DE1951074A1

DE1951074A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundgebildes aus Metall und einem Kernstueck aus Zellmaterial

Info

Publication number: DE1951074A1
Application number: DE19691951074
Authority: DE
Inventors: Czeslaw Deminet; Vandermark Hendrik Herman; Patten James Williard
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1968-12-27
Filing date: 1969-10-10
Publication date: 1970-07-09
Also published as: US3633267A; FR2027174B1; FR2027174A1; GB1258830A

Description

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PATENTANWÄLTE

dr. W. Schalk · dipl.-ing. P. Wirth · di pl.-i ng. G. Dan nenberg DR. V. SCHMIED-KOWARZIK · DR. P. WEI NHOLD · DR. D. GUDEL

6 FRANKFURTAM MAIN

GR. ESCHENHEIMER STRASSE 39

9. Oktober 1969
Gu/RK

The Boeing Company Seattle, Wash./USA

Verfahren zur Herstellung eines Verbundgebildes aus Metall und einem Kernstück aus Zellmaterial

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgebildes aus Metall und einem Kernstück aus Zellmaterial , das mit einer oder mehreren Stirnplatten verbunden ist. Sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Verbinden von Platten mit Titanoberflächen mit einem wabenartigen Titankern.

Wabenstrukturplatten finden breite Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, vor allem wegen des solchen Verbundgebilden eigenen ausgezeichneten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht. Die wahrscheinlich am weitesten verbreitete Wabenstruktur ist die aus Aluminium hergestellte, wobei ein Kernstück aus Aluminium als mittlere Schicht zwischen zwei Stirnplatten aus Aluminium geklebt, gelötet oder geschweißt wird. Um jedoch den Anforderungen einer weiter fortgeschrittenen Luft" und Raumfahrtindustrie genügen zu können, werden Materialien mit größerer Festigkeit und größerer Temperaturbeständigkeit in Erwägung gezogen· Typische Vertreter dieser schon etwas abgefallenen Materialien efc?4 Φ&Νια «$& *i· ieuerteeetitodigea Metalle wii

ORIGINAL INSPECTED

Verwendung dieser Materialien in größerem Rahmen ist noch nicht erfolgt, was zuteil auf das.Fehlen eines Verfahrens zur Herstellung wabenartiger Verbundstrukturen zurückzuführen ist, bei dem die den Ausgangsstoffen innewohnende Festigkeit und Hitzebeständigkeit nicht gefährdet wird. Da diese Metalle und Legierungen andere metallurgische Eigenschaften haben als Aluminium und Aluminiumlegierungen,· erwiesen sich die Herstellungsverfahren, die zur Herstellung von Aluminium-Wabenstrukturen ausreichten, als nicht geeignet für die Herstellung von Wabenverbundstrukturen aus Metallen hoher Festigkeit·

Das Verbinden durch Diffusion ist ein Verfahren, für das man sich in letzter Zeit stark zur Herstellung von Gefügen aus Titan und anderen Metallen hoher Festigkeit interessiert hat. Allgemein handelt es sich bei dem Verbinden von Metallen durch Diffusion um ein Verfahren, bei dem zur Herstellung der Verbindung die Diffusion in festem Zustand ausgenutzt wird. Zur Durchführung der Verbindung durch Diffusion sind zwei Voraussetzungen erforderlich: 1. zwischen den Oberflächen (Stirnflächen) zweier zu verbindender Materialien muß ein inniger Kontakt hergestellt werden und 2. zur Schaffung eines ausreichenden Diffusionskoeffizienten muß eine genügend große Treibkraft (Druck) auf die Materialien angewandt werden· Der innige Kontakt zwischen den Oberflächen der zu verbindenden Materialien wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß die Materialien genügend stark gepreßt werden, wodurch ein Zusammenfallen und ein· Verschiebung der Oxydschichten und andere Unregelmäßigkeiten, die sich noraalerweise an den Oberflächen befinden, bewirkt wird· Die Treibkraft erhält man, indem man die Materialien unter Wärme auftinaiieterpreßt* -

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ORIOINAMNSPE&» ' ^f- ·

Das Verbinden von Titan und anderen Metallen und Legierungen von großer Festigkeit ist bisher in den Fällen möglich, in denen die Strukturelemente fest genug sind, um den normalerweise zur Herbeiführung des innigen Kontakts ausgeübten verhältnismäßig hohen Druck auszuhalten, ohne sich permanent zu verformen oder zu brechen. Bei der Herstellung von wabenartigen Strukturplatten schließt jedoch die verhältnismäßig große Zerbrechlichkeit der Wabenkerne die Anwendung von Druckkräften, wie sie normalerweise bei der Herstellung anderer Verbundgefüge verwendet werden, aus. Es ist große Sorgfalt erforderlich, um den notwendigen Druck und die notwendige Wärme zum Erhalten einer sicheren gleichmäßigen Verbindung des Wabengefüges zu sichern, ohne den Wabenkern brechen,

permanent zusammenfallen oder sich auf andere Weise derart/verformen ζμ lassen, daß er seine strukturelle Festigkeit verliert· Dabei wurde bisher ein erfolgreiches Diffusions-Verbinden von Stirnplatten direkt mit einem Wabenkern bei Metallen hoher Festigkeit» wrzn überhaupt, nur dann erreicht, wenn die Kernfolie dick genug was?, um dem Verbindungsdruck zu widerstehen, und wenn die Oberflächen des Kernmaterials maschinell oder chemisch zu außerordentlich engen Toleranzen bearbeitet waren, so daß ein gleichmäßiger inniger Kontakt zwischen den Stirnplatten und dem Kern gewährleistet war.

In der US-Patentschrift 5 365 787 ist ein Versuch unternoamen worden, viel· dieser Probleme dadurch zu läsen, dad ein Zwischenmaterial zwischen die Stirnplatt· und dl» Kanten der Kermselltn eingeführt wird, da* nachgiebig 1st und Unterschiede in der Dickt der Kern· au»- gleicht und das dann» wenn die Verbindung hergestellt ist* In di» Stirnplatte und in das Kernaaterial diffuiULieri. Bs hat sioh jedoch gezeigt, daß dieses Zwisoh»naat*rial in da« Bereich der Diffusionsverbindung intermetallisch·

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Verbindungen bildet, die brüchig sind. Diese brüchigen intermetallischen Verbindungen verringern die Belastbarkeit einer so hergestellten Strukturplatte sehr stark, da sie frühzeitig bruchanfällig sind. Dadurch konnten bisher die wirklichen Festigkeitseigenschaften der Metalle großer Festigkeit nicht voll ausgenutzt werden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Diffusionsverbinden metallischer Stirnplatten mit verhältnismäßig zerbrechlichen Kernstücken aus Zellmaterial aus Metall zu schaffen, bei dem das Kernmaterial nicht bricht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer metallischen Verbundstruktur aus einem Kernstück aus Zellmaterial, in dem eine bestimmte Atmosphäre eingeschlossen ist, das zwischen zwei Stirnplatten sandwichartig eingeschlossen und durch Diffusion mit diesen beiden Platten verbunden ist.

Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Verbundstruktur zu schaffen, die evakuierte Kernstücke aus Zellenmaterial aufweist, die sandwichartig zwischen zwei Stirnplatten geschichtet und gleichmäßig durch Diffusion mit diesen verbunden ist, ohne daß das Kernmaterial stellenweise infolge ungleichmäßiger Kerndicke bricht.

Diese und andere Ziele werden dadurch erreicht, daß das Kernstück aus Zellenmaterial und die Stirnplatten in einem Ofen zusammengebaut werden, wobei wenigstens eine der Stirnplatten im Abstand vom Kernmaterial angeordnet ist, während in der Wärme nachgiebige Abstandsstücke oder Abstützungen, deren Fließpunkt bei einer höheren Temperatur liegt, an der Peripherie des Kerns angebracht sind. Dann wird in dem Ofen eine bestimmte Atmosphäre hergestellt

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und seine Temperatur wird auf mindestens den Fließpunkt der Abstandsstücke oder Träger erhöht. Eine zwischen den Stirnplatten und dem Kernmaterial angewendete Druckkraft überwindet den Fließwiderstand der Abstandsstücke oder Träger und zwingt die beiden Stirnplatten in einen innigen Oberflächenkontakt mit dem Kernmaterial> die dann eine Diffusionsverbindung im wesentlichen entlang ihrer gesamten Berührungsfläche bilden und die geregelte Atmosphäre in den Zellräumen des Kernmaterials einschließen· Die Druckkraft wird ausgeübt durch ein in Wärme nicht | nachgiebiges, mit den Außenflächen der Stirnplatten in Oberflächenberührung stehendes Material, so daß eine gleichmäßige Verteilung der Druckkraft über die Stirnplatten gewährleistet und ein stellenweises Brechen des Kernmaterials durch Unregelmäßigkeiten in seinen Dickenabmessungen vermieden wird.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht zur Darstellung der zu Beginn des Herstellungsprozesses ( im Vakuumofen angeordneten Komponenten der Strukturplatte , und

Fig. 2 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht zur Darstellung der Komponenten der Strukturplatte während der Diffusions-Verbindungs-Phase des Herstellwigsprozesses.

In Fig» 1 ist in einer Seitenansicht in einem Vakuumofen eine Anordnung zum Diffusions-Verbinden eines Kernstücks 10 aus Zellmaterial zwischen einer oberen Stirnplatte 12 und einer unteren Stirnplatte 14 gezeigt. Die Stirnplatten 12 und 14 und das Kernstück 10 aus Zellenmaterial bestehen

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vorzugsweise..aus- einem Material, dessen Verarbeitung zu der Art der hier "behandelten Verbundgefüge sich bisher als schwierig erwies* Zwar hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders günstig für die Verwendung bei Titanmaterialien erwiesen, es ist jedoch mit gleichem Erfolg bei Materialien wie Beryllium, rostfreiem Stahl, Molybdän, Niob, Wolfram und anderen feuerfesten Metallen und.Legierungen anwendbar. Die Stirnplatten können aus einem anderen Material sein als die Kerne, oder alle Komponenten können aus dem gleichen Metall oder der gleichen Legierung bestehen. Die am weitesten verbreitete Art dieser Verbundstrukturen sind wohl Wabenverbundplatten, bei denen der Kern eine säulenartige Zelle mit sechseckigem Querschnitt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist -jedoch nicht auf solche Kernanordnungen beschränkt. Gleichermaßen zufriedenstellende Ergebnisse erhält man mit Kernen, deren säulenartige Zellen quadratisci^ rechteckig^ fünfeckige oder auch andere regelmäßige oder unregelmäßige Querschnittsx konfigurationen aufweisen. Ebenso braucht der Kern auch nicht säulenartig zu sein; die Erfindung kann mit Erfolg auch bei Verbundstrukturen angewendet werden, bei denen der Kern eine schwammartige metallische Matrix ist, die mit den Stirnplatten verbunden wird» Ganz gleich, ob der Kern sich durch säulenartige Zellen kennzeichnet oder nicht_r das allen Kernen gemeinsame Kennzeichen ist, daß sie verhältnismäßig zerbrechlich sind und dadurch das Diffusions- Verbinden der Kerne mit den Stirnplatten beachtliche Schwierigkeiten mit sich bringt. Wenn die Kernkomponente verhältnismäßig fest ist und große Druckkräfte aushalten kann, bietet das Diffusions-Verbindett geringe Schwierigkeiten. Die gesamten Vorteile, die diese Verbundstrukturen zu bieten haben, lassen sich jedoch nicht voll ausnutzen, wenn der Kern nicht aus dünnwandigen Zellen und folglich geringer Masse besteht· Daher erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft ia eolchea Fällen, in denen die Kernkomponente ein Wabtngebilde au*

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Titan mit einer Zellwanddicke von etwa 0,05 mm oder weniger ist. . ■ .

Ferner ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß das Kernstück 10 auf der unteren Stirnplatte 14 ruht, während die obere Stirnplatte 12 oberhalb des Kerns 10 von Haltern 16 aus Glas gehalten wird, die an ihrer Peripherie angeordnet sind. Die Zusammensetzung des als Material für die Träger 16 ausgewählten Glases ist derart, daß sein Faser-Erweichungspunkt höher liegt als die Temperatur, auf die der Vakuumofen erwärmt wird, um die Diffusionsverbindung zwischen dem Kern 10 und den Stirnplatten 12 und 14 herzustellen. Die Stützaufgabe des Glases 16 ist daher vorübergehend und existiert nur während der ersten Stufe des Herstellungsverfahrens. Typisch für das in diesem Falle verwendbare Glas ist ein Borsilikatglas, das preiswert ist und die erwünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften bis zu mindestens 927⁰C (1700⁰F) aufweist. Besonders zufriedenstellende Ergebnisse wurden beim Verbinden von Titan unter Verwendung eines Borsilikatglases erzielt, das von der Owens-Illinois Corporation unter der Bezeichnung KG-33 verkauft wird. Das Glas KG-33 hat einen Faser-Erweichungspunkt von etwa 816°C (1500⁰F), was gut unter der angenäherten Temperatur von 927°C. liegt, die zum Diffusions-Verbinden von Titan verwendet wird. Die Glasstützen 16 können irgendeinen physikalischen Aufbau haben, sie können hohle oder viereckige Röhren sein, oder massive Stäbe oder Blöcke. Es hat sich als praktisch erwiesen, verhältnismäßig dünne Tafeln oder Platten aus Borsilikatglas zu verwenden, die in aufrechter Stellung durch am Boden oder Feuerraum 20 des Vakuumofens ruhende Klammern 18 gelagert werden. Eine beliebige Anzahl von Glasstützen 16 kann je nach Dicke, Biegsamkeit und Spannweite um die Peripherie der oberen Stirnplatte 12 herum angebracht sein. Ist die Stirnplatte

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12 besonders groß, so kann eine zusätzliche Unterstützung dadurch geschaffen werden, daß ein Draht 28 nahe ihrer Mitte durch Punktschweißen an einer geeigneten Stelle der oberen Stirnplatte 12 angebracht und durch geeignete Locher durch das Druckpolster 24 und das Belastungsgewicht 26 hindurchgeführt, wird. Das obere Ende des Drahtes 28 wird in einen sich in Querrichtung erstreckenden Glasträgerstab 30 eingehängt oder anderweitig an ihm befestigt, der über der oberen Stirnplatte 12 auf beliebige V/eise, z.B. durch an den Wänden 34 des Vakuumofens befestigte Stützblöcke 32, angebracht sein kann.

Zwischen der unteren Stirnplatte 14 und dem Feuerraum des Vakuumofens befindet sich ein Druckpolster 22 aus Glas. Ein ähnliches Druckpolster 24 ist auf der oberen Stirnplatte 12 angebracht, und auf diesem Druckpolster befindet sich ein Belastungsgewicht 26, das die für das Diffusionsverbinden der Stirnplatten 12 und 14 mit dem Kern 10 während der Verbindungsphase des Herstellungsprozesses notwendige Druckkraft liefert. Anstelle des Belastungsgewichts 26 können auch andere Verfahren zur Anwendung von Druck auf die Stirnplatten 12 und 14 und den Kern 10 verwendet werden, z.B. eine pneumatische Membran, ein elektromechanischen Solenoid, eine hydraulische Presse oder ein mechanisches Hebelsystem. Jedoch sind diese anderen Vorrichtungen nicht so einfach und unkompliziert wie die Verwendung des Belastungsgewichts» und sie bringen Probleme mit sich, z.B. die Einführung von Verunreinigungen in den Vakuumofen, die Anbringung von Leitungen in den Wänden des Ofens, und Probleme, die mit der Arbeitstemperatur von mehr als 816⁰C zusammenhängen. \ Wegen ihrer Einfachheit liefert die dargestellte Verwendung des Belastungsgewichtes eine vorherbestimmte gleichmäßige Drückkraft zum Diffusionsverbinden des Kerns 10 mit den Stirnplatten 12 und 14, und zwar unabhängig von dem

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Grad des Vakuums und der Temperatur des Vakuumofens.

Die Druckpolster 22 und 24 sind vorgesehen, um einen gleichmäßigen Verbindungsdruck zwischen den Stirnplatten 12 und 14 und dem zellenartigen Kern 10 zu gewährleisten. Infolgedessen werden die Druckpolster 22 und 24 aus einem Material gewählt, das bei der Verbindungstemperatur genügend viskose ist, um eine gleichmäßige Verteilung der Verbindungsdruckkräfte zu ermöglichen, und das gleichzeitig nicht so plastisch ist, daß die untere Stirnplatte 14 auf der Feuerstelle 20 des Vakuumofens oder das Belastungsgewicht 26 auf der oberen Stirnplatte 12 aufliegt. Es wurde.gefunden, daß Glas diese Eigenschaften besitzt. Zwar können viele verschiedene Glassorten als Druckpolster 22 und 24 verwendet werden, jedoch hat sich auch hier das Borsilikatglas, wie es für die Abstützungen 16 verwendet wird, als günstig erwiesen. Es hat sich gezeigt, daß einige Glassorten bei der zum Diffusionsverbinden verwendeten Temperatur mit bestimmten Metallen chemisch reagieren. Insbesondere Borsilikatglas neigt dazu, bei Temperaturen von unter 927⁰C mit Titan zu reagieren, wodurch auf den Stirnplatten 12 und 14 aus Titan ein Glasüberzug gebildet wird, dessen Entfernung Schwierigkeiten bereiten kann. Zur Vermeidung dieser Reaktion zwischen dem Metall und dem Glas kann das Metall, bevor es mit den Druckpolstern 22 und 24 aus Glas in Berührung gebracht wird, mit einem Sperr- oder Trennmittel überzogen werden« Ein typisches Trennmittel, das bei Borsilikatglas und Titanmetallegierungen verwendet werden kann, ist in Wasser geschlämmtes Bornitrid (Borstickstoff), Zirkonerde oder ein anderes keramisches Oxyd. In anderen Fällen reagieren Metall und Glas bei der zum Diffusionsverbinden gewählten Temperatur nicht miteinander, so daß ein Trennmittel tiberflüssig wird. .

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Um zu verhindern, daß sich der Kern 10 und die obere Stirnplatte 12 infolge mechanischer Vibration oder durch Schock während des Herstellungsvorgangs verschieben, können ein oder mehrere Anschläge 36 über die Peripherie der oberen Stirnplatte 12 verteilt sein. Die Anschläge 36 weisen einen aufrechtstehenden Abschnitt auf, der mit der Kante der Stirnplatte in Berührung steht, und horizontale Führungsarme 38, die an dem Kern angreifen. Die Anschläge 36 sind auf dem Feuerraum 20 des Vakuumofens angeordnet und können mit bekannten Befestigungsmitteln daran befestigt sein.

Wenn der Kern 10 und die Stirnplatten 12 und 14 auf die be schriebene Weise in dem Vakuumofen angeordnet sind, wird der Ofen geschlossen, es wird ein Vakuum hergestellt, und die Temperatur im Ofen wird erhöht« Durch fiia Herstellung des Vakuums im Vakuumofen werden der Kern und die Stirnplatten entgast _$ und es werden organische und andere Verunreinigungen aus diesen Komponenten entfernts ferner wird die öxydfolldung an den Verbindungsflächen bei der Erhöhung übt Temperatur für das Diffusionsverbinden verhindert. Der Vafcmsaofen wird evakuiert, bevor die Komponenten für die Verbundstrulctur merklich erwärmt sind. Ist in dem Vakuumofen eis ausreichendes Vakuum hergestellt, so erfordert die Bildung von Oxyd an den Verbindungsflächen, daß ein grußerex* Verbindungsdruck angewandt'wird, um di© ' DiffusIöBSTOrMadtasig der Komponenten herbeizuftihrAen, wobei sich di© Ge£ate¹, daß der Kern bricht, "erhöht, ins- "

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bei etwa 996°C (1825⁰F) bis 999°C (183O⁰F) Titan der Beta-Phase bildet, und da im allgemeinen die Bildung von Titan der Beta-Phase vermieden werden soll, ist beim Diffusionsverbinden von Titankomponenten die maximale Temperatur im Vakuumofen etwa 927⁰C (17OO°F). Daher wird, obwohl höhere Temperaturen normalerweise schneller eine vollkommenere Diffusionsverbindung ergeben, die maximale bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendete Temperatur davon abhängig gemacht, welche kristallographischen Änderungen in den Metallkomponenten vermieden werden sollen.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung gezeigt, hier jedoch nachdem das Vakuum erzeugt worden ist und die Temperatur auf die zum Diffusionsverbinden des Kerns 10 mit den· Stirnplatten 12 und 1.4 erforderliche Temperatur erhöht wurde. Bevor jedoch im Vakuumofen die Diffusions-Verbindungstemperatur erreicht wurde, sind die Glasabstützungen 16 und der Glasstab 30 weich und nachgiebig geworden und haben die öftere Stirnplatte 12 unter Einwirkung der durch das Belastungsge* wicht 26 ausgeübten Druckkraft absinken und mit der Oberseite des Kerns 10 in. Berührung kommen lassen. ■ Während die obere Stirnplatte 12 gesenkt und mit dem Kern 10 in Berührung gebracht wurde, haben die Anschläge 36 die Fluchtung dieser Komponenten mit der unteren Stirnplatte 14 aufrechterhalten. Hieran zeigen sich die hervorragenden Eigenschaften des Glases, aus dem die Abstützungen 16 hergestellt sind, durch die das erfolgreiche Vorgehen nach der Erfindung möglich wird. Im Gegensatz zu Metallen oder anderen kristallförmigen Stoffen ist Glas bei allen erfindungsx gemäß verwendeten Temperaturen amorph, und nur seine Viskosität ändert sich im Laufe der Erhöhung der Tempera« tür im Vakuumofen auf die Temperatur zum Verbinden durch Diffusion. Wenn die Glasabstützungen 16 den Punkt erreichen, an dem ihre Fasern weich werden, wird das Glas

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langsam weich und gibt nach', so daß die obere Stirnplatte sinken und in Kontakt mit dem Kern 10 gelangen kann. Diese Erweichung oder Viskositätsverringerung des Glases geht langsam vor sich, so daß ein plötzliches Freigeben der oberen Stirnplatte 12 und Aufprallen auf den Kern vermieden wird. Ferner ist das langsame Nachgeben der Glasabstützungen 16 und des Glasstabs 30, solange ihre Zusammensetzung verhältnismäßig konstant gehalten wird, eine direkte Funktion der Temperatur. Diese Erscheinung der beständigen, und gleichmäßigen Erweichung amorpher Glasstrukturen muß von dem plötzlichen Schmelzen und anderen kri stenographischen Veränderungen von Metallen im besonderen und kristallischen Stoffen im allgemeinen unterschieden werden. Es ist leicht, aus dem großen Bereich der. zur Verfügung stehenden Glaszusammensetzungen eine bestimmte Zusammensetzung^ auszuwählen, deren Fasererweichungspunkt stets unter der bei# dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Diffusionsverbindungstemperatur liegt.

Wenn die obere Stirnplatte 12 gesenkt wurde und, wie in Fig. 2 gezeigt, auf dem Kern 10 ruht, wirkt die Kraft des Belastungsgewichts 26 auf die Stirnplatten 12 und 14 und auf den zwischen ihnen befindlichen Kern 10. Da die Druckpolster 22 und 24 ebenfalls aus Glas bestehen, «sind sie bei der Diffusionsverbindungs-Temperatur Wenfalls erweicht und gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung der Druckkraft über die Stirnplatten 12 und 14 gegen den Kern 10. Zur Herstellung eines innigen Kontakts der zu verbindenden Flächen ist gewöhnlich zur Erzeugung einer Diffusionsverbindung eine Druckkraft nötig. Der durch das Belastungsgewicht 26 ausgeübte Druck führt diesen innigen Kontak dadurch herbei, daß er eventuell in dem zerbrechlichen Kern 10 vorhandene Unregelmäßigkeiten beseitigt und an den Verbindungsflächen eventuell zurück-

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gebliebene Oxydschichten bricht. Für die Verbindung von Stirnplatten aus Titan mit wabenartigen Kernen aus Zellenmaterial aus Titan, deren Zellwanddicke etwa 0,025 mm bis etwa 0,051 mm beträgt, hat es sich als günstig er-

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wiesen, eine Druckkraft von etwa 1,o5 kp/cm (15 p.s.i.), gemessen an den Kanten der Zellwände an den· Verbin&ungsflachen, zu verwenden. Bei Verwendung einer Druckkraft von 1,05 kp/cm bei einer Verbindungstempeatur von etwa 927°C wurde keine meßbare permanente Verformung und kein Brechen der Knotenpunkte der Titankernzellen mit einer Wanddicke von nicht mehr als 0,051 mm festgestellt. Bei wabenförmigen Kernen aus Titanzellenmaterial, deren Wanddicke weniger als 0,025 mm beträgt, kann es erforderlich sein, daß eine Druckkraft von weniger als 1,05 kp/cm gemessen an der Verbindungsfläche angewendet wird. Selbstverständlich können Zellwände größerer Dicke bei sonst unveränderter Geometrie der Zelle höheren Druckkräften standhalten.

Es ist zu beachten, daß während der Evakuierung des Vakuumofens und der Erhöhung der Temperatur auf den Fasererweichungspunkt der Glasabstützungen 16 und des Glässtabes 30 die Stirnplatte 12 noch oberhalb des Kerns 10 und von ihm getrennt gelagert blieb. Durch diese Trennung der Stirnplatte 12 von dem Kern 10 aus Zellenmaterial wird die Leitfähigkeit der Anordnung erhöht und die Beseitigung von Verunreinigungen an dem ganzen Kern 10 unabhängig vom Umfang dieser VerunreinigungeJft gewährleistet. Die Beseitigung von Verunreinigungen und die Verhinderung von Oxydbildungen an den Verbindungsflächen hat sich als unbedingt notwendig für die Herstellung einer gleichmäßigen Verbindung der Stirnplatten 12 und 14 mit dem Kern 10 erwiesen.

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Während die Temperatur im Vakuumofen über den Faser-Erweichungspunkt der Glasabstützungen auf die Diffusionsverbindungstemperatur erhöht wird, bleibt der Ofen evakuiert. Dadurch werden die einzelnen Zellen des Kerns 10 in evakuiertem Zustand geschlossen, während die obere Stirnplatte 12 sich senkt und in Kontakt mit dem Kern 10 kommt und mit ihm eine Diffusionsverbindung eingeht und während die untere Stirnplatte 14 eine Diffusionsverbindung mit dem Kern 10 eingeht. Es hat sich gezeigt, daß bei den Strukturverbundplatten infolge der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten gleichmäßigen Diffusionsverbindung die Zellen während ihrer ganzen lebensdauer evakuiert bleiben. Bei den typischen Anwendungsarten in der Luft- und Raumfahrt tritt bei diesen Verbundplatten, da ihre Zellen evakuiert sind, die Schwierigkeit der Wasserkondensation und daraus folgenden Eisbildung, die ja bei den bekannten Wabenverbundplatten zerstörend wirken, nicht auf. Auch werden aufgrund des in den einzelnen Zellen des Kerns 10 aufrechterhaltenen hohen Vakuums starke Erhöhungen des Innendrucks in der Verbundstruktur erheblich vermindert, wenn sie z.B. in Flugzeugen atmosphärischen Drücken und Temperaturändeongen ausgesetzt wird, die auf einer Höhe zwischen dem Meeresspiegel und bis zu 21 QOO m fliegen. Ferner wurde gefunden, daß unter normalen An-Wendungsbedingungen Titanlegierungen und feuerfeste Me- ■■ tallegierungen hoher Festigkeit besonders anfällig für Korrosbn, Spannungs-Korrosions-Bruch und verschiedjien© Zerfallserscheinungen sind. Diese Erscheinugen werden in dem inneren Kern 10 einer nach der Lehre der Erfindung hergestellten Verbundplatte infolge des innerhalb der einzel-

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nen Zellen aufrechterhaltenen/Vakuums stark vermindert oder gänzlich vermieden.

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In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, in dem Kern ⁵IO der fertigen Strukturplatte kein Vakuum aufrechtzuerhalten sondern stattdessen eine bestimmte Gasatmosphäre einzuführen. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn die Verbundplatte für Unterseeboote oder andere Wasserfahrzeuge verwendet werden soll. In diesem Fall wird, nachdem der Vakuumofen evakuiert wurde, um organische oder andere Verunreinigungen zu entfernen, ein inertes Gas, z.B. Argon, in den Vakuumofen eingeführt, bevor seine Temperatur auf den Fasererweichungspunkt der Glasabstützungen erhöht wird. Dann wird das inerte Gas nach der Diffusionsverbindung der Stirnplatten mit dem Kern 10 in den Zellen des Kerns 10 festgehalten und eingeschlos-

anderen
sen. In gewissen/Fällen kann es erwünscht sein, die Diffusionsverbindung der Komponenten in einem Autoklav unter Hochdruck durchzuführen, da dann die Verunreinigungen durch Einführung eines schweren inerten Gases beseitigt werden können, das die organischen Verunreinigungen und den an der Oberfläche der Komponenten befindlichen Sauerstoff beseitigen (verdrängen) würde. Durch die Anwesenheit eines schweren inerten Gases, würde die Bildung von Oxyd an den Verbindungsflächen,bei Erhöhung der Temperatur auf die Diffusionsverbindungstemperatur verhindert. Das schwere inerte Gas könnte dann entweder evakuiert werden, bevor die Temperatur im Ofen den Fasererweichungspunkt der Glasabstützungen erreicht, oder es könnte im Ofen behalten und in dem zellenartigen Kern 10 eingeschlossen werden, während die Stirnplatten 12 und 14.durch Diffusion mit ihm verbunden werden. Durch dieses Gas geschaffene hohe Innendrücke könnten die Druckfestigkeit der Struktur stark erhöhen. Daher.ist es einleuchtend, daß das erfindungsgemäße Verfahren erhebliche Variationsmöglichkeiten, sowohl bezüglich der Art und Weise, in der die Verunreinigungen ■ ' von den Stirnplatten und dem zellenartigen Kern entfernt werden, als auch bezüglich der Art der Atmosphäre, die nach

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Beendigung des Herstellungsvorgangs in den Zellen des zellenartigen Kerns bleiben soll, gestattet.

Lediglich zur Erläuterung ist nachstehend noch ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Wabenkernkomponente aus 12,7 mm starkemhandelsüblich reinem Titan mit etwa quadratischen Zellen, deren Zellwanddicke 0,0254 mm Stärke aufweist, durch Diffusion mit zwei 0,305 mm starken Stirnplatten aus Ti-6A1-4V verbunden wurde. Die Oberflächen der Stirnplatten wurden mit ,Schleifpapier (Korngröße 600 mesh; 600 grit paper) von Hand geschliffen, bevor sie in den Ofen kamen, und die untere Fläche der unteren Stirnplatte und die obere Fläche der oberen Stirnplatte wurden mit einem Trennmittel aus Borstickstoff überzogen. Die obere Stirnplatte wurde in einem Abstand von etwa 19,6 mm von dem Kern durch Glasabstützungen aus KG-33-Borsilikatglas gelagert. Ein KG-33-Borsilikatpolster von 3»18 mm Dicke wurde zwischen der Feuerungsstelle des Ofens und der unteren Stirnplatte und zwischen dem Belastungsgewicht und der oberen Stirnplatte angebracht. Das Belastungsgewicht übte einen Druck von etwa 1,05 kp/cm an den Kanten der Zellwände an der Verbindungsfläche aus. Nachdem diese. Vorbereitungen getroffen waren,

—5 wurde der Vakuumofen auf etwa 2 χ 10 r Torr evakuiert, und die Temperatur in seinem Innern wurde auf etwa 816°C (1500⁰F) erhöht ₉ woraufhin die Glasabstützungen nachgaben und die obere Stirnplatte sich senkte und in Kontakt mit dem Kernstück aus Zellenmaterial gelangte. Die Temperatur im VakutMofen wurde dann auf 927⁰C erhöht und etwa 5 Stunden lang aufrechterhalten, um eine gleichmäßige Diffusionsverbindung zwischen den oberen Kanten und den unteren Kanten der Zellwände mit den oberen bzw. unteren Stirnplatten zu gewährleisten. Danach ließ man den Ofen abkühlen und setzte die Verbundstruktur verschiedenen Strukturtesten aus, die anzeigten, daß eine ununterbrochene gleich-

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mäßige Verbindung zwischen den Stirnplatten und dem Kernstück aus Zellenmaterial entstanden war. Schnitte durch die Verbundplatte zeigten, daß an den Knotenpunkten der Wabenzellen keine permanente Verformung und kein Bruch aufgetreten war.

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Metall-Verbundstruktur, bei der ein verhältnismäßig zerbrechliches Kernstück aus Zellmaterial zwischen zwei Stirnplatten geschichtet und mit ihnen durch Diffusion verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a. das Kernstück (10) zwischen den beiden Stirnplatten (12, 14) in einem Ofen angeordnet wird, wobei wenigstens die eine der Stirnplatten (12) mit Hilfe von in der Wärme nachgiebigen Abstandsstücken (16) im Abstand von dem Kernstück (10) angeordnet wird, deren Erweichungspunkt bei einer erhöhten Temperatur liegt, daß

b. die Temperatur in dem Ofen mindestens bis auf den Erweichungspunkt der Abstandsstücke (16) erhöht wird, und daß gleichzeitig

c. zwischen den beiden Stirnplatten (12, 14) und dem Kernstück (10) eine Kraft ausgeübt wird, die ausreicht die Abstandsstück® (16) zusammenzudrücken, /eil© die Kernkomponente jedoch .äiefet zerbricht,

wodurch die Stirnplatten (12, 14) a«f im wesentlichen der gesamtem Verbindungsfläohe mit' -tei Kernstück (10) is ü®ig©si lionttfakt mit diesem geteilt wenden vsid zwi- 'SQlwn Mmem und dem Kernstiiok eiao Bitfiasions^erbindung hergestellt wird. ·- -

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Ofen und/oder in den einzelnen Zellen des Kernstücks (10) eine "bestimmte Atmosphäre erzeugt und aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Ofen ein Unterdruck aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatten (12, 14) oberhalb und unterhalb des Zellkörpers (10) vorgesehen sind und daß die Ab-Standsstücke (16) aus Glas bestehen, und daß die Temperatur im Ofen wenigstens bis zum Erweichungspunkt des Glases erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer bestimmten Atmosphäre in dem Ofen und in den einzelnen Zellen des Kernstücks (10) zunächst der Ofen evakuiert wird, und anschließend ein inertes Gas in den Ofen und in die einzelnen Zellen des Kernstücks eingeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte (12) bei der Erhöhung der Temperatur auf das Kernstück (10) herabsinkt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß der Druck über wenigstens ein Glas-"*" stück (22, 24) ausgeübt wird, das in Olstrfläehenberührung mit den Stirnplatten (12, 14) steht und dessen Fasererweichungspunkt bei einer Temperatur liegt, die nicüt größer ist, als der Erweichungspunkt der Abstandsstücke (16), wodurch der Druck gleichmäßig Über die Stirnplatten verteilt wird und ein stellenweises Brechen

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des Kerns (1O) infolge von ungleichmäßigkeiten in seinen Diokenabmessüngen vermieden wird«

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Wabenstrukturplatte aus Titan, "bei der ein evakuierter Titankern aus Zellmaterial zwischen einer oberen und einer unteren ' Stirnplatte ebenfalls aus Titan geschichtet und mit ihnen duroh Diffusion verbunden wird, wobei der Kern aus Zellmaterial eine Zellwanddicke von etwa 0,025 mm bis 0,051 mm aufweist, daS

a. die ÄbstÜtzeinrichtung (*16) aus einem Borsilikatglas mit einem Fasererweiehungspunkt von etwa 760^C bis 871⁰O bestellt, daS

."" ;b* der Yaltuwaofen auf -wenigstens _-1Ö""^ "Torr" evakuiert '■ ym ?erunreinigung®s zn esatferfi^a-tsna 4M' ΊΜΏ^ '■■ ■'Ϊ der. Kerns-{10} za-makulfaren, öaß - - - " ■" . - -

.o*" äas "Yakuinj' hierbei im wesentlichen aufrechterhalten

■ . imö die -feffiperatur 'in dem ¥akuiuaofen "Mndest@ns -bis -de» FiasererwoichuiigspUBkt >der AbstütseiJ3s»icÄtung

Lt vl^d, wodurch "das &3.as weich v;ir«i_fl mit die ofee ^Te Steinplatte sich ^^-t SMd Ia Ooerflä^lienkor-^l"t ErIt dem kern geiari^t» sand da? deui

d. dir Se-iro^att3r im Takuta^efen wei-^r acf s^a 92?⁰C Με "?c2°C 9&h@h£ vl* c und auf d*v > -*>ζ<νο7χη±0Λ (¹O₉

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