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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Ausbilden einer Struktur unter
Verwendung von Techniken des Diffusionsverbindens (DB von diffusion
bonding) und des superplastischen Umformens (SPF von superplastic
forming). Die Erfindung hat besondere Anwendung in der Luft- und
Raumfahrtindustrie bei der Herstellung von Platten und Strukturen
für Flugzeuge.
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Stand der
Technik
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Kombiniertes
superplastisches Umformen/Diffusionsverbinden (SPF/DB) ist eine
etablierte Technik zum Herstellen von Strukturkomponenten, insbesondere
von leichtgewichtigen Komponenten, welche komplexe innere Strukturen
erfordern, aus Materialien, die bei erhöhten Temperaturen superplastische
Eigenschaften aufweisen. Diese Materialien sind hauptsächlich Titanlegierungen,
insbesondere (aber nicht ausschließlich) Titan/Aluminium/Vanadium-Legierungen.
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Typische
Beispiele von bekannten superplastischen Umformungs-/Diffusionsverbindungs-Prozessen
sind in US-5,143,276, US-4,534,503, GB-2,030,480, GB-2,129,340, US-4,607,783,
US-4,351,470, US-4,304,821, US-5,994,666 und EP-0,502,620 beschrieben.
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Ein
typischer bekannter SPF/DB-Prozess wird nun in Verbindung mit 1 beschrieben,
welche vier Schritte zum Ausbilden einer Platte zeigt.
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In
Schritt 1 kann ein Abdeckmaterial zwischen zwei Kernlagen 10, 12 ein gelegt
werden; das Abdeckmaterial bildet eine Schicht, die verhindert, dass
die Kernlagen bei Betriebstemperaturen in den Bereichen, auf die
das Abdeckmaterial gelegt wurde, miteinander diffusionsverbunden
werden. Die Kernlagen werden dann durch Linienverbindungen 14 miteinander
verbunden. Diese Verbindungen können gebildet
werden, indem die zwei Kernlagen 10, 12 miteinander
diffusionsverbunden werden, wobei in diesem Fall das Abdeckmaterial
in dem Bereich der Linienverbindungen 14 weggelassen werden
sollte. Alternativ können
die Kernlagen durch andere Techniken miteinander verbunden werden,
zum Beispiel durch Widerstandsschweißen oder Laser-Verbinden.
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In
Schritt 2 wird eine Stapelanordnung durch Einlegen der Kernlagen 10, 12 zwischen
Decklagen 16, 18 ausgebildet; der Stapel kann
dann durch eine Schweißnaht
oder eine Verbindung (nicht gezeigt) um seinen äußeren Umfang herum abgedichtet
werden. Durchführungen
sind in der Stapelanordnung enthalten, die es ermöglichen,
dass Gas in den Bereich zwischen den Kernlagen 10, 12 und
unabhängig
davon in den Bereich zwischen den Decklagen 16, 18 und
ihren benachbarten Kernlagen 10, 12 eingespeist
wird. Falls nötig,
können
in den Linienverbindungen 14 Lücken gelassen werden, um den Durchtritt
von Gas zwischen benachbarten Bereichen der Kernlagen zu ermöglichen.
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In
Schritt 3 wird die Stapelanordnung dann zwischen zwei Hälften eines
Formwerkzeugs 20 angeordnet, das aufgeheizt werden kann.
Die zwei Hälften
des Formwerkzeugs 20 werden zusammengedrückt, um
eine gasdichte Abdichtung zwischen den Rändern der Stapelanordnung und
dem inneren Hohlraum in dem Werkzeug zu bilden. Falls gewünscht können die
Klemmkräfte
für die
Ausbildung von Diffusionsverbindungen 21 um den Randbereich des
Stapels herum sorgen, wenn sie nachfolgend durch Aufheizen ergänzt werden.
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Das
Werkzeug wird auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der superplastisches
Umformen stattfindet, die für
eine typische Legierung, wie zum Beispiel eine Ti-6% Al-4% V, typischerweise über 850°C beträgt. Ein
Edelgas wird zunächst
zwischen jede Decklage 16, 18 und ihre jeweils
benachbarte Kernlage 10, 12 eingespeist. Dies
bewirkt, dass die Decklagen 16, 18 gegen die Innenfläche des
Formwerkzeugs 20 gedrängt
werden, wodurch sie die Form der Innenfläche des Formwerkzeugs 20 annehmen.
Sobald die Decklagen 16, 18 von den Kernlagen 10, 12 weggedrängt worden
sind, z.B. sobald sie teilweise oder vollständig durch das Werkzeug 20 in
ihre Gestalt geformt worden sind, werden Gase zwischen die Kernlagen 10, 12 eingespeist,
wodurch die Bereiche zwischen den Verbindungen zum "Aufblähen" gebracht werden.
Das Aufblähen
geht weiter, bis die Kernlagen eine Reihe von Zellen 22 bilden,
die durch Wände 24 getrennt
sind. Die obere Hälfte
jeder Wand 24 ist durch einen doppelt unterstützten Abschnitt
der Kernlage 10 gebildet; ebenso ist die untere Hälfte jeder
Wand 24 durch einen doppelt unterstützten Abschnitt der Kernlage 12 gebildet.
Die Verbindungen zwischen den zwei Hälften der Wand sind die in Schritt
1 gebildeten Linienverbindungen 14.
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In
Schritt 4 wird der Gasdruck in den Zellen 22 für eine Zeit,
nachdem die Zellen aufgebläht
wurden, aufrecht erhalten, um zwischen den Decklagen 16, 18 und
den benachbarten Bereichen der Kernlagen 10, 12 Diffusionsverbindungen 28 zu
bilden. Ebenso werden zwischen den doppelt unterstützten Abschnitten
der Kernlagen 10, 12, welche die Wände 24 bilden,
und zwischen den äußeren Rändern 26 des äußeren Umfangs
des Stapels, die durch die zwei Hälften des Formwerkzeugs 20 komprimiert werden,
Diffusionsverbindungen 28 gebildet.
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Die
Festigkeit der Platte wird durch das Vorhandensein der Diffusionsverbindungen 28 stark
erhöht,
und es ist wünschenswert,
dass sie an allen Grenzflächen
zwischen den Kernlagen und den Decklagen gebildet werden. Zu diesem
Zweck wird das Gas in den Hohlräumen 30 zwischen
den Kernlagen und den Decklagen gesteuert, und Gas wird von den
Hohlräumen
abgezogen, wenn sie während des
Aufblähens
der Zellen schrumpfen, um zu verhindern, dass das Gas zwischen den
Kern- und Decklagen eingeschlossen wird, was einen engen Kontakt zwischen
diesen Lagen verhindern würde
und so das Diffusionsverbinden behindern würde. Gas wird von den Hohlräumen 30 in
dem Bereich der Spandrillen 32 abgezogen, die an der Oberseite
und der Unterseite der Wände 24 zwischen
den Kernlagen und den Decklagen gebildet sind.
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Bei
superplastischen Umformungstemperaturen können Titanlegierungen eine
Oberflächenschicht
(oder einen "Mantel") ausbilden, die
eine Alpha-Phase
ist, die insbesondere bei einem Vorhandensein von Alpha-Phasenstabilisierenden
Elementen, wie zum Beispiel Sauerstoff und Stickstoff, gebildet
wird. Die Bildung eines Alpha-Mantels an einer Stelle, die diffusionsverbunden
werden soll, verringert die Festigkeit der Diffusionsverbindung
drastisch und hat zusätzlich
eine nachteilige Wirkung auf die Dauerleistungsfähigkeit. Aus diesem Grund sollte das
bei superplastischem Umformen verwendete Gas im Wesentlichen frei
von derartigen Alpha-Mantel-stabilisierenden
Elementen sein, und deshalb sollte ein hochreines Gas mit einem
sehr geringen Gehalt an Alpha-Mantel-stabilisierenden Elementen (über 99,999%
Reinheit) verwendet werden. Zusätzlich
wird das Gas üblicherweise über einen "Getter" geleitet, um die
Menge an irgendwelchen Verunreinigungen, die vorhanden sein können, weiter
zu verringern. Das Gas, welches beim superplastischen Umformen fast
allgemein verwendet wird, ist Argon, weil es inert und relativ billig
ist. Andere Edel gase wurden nicht verwendet, da es keinen wahrgenommenen Vorteil
gab, sie zusätzlich
zu Argon zu verwenden.
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Während des
Aufblähens
der Kernlagen, wenn die Kernlagen zum ersten Mal die Decklagen berühren (sogenannter "Haftkontakt"), gibt es eine Tendenz,
dass durch die expandierenden Kernlagen eine Druckbelastung an die
Decke vor dem vorrückenden
Haftkontaktpunkt vermittelt wird. Diese fortschreitende Belastung
kann ein Knicken der Decklage bewirken, die vor dem vorrückenden
Haftkontaktpunkt ungestützt
ist. Die Entwicklung eines derartigen Knickens bewirkt letztendlich,
dass überschüssiges Deckmaterial
an dem Punkt der Zellengrenzflächen
(d.h. über
den Spandrillen) in die Zellenstruktur gezogen wird, und ein Liniendefekt
in der Decke über den
Spandrillen tritt auf. Um das Knicken der Decke zu minimieren, ist
es üblich,
während
des Aufblähens der
Kerne einen Gegendruck von Gas in dem Hohlraum 30 zwischen
der Kernlage und der Decklage aufrecht zu erhalten. Die Größe des Gegendrucks, der
nötig ist,
um ein derartiges Knicken zu vermeiden, hängt von der relativen Dicke
der Kern- und der Decklagen
sowie von der Geometrie der Zellen ab. Der Gegendruck wird normalerweise
entfernt, sobald die Kerne vollständig ausgebildet sind (oder
sich der vollständigen
Ausbildung nähern),
um zu verhindern, dass Gas zwischen der Kernlage und der Decklage eingeschlossen
wird, was die Festigkeit der Diffusionsverbindung zwischen diesen
Lagen verringert oder sogar verhindern kann, dass eine Diffusionsverbindung
in den Bereichen ausgebildet wird, in denen Gas eingeschlossen ist.
Gas wird normalerweise über
die Spandrillen aus dem Hohlraum zwischen den Kern- und Decklagen
entfernt, was eine Gasleitung zumindest für eine Zeit aufrecht erhält, nachdem die
Kernzellen im Wesentlichen ausgebildet worden sind. Auf diese Weise
minimiert die Entfernung des Gegendrucks zwischen den Kern- und
Decklagen den Grad an potenziel lem Gaseinschluss in der Spandrillenstruktur,
der auftreten kann, falls das Spandrillennetzwerk nachfolgend blockieren
sollte.
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Ein
schematischer Druck-Zeit-Zyklus (PTC von pressure-time cycle) in
Bezug auf das Aufblähen der
Kernlagen ist in 2 gezeigt. 2 schließt keinen
PTC in Bezug auf das Aufblähen
der Decklagen ein. Wie man sehen kann, wird ein Gegendruck (gestrichelte
Linie (-----) "a") während des
Aufblähens der
Kernlagen (Schritt 3, angegeben durch den Pfeil "3")
zwischen den Kernlagen und den Decklagen aufrecht erhalten, aber
sobald die Kernzellen 22 im Wesentlichen ausgebildet sind,
wird der Gegendruck entfernt, und der Druck in den Kernzellen wird
für eine
vorbestimmte Zeit aufrecht erhalten, um eine Diffusionsverbindung
in der Platte zu ermöglichen. Der
Druck in den Zellen 22 ist durch die strichpunktierte Linie
(-.-.-.) "b" angegeben, was einen Nettodruck über den
Kernlagen 10, 12 ergibt, der durch die durchgezogene
Linie (____) "c" angegeben
ist.
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Die
Qualität
der Diffusionsverbindungen, die während und nach dem superplastischen
Umformen ausgebildet werden, kann durch die Verwendung eines Gegendrucks
von Gas in dem Hohlraum zwischen den Kernlagen 10, 12 und
den Decklagen 16, 18 negativ beeinflusst werden,
hervorgerufen durch einen Einschluss von kleinen Gastaschen während des
SPF/DB-Prozesses, wie man glaubt. Dies trifft sogar für den Fall
eines in 2 gezeigten PTCs zu, bei dem
das Gegendruckgas evakuiert wird, wenn die Kerne gebildet sind und
die Größe des Hohlraums
zwischen der Kernlage und der Decklage verringert wird. 3 zeigt
eine Mikrofotografie durch den diffusionsverbundenen Bereich zwischen
einer Kernlage und einer Decklage unter Verwendung des oben beschriebenen
SPF/DB-Prozesses.
Die schwarzen Bereiche zeigen eingeschlossenes Gas. Die gerundete
Natur der Enden der schlecht gebildeten Verbindungen ("disbonds") ist charakteristisch dafür, dass
dort ein Gaseinschluss stattge funden hat, der das Auftreten eines
engen Kontakts verhindert. Die Abwesenheit von jeglichem Alpha-Mantel
an der Verbindungslinie bestätigt,
dass die Oberflächen
beider Schichten während
des Diffusionsverbindens sauber waren.
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Ohne
auf irgendeine bestimmte Theorie festgelegt werden zu wollen, glaubt
man, dass das Gas als eine Folge von hohen Graden von durch Spannung
hervorgerufener Oberflächenrauheit
eingeschlossen ist. Während
des superplastischen Umformens wird der hohe Grad von Spannung durch
das Material der Lagen aufgenommen, durch einen Prozess, der bekannt
ist als "Korngrenzengleiten", das heißt, dass
während
des superplastischen Umformens einzelne Körner in dem Metall aneinander
vorbei gleiten. Das unvermeidliche Ergebnis des Korngrenzengleitens
ist, dass die Oberflächen
der Lagen aufgrund von einzelnen Oberflächenkörnern, die aus den ursprünglich ebenen
Oberflächen
der Lagen, die gebildet werden, herausragen, auf einem Mikrostrukturniveau
aufgeraut werden. Wenn die Oberflächen der Kern- und Decklagen
unter der Anwendung des Verbindungsdrucks innerhalb der Kerne in
engen Kontakt gebracht werden, werden sich alle zuvor aufgerauhten
Oberflächen
deformieren, um eine im Wesentlichen glatte Grenzfläche zu produzieren.
Man glaubt jedoch, dass Gas in den Spalten hinter herausragenden
Körnern
eingeschlossen werden kann und von dem schwindenden Hohlraum isoliert
werden kann, der letztendlich die Spandrille wird. Ohne einen derartigen
Entlüftungsweg
zurück
zu der Spandrille bildet sich eine Gastasche und verhindert das Diffusionsverbinden.
Die Anwendung von Gegendruck verschlimmert das obige Problem, da
eine größere Menge
an Gas in dem Hohlraum zwischen den Lagen, die diffusionverbunden
werden sollen, vorhanden sein wird.
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Die
WO02/22286 beschreibt ein Verfahren zum superplastischen Umformen
einer einzelnen Lage unter Verwendung einer Siliziumdioxid-Form. Um
einen übermäßigen Kontakt
zwischen der Lage und der Form zu verhindern, der die Lage verunreinigen
könnte,
wird eine Barriere zwischen der Lage und der Form gebildet, die
fest oder gasförmig
sein kann, z.B. Bornitrid oder ein Edelgas, wie zum Beispiel Helium
oder Argon.
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Die
US-4,500,033 offenbart ein Verfahren zum Heraustreiben von eingeschlossener
Luft während
des superplastischen Umformens durch Überziehen der superplastischen
Lagen mit einem Material, das sich bei einer Temperatur unterhalb
der superplastischen Umformungstemperatur zersetzt, um ein Edelgas
zu bilden. Das Zersetzungsgas wird dann gemeinsam mit der eingeschlossenen
Luft mittels Argon ausgespült.
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Die
US4509671 offenbart ein
Verfahren zum superplastischen Umformen, bei dem in Titanlegierungswerkstücken durch
den Durchgang eines unter Druck gesetzten Edelgases, wie zum Beispiel
Argon oder Helium, in den Raum zwischen den Werkstücken ein
ausgesparter Hohlraum erzeugt wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, dass es dem zum Bilden
des Gegendrucks in dem Hohlraum zwischen den Kern- und Decklagen verwendeten
Gas ermöglicht
wird, durch die Kern- und/oder Decklage(n) zu diffundieren, falls
jemals eine Einschlusstasche gebildet wird. Dies wird durch die
Verwendung eines Gases mit einem kleineren Atomdurchmesser als das
allgemein verwendete Argongas erreicht. Das bevorzugte Gas ist Helium.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Prozess zum Ausbilden einer Struktur durch Diffusionsverbinden
und superplastisches Umformen wenigstens einer Decklage und wenigstens
einer Kernlage zur Verfügung
gestellt, der umfasst, dass:
- a) ein Stapel
aus der wenigstens einen Decklage und der wenigstens einen Kernlage
gebildet wird;
- b) der Stapel in einer Form angeordnet und auf eine Temperatur
aufgeheizt wird, bei der die Lagen zu superplastischer Deformation
fähig sind;
- c) ein Gas zwischen die Decklage und die Kernlage eingespeist
wird, um die Decklage gegen eine Innenfläche der Form zu drücken und
dadurch einen Hohlraum zwischen der Decklage und der Kernlage zu
bilden;
- d) ein Gas auf der der Decklage fern liegenden Seite der Kernlage
eingespeist wird, um die Kernlage gegen die Decklage zu drücken;
- e) der Gasdruck auf der der Decklage fern liegenden Seite der
Kernlage aufrecht erhalten wird, um dadurch eine Diffusionsverbindung
zwischen der Decklage und der Kernlage zu bilden; und
- f) ein geregelter Gasdruck in dem Hohlraum zwischen der Decklage
und der Kernlage zumindest während
eines Teils von Schritt d) aufrecht erhalten wird;
wobei
das in Schritt f) zum Aufrechterhalten des Gasdrucks in dem Hohlraum
zwischen der Decklage und der Kernlage verwendete Gas Helium ist,
das durch die Decklage hindurch diffundieren kann.
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Eine
beim SPF oft verwendete Legierung ist eine feinkörnige, äquiaxiale Ti-4% Al-4% V-Legierung mit
Alpha-Beta-Phase, deren Alpha-Phase eine kubisch raumzentrierte
Struktur aufweist und deren Beta-Phase eine hexagonal dicht gepackte
Struktur aufweist. Es kann berechnet werden, dass ein Atom mit 41%
des Radius der Titanatome leicht durch die hexa gonal dicht gepackte
Struktur hindurch diffundieren wird. Offensichtlich werden aufgrund
einer Schwingung der Metallatome und des Vorhandenseins von Fehlstellen
in dem Gitter auch größere Atome
hindurch diffundieren. Helium weist einen effektiven Atomradius
auf, der 55% von dem des Titans beträgt und wird eine relativ hohe
Diffusionsrate des Heliums durch Titan ermöglichen. Die entsprechenden
Werte für
Neon und Argon sind 110% bzw. 132%. Argon wird nicht mit einer nennenswerten
Rate durch Titan hindurch diffundieren.
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Auf
die gleiche Weise, wie Helium in dem Fall, dass eine Einschlusstasche
zwischen den Kern- und Decklagen gebildet wird, in oder durch die
Titaniumkernlage hindurch diffundieren könnte, könnte Helium jedoch in die Tasche
hinein diffundieren, wenn es zum Aufblähen der Kerne verwendet würde. Da der
Druck in den Kernzellen, die gebildet werden, größer ist, als der Gegendruck
in den Einschlusstaschen, wird allerdings erwartet, dass die Diffusionsrate
von Helium in den Hohlraum zwischen den Kern- und Decklagen größer sein
würde als
die Diffusionsrate in der anderen Richtung, falls Helium zum Aufblähen der
Kerne verwendet würde.
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Das
obige Problem kann gelöst
werden, indem ein anderes Gas in dem Hohlraum zwischen den Kern-
und Decklagen verwendet wird im Vergleich zu dem Gas, das zum Aufblähen der
Kerne verwendet wird. Je schwerer das Gas ist, desto geringer wird seine
Diffusionsrate durch die Kernlage sein. Durch Verwenden eines Gases
mit geringerem Atomgewicht in dem Hohlraum, als es zum Aufblähen der Kernlagen
verwendet wird, wird so die Diffusion aus der Einschlusstasche heraus
größer sein
als jede Diffusion von Gas in die Einschlusstasche hinein. Mit anderen
Worten könnte
Neon oder Argon verwendet werden, um die Kernzellen aufzublähen, wenn
Helium verwendet wird, um den Gegendruck in dem Kern-/Deckhohlraum
zu bilden.
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Ein
anderes potenzielles Problem ist das des Sicherstellens, dass das
Heliumgas die Gas-Metall-Grenzfläche
durchqueren kann. Die Nicht-Edelgase
(z.B. Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff) treten durch Dissoziation
von der molekularen in die atomare Form und durch Chemisorption
an der Grenzfläche
in Metalle ein. Das Gas löst
sich dann lokal und diffundiert entlang dem Konzentrationsgradient,
d.h. von der hohen zur niedrigen Konzentration. Für Edelgase
tritt der Chemisorptionsprozess nicht auf. Damit Helium durch Titan
hindurch diffundiert, muss daher erst ein Weg gefunden werden, die
Aktivierungsenergie zu erfüllen,
die erforderlich ist, um dem Gas zu ermöglichen, in das Metall überzutreten. Die
leichteste Art, den Übertritt
durch die Gas-Metall-Grenzfläche
in dem bestimmten Fall zu fördern, dass
Gas während
des SPF/DB-Prozesses eingeschlossen wird, besteht darin, einen geeigneten Druckunterschied über die
Kernlage bereitzustellen, indem der Druck in dem Kern 22 verringert
wird und der Druck in den Kernzellen mit einem derart geringeren
Niveau aufrecht erhalten wird, um eine Strömung von Heliumgas unter hohem
Druck aus dem Inneren der Einschlusstasche entweder in die Kern-
oder Decklagen oder in die Kernzellen zu bewirken. Eine Diffusion
von Gas wird dann in der Richtung entlang dem Konzentrationsgradient
auftreten – d.h.
weg von der Tasche. Der Druck des Gases in der Einschlusstasche
wird dann abfallen. Die Rate der Druckverringerung in der Einschlusstasche
wird sinken, wenn der Druckunterschied abnimmt, und die Strömung wird
letztendlich aufhören.
Der Druck in dem Kern sollte deshalb erhöht werden, im Allgemeinen sobald die
Rate der Strömung
von Gas aus dem Inneren der Einschlusstasche auf eine unannehmbar
geringe Rate abgenommen hat. Diese Druckerhöhung wird dann bewirken, dass
sich die Kernlage in Richtung der Decklage bewegt, wodurch die Größe der Tasche verringert
wird und so der Druck des in der Tasche verbleibenden Gases erhöht wird.
Der Prozess wird weitergehen, bis der Druck des eingeschlossenen Gases
in der Tasche wieder den Druck des Gases in dem Kern erreicht. Um
weitere Verringerungen der Größe der Gaseinschlusstaschen
zu erleichtern, können
zusätzliche
Nieder-/Hochdruckzyklen angewendet werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines bekannten Diffusionsverbindungsprozesses;
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2 ist
ein schematischer Druck-Zeit-Zyklus (PTC), der den in verschiedenen
Stadien eines bekannten SPF/DB-Prozesses
vorherrschenden Druck zeigt, wie zum Beispiel des in Verbindung
mit 1 beschriebenen;
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3 ist
eine Mikrofotografie durch die Diffusionsverbindung eines bekannten
SPF/DB-Prozesses, wie zum Beispiel des in Verbindung mit 1 beschriebenen;
und
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4 ist ein beispielhafter schematischer Druck-Zeit-Zyklus
(PTC), der den in verschiedenen Stadien eines erfindungsgemäßen SPF/DB-Prozesses
vorherrschenden Druck zeigt.
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Beste Art
zum Ausführen
der Erfindung
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Die
Erfindung wird vorzugsweise ausgeführt wie in Verbindung mit 1 beschrieben
und unter Verwendung von Argon, um die Decklagen 16, 18 aufzublähen und
die Kernlagen 10, 12 aufzublähen. Nachdem die Decklagen 16, 18 superplastisch
umgeformt wurden, wird das Argon in den Hohlräumen 30 zwischen den
Decklagen 16, 18 und ihren jeweiligen Kernlagen 10, 12 erfindungsgemäß jedoch
durch Helium ersetzt. Der Gegendruck von Helium in diesen Hohlräumen 30 wird
auf eine gesteuerte Art aufrecht erhalten, auf eine Weise, die aus
dem Stand der Technik wohl bekannt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden jedoch eine oder mehrere Perioden in den Diffusionsverbindungsschritt
(Schritt 4) eingeführt,
in denen der Druck von Argon in den Kernzellen 22 herabgesetzt
wird, wie nun beschrieben wird.
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Ein
typischer schematischer PTC für
erfindungsgemäße Betriebsbedingungen
ist in 4 gezeigt, die ein Diagramm
des Absolutdrucks P (kPA) gegenüber
der Zeit t während
des kernbildenden Teils von Schritt 3 und während des Diffusionsverbindungsschritts
4 des Prozesses ist, der in Verbindung mit 1 beschrieben,
aber erfindungsgemäß wie unten
ausgeführt
modifiziert ist. Der kernbildende Schritt, in 4 durch
den Pfeil "3" auf der x-Achse angegeben,
findet mit einem Gegendruck in dem Hohlraum 30 (gezeigt
als gestrichelte Linie (-----) "a" in 4)
und einem Druck in den Kernzellen 22 statt, der die Kerne
bildet (gezeigt durch die strichpunktierte Linie (-.-.-.) "b" in 4),
was einen Nettodruck über
die Kernlagen 10, 12 zur Folge hat (gezeigt durch
eine durchgezogene Linie (____) "c" in 4). Während des
Diffusionsverbindungsschritts, in 4 angegeben
durch den Pfeil "4" auf der x-Achse,
wird der Gegendruck (gestrichelte Linie "a")
nicht länger aufrecht
erhalten, und so ist der Nettodruck (durchgezogene Linie "c") der in den Zellen 22 vorherrschende
Druck, der das Diffusionsverbinden bewirkt. Ein hoher Druck von
3550 kPa wird für
den ersten Teil des Diffusionsverbindungsschritts in 4 aufrecht erhalten, dem folgend werden
vier Nieder-/Hochdruckperioden "d" während der
Diffusionsverbindungsperiode eingeführt, wobei der Hochdruck 3550 kPa
und der Niederdruck etwa 135 kPa beträgt. Die in den Druckdiagrammen angeführten Werte
in 4 geben die Dauer (in Minuten)
der verschiedenen Teile des Druckzyklus an.
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Die
Identifikation der optimalen Zyklusbedingungen im Hinblick auf die
Anzahl von Nieder-/Hochdruckzyklen in den Kernzellen 30 und
die Länge
jeder der verschiedenen Niederdruckperioden wird unter anderem von
den folgenden Faktoren abhängig
sein:
- 1) Maximal angewendeter Verbindungsdruck.
Je höher
der in dem Kern angewendete Verbindungsdruck ist, desto weniger
wahrscheinlich ist es, dass irgendeine Gaseinschlusstasche einen engen
Kontakt zwischen den Lagen, die diffusionsverbunden werden sollen,
verhindert. Der Druck, der erforderlich ist, um die Notwendigkeit für Niederdruckperioden
vollständig
zu beseitigen, würde
jedoch von der Größenordnung
der beim heißisostatischen
Pressen (HIP) verwendeten Drücke
sein, was größer als
100 MPa ist. In der Praxis beträgt
der maximale Druck, der wahrscheinlich während eines SPF/DB-Prozesses angewendet
wird, 10 MPa und würde üblicherweise eher
etwa 5 MPa betragen. Unter Verwendung der eben beschriebenen Anordnung
wird die Anzahl und die Länge
von irgendwelchen Niederdruckperioden mit zunehmendem angewendetem Druck
abnehmen.
- 2) Anfängliche
Verbindungszeit vor dem Durchlaufen der Druckpulszyklen
- 3) Der Grad an SPF-Spannung, Spannungsrate und der Korngröße. Diese
Faktoren werden zusammen den Grad an spannungsinduzierter Rauheit
bestimmen und so die Neigung zur Bildung von Gaseinschlusstaschen
beeinflussen.
- 3) Die Dicke der Kern-/Decklagen. Die Rate der Permeation von
Heliumgas durch eine Kern-/Decklage wird umgekehrt proportional
zu der Dicke der Lage sein. So ist eine erhöhte Druckhaltezeit erforderlich,
wenn eine relativ dicke Kernlage verwendet wird.
- 4) Die Höhe
des Gegendrucks. Ein Gegendruck von etwa 0,3 MPa wird typischerweise
verwendet. Bedeutend höhere
oder geringere Gegendrücke werden
den Grad an Gaseinschluss beeinflussen und so die optimalen Bedingungen
zu dessen Beseitigung beeinflussen.
- 5) Die Temperatur des DB-Prozesses. Eine typische Temperatur
für SPF/DB
ist 1170 bis 1200°K. Gemäß dem Fickschen
Gesetz der Diffusion ist die Diffusionsrate umso höher, je
höher die
Temperatur ist.
- 6) Die Rate der Diffusion/Permeation. Je höher die Rate der Permeation/Diffusion
von Heliumgas durch die Kernlagen und/oder die Decklagen ist, umso
weniger Zyklen sind erforderlich, um Gas in einer Einschlusstasche
in einem derartigen Maß zu
entfernen, dass bei einer einer Niederdruckperiode folgenden Wiedereinführung des
Hochdrucks in einer Zelle ein enger Kontakt zwischen den Kern- und
Decklagen auftreten wird, wodurch es ermöglicht wird, dass eine Diffusionsverbindung
stattfindet.
- 7) Andere Faktoren, die den Prozess beeinflussen, umfassen:
– den Minimaldruck
während
des Durchlaufens der Druckpulszyklen
– die Druckhaltezeit bei Maximaldruck
während des
Durchlaufens der Zyklen
– die
Druckhaltezeit bei Minimaldruck während des Durchlaufens der
Zyklen
– die
Geschwindigkeit des Unterdrucksetzens und des Druckablassens
– die Anzahl
von wiederholten Druckpulszyklen.
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Versuche,
die durchgeführt
wurden, um die Wirkung der obigen Parameter auf die Qualität der Lage-zu-Lage-Verbindungen
in Zellstrukturen zu studieren, die aus einem 2 mm dicken Stück von Ti-6Al-4V
mit einer Korngröße von etwa
4 bis 6 μm gebildet
waren, ergab die folgenden Kriterien in Bezug auf das Ausbilden
einer Lage-zu-Lage-Verbindung von guter Qualität:
- – Eine Ausbildungstemperatur
von 927°C
bei einem Aufblähdruck
von 500 psi (3450 kPa) ist ausreichend, um ein superplastisches
Umformen des Lagenmaterials zu ermöglichen. Eine typische Spannungsrate
für superplastisches
Umformen von feinkörnigem
Ti-6Al-4V beträgt
2 × 10–4).
- – Eine
anfängliche
Druckhaltezeit von 45 Minuten bei Maximaldruck in den Kernzellen 22 nach
dem Entfernen des Gegendrucks und vor dem Durchlaufen der Druckpulszyklen
war ausreichend, um eine vorläufige
Verbindung zwischen den Kern- und Decklagen zu bewirken.
- – Ein
superplastischer Umformungsdruck von 3550 kPa erzeugt Lagezu-Lage-Verbindungen von
besserer Qualität
als 2170 kPa.
- – 4
Pulszyklen verringern die Größe von Nichtverbindungs-Hohlräumen zwischen
den Kernlagen 10, 12 und den Oberflächenlagen 16, 18 wirksamer
als 2 Pulszyklen.
- – Eine
Druckhaltezeit von 25 Minuten bei Maximaldruck zwischen den Zyklen
hilft bei dem Kollaps von irgendwelchen restlichen Nichtver bindungs-Hohlräumen, aber
eine Druckhaltezeit von 15 Minuten bei Maximaldruck zwischen den
Zyklen wurde als nicht ausreichend befunden, um einen Nichtverbindungs-Hohlraum-Kollaps
zu bewirken.
- – Eine
Druckhaltezeit von 15 Minuten bei Minimaldruck ist ausreichend,
um es eingeschlossenem Helium in den Nichtverbindungs-Hohlräumen zu ermöglichen,
in die Ti-Legierungsmatrix zu diffundieren. Längere Druckhaltezeiten bei
Minimaldruck können
für eine
erhöhte
Diffusion des Heliums in das Titan sorgen.
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Vorzugsweise
sind die verwendeten Bedingungen so, dass die Anzahl von Niederdruck-Halteperioden
im Einklang mit dem Erreichen einer guten Verbindung zwischen den
Oberflächen-
und Kernlagen minimiert ist.
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Es
ist wohl bekannt, dass Helium unter bestimmten Umständen zu
einer Versprödung
von Metallen führen
kann; dies ist in der Kernkraftindustrie wohl bekannt. Wenn Helium
zum superplastischen Umformen der Decken und Kerne verwendet würde, könnte eine
beträchtliche
Strömung
von Helium durch die Kern- und Deckschichten erwartet werden, insbesondere
in den Bereichen, die einen Maximaldruck erfordern, um die Schichten
gegen die Werkzeugoberfläche
zu drücken.
Aus diesem Grund, zusätzlich
zu dem Grund des Verhinderns einer Diffusion von Helium aus dem
Kern in die Taschen, ist es bevorzugt, die Verwendung von Helium
darauf zu beschränken,
den Gegendruck zwischen den Kern- und Decklagen bereitzustellen;
das zum superplastischen Umformen der Deckschichten verwendete Gas,
um diese an die innere Gestalt des Werkzeugs zu schmiegen und um
die Kernlagen zum Bilden der Zellen aufzublähen, würde mit einem herkömmlichen Gas
stattfinden, insbesondere Argon. Da der Druck von Helium in den
Kern-zu-Deck-Hohlräumen 30 relativ
gering sein wird im Vergleich zu dem Argondruck, der in den Kernzellen 22 vorherrscht
(siehe 4), wird erwartet, dass die
Menge an Helium, die in die Kernlage eintritt und durch die Kernlage
hindurch diffundiert, während
der Kernbildung gering ist. Ebenso wird erwartet, dass während der
Kernbildung sehr wenig Helium in die Decklagen hinein diffundiert.
Es wird geschätzt,
dass die Restheliumkonzentration neben einer früheren Einschlusstasche, die als
Folge einer Heliumpermeation kollabiert ist, in der Größenordnung
von 1 bis 2 Parts per Million läge, was
gut unterhalb einem Niveau ist, das wahrscheinlich für ein Bewirken
einer Versprödung
von Belang wäre.
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Es
ist einzusehen, dass einer oder beide der obigen zwei Prozesse zum
Bewirken einer Netto-Gasströmung
aus den Einschlusstaschen verwendet werden könnte, d.h. die Verwendung von
Niederdruckperioden während
des Diffusionsverbindens und die Beschränkung der Verwendung von Helium zum
Bilden des Gegendrucks in den Kern/Decke-Hohlräumen 30.
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Die
eigentliche Beschaffenheit des durch superplastisches Umformen hergestellten
Produkts ist nicht relevant für
die vorliegende Erfindung, solange mindestens eine Decklage und
mindestens eine Kernlage verwendet wird. In diesem Zusammenhang ist
eine Decklage eine Lage, die superplastisch in die innere Gestalt
einer Form geformt werden kann. Eine Kernlage ist eine Lage, die
nach der Decklage superplastisch umgeformt wird, und so existiert,
während sie
superplastisch umgeformt wird, ein Hohlraum zwischen der Kernlage
und ihrer zugehörigen
Decklage. Nachfolgend werden die Kernlage und die Decklage miteinander
diffusionsverbunden. Es ist möglich, dass
es nur eine Decklage in der Struktur gibt; z.B. könnten zwei
Kernlagen vorgesehen sein, von denen eine gegen die Decklage gedrückt und
mit dieser diffusionsverbunden wird, und die andere gegen die innere
Oberfläche
der Form gedrückt
wird, wodurch eine äußere Oberfläche bereitgestellt
wird, bei der die Spandrillen sichtbar sind.
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Eine
einzelne Kernlage kann mit zwei Decklagen derart vorgesehen sein,
dass die Kernlagen in Zickzackform zwischen den zwei Decklagen verlaufen;
eine derartige Anordnung ist wohl bekannt.
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Die
bevorzugte Struktur der vorliegenden Erfindung weist zwei Kernlagen
und zwei Decklagen auf. Falls notwendig, kann jedoch eine größere Zahl von
Kernlagen vorgesehen sein.
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Die
Techniken, die zum superplastischen Umformen/Diffusionsverbinden
verwendet werden, und insbesondere die Gasführung innerhalb der SPF/DB-Form
sind alle wohl bekannt und mit den oben beschriebenen Modifikationen
direkt auf die vorliegende Erfindung anwendbar.