DE2349776C3 - Verfahren und Vorrichtung zur pulvermetallurgischen Herstellung hohler Legierungskörper - Google Patents

Description

Außenkontur des fertigen Legierungskörpers enlipricht, wobei der Innenraum der Hohlform vor dem Pressen evakuiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der GB-PS 11 21 888 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der zu verpressende Werkstoff, der die Form eines an einem Ende geschlossenen Hohlkörpers, wie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung hohler Legierungskörper

mittels isostatischen Pressens in einer gasdichten 45 scne oder in sich geschlossene Hohlkörper.
Hohlform, deren Innenkontur im wesentlichen der Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,

ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, welches die pulvermetallurgische Herstellung von in 50 sich geschlossenen Hohlkörpern gestattet.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das zu schaffende Verfahren dadurch gelöst, daß zur Fertigung in sich geschlossener Hohlkörper eine Pulverfüllung durch einen bei Temperaturen von 538 bis

beispielsweise eines Bechers, besitzt, in Anlage an 55 1260° C aus dem Inneren eines hohlen Kerns vvirdie Innenfläche einer Hohlform gebracht, wobei die kendcn Gasdruck gegen die Innenwandung der Hohlform auf ihrer Innenfläche mit einer Kontur- Hohlform gepreßt wird.

gestalt versehen ist, die der angestrebten Kontur des Im Hinblick auf die zu schaffende Vorrichtung

verpreßten Werkstoffes entspricht. Sodann wird nach wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe geeigneter Abdichtung der Zwischenraum zwischen 60 bei einer Vorrichtung zur pulvermetallurgischen dem Körper und der Hohlform evakuiert, worauf ein Herstellung hohler Legierungskörper mittels isostatischen Pressens in einer gasdichten Hohlform, deren Innenkontur im wesentlichen der Außenkontur des fertigen Legierungskörpers entspricht, und mit Mit-65 teln zum Evakuieren des Innenraums der Hohlform gelöst durch einen Formkern mit einem inneren Hohlraum, wobei der Formkern im Innenraum der Hohlform so angeordnet ist, daß er zwecks Auf-

isostatischer Preßvorgang ausgeführt wird, nach dessen Beendigung der verpreßte Körper eine Außengestalt besitzt, die der Innengestalt der Preßform entspricht.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch insofern nachteilig, als es lediglich das isostatische Pressen von Hohlkörpern mit Becher- oder Topfgestalt ge-

nähme der Pulverfüllung den Innenraum nicht vollständig ausfüllt, sowie durch Mittel zum Verbinden des Hohlraums des Formkerns mit dem Gasdruck außerhalb der Vorrichtung.

Der mit der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß es nunmehr möglich geworden ist, die Vorteile der Pulvermetallurgie auch bei der Herstellung von in sich geschlossenen Hohlkörpern zu nutzen.

Dabei hat es sich bei dem Verfahren nach der Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß der Gasdruck durch eine Öffnung im gasdichten Behälter und durch eine Verlängerung des hohlen Formkerns auf die Innenwandung des hohlen Fonnkerns ausgeübt wird. Dabei hat sich gezeigt, daß besonders gute Verfahrensergebnisse durch Gasdrücke im Bereich von 35 bis 2110kp/cm² erreicht werden.

Zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird, wie bereits erwähnt, eine Vorrichtung verwendet, die eine Hohlform enthält, deren Innenraum den äußeren Abmessungen und der äußeren Kontur des angestrebten Formkörpers entspricht. In diesem Innenraum ist ein hohler Kern vorgesehen, der derart im Inneren der Hohlform angeordnet ist, »5 daß ein Teil des Hohlformvolumens frei bleibt. Dieses nicht durch den hohlen Kern ausgefüllte Hohlformvolumen wird mit einer Pulverfüllung, die bei der Erzeugung hochbeanspruchbarer Stähle aus einer Pulvercharge eines legierten Stahles besteht, ausgefüllt. Mit Hilfe geeigneter Einrichtungen ist der Innenraum des Kerns mit der äußeren Atmosphäre verbindbar. Außerdem sind Einrichtungen zur Evakuierung des Innenraums der Hohlform sowie Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe ein gasdichtes Abschließen des Hohlform-Innenraumes möglich ist.

Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst die obenerwähnte Vorrichtung zusammengesetzt und mit Pulver gefüllt. Dann wird auf höhere Temperaturen erhitzt, wonach die als Einheit anzusprechende Vorrichtung samt darin enthaltener Pulverfüllung einem isostatischen Preßvorgang ausgesetzt wird, bei welchem das Metallpulver auf eine effektive Dichte von mehr als 95°/o der theoretischen Dichte verdichtet wird. Der hohle Kern ist derart im Innenraum der Hohlform angeordnet, daß die Außenkontur und die äußeren Abmessungen des Kernes der Innenkontur des angestrebten Formkörpers entsprechen und daß die gewünschten Wandstärken des herzustellenden Formkörpers erreicht werden können. Der zwischen dem Formkern und der Innenwandung der Hohlform verbleibende Raum ist in bereits erläuterter Weise mit dem Pulver ausgefüllt worden. Nach dem Entgasen des mit dem Pulver gefüllten Volumens des Innenraumes der Hohlform, was in an sich bekannter Weise vorgenommen wird, wird die gesamte Vorrichtung auf erhöhte Temperaturen gebracht, worauf ein isostatischer Preßdruck zum Einwirken gebracht wird. Dabei wird vorzugsweise die gesamte bisher beschriebene Vorrichtung in einen gasdichten Behälter eingesetzt, in welchem die Einrichtungen enthalten sind, mit deren Hilfe der Innenraum des hohlen Formkerns mit der Außenatmosphäre verbindbar ist. Um eine gute Innenqualität des zu erzeugenden Formkörpers zu gewährleisten, wird auf Temperaturen von beispielsweise 316° C erhitzt und evakuiert, um alle während dieser Erwärmung im Innenraum der Hohlform gebildeten gasförmigen Reaktionsprodukte zu entfernen. Anschließend wird die Form vor der Erhöhung der Temperatur auf die Verdichtungstemperatur hermetisch gegen die Atmosphäre abgedichtet. Während der isostatischen Verdichtung wird das Innere des Formkerns mit dem Umgebungsdruck verbunden, so daß während des Verdichtungsvorganges der Druck im Kerninneren gleich dem Umgebungsdruck außerhalb des Formsystems ist. Das hat zur Folge, daß sich der Kern innerhalb der Hohlform expandiert, wodurch die isostatische Verdichtung hervorgerufen wird. Als Druckgefäße werden mit Argon, Stickstoff oder Helium arbeitende Autoklaven bevorzugt. Dabei haben sich die bereits erwähnten Gasdrücke im Bereich von 35 bis 2110kp/cm² in Verbindung mit Pulvertemperaturen während des Verdichtens im Bereich von 538 bis 1260° C als besonders geeignet herausgestellt. Die im Einzelfall zu wählende Temperatur häng: von der Art der Pulverfüllung und von der Größe des für die Verdichtung aufgewendeten Gasdruckes ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Herstellung von Turbinenschaufeln, Tubinenleitflächen und anderen Turbinenelementen aus Legierungen auf Titanbasis und anderen Sonderstählen geeignet. Die chemischen Zusammensetzungen einiger derartiger Legierungen sind in der folgenden Tafel zusammengestellt:

Legierungs	Zusammensetzung	Cr Co	Mo	Ti	Al	B	V	Nb	W	Ni
bezeichnung	(Gewichtsprozent)	15 18,5	5,2	3.5	4,3	0,03				Rest
	C	— —		Rest	6,0	—	4		—	Rest
Astroloy	0,08	10 15,0	3,0	4,7	5,5	0,014				Rest
C-120 AV	—	13 8,0	3,5	2,5	3,5	0,01	—	3.5	3,5	Rust
IN 100	0.18	12	4,5	0,6	5,9	0,01	—	2,0		Rest
Rene 95	0.06
713 LC	0,05

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie H-II in

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und 65 Fig. 1. wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Ausführungs-

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Vorrich- i i

tung in schematischer Darstellung und

g g g

beispiel bezieht sich auf die Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel. Es versteht sich jedoch, daß mit

der gleichen Anordnung auch beliebige andere Formkörper, beispielsweise Zylinder, hergestellt werden können. Die Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung umfaßt eine Hohlform 12 mit einem Innenraum 14, dessen Wandung der Außenkontur der herzustellenden Formkörper, hier der Turbinenschaufel, entsprechend ausgebildet ist. In dem Innenraum 14 ist axial ausgerichtet ein hohler Formkern 16 vorgesehen, der beispielsweise aus Weich- oder Flußstahl besteht. Die Außenkontur des hohlen Kerns entspricht dei gewünschten Innenkontur des herzustellenden Formkörpers. Der hohle Kern 16 weist einen Innenraum 18 auf, der über ein einstückig angeformtes Rohr 20 mit der Außenatmosphäre oder der Umgebunu der Vorrichtung 10 verbunden ist. Der vom hohlen Kern 16 nicht ausgefüllte Raum des Innenraums 14 der Hohlform 12 wird mit einer Pulverfüllung 22 beschickt. Die Form 12 ist von einem gasdichten Weichstahlbehälter 24 mit zylindrischer Form umschlossen, an dessen Boden ein Rohr 26 befestigt ist. Der Behälter 24 ist mit einem Deckel 28 versehen, mit dessen Hilfe die Form hermetisch gegen die Umgebungsatmosphäre abgeschlossen werden kann. Der Deckel 28 besitzt eine öffnung 30, durch weiche das Rohr 20 des Kerns 16 aus dem Behälter herausragt.

Die in den F i g. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung 10 wird mit geschlossenem Deckel 28 auf eine mittlere Temperatur erhitzt, um alle Wasserreste aus dem Innenraum 14 zu verdampfen. Das Rohr 26 wird mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden, um die im Innenraum enthaltenen oder bei der Erwärmung gebildeten gasförmigen Stoffe aus dei Hohlform abzuziehen. Dieser an sich bekannte Vorgang wird als Entgasung bezeichnet. Nach Abschluß der Entgasung wird das Rohr 26 und damit die gesamte Einrichtung gasdicht verschlossen. Lediglich der Innenraum 18 des Formkerns 16 steht über das sich durch die öffnung 30 im Deckel 28 erstreckende Rohr mit der Umgebungsatmosphärc in Verbindung.

Die Preßvorrichtung wird sodann auf die gewünschte Verdichtungstemperatur erhitzt. Wie bereits erwähnt, richtet sich diese Temperatur im wesentlichen nach der Art und der Zusammensetzung des zu verdichtenden Legierungspulvers sowie nach der Höhe des für die Verdichtung aufzubringenden Druckes. Beim Erreichen der erforderlichen hohen Temperatur wird die Vorrichtung 10 in einen Autoklav eingebracht, wo sie einem für die Verdichtung des Legierungspulvers auf die gewünschte Enddichte entsprechenden isostatischen Druck ausgesetzt wird. Dabei bewirkt das Druckmittel im hoh-

ao len Innenraum des Kerns 16 eine Kompression des Legierungspulvers der Pulverfüllung 22 gegen den Widerstand der Innenwandung des Innenraums 14. Es ist zu beobachten, daß die Form 12 unter den gegebenen Temperatur- und Druckbedingungen unbedingt formbeständig bleibt und demzufolge aus einem geeigneten Werkstoff in geeigneter Konstruktion gefertigt ist. Nach Beendigung des Verdichtungsvorganges wird die Vorrichtung abgekühlt, worauf die Hohlform und der Formkern vom Formkörper entfernt werden, der bereits im wesentlicher! seine endgültige Gestalt und seine Endabmessunger besitzt. Im vorstehend beschriebenen Beispiel hat dei erzeugte Formkörper im wesentlichen seine endgültige Turbinenschaufelgestalt und im wesentlicher bereits sein Sollmaß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Iler-

   stattet, die sich dadurch auszeichnen, daß sie wenigstens ein offenes Ende besitzen.

   Es ist bekannt, daß pulvermetallurgisch erzeugte Gegenstände in mancherlei Hinsicht solchen Gegen-

   stellung von Legierungskörpern mittels isosta- 5 ständen überlegen sind, die auf schmelzmetallurtischen Pressens in einer gasdichten Hohlform, gische Weise hergestellt wurden. Diese Vorteile der deren Innenkontur im wesentlichen der Außen- pulvermetallurgisch erzeugten Gegenstände beruhen kontur des fertigen Legierungskörpers entspricht, in erster Linie darauf, daß auf pulvermetallurgischem wobei der Innenraum der Hohlform vor dem Wege Gegenstände bzw. Formteile mit hoher HomoPressen evakuiert wird, dadurch gekenn- io genität erzielbar sind, wohingegen bei schmelzzeichnet, daß zur Fertigung in sich geschlos- metallurgisch erzeugten Gegenständen infolge des sener Hohlkörper eine Pulverfüllung durch einen langsamen Abkühlens des vergossenen Materials und bei Temperaturen von 538 bis 1260° C aus dem des langsamen Übergangs vom geschmolzenen zum Inneren eines hohlen Kerns wirkenden Gasdruck festen Aggregatzustand sehr häufig unerwünschte gegen die Innenwandung der Hohlform gepreßt 15 innere Inhomogenitäten auftreten. Bei der Herwird, stellung von beispielsweise Turbinenschaufeln, Tur-
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- binenleitfiächen oder verschiedenen anderen Komkennzeichnet, daß der Gasdruck durch eine OfT- ponenten von Strahltriebwerken ist es übüch, aus nung in einem gasdichten Behälter und durch Kosten- und Gewichtsersparnisgründen die enteine Verlängerung des hohlen Formkerns auf die 20 sprechenden Formkörper hohl auszubilden. Die Her-Innenwandung des hohlen Formkerns ausgeübt stellung hohler Formteile erleichtert beispielsweise wird. den Durchtritt von Kühlwasser und führt neben der
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Gewichtsersparnis auch zu einer Materialeinsparung, und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gasdrücke die im Hinblick auf den hohen Preb hochwertiger im Bereich von 35 bis 2110 kp/cm² ausgeübt 25 Legierungen, die für Strahltriebwerke unerläßlich werden. sind, zu einer spürbaren Senkung der Kosten. Der-
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Ver- artige Legierungen sind in der Regel auf Titanbasis fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit hergestellt. Wegen der hohen Kosten hochbean-Mitteln zum Evakuieren des Innenraums der spruchbarer Legierungen wird daher der pulver-Hohlform, gekennzeichnet durch einen Formkern 30 metallurgischen Erzeugung von Formteilen geeigneter (16) mit einem inneren Hohlraum (18), wobei Gestalt der Vorzug gegenüber schmelzmetallurder Formkern im inneren Hohlraum der Hohl- gischen Erzeugungsweisen gegeben. Um jedoch form so angeordnet ist, daß er zwecks Aufnahme Werkstoffverluste bei nachfolgenden Bearbeitungsder Pulverfüllung (22) den Innenraum nicht voii- vorgängen möglichst gering zu halten oder gar gänzständig ausfüllt, sowie durch Mittel (20) zum 35 Hch auszuschließen, besteht in der Fachwelt ein Verbinden des inneren Hohlraums des Form- Interesse daran, die pulvermetallurgische Erzeugung

   von Werkstücken der in Rede stehenden Art so vorzunehmen, daß höchstens nur noch ganz geringfügige Nachbearbeitungsvorgänge erforderlich sind. 40 Da pulvermetallurgisch erzeugte Körper mit weit höherer Maßhaltigkeit herstellbar sind als gegossene Körper, besteht in der Fachwelt ein Interesse an einem pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren für Hohlkörper, insbesondere für allseitig verschlos

   kerns mit dem Gasdruck außerhalb der Vorrichtung (10).