DE69213103T2

DE69213103T2 - Innenverbundmantel für ein Waffenrohr und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69213103T2
Application number: DE69213103T
Authority: DE
Inventors: Francois Bognandi; Georges Habarou; Pierre Taveau; Michel Vives
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1991-06-06
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2012-06-05
Also published as: NO922188L; NO175277C; NO922188D0; CA2070071C; DE69213103D1; NO175277B; EP0517593A1; EP0517593B1; FR2677442A1; CA2070071A1; US5348598A; FR2677442B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Waffenauskleidung und insbesondere eine Auskleidung aus Verbundwerkstoff mit Verstärkung aus hitzebeständigen Fasern und mit einer keramischen Matrix.
Es sind ständige Untersuchungen ausgeführt worden, um die Waffenrohre mehr und mehr gesteigerten Schußfolgen und Drücken unterziehen zu können, um die Leistungen zu erhöhen, aber ohne zu einer zu schnellen Verschlechterung zu führen.
Um die schnelle Erwärmung eines metallischen Waffenrohrs zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, dieses innen mit einem keramischen Material auszurüsten, insbesondere in Gestalt einer inneren Verkleidung oder einer Auskleidung, die mit Schrumpfsitz im Inneren des Waffenrohrs sitzt. Tatsächlich weisen die Keramiken eine Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen, gegen Thermoschocks, gegen Verschleiß und gegen Korrosion, sowie eine Kompressionshaltbarkeit auf, die sie für eine derartige Anwendung geeignet machen.
Die Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (CMC) geben den Keramiken vermehrte Beständigkeit gegen mechanische Belastungen und gegen mechanische und thermische Schocks, was ihnen besonders interessante thermostrukturelle Eigenschaften verleiht.
Es wurde auch die Anwendung von CMC im Inneren von Waffenrohren beabsichtigt, insbesondere in den Patenten US 4 435 455, US 4 464 192 und US 4 581 053.
Es wurde darüberhinaus in der Schrift FR-A-2 587 083, auf der die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 basieren, vorgeschlagen, ein Rohr aus Verbundwerkstoff zu verwirklichen, insbesondere ein Lenkwaffenabschußrohr, mit einer Faserverstärkung, die einen aus einem dreidimensionalen Fasergefüge gebildeten, zylindrischen inneren Teil und einen aus einem um den inneren Teil gewickelten Streifen gebildeten äußeren Teil aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Waffenrohrauskleidung aus Verbundmaterial mit keramischer Matrix bereitzustellen, die besonders für ihre Anwendungsbedingungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Waffenrohrauskleidung, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.
Das dreidimensionale Fasergefüge wird vorteilhaft aus übereinanderliegenden Lagen eines zweidimensionalen Gefüges (z. B. Gewebe oder Faserstoff), die untereinander durch Nadelung verbunden sind, gebildet. Abweichend davon kann die Verbindung der Lagen des zweidimensionalen Gefüges verwirklicht werden durch Einbringen von Fäden durch die übereinanderliegenden Lagen hindurch. In einer weiteren Abwandlung kann das dreidimensionale Fasergefüge direkt durch dreidimensionales Weben hergestellt werden.
Der innere Teil der Faserverstärkung stellt nach Verdichtung durch die Matrix ein Material dar, das besonders geeignet ist für den Kontakt mit dem Geschoß und den Treibgasen.
Tatsächlich wirkt die dreidimensionale Struktur der Verstärkung wirksam einer Aufblätterung des Materials (Abhebungen parallel zu den Schichten) entgegen. Darüberhinaus verleiht diese dreidimensionale Struktur der Faserverstärkung eine der Matrix leichter zugängliche, feine Porosität und begünstigt eine homogenere Verdichtung, folglich eine geringere Enddurchlässigkeit für die Gase.
Der gewickelte äußere Teil der Faserverstärkung bildet nach Verdichtung durch die Matrix ein Material, das ein gutes Verhalten beim Schrumpfen zeigt, und besonders ein Material, das geeigneter ist für Schrumpfung mit Druckvorspannung als das mit dem inneren Teil der Verstärkung gebildete Material.
Die gemeinsame Verdichtung des inneren und äußeren Teils der Faserverstärkung stellt eine wirksame Verbindung zwischen diesen zwei Teilen sicher aufgrund der Kontinuität der Matrix an der Grenzfläche zwischen den zwei Teilen.
Die die Faserverstärkung bildenden hitzebeständigen Fasern sind ausgewählt aus Kohlefasern und keramischen Fasern.
Der innere Teil der Faserverstärkung ist bevorzugt aus Kohlefasern oder aus Fasern eines Vorläufers von Kohlenstoff wie voroxidiertem Polyacrylnitril (PAN), die für die Nadelung besser geeignet sind.
Der äußere Teil der Faserverstärkung ist bevorzugt aus keramischen Fasern, z. B. aus Fasern, die im wesentlichen aus Siliciumcarbid gebildet sind, dieses insbesondere, um die von der Auskleidung geschaffene thermische Isolierung zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren bereitzustellen, das die Herstellung der weiter oben angegebenen Waffenrohrauskleidung ermöglicht.
Gemäß der Erfindung weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
- Herstellen eines ersten dreidimensionalen, zylindrischen Gefüges aus hitzebeständigem Fasermaterial oder aus einem Vorläufer desselben, um den inneren Teil der Verstärkung zu bilden (Carbonisierung im Falle des Vorläufers),
- Wickeln eines zweiten Gefüges aus hitzebeständigem Fasermaterial um den inneren Teil der Verstärkung, um den äußeren Teil der Verstärkung zu bilden, und
- gleichzeitiges Verdichten des inneren Teils und des äußeren Teils der Verstärkung durch das die keramische Matrix ausbildende Material.
Vorteilhafterweise wird der innere Teil der Verstärkung durch Aufwickeln eines Fasergefüges in übereinanderliegenden Lagen auf einen Kern und Verbinden der Lagen untereinander gebildet. Die Verbindung der Lagen untereinander kann durch Nadelung des Fasergefüges aufeinander nach Maßgabe seiner Aufwicklung oder durch Einbringung von Fäden durchgeführt werden.
Bevorzugt werden der innere und der äußere Teil der Verstärkung gemeinsam mittels Gas oder mittels Flüssigkeit verdichtet.
Die gemeinsame Verdichtung mittels Gas wird durch chemische Infiltration in der Dampfphase durchgeführt.
Die gemeinsame Verdichtung mittels Flüssigkeit besteht darin, die Verstärkung mit einem flüssigen Vorläufer der Matrix zu imprägnieren, dann den Vorläufer umzuwandeln, im allgemeinen durch thermische Behandlung, um das die Matrix bildende Material zu erhalten.
Andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, die erläuternden, aber nicht beschränkenden Charakter hat, unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen, bei denen:
- Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die Herstellung des inneren Teils der Faserverstärkung einer Waffenrohrauskleidung aus Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung durch Nadelung zeigt;
- Fig. 2 eine schematische Schnittansicht ist, die die Nadelung des inneren Teils der Faserverstärkung zeigt;
- Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die Herstellung des äußeren Teils der Faserverstärkung einer Waffenrohrauskleidung gemäß der Erfindung durch Aufwicklung zeigt; und
- Fig. 4 sehr schematisch, perspektivisch und im Schnitt, eine Waffenrohrauskleidung gemäß der Erfindung zeigt, die mit Schrumpfsitz im Inneren eines Waffenrohres sitzt.
Bei einer Waffenrohrauskleidung aus Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung weist die Faserverstärkung zwei zylindrische, röhrenförmige, koaxiale Teile auf, einen inneren Teil - oder inneren Ring -, der aus einem dreidimensionalen Fasergefüge gebildet ist, und einen äußeren Teil - oder äußeren Ring -, der aus einem um den inneren Ring gewickelten Streifen gebildet ist.
In dem hier betrachteten Beispiel ist der innere Ring aus Kohlefasern und der äußere Ring im wesentlichen aus Siliciumcarbidfasern (SiC- Fasern).
Der innere Ring wird gebildet ausgehend von einem Fasergefüge aus Streifen 10 aus Fasern von voroxidiertem Polyacrylnitril (PAN), einem Vorläufer von Kohlenstoff. Das Gefüge 10 ist ein Komplex, bestehend aus einem Gewebestreifen aus voroxidiertem PAN, auf den ein Faserstoff ebenfalls aus voroxidiertem PAN vorgenäht wurde. Das Gefüge 10 wird von einer Vorratsrolle abgerollt, um mit schwacher Spannung auf einen metallischen Kern 14 aufgewickelt zu werden (Fig. 1). Der Durchmesser des Kerns 14 wird in Abhängigkeit vom Innendurchmesser der herzustellenden Auskleidung gewählt. Eine Mitnehmerrolle 16 wickelt das Gefüge 10 mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf den Kern 14, wobei das Mitnehmen durch Berührung mit dem aufgewickelten Gefüge durchgeführt wird.
Entsprechend seiner Aufwicklung auf den Kern 14 wird das Gefüge 10 mittels eines Nadelbretts 20, das mit zwei Reihen Nadeln 22 ausgestattet ist, genadelt. Die Nadelreihen erstrecken sich parallel zum Kern 14 auf einer Länge, die der Breite des Gefüges 10 genau gleich ist. Die Nadelreihen sind zueinander symmetrisch bezüglich einer axialen Ebene P, die zu den Nadeln 22 parallel ist, und sind voneinander beabstandet durch eine Entfernung, die größer ist als der Durchmesser des Kerns 14.
So dringen die Nadeln, wie es die Fig. 2 zeigt, beiderseits des Kerns 14 in das aufgewickelte Gefüge 10 ein.
Bevorzugt wird die Nadelung durchgeführt, indem man die Nadeln in einer relativ konstanten Tiefe eindringen läßt, entsprechend der Aufwicklung des Gefüges 10. Zu diesem Zweck wird jedesmal, wenn ein Umlauf des Gewebes 10 um den Kern 14 ausgeführt ist, der Abstand zwischen dem Kern 14 und dem Nadelbrett 20, am äußersten Ende seiner Bewegung, um einen Betrag gesteigert, der in etwa der Dicke einer genadelten Lage entspricht.
Wenn die gewünschte Dicke des inneren Rings 30 erreicht ist, werden mehrere Durchgänge abschließender Nadelung ohne Zuführung von Gefüge 10 und indem man in zunehmendem Maße die Eindringtiefe der Nadeln verringert, durchgeführt.
Man wird bemerken, daß das hierin oben beschriebene Nadelungsverfahren demjenigen entspricht, das Gegenstand des im Namen der Anmelderin unter der Nummer 2 584 107 veröffentlichten französischen Patents ist.
Bei jedem Eindringen der Nadeln 22 nehmen die Widerhaken, mit denen diese ausgestattet sind, Fasern mit, die hauptsächlich im Stoff aus voroxidiertem PAN geholt werden, quergerichtet im Vergleich mit den übereinanderliegenden Lagen des Gefüges 10. Die Anordnung der Nadelreihen auf beiden Seiten des Kerns 14 bewirkt, daß die von den Nadeln mitgenommenen Fasern in sich kreuzenden Richtungen angeordnet werden (Fig. 2). Die Kreuzung der Verbindungsfasern zwischen Lagen erlaubt es, eine sehr feine Faserstruktur, d. h. eine Struktur, die frei von Makroporosität ist, zu erhalten.
Wie schon angegeben, könnte das dreidimensionale Gefüge des inneren Rings durch Aufwickeln eines zweidimensionalen Gefüges, z. B. eines Gewebestreifens, in übereinanderliegenden Lagen und Einbringen von Fäden durch die Lagen hindurch, um sie miteinander zu verbinden, erhalten werden. Ein derartiges Verfahren zur Erhaltung einer Faser- Vorform ist beschrieben in dem französischen Patent, das veröffentlicht ist unter der Nummer 2 565 262.
Der innere Ring aus Fasern aus voroxidiertem PAN wird carbonisiert, um das voroxidierte PAN in Kohlenstoff umzuwandeln. Zur Zeit der Carbonisierung wird der innere Ring 30 von einem Kern aus Graphit 24 gehalten. Der Kern aus Graphit 24 hat einen etwas geringeren Durchmesser als der Kern 14, um zur Zeit der Umwandlung des voroxidierten PAN in Kohlenstoff Platz zu finden in der Verengung des Gefüges.
Nach der Carbonisierung wird der innere Ring 30 durch ein flüchtiges Bindemittel in seiner Form gehalten, insbesondere durch Imprägnierung mittels eines z. B. durch thermische Behandlung leicht entfernbaren Harzes, wie eines PVA (Polyvinylalkohol)-Harzes, das thermisch entfernbar ist, ohne einen festen Rückstand zu hinterlassen.
Der so in Form gehaltene innere Ring 30 kann auf einen gewünschten äußeren Durchmesser bearbeitet werden und eventuell in der Länge abgeschnitten werden, wenn die Gesamtlänge des Rings 30 einem Mehrfachen der Länge einer Auskleidung entspricht.
Dann (Fig. 3) wird der äußere Ring angebracht durch Aufwicklung eines Gefüges aus einem Streifen 26 um den von dem Kern 24 gehaltenen inneren Ring. Der Streifen 26 ist ein Gewebestreifen mit Sergebindung aus SIC-Fasern, der von einer Vorratsrolle abgezogen wird. Die Bewicklung wird wie zuvor mittels einer Mitnehmerrolle 16 ausgeführt. Zu Beginn seiner Aufwicklung wird der Gewebestreifen 26 auf der Obefläche des Rings 30 mittels des gleichen Harzes, das für die Imprägnierung des letzteren verwendet wurde, aufgeklebt.
Sobald der Außendurchmesser des äußeren Rings 32 erreicht worden ist, wird das Abwickeln des Gewebestreifens 26 durch Aufwickeln eines Kohlenstoffadens verhindert.
Die aus dem inneren Ring 30 und dem äußeren Ring 32 gebildete Faser- Vorform, die auf dem Graphitkern 24 befestigt ist, wird in die Reaktionskammer einer Vorrichtung zur chemischen Infiltration in der Dampfphase gebracht, um eine erste Verfestigung durchzuführen. Das Imprägnierungsharz wird während der Phase des Ansteigens der Temperatur vor der Infiltration entfernt. Zuerst wird eine teilweise Verdichtung durchgeführt durch Infiltration des die Matrix ausbildenden Materials, um die Vorform zu verfestigen, d. h., um die Fasern ausreichend miteinander zu verbinden, um die Vorform handhaben zu können.
Die verfestigte Vorform wird aus der Vorrichtung zur Infiltration herausgenommen, um auf einige Zehntel Millimeter ihres Endmaßes bearbeitet zu werden, wobei der Kern 24 entfernt wird.
Darauf wird die Verdichtung durch die Matrix fortgesetzt bis zur Erreichung einer maximalen Dichte, und die erhaltene Waffenrohrauskleidung wird auf ihre endgültigen Abmessungen bearbeitet.
Die gemeinsame Verdichtung der Ringe 30 und 32 stellt die Verbindung zwischen diesen letzteren sicher durch die Kontinuität der Matrix. Die keramische Matrix ist z. B. aus Siliciumcarbid. Die Technik der chemischen Infiltration in der Dampfphase einer keramischen Matrix ist wohlbekannt. Man wird sich im wesentlichen beziehen können auf das französische Patent, das unter der Nummer 2 401 888 veröffentlicht wurde im Namen der Anmelderin.
Vor der Verdichtung durch die keramische Matrix kann eine Zwischenphasenlage, z. B. aus Pyrokohlenstoff (durch chemische Infiltration in der Dampfphase abgeschiedener Kohlenstoff), auf den Fasern der Vorform gebildet werden. Die Ausbildung einer solchen Zwischenphasenlage, die die Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix verbessert, ist beschrieben in dem europäischen Patent Nr. 172 082 der Anmelderin.
Alternativ kann die gemeinsame Verdichtung der Ringe 30 und 32 mittels Flüssigkeit durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wird die Vorform mit einem flüssigen Vorläufer des keramischen Materials der Matrix imprägniert, dann einer Behandlung, im allgemeinen einer therrnischen Behandlung, unterzogen, um den Vorläufer in das keramische Material umzuwandeln. Es können mehrere aufeinanderfolgende Imprägnierungszyklen erforderlich sein.
Fig. 4 zeigt die Anordnung der von dem inneren Ring 30 und dem äußeren Ring 32, die gemeinsam verdichtet worden sind, gebildeten Auskleidung im Inneren eines metallischen Waffenrohrs 40. Die Auskleidung ist in dem Endstück des Rohres, das dem Verschluß benachbart gelegen ist, angeordnet, weil das der beim Austritt des Geschosses am meisten beanspruchte Teil des Waffenrohres ist. Es ist nutzlos, die Bohrung des Waffenrohres über ihre ganze Länge zu schützen, dies ist sogar nicht wünschenswert, um die axialen Spannungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen zwischen der Auskleidung aus CMC und dem metallischen Waffenrohr, sowie Präzisionsschwierigkeiten bei der Bearbeitung für die Verwirklichung des Schrumpfsitzes zu begrenzen.
Die Anordnung der Auskleidung im Inneren des Rohres 40 wird auf herkömmliche Weise durch Schrumpfung durchgeführt. Die Druckspannung der Auskleidung begünstigt die Übertragung der durch den Druckanstieg in dem Rohr bedingten Belastungen auf den metallischen Körper des Rohrs.
Die Auskleidung des Waffenrohrs gemäß der Erfindung bietet eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und eine zufriedenstellende Dichtheit für Treibgase aufgrund des Zusammenhalts der Faserstruktur der Verstärkung in dem inneren Ring, der eine große Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß mit sich bringt, und der Feinheit dieser Struktur, die eine homogene und gesteigerte Verdichtung begünstigt. Die Auskleidung des Waffenrohrs bietet darüberhinaus eine gute Widerstandsfähigkeit gegen den Druck in dem Rohr und schafft eine gute thermische Isolierung aufgrund der Beschaffenheit der Faserstruktur der Verstärkung in dem äußeren Ring (Umfangsaufwicklung eines Streifens) und der isolierenden Natur dieser Faserstruktur.
Es ist möglich, in die Öffnung der Auskleidung einen Führungskegel 34 (Fig. 4) zu integrieren, in den sich das Geschoß in Bewegung einpassen wird, um die Dichtigkeit zwischen dem Geschoß und der Öffnung zur Aufnahme der Auskleidung in dem Rohr zu verwirklichen. Dieser Führungskegel führt zu zusätzlichen radialen und axialen Spannungen, die der Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, der die Auskleidung bildet, aushalten kann.

Claims

1. Waffenrohrauskleidung aus mit hitzebeständigen Fasern verstärktem, durch eine Matrix verdichteten Verbundwerkstoff, wobei die Faserverstärkung einen aus einem dreidimensionalen Fasergefüge gebildeten, zylindrischen inneren Teil (30) und einen aus einem um den inneren Teil gewickelten Streifen (26) gebildeten, zylindrischen äußeren Teil (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der innere (30) und äußere (33) Teil der Faserverstärkung gemeinsam durch eine keramische Matrix verdichtet sind.

2. Waffenrohrauskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (30) der Verstärkung aus Kohlefasern ist.

3. Waffenrohrauskleidung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil (32) der Verstärkung aus keramischen Fasern ist.

4. Waffenrohrauskleidung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil (32) der Verstärkung im wesentlichen aus Siliziumkarbid-Fasern ist.

5. Waffenrohrauskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Matrix aus Siliziumkarbid ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Waffenrohrauskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

aufweisend die Schritte des Herstellens eines ersten dreidimensionalen, zylindrischen Gefüges (10) aus Fasermaterial oder aus einem Vorläufer desselben, das sodann carbonisiert wird, um den inneren Teil (30) der Verstärkung zu bilden, und des Wickelns eines zweiten Gefüges (26) aus Fasern aus feuerfestem Material um den inneren Teil der Verstärkung, um den äußeren Teil (32) der Verstärkung zu bilden,

dadurch gekennzeichnet,

daß es außerdem die gleichzeitige Verdichtung des inneren Teils (30) und des äußeren Teils (32) der Verstärkung durch das die keramische Matrix ausbildende Material aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (30) der Verstärkung durch Aufwickeln eines Fasergefüges in übereinanderliegenden Lagen auf einen Kern und Verbinden der Lagen untereinander durch Nadelung gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadelung in sich kreuzenden Richtungen durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (30) der Verstärkung durch Aufwickeln eines Fasergefüges in übereinanderliegenden Lagen auf einen Kern und Verbinden der Lagen untereinander durch Einbringen von Fäden durch die Lagen hindurch gebildet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der innere (30) und äußere (32) Teil der Verstärkung gemeinsam verdichtet werden durch chemische Infiltration in der Dampfphase.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der innere (30) und äußere (32) Teil der Verstärkung mittels Flüssigkeit gemeinsam verdichtet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste aufgewickelte Gefüge (10) aus Fasern aus einem Vorläufer eines hitzebeständigen Materials ist, wobei die Umwandlung des Vorläufers in das hitzebeständige Material durch thermische Behandlung vor dem Aufwickeln des äußeren Teils der Verstärkung durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (30) der Verstärkung vor dem Aufwickeln des äußeren Teils (32) der Verstärkung durch Imprägnierung mittels eines unbeständigen Harzes in seiner Form gehalten wird.

14. Waffenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Auskleidung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, die mit Schrumpfsitz im Inneren des Rohrs (40) sitzt.