Zugeigenschaften infiltrierter Hochtemperatur-MMCs mit unterschiedlichen Faservolumengehalten

Abstract

Mit kontinuierlichen Siliziumkarbidfasern verstärkte Titanmatrix-Verbundwerkstoffe (TMC – titanium matrix composite) werden seit einiger Zeit als vielversprechende Werkstoffe für hochbelastete Bauteile künftiger Flugtriebwerke angesehen. TMCs weisen gegenüber unverstärkten Titanlegierungen überragende mechanische Eigenschaften auf [1]. Dennoch kam es bisher zu keinen größeren Serienanwendungen, vor allem aufgrund sehr hoher Herstellungskosten und Fertigungsrestriktionen. Potentielle Anwendungen finden sich in rotierenden Bauteilen von Flugtriebwerken, bei denen höchste spezifische Festigkeit und Steifigkeit bei hohen Temperaturen gefordert sind. Zur Konsolidierung des Verbundwerkstoffs werden unidirektionale und heiß-isostatische Pressverfahren eingesetzt. Der Pressvorgang führt allerdings zu Volumenreduktionen, die wiederum zu Verschiebungen und im schlechtesten Fall zum Brechen von Fasern führen. Um diese Nachteile zu umgehen wurde ein druckloses Verfahren entwickelt. Insbesondere für ringförmige Bauteile, die eine der Hauptzielanwendungen sind, bietet ein Verfahren, das ohne Volumenschwindung oder Verzug arbeitet, erhebliche Vorteile. Es ist allgemein anerkannt, dass TMCs die mittels des Vefahrens der matrixbeschichteten Faern hergestellt werden, höchste mechanische Kennwerte aufweisen. Sowohl das sehr feine Matrixgefüge als auch die homogene Faserverteilung sind verantwortlich für diese außergewöhnlich guten Eigenschaften [2]. Jedoch führt die zuvor erwähnte Konsolidierung durch heiß-isostatisches Pressen zu einer Volumenreduktion von 10-15%. Diese Schwindung ist in Richtung der jeweiligen Faserachse unbedingt zu vermeiden, um einen Bruch oder ein Ausbeulen der Fasern zu verhindern. Abhängig von der Bauteilgeometrie kann es sehr schwierig oder fast unmöglich werden, eine Verdichtung in Faserrichtung völlig zu verhindern. Aus diesem Grunde besteht der Bedarf nach einer neuen Konsolidierungsmethode, während die guten mechanischen Eigenschaften der TMCs erhalten bleiben sollen.