NO175277B - Kanonlöputforing av komposittmateriale og dets fremstilling - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kanonløpforing og mer spesielt en foring tildannet av et komposittmateriale med en armering av ildfaste fibre og en keramisk matriks.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av en slik kanonløpeforing.

Uttrykket "kanon" er her ment å omfatte alle former for skytevåpen der oppfinnelsens gjenstand er hensiktsmessig å bruke, for eksempel kanoner, geværer, maskingeværer, mitraljøser og andre.

Forskningen har kontinuerlig gått i retning av å muliggjøre at kanonløpet kan tåle stadig økende ildgivningshastigheter og trykk for derved å øke ytelsen uten at forringelsen skjer for hurtig.

For å forhindre at et kanonløp av metall varmes opp for hurtig, har det vært foreslått å utfore kanonløpene med et keramisk materiale, særlig i form av et indre belegg eller en utforing som er krympetilpasset det innvendige av kanonløpet. Keramer tåler høye temperaturer, termisk sjokk, slitasje og korrosjon meget godt og de er meget sterke med henblikk på kompresjon,' noe som gjør dem godt egnet for en slik an-vendelse. Keramiske matriks-kompositter, såkalte CMC-materialer, tilveiebringer i tillegg keramer med øket styrke med henblikk på å motstå mekaniske belastninger og mekaniske og termiske sjokk, noe som gir spesielt fordelaktige termostrukturelle egenskaper.

Således er bruken av CMC-materialer i kanonløp, for eksempel foreslått i US-PS 4.435.455, 4.464.192 og 4.581.053.

En gjenstand for foreliggende oppfinnelse er således å tilveiebringe en kanonløputforing av et keramisk matrikskomposittmateriale som spesielt er tilpasset dettes bruks-betingelser, særlig når det gjelder strukturen av f iberarmeringen .

I henhold til oppfinnelsen oppnås denne gjenstand ved at fiberarmeringen omfatter en sylindrisk indre del bestående av en tredimensjonal fibertekstur og en sylindrisk ytre del som omgir den indre del og med samme akse, idet den ytre del består av en bane viklet rundt den indre del idet den ytre og indre del kodensifiseres med den keramiske matriks.

Den tredimensjonale fibertekstur er fortrinnsvis tildannet av på hverandre lagte sjikt av en todimensjonal tekstur (for eksempel en fiberduk eller en bane) som er bundet sammen ved nåling. I en variant er sjiktene i den todimensjonale tekstur bundet sammen ved implantering av tråder som løper gjennom de over hver- andre lagte sjikt. I nok en variant kan den tredimensjonale tekstur fremstilles direkte ved tredimensjonal veving.

Ef ter densifisering med matriksen består den indre del av fiberarmeringen av et materiale som er spesielt egnet for å komme i kontakt med prosjektilet og dettes drivgasser.

Den tredimensjonale struktur for armeringen er effektiv med henblikk på motvirkningen av delaminering av materialet (det vil si at sjiktene skiller seg fra hverandre). I tillegg oppnår man ved denne tredimensjonale struktur en fin porestørrelse for fiberarmeringen som er lettere tilgjengelig for matriksen og som gir den mer enhetlige densif isering og derved en lavere sluttpermeabilitet for gasser.

Efter densifisering av matriksen utgjør den viklede ytre del av fiberarmeringen et materiale som er sterkt når det underkastes krympetilpasning og særlig et materiale som er mer egnet for tilpasning der det forbelastes i kompresjon enn det materiale er som kun dannes av den indre del av armeringen.

Ved kodensifisering av de indre og ytre deler av fiberarmeringen blir bindingen som oppnås mellom de to deler effektiv på grunn av kontinuiteten i matriksen på grense-flaten mellom de to deler.

De ildfaste fibre som utgjør fiberarmeringen er valgt blant karbonfibre og keramiske fibre.

Den indre del av armeringen består fortrinnsvis av karbonfibre eller av fibre som utgjør en karbonforløper som for eksempel foroksydert polyakrylnitril, såkalt PAN, som er mer egnet for nåling.

Den ytre del av fiberarmeringen består fortrinnsvis av keramiske fibre, for eksempel fibre som i det vesentlige består av siliciumkarbid, særlig for å forbedre den termiske isolasjon som oppnås ved foringen.

Ytterligere en gjenstand for oppfinnelsen er å tilveiebringe én metode som muliggjør fremstilling av det ovenfor definerte kanonløp.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen karakteriseres ved at den omfatter: tildanning av en første sylindrisk tredimensjonal tekstur av fibre av ildfast materiale eller av en derefter karbonisert forløper derfor, for derved å danne den indre del av armeringen;

vikling av en andre tekstur av ildfaste fibre på den indre del av armeringen for derved å danne en ytre del av armeringen; og

samtidig densif isering av den indre og den ytre del av armeringen ved hjelp av materiale som utgjør den keramiske matriks.

Fortrinnsvis blir den indre del av armeringen fremstilt ved vikling av på hverandre lagte sjikt av fibertekstur på en spindel og ved å binde sjiktene sammen. Bindingen mellom sjiktene kan oppnås ved nål ing av fiberteksturen til seg selv mens den vikles eller ellers også ved implantering av tråder.

Den indre og ytre del av armeringen kodensifiseres fortrinnsvis ved hjelp av en gass eller ved hjelp av en væske.

Gasskodensifisering gjennomføres ved kjemisk dampinfiltrering. Væskekodesifisering består i å impregnere armeringen med en væskef orløper for matriksen og så å omdanne for-løperen, generelt ved varmebehandling, for derved å oppnå materiale som utgjør matriksen.

En utførelsesform av oppfinnelsen er beskrevet som eksempel under henvisning til de ledsagende tegninger der: Fig. 1 er et perspektivriss som viser hvordan nål ingen gjennomføres på den indre del av fiberarmeringen av en kanonløpsforing av

en komposittkeram ifølge oppfinnelsen;

fig. 2 er et tverrsnitt som viser nålingen gjennom

den indre del av armeringen;

fig. 3 er et perspektivriss som viser hvordan viklingen benyttes for å fremstille den ytre del av f iberarmeringen av en kanon-løpforing ifølge oppfinnelsen; og

fig. 4 er et sterkt skjematisk riss og tverrsnitt som viser en kanonløpforing ifølge oppfinnelsen, krympetilpasset i et kanonløp.

I en kompositt-kanonløpforing ifølge oppfinnelsen omfatter fiberarmeringen to koaksiale rørformede deler, en indre del eller indre ring, bestående av en tredimensjonal fibertekstur, og en ytre del eller ytre ring, bestående av en bane viklet rundt den indre ring.

I det her beskrevne eksempel består den indre ring av karbonfibre og den ytre ring i det vesentlige av siliciumkarbid-fibre, altså SiC-fibre.

Den indre ring består av en fibertekstur 10 i båndform, laget av foroksydert polyakrylnitril-(PAN)-fibre som utgjør en forløper for karbonfibre. Teksturen 10 er en komposittfolie bestående av en bane av foroksydert PAN-duk med en vevnad av ytterligere foroksyderte PAN-fibre fornålet dertil. Duken 10 mates fra en lagringsrull som skal vikles med en svak spenning på en metallaksling 14, fig. 1. Diameteren for akslingen 4 er valgt som en funksjon av den indre diameter av foringen som skal fremstilles. En drivvalse 16 vikler teksturen 10 i på forhånd bestemt hastighet rundt akslingen 14, der fremdriften tilveiebringes ved kontakt med teksturen som vikles.

Mens den vikles på akslingen 14 blir teksturen 10 nålet ved hjelp av en nålplate 20 utstyrt med to rekker nåler 22. Rekken av nåler løper parallelt med akslingen 14 over en lengde i det vesentlige lik bredden av teksturen 10. Rekken av nåler er symmetriske med hverandre rundt et aksialplan P som forløper parallelt med nålene 22 og de er adskilt fra hverandre med en avstand større enn diameteren for akslingen 14.

Slik man ser av fig. 2 trenger nålene inn i den viklede tekstur 10 på begge sider av akslingen 14.

Fortrinnsvis gjennomføres nålingen ved å bringe nålene til å trenge inn over en dybde som er relativt konstand mens teksturen 10 vikles. For dette formål blir, hver gang teksturen er viklet ytterligere en vikling rundt akslingen 14, avstanden mellom akslingen 14 og nåleplaten 20 øket ved bakenden av nåleplateslaget, med en lengde som tilsvarer mer eller mindre tykkelen av et nålet sjikt.

Når man har oppnådd den tykkelse som er ønsket for den indre ring 30 gjennomfører man et antall avsluttende nålings-operasjoner uten å tilføre ny tekstur 10 og mens man progressivt reduserer inntrengningsdybden.

Det kan observeres at den nålemetode som er beskrevet ovenfor er analog den som utgjør gjenstanden for søkerens FR 2.584.107.

Hver gang nålene 22 trenger inn, trekker mothaker på nålen fibre, for det meste fra banen av foroksydert PAN, gjennom de derover liggende sjikt av teksturen 10. Anordningen av rekker av nåler på hver side av akslingen 14 betyr at fibrene som rives med av nålene løper langs retninger som skjærer hverandre, se fig. 2. I skjæringspunktene gjør sammen-knytningsfibrene mellom sjiktene det mulig å oppnå en fiberstruktur som er meget fin, det vil si en struktur uten store porer. Som nevnt ovenfor kan den tredimensjonale tekstur for den indre ring oppnå ved vikling av todimensjonal tekstur, for eksempel en bane av duk, for å bygge opp et antall over hverandre liggende sjikt som er bundet sammen ved implantering av tråder gjennom sjiktene. En slik metode for oppnåelse av en fiberforform er beskrevet i FR 2.565.262.

Den indre ring av foroksyderte PAN-fibre karboniseres for å transformere de foroksyderte PAN-fibre til karbon. Under karboniseringen bæres den indre ring 30 av en grafittaksling 24. Diameteren for grafittakslingen 24 er noe mindre enn den til akslingen 14 for å tillate krymping av teksturen under transformeringen av foroksydert PAN til karbon.

Efter karbonisering holdes den indre ring 30 i form ved hjelp av et temporært bindemiddel, særlig ved impregnering ved hjelp av en harpiks som lett kan fjernes, for eksempel ved varmebehandling, for eksempel polyvinylalkohol-(PV)-harpiks som kan fjernes ved oppvarming uten å efterlate noen fast rest.

Mens den indre ring holdes i form på denne måte kan den maskinbearbeides for å oppnå en ønsket ytre diameter og kan eventuelt skjæres opp i lengder hvis den totale lengde av ringen 30 er flere gangen lengden av en ønsket utforing.

Derefter blir, fig. 3, den ytre ring installert rundt den indre ring, som bæres av akslingen 24, ved vikling av en teks turbane 26 rundt den. Banen 26 er en bane av twi 11 vevet SiC-fibre, trukket av fra en materull. Oppviklingen skjer som tidligere ved hjelp av en drivvalse 16. Ved begynnelsen av oppviklingen blir banen av duk 26 limt til overflaten av ringen 30 med den samme harpiks som den som ble benyttet for å impregnere ringen 30.

Når først den ytre ring 32 har nådd sin utvendige diameter forhindres oppvikling av banen av duk 26 ved hjelp av en vikling av karbontråd.

Formen som utgjøres av den indre ring 30 og den ytre ring 32, montert på grafittakslingen 24, anbringes i et reaksjons-kammer i en kjemisk dampinfiltreringsinstallasjon for å gjennomføre den første konsolidering.

Impregneringsharpiksen fjernes under temperaturøkningstrinnet som går foran infiltreringen. Partiell densifisering gjennom-føres til å begynne med ved å infiltrere materialet som utgjør matriksen for derved å konsolidere forformen, det vil si for å binde fibrene sammen i tilstrekkelig grad til at forformen kan manipuleres.

Den konsoliderte forform fjernes fra infiltreringsinstalla-sjonen for maskinbearbeiding til noen få tiendeler av en millimeter fra sine endelige dimensjoner efter at akslingen 24 er fjernet. Densifisering med matriksen fortsetter så inntil den maksimale densitet er oppnådd og den resulterende kanonløputforing maskinbearbeides til de endelige dimen-sj oner.

Kodensifisering av ringene 30 og 32 sikrer at de bindes sammen av matrikskontinuiteten. Den keramiske matriks kan for eksempel være siliciumkarbid. Teknikken for fremstilling av en keramisk matriks ved kjemisk dampinfiltrering er velkjent, det skal her særlig henvises til søkerens FR-publ. 2.401.888.

Et interfasesjikt, for eksempel av pyrokarbon (karbon avsatt ved kjemisk dampinfiltrering) kan dannes på fibrene av forformen før densifisering med den kjemiske matriks. Dannelsen av et slikt grenseflatesjikt som forbedrer bindingen mellom fibrene og matriksen er beskrevet i søkerens EP 0 172 082.

I en variant kan ringene 30 og 32 kodensifiseres ved bruk av en væske. For dette formål blir forformen impregnert med en væske som utgjør en forløper for de keramiske materialer i matriksen og underkastes så behandling, generelt varmebehandling, for transformering av forløperen til det keramiske materiale. Et antall konsekutive impregneringscykluser kan være nødvendig.

Fig. 4 viser utføringen bestående av den kodensifiserte indre ring 30 og ytre ring 32, anordnet i et metallkanonløp 40. Foringen er anordnet i endedelen av løpet nær kammeret fordi det er den del av kanonløpet som underkastes de største belastninger når et prosjektil avfyres. Det er intet behov for å beskytte boringen av kanonløpet over hele lengden og det er også uønsket å gjøre dette fordi det er foretrukket å begrense de aksiale belastninger på grunn av forskjellige ekspansjon mellom CMC-utforingen og metallkanonløpet og også

å begrense vanskelighetene på grunn av maskineringsnøyaktig-heten som er nødvendig for krympetilpasningsformål.

Foringen installeres i kanonløpet 40 ved vanlig krympetilpasning. Å legge utforingen under kompresjon forbedrer overføringen til metall-legeme i løpet av krefter på grunn av en trykkstigning i kanonløpet.

Kanonløpforingen ifølge oppfinnelsen gir god motstandsevne mot slitasje og tilfredsstillende gasstetthet i forhold til drivgassene på grunn av kohesjonen av armeringsfiberstrukturen i den indre ring som gir stor slitasjemotstandsevne, og på grunn av finheten i strukturen som fremmer enhetlig og dyp densifisering. Kanonløpforingen gir også god motstandsevne mot trykk i løpet og gir god termisk isolasjon på grunn av den måte armeringsfiberstrukturen er tildannet på i den ytre ring (omkretsvikling av en bane) og på grunn av den isoler-ende art av fiberstrukturen.

En ammunisjonsmottagende kon 34 kan være innarbeidet i boringen i utforingen (fig. 4) for krympetilpasning til prosjektilet i bevegelse for å tilveiebringe tetting mellom prosjektilet og den foringsmottagende boring i løpet. En slik kon gir ytterligere radial- og aksialbelastninger som det keramiske matrikskomposittmateriale som utgjør foringen, er i stand til å motstå.

Claims (13)

1. Kanon/geværløpforing av komposittmateriale med armering av ildfast fiber og en keramisk matriks, karakterisert ved at fiberarmeringen omfatter en sylindrisk indre del (30) bestående av en tredimensjonal fibertekstur og en sylindrisk ytre del (32) som omgir den indre del og med samme akse, idet den ytre del består av en bane viklet rundt den indre del, idet den indre og ytre del er kodensif iserte med den keramiske matriks.

2. Foring ifølge karav 1,karakterisert ved at indre del av armeringen består av karbonfibre.

3. Foring ifølge krav 1,karakterisert ved at den ytre del av armeringen er laget av keramiske fibre.

4. Foring ifølge krav 3,karakterisert ved at den ytre del av armeringen er laget av fibre i det vesentlige bestående av siliciumkarbid.

5. Foring ifølge krav 1,karakterisert ved at den keramiske matriks er laget av siliciumkarbid.

6. Fremgangsmåte for fremstilling av en løpforing ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter: tildanning av en første sylindrisk tredimensjonal tekstur av fibre av ildfast materiale eller av en derefter karbonisert forløper derfor, for derved å danne den indre del av armeringen; vikling av en andre tekstur av ildfaste fibre på den indre del av armeringen for derved å danne en ytre del av armeringen; og samtidig densif isering av den indre og den ytre del av armeringen ved hjelp av materiale som utgjør den keramiske matriks.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den indre del av armeringen tildannes ved vikling av på hverandre anordnede sjikt av fibertekstur på en spindel og ved binding av sjiktene ved nål ing.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at nål ingen gjennomføres i retninger som skjærer hverandre.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den indre del av armeringen tildannes ved vikling av på hverandre lagte sjikt av en fibertekstur på en spindel og ved å binde sjiktene sammen ved implantering av tråder gjennom sjiktene.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den indre og ytre del av armeringen kodensifiseres ved kjemisk dampinfiltrering.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den indre og ytre del av armeringen kodensifiseres ved hjelp av en væske.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den første viklede tekstur er laget av fibre som utgjør en forløper for et ildfast materiale og at forløperen omdannes til det ildfaste materiale ved varmebehandling før påvikling av den ytre del av armeringen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den indre del av armeringen holdes i form ved impregnering med en temporær harpiks før den ytre del av armeringen vikles på.