DE102007029337A1

DE102007029337A1 - Korrosionsfeste Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil

Info

Publication number: DE102007029337A1
Application number: DE102007029337A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Roming; Hauke Kirstein; Thorsten SCHRÖER
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: CN101795936A; CN101795936B; JP2010531269A; RU2009144358A; BRPI0813268A2; US20100206989A1; CA2688655A1; EP2167377B1; EP2167377A1; WO2009000863A1; ATE530434T1; DE102007029337B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindung 1 zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil insbesondere mit einer Aluminiumlegierung und das zweite Bauteil insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist. Das erste Bauteil ist insbesondere ein Spant 6 und das zweite Bauteil ist vorzugsweise ein Verbindungswinkel 7, mit dem der Spant 6 an eine Rumpfzellenhaut 2 des Flugzeugs innerhalb einer Runpfzellenverstärkungsstruktur angebunden ist. Die Verbindung 1 zwischen den Bauteilen weist erfindungsgemäß zum Korrosionsschutz eine zumindest im Bereich einer Kontaktfläche 9 zwischen den Bauteilen aufgebrachte Keramikbeschichtung 16 auf, wobei die Bauteile vernietet und/oder verklebt werden. Die Keramikbeschichtung 16 hat eine Materialstärke von weniger als 0,1 mm und kann zum Beispiel mit einem GUB>) und TiO<SUB>2</SUB> gebildet sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung, insbesondere für Anwendungen in Flugzeugen, zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil mit einem metallischen Material, insbesondere mit einer Aluminiumlegierung, und das zweite Bauteil mit einem Verbundmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial, gebildet ist.
Im modernen Flugzeugbau finden zunehmend Bauteile aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen als Verbindungsanordnung zur Aussteifung der Rumpfzelle Verwendung. Die mechanische Verbindung zwischen kohlefaserverstärkten Bauteilen mit konventionellen Bauteilen, die zum Beispiel mit Aluminiumlegierungsmaterialien gebildet sind, zur Bildung einer komplexen Verbindungsanordnung ist in vielerlei Hinsicht problematisch.
Zum einen sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der genannten Werkstoffe unterschiedlich, so dass es zu temperaturinduzierten Spannungen in der Verbindung kommen kann. Zum anderen ist eine mechanische Verbindung zwischen metallischen Bauteilen und Faserverbundbauteilen insbesondere im Bereich der Kontaktfläche der Bauteile in höchstem Maße anfällig für Korrosionsprozesse.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitgehend korrosionsresistente Verbindung zwischen einem ersten mit einem Aluminiumlegierungsmaterial gebildeten Bauteil und einem zweiten mit einem Verbundmaterial gebildeten Bauteil zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil zum Korrosionsschutz zumindest im Bereich einer Kontaktfläche mit einer Keramikbeschichtung versehen ist,
werden Korrosionsprozesse zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil weitgehend verhindert.
Die Keramikbeschichtung wird bevorzugt auf das erste, insbesondere mit einer Aluminiumlegierung gebildete, Bauteil zumindest im Bereich der Kontaktfläche zwischen den Bauteilen aufgebracht. Alternativ kann auch das zweite Bauteil oder das erste und das zweite Bauteil mit einer Keramikbeschichtung versehen sein.
Das zweite Bauteil ist in der Regel mit einem kohlefaserverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterial gebildet. Besonders bevorzugt ist das zweite Bauteil mit einem kohlefaserverstärkten, hochbelastbaren thermoplastischen Kunststoffmaterial oder mit einem kohlefaserverstärkten Epoxydharzmaterial gebildet.
Die Aufbringung der Keramikbeschichtung auf das erste und/oder das zweite Bauteil erfolgt bereits herstellerseitig unter Anwendung von geeigneten Druck- und Temperaturparametern. Die Schichtdicke der Keramikbeschichtung beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 mm.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Verbindung sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einer Rumpfzelle eines Flugzeugs mit einer erfindungsgemäßen Verbindung, und
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II in der 1.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes aus einer Rumpfzelle eines Flugzeugs unter Verwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verbindung 1.
Auf einer Rumpfzellenhaut 2 einer Rumpfzelle sind eine Vielzahl von Versteifungsprofilen (so genannte "Stringer"), von denen der besseren zeichnerischen Übersicht wegen lediglich Versteifungsprofile 3 bis 5 dargestellt sind, befestigt. Die Versteifungsprofile 3 bis 5 mit einer jeweils T-förmigen Querschnittsgeometrie verlaufen im Wesentlichen gleichmäßig zueinander beabstandet parallel zu einer Längsachse der nicht dargestellten Rumpfzelle. Quer zu den Versteifungsprofilen 3 bis 5 verlaufen eine Vielzahl von Spanten, von denen gleichfalls lediglich ein Spant 6 in der Darstellung der 1 eingezeichnet ist. Der Spant 6 ist bevorzugt ein Ringspant, der mit einem hochfesten Aluminiumlegierungsmaterial gebildet ist.
Die mechanische Anbindung des Spantes 6 (erstes Bauteil) an die Rumpfzellenhaut 2 erfolgt mit einem gekrümmten Verbindungswinkel 7 (zweites Bauteil), der mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial, insbesondere mit einem hochfesten thermoplastischen Kunststoffmaterial, in das eine Vielzahl von Kohlefasern zur Bildung einer Verstärkungsfaseranordnung eingebettet ist, gebildet ist. Ein Biegeradius des bevorzugt eine L-förmige Querschnittsgeometrie aufweisenden Verbindungswinkels 7 ist dem Krümmungsradius der Rumpfzelle möglichst genau angepasst. Alternativ kann der Verbindungswinkel 7 auch mit einem kohlefaserverstärkten du roplastischen Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel einem aushärtbaren Epoxydharz mit darin eingebetteten Kohlefasern gebildet sein.
Der Verbindungswinkel 7 ist mit einer Vielzahl von Nieten 8 mit dem Spant 6 verbunden. Der Spant 6 ist zumindest im Bereich einer Kontaktfläche 9 zum Verbindungswinkel 7 mit einer in der 1 nicht dargestellten, bevorzugt dünnschichtigen Keramikbeschichtung versehen, um Korrosionsprozesse zwischen den Bauteilen im Bereich der Kontaktfläche 9 zu vermeiden. Eine Materialstärke der Keramikbeschichtung beträgt vorzugsweise weniger als 0,1 mm. Im Bereich der Kontaktfläche 9 kann weiterhin eine in der 1 nicht näher dargestellte Abdichtungsschicht angeordnet sein. Der mit dem Verbindungswinkel 7 im Bereich der Kontaktfläche 9 verbundene Spant 6 stellt die erfindungsgemäße Verbindung 1 dar, wobei zur Realisierung der Rumpfzellenverstärkungsstruktur eine Vielzahl von in den 1, 2 dargestellten Verbindungen erforderlich ist. Die Versteifungsprofile 3 bis 5 werden durch in etwa halbkreisförmige, in einen senkrechten Steg eingelassene Ausnehmungen des Winkelprofils 7, von denen eine Ausnehmung 10 exemplarisch mit einer Bezugsziffer versehen ist, unterhalb des Spants 6 bzw. "durch" den Verbindungswinkel 7 geführt. Um eine möglichst vollflächige Auflage der Versteifungsprofile 3 bis 5 auf der Rumpfzellenhaut 2 zu erreichen, ist ein unterer (Sockel- bzw. Fuß)Flansch des Winkelprofils 7 mit rechteckigen Ausnehmungen im Bereich der Versteifungsprofile 3 bis 5 versehen, deren Breite jeweils in etwa einer Breite der unteren (Sockel- bzw. Fuß-)Flansche der Versteifungsprofile 3 bis 5 entspricht.
Die Verbindung zwischen dem Verbindungswinkel 7 und der Rumpfzellenhaut 2 kann beispielsweise durch Nieten, Verschrauben und/oder durch Verkleben erfolgen.
Die 2 illustriert einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Verbindung.
Ein erster Schenkel 11 (unterer bzw. Sockelflansch) des Verbindungswinkels 7 ist mittels einer Nietverbindung 12 mit der Rumpfzellenhaut 2 verbunden. Zwischen dem Verbindungswinkel 7 und der Rumpfzellenhaut 2 ist eine Abdichtungsschicht 13 angeordnet. Mittels der Abdichtungsschicht 13 wird die Druckdichtigkeit der Rumpfzelle sichergestellt. Eine Korrosionsschutzfunktion kommt der Abdichtungsschicht 13 nicht zu. Ein zweiter Schenkel 14 (senkrechter Steg) des Verbindungswinkels 7 ist mit dem Spant 6 über eine weitere Nietverbindung 15 verbunden.
Zumindest im Bereich der Kontaktfläche 9 ist der Spant 6 mit einer Keramikbeschichtung 16 versehen. Die Keramikbeschichtung 16 weist eine Materialstärke von bis zu 0,1 mm auf und ist zum Beispiel mit einem Keramikmaterial aus Al₂O₃ (Aluminiumoxid) sowie TiO₂ gebildet. Die Keramikbeschichtung 16 kann alternativ mit anderen Keramikmaterial und/oder chemischen Verbindungen gebildet sein, solange diese eine hinreichende elektrische Isolationsfähigkeit aufweisen, um die vor allem elektrolytisch wirkenden Korrosionsprozesse (Kontaktkorrosion) zwischen dem Verbindungswinkel 7 und dem im Ausführungsbeispiel mit einer Aluminiumlegierung gebildeten Spant 6 zu verhindern.
Die Keramikbeschichtung 16 kann beispielsweise mit dem so genannten "HVOF"-Prozess ("high velocity oxy fuel"-Verfahren) auf die Kontaktfläche 9 aufgespritzt werden. Das Aufspritzen der Keramikpartikel zur Bildung der Keramikbeschichtung 16 erfolgt hierbei mittels konvergierender oder divergierender (Laval-)Düsen unter Einsatz von z. B. Kerosin bei einer Temperatur von bis zu 3.500°C. Die Keramikpartikel werden durch einen Flammenbogen auf 2.000 bis 2.500 m/s beschleunigt und mit dieser hohen Geschwindigkeit gegen die Kontaktfläche 9 gespritzt. Dennoch kühlen sich die Keramikpartikel recht schnell ab, wodurch eine zu starke Erhitzung im Arbeitsbereich vermieden wird. Infolge der außerordentlich hohen Aufprallgeschwindigkeit der Keramikpartikel auf die Kontaktfläche 9 verbinden sich diese in einem schmiedeähnlichen Prozess äußerst fest mit der Bauteiloberfläche. Die Keramikbeschichtung 16 ist damit im Ergebnis sehr hart und verschleißfest. Unbeschadet des hohen Härtegrades der Keramikbeschichtung 16 platzt diese im Fall von Deformationen im Bereich der Kontaktfläche 9 nicht von dieser ab.
Die Keramikbeschichtung 16 lässt sich sowohl auf Bauteilen aus Aluminiumlegierungen als auch auf Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterialien aufbringen.
Alternativ ist es möglich, auch das zweite Bauteil, das mit dem nicht metallischen Werkstoff gebildet ist (in der Regel ein CFK-Verbundmaterial), mit einer zumindest bereichsweisen Keramikbeschichtung im Bereich der Kontaktfläche 9 zwischen den Bauteilen zu versehen. Die Keramikbeschichtung des zweiten Bauteils im Bereich der Kontaktfläche kann alternativ oder zusätzlich zu der Beschichtung des in der Regel mit einem metallischen Werkstoff (in der Regel eine hochfeste Aluminiumlegierung) gebildeten ersten Bauteils erfolgen.
Die ruhende bzw. unbewegliche Verbindung 1 mit einer zumindest im Bereich der Kontaktfläche 9 zwischen den Bauteilen angeordneten Keramikbeschichtung 16 ist über das im Rahmen der Beschreibung der 1, 2 exemplarisch erläuterte Ausführungsbeispiel im Bereich der Rumpfzellenstruktur eines Flugzeugs für korrosionsresistente Befestigungs- und Verbindungsanwendungen zwischen Bauteilen aller Art in Flugzeugen geeignet.

1: Verbindungsanordnung
2: Rumpfzellenhaut
3: Versteifungsprofil (Stringer)
4: Versteifungsprofil (Stringer)
5: Versteifungsprofil (Stringer)
6: Spant
7: Verbindungswinkel
8: Niet
9: Kontaktfläche
10: Ausnehmung (Verbindungswinkel)
11: erster Schenkel (Verbindungswinkel)
12: Nietverbindung
13: Abdichtungsschicht
14: zweiter Schenkel (Verbindungswinkel)
15: Nietverbindung
16: Keramikbeschichtung

Claims

Verbindung (1), insbesondere für Anwendungen in Flugzeugen, zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, wobei das erste Bauteil mit einem metallischen Material, insbesondere mit einer Aluminiumlegierung, gebildet ist und das zweite Bauteil mit einem Verbundmaterial, insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil zum Korrosionsschutz der Verbindung zumindest im Bereich einer Kontaktfläche (9) mit einer Keramikbeschichtung (16) versehen ist.
Verbindung (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil insbesondere ein Spant (6) ist.
Verbindung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil insbesondere ein Verbindungswinkel (7) zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen dem Spant (6) und einer Rumpfzellenhaut (2) des Flugzeugs ist.
Verbindung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikbeschichtung (16) insbesondere mit Al₂O₃, TiO₂ oder einem anderem Keramikmaterial gebildet ist.
Verbindung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Keramikbeschichtung (16) weniger als 0,1 mm beträgt.
Verbindung (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungswinkel (7) insbesondere mit einem kohlefaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist.