DE69705907T2

DE69705907T2 - Herstellungsverfahren eines faserverstärkten metallischen Teils

Info

Publication number: DE69705907T2
Application number: DE69705907T
Authority: DE
Inventors: Phillip John Doorbar; Charles Richard Talbot; Edwin Stephen Twigg
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2017-09-10
Also published as: EP0831154A1; EP0831154B1; GB9619890D0; DE69705907D1; US5946801A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Metallzylindern, beispielsweise von Metallringen und Metallscheiben.
Die ideale Anordnung besteht bei einem faserverstärkten Metallring oder einer faserverstärkten Metallscheibe darin, die Fasern in Umfangsrichtung derart anzuordnen, daß sie sich kontinuierlich ohne Bruch in einer völlig dichten Metallmatrix erstrecken. Dies ist schwierig zu erreichen, weil in der Praxis eine gewisse Bewegung erforderlich ist, um eine gute Diffusionsverbindung und eine Dichte zwischen den Faserlagen zu erreichen. Die Fasern, die zur Verstärkung der Metallmatrix benutzt werden, sind Keramikfasern, und Keramikfasern besitzen ein sehr geringes Streckvermögen bis zu ihrem Bruch, welches im typischen Fall 1% beträgt. Wenn bei der Verdichtung ein Radialdruck von der inneren Oberfläche des Rings her ausgeübt wird, dann werden die kontinuierlich verlaufenden Keramikfasern einer hohen Zugbeanspruchung ausgesetzt, und dies führt zu einem Faserbruch und zu einem Verlust der strukturellen Integrität. Wenn bei der Verfestigung ein radialer Druck von der äußeren Oberfläche des Rings ausgeübt wird, dann werden die kontinuierlichen Keramikfasern ausgebeult oder ausgeknickt, und auch hierdurch wird die strukturelle Integrität vermindert. Wenn die Verfestigung unter Benutzung radialer Drücke sowohl von der Innenseite her als auch von der Außenseite des Ringes her erfolgt, dann brechen die kontinuierlichen Keramikfasern entweder unter der hohen Zugbeanspruchung in den radial inneren Lagen der Keramikfasern, oder sie beulen sich in den radial äußeren Lagen der Keramikfasern aus. Die resultierenden faserverstärkten Metallringe enthalten deshalb zahlreiche zufällige Faserbrüche, und demgemäß hat der faserverstärkte Metallring unbekannte mechanische Eigenschaften.
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Metallrings, wie dieses in der UK-Patentanmeldung GB2168032A beschrieben ist, wird eine Faser spiralförmig in einer Ebene aufgewickelt, wobei eine spiralförmige Metallmatrix zwischen die Windungen der Faserspirale zu liegen kommt. Die Faserspirale und die Matrixmetallspirale liegen zwischen den Scheiben des Matrixmetalls, und sie werden dann axial verpreßt, um die Ringstruktur zu verfestigen. Hierdurch ergibt sich kein Bruch der Fasern oder nur ein Bruch in geringem Umfange.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Metallrings, welches in der UK-Patentanmeldung GB2078338A beschrieben ist, wird ein Metallmatrixband, welches Verstärkungsfasern aufweist, auf einen Kern aufgewickelt und dann in einen metallischen Schaft eingesetzt. Die Fasern erstrecken sich dabei in Achsrichtung des Schaftes. Der Aufbau wird dann gepreßt, um die Ringstruktur zu verfestigen. Dieses Verfahren hat aber nicht die ideale Anordnung der Fasern für einen Ring.
Bei einem anderen bekannten Herstellungsverfahren eines faserverstärkten Metallrings, wie dieses in der UK-Patentanmeldung GB2198675A beschrieben ist, werden ein kontinuierliches schraubenförmiges Band von Fasern und ein kontinuierliches schraubenförmiges Band einer Metallfolie ineinandergefügt. Die ineinandergefügten schraubenförmigen Faserbänder und Metallfolien werden in eine Ringnut in einem Metallkörper eingesetzt, und es wird ein Metallring auf die Oberseite der ineinandergefügten schraubenförmigen Faserbänder und Metallfolien gefügt. Der Metallring wird dann in Axialrichtung gepreßt, um den Aufbau zu verfestigen und eine Diffusionsverbindung des Metallrings zu bewirken, wobei Metallkörper und die ineinandergefügten schraubenförmigen Faserbänder und Metallfolien zusammen einen integralen Aufbau bilden. Durch dieses Verfahren werden nur wenige oder keine Faserbrüche bewirkt. Dieses Verfahren erfordert jedoch die Benutzung einer Vakuumkammer und einer Heißpresse und einer Heißform.
Die EP0667207A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Metallrings, bei dem in Umfangsrichtung verlaufende Fasern in einer Ringnut in einem Metallkörper eingelegt werden. Die Ringnut ist an ihrem radial inneren Ende offen, und es wird ein Expansionskörper in die Öffnung eingefügt, und ein Verschlußglied dichtet die Ringnut ab. Der Aufbau wird radial verpreßt, um die Ringstruktur zu verfestigen, und dann wird der Expansionskörper entfernt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Metallkomponenten zu schaffen.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten metallischen Bauteils geschaffen, welches die folgenden Schritte umfaßt:
(a) es wird eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut in einer Oberfläche eines ersten metallischen Körpers ausgeformt,
(b) es wird wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Faser mit Füllmetall in die Nut im ersten metallischen Körper eingelegt,
(c) es wird ein zweiter metallischer Körper hergestellt,
(d) es wird der zweite metallische Körper derart angeordnet, daß er auf die in Umfangsrichtung verlaufende Nut des ersten metallischen Körpers ausgerichtet ist,
(e) es werden Hitze und Druck derart aufgebracht, daß der zweite metallische Körper sich in die in Umfangsrichtung verlaufende Nut bewegt, um die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser und das Füllmetall zu verfestigen und um den ersten metallischen Körper festzulegen, wobei zur Bildung eines einheitlichen Verbundkörpers aus der wenigstens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Faser und dem Füllmetall der Schritt (a) die Ausformung der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut in einer axialen Stirnfläche des ersten metallischen Körpers umfaßt, und der Schritt (c) die Erzeugung eines in Umfangsrichtung und axial verlaufenden Vorsprungs auf einer axialen Stirnfläche des zweiten metallischen Körpers umfaßt, und im Schritt (d) der zweite metallische Körper derart angeordnet wird, daß der in Umfangsrichtung und axial verlaufende Vorsprung des zweiten metallischen Körpers auf die in Umfangsrichtung verlaufende Nut des ersten metallischen Körpers ausgerichtet wird, und der Schritt (d) die Erzeugung von zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Kammern zwischen den axialen Stirnflächen von erstem und zweitem metallischem Körper umfaßt, wobei die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kammern radial auf gegenüberliegenden Seiten des in Umfangsrichtung und axial verlaufenden Vorsprungs ausgebildet sind und die radial inneren und äußeren Durchmesser der in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten im wesentlichen gleich sind dem radial inneren und radial äußeren Durchmesser des in Umfangsrichtung und axial verlaufenden Vorsprungs, und wobei im Schritt (e) Hitze und Druck derart angewandt werden, daß der in Umfangsrichtung und axial verlaufende Vorsprung sich in die in Umfangsrichtung verlaufende Nut bewegt, um axial die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser und das Füllmetall zu verfestigen und den ersten metallischen Körper, den zweiten metallischen Körper, die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser und das Füllmetall zu verfestigen, um eine einheitliche Verbundkomponente zu schaffen.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren den Schritt einer Abdichtung des Umfangs des ersten metallischen Körpers gegenüber dem Umfang des zweiten metallischen Körpers, nachdem der Schritt (d) durchgeführt wurde und bevor der Schritt (e) erfolgt.
Vorzugsweise umfaßt der Schritt (e) ein heißes isostatisches Pressen.
Der erste metallische Körper kann aus einem Ring oder aus einer Scheibe bestehen, und der zweite metallische Körper kann aus einem Ring oder einer Scheibe bestehen.
Die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser und das Füllmetall können aus einer einzigen mit Metall überzogenen Faser bestehen oder aus mehreren mit Metall überzogenen Fasern oder aus einer einzigen Faser und einem einzigen Metalldraht oder aus mehreren Fasern und mehreren Metalldrähten oder aus einer einzigen Faser und Metallpulver oder aus mehreren Fasern und Metallpulver oder aus einer einzigen Faser und einer Metallfolie oder aus mehreren Fasern und mehreren Metallfolien.
Die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser und das Füllmetall können aus einem schraubenförmigen Band von Fasern und einem schraubenförmigen Band aus Metall oder aus einer oder mehreren mit Metall überzogenen Fasern bestehen, wobei jede mit Metall überzogene Faser in Spiralform aufgewickelt ist, um eine scheibenartige Vorform zu erzeugen.
Der erste metallische Körper und der zweite metallische Körper können aus Titan, aus Titan-Aluminit, aus einer Legierung von Titan oder irgendeinem anderen geeigneten Metall einer Legierung oder einem Zwischenmetall bestehen, die in der Lage sind, eine Bindung einzugehen.
Die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser kann aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrit, aus Bor, aus Aluminiumoxid oder anderen geeigneten Fasern bestehen.
Das Füllmaterial kann aus Titan, aus Titan-Aluminit, aus einer Titan-Legierung oder aus irgendeinem geeigneten Metall aus einer Legierung oder einer intermetallischen Verbindung bestehen, die in der Lage sind, eine Bindung einzugehen.
Die Abdichtung am Umfang des ersten metallischen Körpers gegenüber dem Umfang des zweiten metallischen Körpers kann durch Verschweißen erfolgen.
Das Verfahren kann außerdem den Schritt aufweisen, in dem der einheitliche Verbundkörper auf eine vorbestimmte Gestalt durch spanabhebende Bearbeitung gebracht wird, und zwar geschieht dies nach dem Verfahrensschritt (e).
Die spanabhebende Bearbeitung kann an dem Verbundkörper wenigstens einen Teil des zweiten metallischen Körpers abtragen und außerdem wenigstens einen Teil des Verbindungsmaterials zwischen dem ersten metallischen Körper und dem zweiten metallischen Körper.
Die spanabhebende Bearbeitung kann wenigstens eine axiale oder in Umfangsrichtung verlaufende Nut am Umfang des einheitlichen Verbundkörpers herstellen, um eine Rotorschaufel-Befestigung aufzunehmen.
Die spanabhebende Bearbeitung kann den Umfang des einheitlichen Verbundkörpers derart formen, daß wenigstens eine Rotorschaufel integral mit dem einheitlichen Verbundkörper hergestellt wird.
Der einheitliche Verbundkörper kann elektro-chemisch bearbeitet werden, um wenigstens eine Rotorschaufel zu formen.
Das Verfahren kann außerdem den Schritt einer Verschweißung wenigstens einer Rotorschaufel mit dem einheitlichen Verbundkörper umfassen.
Die wenigstens eine Rotorschaufel kann in den einheitlichen Verbundkörper durch Friktionsschweißung oder Elektronenstrahl-Schweißung eingeschweißt werden.
Die Kammern zwischen den Stirnflächen von erstem und zweitem metallischem Körper können in Querrichtung von der Stirnseite des ersten metallischen Körpers nach der Basis des Vorsprungs verjüngt ausgebildet sein. Die Kammern können sich geradlinig oder in einer Kurve verjüngen. Die Form der Kammern kann derart gewählt werden, daß die Bewegung des Vorsprungs des zweiten metallischen Körpers in die Nut des ersten metallischen Körpers während der Verfestigung und Verbindung gesteuert wird.
Die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser kann einen Kleber aufweisen, um die Faser in einer Vorform zu halten.
Der Vorsprung kann axiale Nuten aufweisen, damit der Kleber von der wenigstens einen in Umfangsrichtung verlaufenden Faser in der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut im ersten metallischen Körper entfernt werden kann.
Die Kammern zwischen den Stirnseiten von erstem und zweitem metallischen Körper können dadurch hergestellt werden, daß zwei Nuten in die Oberfläche des zweiten metallischen Körpers eingearbeitet werden. Stattdessen können die Kammern zwischen den Oberflächen von erstem und zweitem metallischem Körper dadurch hergestellt werden, daß wenigstens ein dritter metallischer Körper zwischen den ersten und zweiten metallischen Körper eingefügt wird und indem der wenigstens eine dritte metallische Körper von dem Vorsprung auf dem zweiten metallischen Körper beabstandet wird.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen beschaufelten Kompressorrotor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Fig. 2 ist eine Grundrißansicht einer Faservorform, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung findet.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht durch die Vorform gemäß Fig. 2.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch einen Aufbau von Faservorformen, die zwischen einem ersten und einem zweiten metallischen Körper angeordnet sind.
Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch den Aufbau von Faservorformen, die zwischen einem ersten und einem zweiten metallischen Körper angeordnet sind, nachdem eine gegenseitige Verschweißung erfolgt ist.
Fig. 6 ist ein Längsschnitt eines Aufbaus von Faservorformen, die zwischen einem ersten und einem zweiten metallischen Körper angeordnet sind, und zwar nach erfolgter Verfestigung und Verbindung und Herstellung eines einheitlichen Verbundkörpers.
Fig. 7 ist ein Teillängsschnitt durch den einheitlichen Verbundkörper nach der Bearbeitung.
Fig. 8 ist ein Teillängsschnitt durch den einheitlichen Verbundkörper nach Fig. 7 nach einer weiteren Bearbeitung, mit der die Umfangsnut hergestellt wurde.
Fig. 9 ist ein Teillängsschnitt durch den einheitlichen Verbundkörper gemäß Fig. 7 nach einer weiteren Bearbeitung, mit der axiale in Umfangsrichtung verlaufende Nuten hergestellt sind.
Fig. 10 ist ein Teillängsschnitt des einheitlichen Verbundkörpers gemäß Fig. 7 nach einer Bearbeitung, mit der am Umfang integrale Rotorschaufeln ausgeformt wurden.
Fig. 11 ist ein Teillängsschnitt durch den einheitlichen Verbundkörper nach Fig. 7 nach Verschweißung der Rotorschaufeln.
Fig. 1 zeigt einen fertigen Rotor 10 aus mit Keramikfasern verstärktem Metall und integralen Rotorschaufeln. Der Rotor 10 besteht aus einem Metallring 12, der einen Ring aus in Umfangsrichtung verlaufenden Verstärkungskeramikfasern 14 umschließt, die durch Diffusionsverbindung voll mit dem Metallring 12 verbunden sind. Mehrere aus massivem Metall bestehende Rotorschaufeln 16 stehen radial von dem Metallring 12 nach außen vor und sind einstückig mit diesem hergestellt.
Der durch Keramikfasern verstärkte metallische Rotor 10 wird unter Benutzung einer Vielzahl von mit Metall überzogenen Keramikfasern hergestellt. Jede Keramikfaser 14 ist mit einer Metallmatrix durch irgendein geeignetes Verfahren überzogen, beispielsweise durch physikalische Dampfablagerung, durch Kathodenzerstäubung usw. Jede mit Metall 18 überzogene Keramikfaser 14 ist um einen Kern gewickelt, um eine ringförmige oder scheibenförmige Faservorform 20 zu bilden, wie dies in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Jede ringförmige oder scheibenförmige Faservorform 20 besteht demgemäß aus einer einzigen mit Metall 18 überzogenen Keramikfaser 14, die spiralförmig angeordnet ist, wobei benachbarte Windungen der Spirale aneinanderstoßen. Der ringförmigen oder scheibenförmigen Faservorform 20 wird ein Kleber 22 an geeigneten Stellen aufgetragen, um die Windungen der Spirale zusammenzuhalten. Der Kleber ist derart gewählt, daß er vollständig aus der ringförmigen oder scheibenförmigen Vorform 20 entfernt werden kann, bevor die Verfestigung stattfindet. Der Kleber kann beispielsweise aus Polymethylmethacrylat in Dichloromethan oder perspex in Dichloromethan sein.
Es wird ein erster Metallring oder eine erste Metallscheibe 30 hergestellt, und in eine axiale Stirnseite 34 des ersten Metallrings 30 wird, wie in Fig. 4 dargestellt, eine ringförmige axial verlaufende Nut 32 eingearbeitet. Die Ringnut 32 besitzt gerade parallele Seiten, die einen rechteckigen Querschnitt bilden. Es wird außerdem ein zweiter Metallring oder eine zweite Metallscheibe 36 hergestellt, und aus dieser wird ein ringförmiger axial verlaufender Vorsprung 38 ausgearbeitet, derart, daß er von einer axialen Stirnfläche 40 des zweiten Metallrings 36 vorsteht. Der zweite Metallring 36 ist außerdem so bearbeitet, daß zwei Ringnuten 42 und 44 in der Stirnfläche 40 des zweiten Metallrings 36 gebildet werden. Die beiden Nuten 42 und 44 sind radial auf beiden Seiten des ringförmigen Vorsprungs 38 angeordnet, und die Nuten 42 und 44 verlaufen konisch von der axialen Stirnfläche 40 nach der Basis des ringförmigen Vorsprungs 38. Die Nuten 42 und 44 sind, wie aus Fig. 4 ersichtlich, geradlinig in Radialrichtung abgeschrägt, um einen dreieckigen Querschnitt zu schaffen. Jedoch können die Nuten 42 und 44 auch mit einer glatten Kurve abgeschrägt sein. Es ist möglich, gerade parallelseitige Nuten vorzusehen, die rechteckige Querschnitte bilden. Es ist außerdem festzustellen, daß die radial inneren und äußeren Dimensionen, d. h. die Durchmesser des ringförmigen Vorsprungs 38, im wesentlichen die gleichen sind wie die radial inneren und radial äußeren Dimensionen, d. h. Durchmesser der Ringnut 32.
Eine oder mehrere Faservorformen 20 werden in die Ringnut 32 in der axialen Stirnfläche 34 des ersten Metallrings 30 eingelegt. Die radial inneren und radial äußeren Abmessungen bzw. Durchmesser der ringförmigen Faservorformen 20 sind im wesentlichen die gleichen wie die radial inneren und äußeren Dimensionen bzw. Durchmesser der Ringnut 32, so daß die ringförmige Faservorform 20 in die Ringnut 32 derart eingelegt werden kann, daß die Ringnut 32 im wesentlichen ausgefüllt wird. Eine genügende Zahl von ringförmigen Faservorformen 20 wird dann in der Ringnut 32 aufeinandergestapelt, um die Ringnut 32 bis zu einer vorbestimmten Höhe auszufüllen.
Der zweite Metallring 36 wird dann derart angeordnet, daß die axiale Stirnfläche 40 der axialen Stirnfläche 34 des ersten Metallrings 30 gegenüberliegt und die Achsen von erstem 30 und zweitem Metallring 36 aufeinander ausgerichtet sind, so daß der ringförmige Vorsprung 38 auf dem zweiten Metallring 36 auf die Ringnut 32 im ersten Metallring 30 ausgerichtet ist. Der zweite Metallring 36 wird dann gegen den ersten Metallring 30 derart gedrückt, daß der ringförmige Vorsprung 38 in die Ringnut 32 eintritt und der zweite Metallring 36 wird weitergedrückt, bis die axiale Stirnfläche 40 des zweiten Metallrings 36 gegen die axiale Stirnfläche 34 des ersten Metallrings 30 anstößt, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist. Die Nuten 42 und 44 im zweiten Metallring 36 bilden Kammern zwischen den gegenüberstehenden Stirnflächen 34 und 40 von erstem und zweitem Metallring 30 und 36.
Der radial innere und radial äußere Umfang der axialen Stirnfläche 34 des ersten metallischen Körpers 30 werden gegenüber dem radial inneren und radial äußeren Umfang der axialen Stirnfläche 40 des zweiten metallischen Körpers 36 abgedichtet, um einen abgedichteten Aufbau zu erzeugen. Die Abdichtung erfolgt vorzugsweise durch Dichtheitsschweißen, durch Elektronenstrahl-Schweißen, durch Laserschweißen oder andere geeignete Schweißverfahren, um eine innere ringförmige Schweißnaht 46 und eine äußere ringförmige Schweißnaht 48 zu erzeugen.
Der zweite Metallring 36 ist mit einem Rohr 50 versehen, welches durch ein Loch im zweiten Metallring 36 geführt und mit der Ringnut oder Kammer 42 oder mit der Ringnut oder Kammer 44 verbunden ist. Der ringförmige Vorsprung 38 ist mit einem oder mehreren axial verlaufenden Schlitzen 52 versehen, die über den Umfang angeordnet sind. Das Rohr 50 ist mit einer Vakuumpumpe verbunden, und der abgedichtete Aufbau wird dann evakuiert. Der abgedichtete Aufbau wird dann erhitzt, wobei der unter Druck kontinuierlich aufrechterhalten bleibt, um den Kleber aus der ringförmigen Vorform 20 abzuziehen. Die axial verlaufenden Schlitze 52 am Vorsprung 38 ermöglichen ein Abfließen des Klebers aus der Ringnut 32 in die Ringnuten oder Kammern 42 und 44, aus denen der abgesaugte Kleber durch das Rohr 50 aus dem abgedichteten Aufbau abgezogen wird. Der ringförmige Vorsprung 38 verhindert eine Bewegung der mit Metall 18 überzogenen Keramikfasern 14 der ringförmigen Faservorform 20, nachdem der Kleber entfernt ist.
Nachdem der gesamte Kleber aus der ringförmigen Faservorform 20 entfernt ist und das Innere des abgedichteten Aufbaus evakuiert ist, wird das Rohr 50 abgedichtet. Dann wird der abgedichtete Aufbau auf eine Diffusionsverbindungstemperatur aufgeheizt, und es wird ein isostatischer Druck auf den abgedichteten Aufbau ausgeübt. Dies wird als isostatischer Preßvorgang bezeichnet, und dieser führt zu einer axialen Verfestigung der ringförmigen Faservorform 20 und zu einer Diffusionsverbindung des ersten Metallringes 30 mit dem zweiten Metallring 36 und zu einer Diffusionsverbindung zwischen dem Metall der mit Metall 18 überzogenen Keramikfasern 14 mit dem Metall anderer Keramikfasern 14 und mit dem ersten Metallring 30 und mit dem zweiten Metallring 36. Während des isostatischen Heißpreßverfahrens wirkt der Druck in gleicher Weise von allen Richtungen auf den abgedichteten Aufbau, und dies bewirkt, daß der ringförmige Aufbau 38 sich axial in die Ringnut 32 hinein bewegt und die ringförmige Faservorform 20 verfestigt.
Die Bewegung des ringförmigen Vorsprungs 38 wird durch die Anordnung der Ringnuten 42 und 44 am zweiten Metallring 36 möglich, welche Kammern zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen 34 und 40 von erstem und zweitem Metallring 30 bzw. 36 bilden. Die Ringnuten 42 und 44 verhindern oder vermindern die radial nach innen gerichtete Bewegung des ersten Metallrings 30, bis die Ringnuten oder Kammern 42 und 44 geschlossen sind, und zu dieser Zeit hat sich die ringförmige Faservorform 20 im wesentlichen auf ihre volle Dichte verfestigt. Die Ringnuten oder Kammern 42 und 44 sind sehr wichtig, weil jede Radialbewegung des ersten Metallrings 30 während der Verfestigung bewirkt, daß der erste Metallring 30 gegen den Ringvorsprung 38 gepreßt wird, was bewirkt, daß der ringförmige Vorsprung 38 zusammengepreßt wird. Dies würde dann zu einem Verlust der Steuerung der Richtung der Verfestigung und zu einem Verlust der Steuerung der Querschnittsform des verstärkten Abschnitts der resultieren faserverstärkten Metallkomponente führen. Die Steuerung der Erstarrungsrichtung ermöglicht eine Steuerung von Größe, Form und Lage des verstärkten Abschnitts, und dies ist wichtig, wenn die sich ergebende faserverstärkte Metallkomponente spanabhebend bearbeitet werden muß, um einen fertigen Bauteil zu schaffen.
Die Form der Nuten oder Kammern 42 und 44 kann so gestaltet werden, daß die Bewegung des Vorsprungs 38 des zweiten Metallrings 36 in die Nut 32 des ersten Metallrings 30 während der Verfestigungs- und Verbindungsstufe beispielsweise bewirkt, daß der ringförmige Vorsprung 38 sich mit einer radial nach außen gerichteten Komponente bewegt. Auch die andere axiale Stirnseite des zweiten Metallrings 36 kann irgendeine geeignete Gestalt, beispielsweise eine ebene Form oder eine Form, die sich vom Umfang des Bereiches rund um den Vorsprung 38 verjüngt, aufweisen.
Die resultierende verfestigte und durch Diffusionsverbindung zusammengehaltene durch Keramikfasern verstärkte Metallkomponente 60 ist in Fig. 6 dargestellt. Hier sind die Keramikfasern 14 und der Bereich 62 der Diffusionsverbindung dargestellt. Außerdem ermöglicht die Anordnung der Nuten oder Kammern 42 und 44, daß sich der ringförmige Vorsprung 38 während des Verfestigungsprozesses bewegt, und dies führt zur Erzeugung einer Vertiefung 63 in der Oberfläche des Teiles, der der zweite Metallring war. Die Vertiefung 63 zeigt an, daß eine erfolgreiche Verfestigung und Diffusionsverbindung erreicht worden ist.
Nach der Verfestigung und Diffusionsverbindung wird der Bauteil spanabhebend bearbeitet, um wenigstens einen Teil von dem wegzunehmen, was ursprünglich den zweiten Metallring gebildet hat und um wenigstens einen Teil des Diffusionsverbindungsbereichs, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, abzutragen. Es ist zweckmäßig, so viel von dem Diffusionsverbindungsbereich als praktisch möglich abzutragen, und dies bewirkt eine Entfernung des Hauptteils oder im wesentlichen des ganzen zweiten Metallrings.
Wenn der erste Metallring 30 einen relativ kleinen äußeren Durchmesser besitzt, wie aus Fig. 8 und 9 ersichtlich, wird der Umfang des bearbeiteten verfestigten und durch Diffusionsverbindung geschaffenen Bauteils weiter bearbeitet, um entweder eine einzige in Umfangsrichtung verlaufende Nut 64 gemäß Fig. 8 zu bilden, die die entsprechend geformten Schaufelfüße der Rotorschaufeln aufnimmt, oder es wird der Bauteil weiter bearbeitet, um mehrere axial verlaufende Nuten 66 zu bilden, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist, um die entsprechend gestalteten Schaufelfüße der Rotorschaufeln aufzunehmen. Stattdessen können die Rotorschaufeln 68 am Umfang 70 des bearbeiteten verfestigten und durch Diffusionsverbindung geschaffenen Bauteils gemäß Fig. 10 durch Friktionsschweißung, Laserverschweißung oder Elektrodenstrahl-Schweißung verschweißt werden.
Wenn der erste Metallring 30 einen relativ großen äußeren Durchmesser aufweist, wie in Fig. 11 dargestellt, dann wird der Umfang des bearbeiteten verfestigten und durch Diffusionsverbindung geschaffenen Bauteils weiter spanabhebend bearbeitet, um integrale Rotorschaufeln 72, beispielsweise durch elektro-chemische Bearbeitung, zu schaffen.
Die Beschreibung bezieht sich auf mehrere durch Metall überzogene Keramikfasern, von denen jede in einer ebenen Spirale aufgewickelt ist. Es ist jedoch auch möglich, irgendeine andere Anordnung mit wenigstens einer in Umfangsrichtung verlaufenden Faser und Füllmetall zu schaffen. Andere Möglichkeiten sind beispielsweise eine einzige mit Metall überzogene Faser, mehrere mit Metall überzogene Fasern, eine einzige Faser und ein einziger Metalldraht, mehrere Fasern und mehrere Metalldrähte, eine einzige Faser und Metallpulver, mehrere Fasern und Metallpulver, eine einzige Faser und eine Metallfolie oder mehrere Fasern und mehrere Metallfolien. Die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser und das Füllmetall können aus einem schraubenförmigen Band von Fasern und einem schraubenförmigen Band von Metall oder aus einer oder mehreren mit Metall überzogenen Fasern bestehen, die in die Ringnut im ersten Metallring eingelegt sind. Es können außerdem eine oder mehrere Metallfolien und eine oder mehrere mit Metall überzogene Fasern benutzt werden.
Der erste Metallring und der zweite Metallring können aus Titan, aus Titan-Aluminit, einer Legierung von Titan oder irgendeinem geeigneten Metall, einer Legierung oder einer intermetallischen Verbindung bestehen, die für eine Diffusionsbindung geeignet sind.
Die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser kann aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrit, aus Bor, aus Aluminiumoxid oder irgendeinem geeigneten anderen Fasermaterial bestehen.
Der Metallüberzug, das Metallpulver, der Metalldraht und die Metallfolie können aus Titan, aus Titan-Aluminit, aus einer Legierung von Titan oder irgendeinem anderen geeigneten Metall, einer Legierung oder einer intermetallischen Verbindung bestehen, die eine Diffusionsbindung ermöglichen.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf Metallringe oder Metallscheiben beschrieben. Sie ist jedoch in gleicher Weise anwendbar für andere metallische Strukturen.
Die Erfindung wurde vorstehend unter Benutzung eines heißen isostatischen Preßvorgangs beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, eine heiße Vakuumverpressung durchzuführen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie einen einzigen thermischen Zyklus benutzt, um die Faservorformen zu verfestigen und die Faservorform und die ersten und zweiten Metallringe miteinander zu verbinden. Außerdem ist es nicht notwendig, eine Vakuumheißpresse zu verwenden, und es ist auch nicht erforderlich, spezielle Werkzeuge zu benutzen, um die beiden Metallringe während der Verfestigung und der Verbindung zu haltern.
Es ist auch möglich, die Kammern zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen und erstem und zweitem metallischem Körper auf beiden Seiten des sich in Längsrichtung erstreckenden Vorsprungs auf dem zweiten metallischen Körper anzuordnen, indem ein weiterer oder mehrere weitere dritte metallische Körper zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen von ersten und zweiten metallischen Körpern angeordnet werden, derart, daß die dritten metallischen Körper einen Abstand von dem Vorsprung aufweisen, und zwar liegen die dritten metallischen Körper vorzugsweise benachbart zum Umfang des ersten und zweiten metallischen Körpers.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten metallischen Teils (10) mit den folgenden Schritten:

(a) es wird eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) in einer Stirnfläche (34) eines ersten metallischen Körpers (30) eingearbeitet,

(b) es wird in die Nut (32) im ersten metallischen Körper (30) eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser mit Füllmetall (18) eingelegt,

(c) es wird ein zweiter metallischer Körper (36) hergestellt,

(d) es wird der zweite metallische Körper (36) derart angeordnet, daß der zweite metallische Körper (36) auf die in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) des ersten metallischen Körpers (30) ausgerichtet ist,

(e) es werden Hitze und Druck derart aufgebracht, daß der zweite metallische Körper (36) sich in die in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) hinein bewegt, um die wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Faser (14) und das Füllmetall (18) zu verfestigen, und um den ersten metallischen Körper (30), die wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Faser (14) und das Füllmetall (18) abzubinden und einen einheitlichen Verbundaufbau (10) zu erzeugen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (a) die Erzeugung der in Umfangsrichtung verlaufenden Nurt (32) in einer axialen Stirnfläche (34) des ersten metallischen Körpers (30) umfaßt, daß der Schritt (c) die Erzeugung eines sich in Umfangsrichtung erstreckenden und axial vorstehenden Vorsprungs (38) auf einer axialen Stirnfläche (40) des zweiten metallischen Körpers (36) umfaßt, daß der Schritt (d) die Anordnung des zweiten metallischen Körpers (36) derart umfaßt, daß der in Umfangsrichtung verlaufende und axial vorstehende Vorsprung (38) des zweiten metallischen Körpers (36) auf die in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) des ersten metallischen Körpers (30) ausgerichtet ist, daß der Schritt (d) die Erzeugung von zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Kammern (42, 44) zwischen den axialen Stirnflächen von erstem und zweitem metallischen Körper (30, 36) umfaßt, wobei die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kammern (42, 44) radial auf gegenüberliegenden Seiten des sich in Umfangsrichtung erstreckenden und axial vorstehenden Vorsprungs (38) angeordnet sind und der radial innere Durchmesser und der radial äußere Durchmesser der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (32) im wesentlichen gleich sind dem radial inneren Durchmesser und dem radial äußeren Durchmesser des in Umfangsrichtung verlaufenden und axial vorstehenden Vorsprungs (38), und daß der Schritt (e) die Anwendung von Hitze und Druck derart umfaßt, daß der in Umfangsrichtung verlaufende und axial vorstehende Vorsprung (38) sich in die in Umfangsrichtung erstreckende Nut (32) bewegt, um axial die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser (14) und das Füllmetall (18) zu verfestigen und den ersten metallischen Körper (30), den zweiten metallischen Körper (36), die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser (14) und das Füllmetall (18) abzubinden, um einen gleichförmigen Verbundaufbau (10) zu schaffen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches den Schritt einer Abdichtung (46, 48) des Umfangs des ersten metallischen Körpers (30) gegenüber dem Umfang des zweiten metallischen Körpers (36) umfaßt, nachdem der Schritt (d) vollendet ist und bevor der Schritt (e) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei der Schritt (e) einen heißen isostatischen Druckvorgang umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der erste metallische Körper (30) aus einem Ring oder einer Scheibe besteht, und der zweite metallische Körper (36) ein Ring oder eine Scheibe ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Faser (14) und das Füllmetall (18) bestehen aus: einer einzigen mit Metall überzogenen Faser, einer Mehrzahl von mit Metall überzogenen Fasern, einer einzigen Faser und einem einzigen Metalldraht, einer Mehrzahl von Fasern und einer Mehrzahl von Metalldrähten, einer einzelnen Faser und Metallpulver, einer Mehrzahl von Fasern und Metallpulver, einer einzigen Faser und einer Metallfolie oder aus mehreren Fasern und mehreren Metallfolien.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser (14) und das Füllmetall (18) ein schraubenförmiges Band von Fasern und ein schraubenförmiges Band von Metall oder eine oder mehrere mit Metall überzogene Fasern umfassen, wobei jede mit Metall überzogene Faser in einer Spirale aufgewickelt ist, um eine scheibenförmige Vorform (20) zu schaffen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der erste metallische Körper (30) und der zweite metallische Körper (36) aus Titan, aus Titan- Aluminit, aus einer Titan-Legierung oder einem geeigneten Metall oder einer Metall- Legierung oder einer intermetallischen Verbindung bestehen, die für einen Abbindevorgang geeignet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser (14) aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrit, Bor, Aluminiumoxid oder anderem geeignetem Fasermaterial besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Füllmetall (18) aus Titan, aus Titan-Aluminit, aus einer Titan-Legierung oder aus irgendeinem geeigneten Metall, einer Legierung oder einer intermetallischen Verbindung besteht, die einer Diffusionsverbindung unterworfen werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Abdichtung (46, 48) am Umfang des ersten metallischen Körpers (30) gegenüber dem Umfang des zweiten metallischen Körpers (36) durch eine Verschweißung bewirkt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem das Verfahren zusätzlich den Schritt einer Bearbeitung des einheitlichen Verbundaufbaus auf eine vorbestimmte Form in Anschluß an den Schritt (e) umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Bearbeitung den folgenden Schritt umfaßt: es wird der einheitliche Verbundkörper bearbeitet, um wenigstens einen Teil des zweiten metallischen Körpers (36) und wenigstens einen Teil der Verbindung (62) zwischen dem ersten metallischen Körper (30) und dem zweiten metallischen Körper (36) zu entfernen.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, bei welchem der Bearbeitungsvorgang den folgenden Schritt umfaßt: es wird wenigstens eine axiale oder in Umfangsrichtung verlaufende Nut (66, 64) am Umfang des einheitlichen Verbundaufbaus angebracht, um Rotorschaufel-Befestigungsmittel aufzunehmen.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Bearbeitung den folgenden Schritt umfaßt: es wird der Umfang des einheitlichen Verbundaufbaus bearbeitet, um wenigstens eine Rotorschaufel (72) zu erzeugen, die einstückig mit dem einheitlichen Verbundaufbau ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der einheitliche Verbundaufbau elektro-chemisch bearbeitet wird, um die wenigstens eine Rotorschaufel (72) zu erzeugen.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, bei welchem das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfaßt, mit welchem wenigstens eine Rotorschaufel (68) an dem einheitlichen Verbundaufbau angeschweißt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem die wenigstens eine Rotorschaufel (68) mit dem einheitlichen Verbundaufbau durch Friktionsverschweißen oder Elektrodenstrahl-Schweißung verschweißt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem die Kammern (42, 44) zwischen den Stirnflächen (34, 40) von erstem und zweitem metallischem Körper (30, 36) in Querrichtung von der Stirnfläche des ersten metallischen Körpers (30) nach der Basis des Vorsprungs (38) verjüngt ausgebildet sind.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem die Kammern (42, 44) geradlinig verjüngt ausgebildet sind oder sich in einer Kurve verjüngen.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welchem die Form der Kammern (42, 44) so gewählt ist, daß die Bewegung des Vorsprungs (38) des zweiten metallischen Körpers (36) in die Nut (32) des ersten metallischen Körpers (30) hinein während der Verfestigung und Verbindung gesteuert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welchem die wenigstens eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Faser (14) einen Kleber (22) aufweist, um die Faser in einer Vorform (20) zu halten.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der Vorsprung (38) axiale Nuten (52) aufweist, durch die der Kleber (22) aus der wenigstens einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Faser (14) in die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (32) in dem ersten metallischen Körper (30) abgezogen werden kann.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei welchem die Kammern (42, 44) zwischen den Stirnflächen (34, 40) von erstem und zweitem metallischem Körper (30, 36) dadurch hergestellt werden, daß zwei Nuten in der Stirnfläche des zweiten metallischen Körpers (36) eingearbeitet werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei welchem die Kammern (42, 44) zwischen den Stirnflächen (34, 40) von erstem und zweitem metallischem Körper (30, 36) dadurch hergestellt werden, daß wenigstens ein dritter metallischer Körper zwischen den ersten und zweiten metallischen Körper (30, 36) gefügt wird, und indem der wenigstens eine dritte metallische Körper vom Vorsprung (38) des zweiten metallischen Körpers (36) distanziert wird.