem die Fasern eines supergroßen Moduls auf 0º ± 5º in etwa 50% der Schichten ausgerichtet sind.

5. Teil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Fasern eines supergroßen Moduls auf etwa ±25º in den anderen Schichten ausgerichtet sind.

6. Metallmatrixverbundstoffteil einer in einer gegebenen Richtung gestreckten Form, das eine Matrix aus einer Legierung auf Magnesiumbasis und durchgehende Carbonfasern, die in aufeinanderfolgenden Schichten parallel zu dieser Richtung angeordnet sind umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass es jeweils zu 35 bis 45 Vol.-% die Matrix und zu 65 bis 55 Vol.-% die Fasern umfasst, wobei mindestens etwa 90% der Carbonfasern Fasern eines supergroßen Moduls sind, die einen Zugmodul von mindestens gleich etwa 650 GPa aufweisen, wobei die Fasern eines supergroßen Moduls auf 0º ± 5º in Bezug auf diese Richtung in mindestens 90% der Schichten ausgerichtet sind.

7. Teil nach Anspruch 6, in dem die Matrix eine Legierung auf Magnesiumbasis, die etwa 9 Vol.-% Aluminium enthält, ist.

8. Teil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, in dem die Fasern eines supergroßen Moduls auf 0º ± 5º in etwa 100 % der Schichten ausgerichtet sind.

9. Teil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem mindestens einige der Schichten Gewebe sind, die zu etwa 90% Kettfäden, die aus den durchgehenden Carbonfasern eines supergroßen Moduls gebildet sind, und zu etwa 10% Schussfäden, die aus anderen durchgehenden Carbonfasern gebildet sind, eines geringeren Moduls umfassen.

10. Teil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Fasern eines supergroßen Moduls sich von einem Ende des Teils bis zum anderen in dieser Richtung erstrecken.

11. Teil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Schichten spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittenlängsfläche parallel zu dieser Richtung angelegt sind.

12. Teil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das zu einem Raumfahrzeug gehört.