DE2544359C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Metallgebildes (Metallwerkstücks) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.

Aus der US-PS 33 40 101 ist bereits ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist der genannten US-Patentschrift zu entnehmen. In der US-PS 33 40 101 ist ein Verfahren zum superplastischen Verformen eines eine effektive Umformungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit aufweisenden Metalles durch Anwendung eines Vakuums gegebenenfalls in Verbindung mit einem Stempel beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart weiterzubilden, daß mehrteilige Metallgebilde hergestellt werden können, deren Teile dauerhaft miteinander verbunden sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Ver­ fahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor. Verfahren zum Vorsehen einer Festkörper-Diffusionsverbindung sind an sich bereits beispielsweise aus den US-PS 31 45 466, 31 80 022, 30 44 160, 28 50 798 und 31 70 234 bekannt. Die in diesen Patentschriften enthaltene Lehre hat auf dem Gebiet der superplastischen Verformung keinen Niederschlag gefunden.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2-9 enthalten. Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10 sind in den Ansprüchen 11-16 enthalten.

Durch die Erfindung ist es möglich, eine mechanische Befesti­ gung mehrerer Teile eines Metallgebildes ohne großen Zeit- und Materialaufwand durchzuführen. Auf diese Weise werden Kosten eingespart und ferner wird das Gewicht des entstehenden Metallgebildes vermindert und Ermüdungserscheinungen vermieden. Die Erfindung macht es ferner möglich, komplizierte wie auch verschiedene Dicken aufweisende Gebilde herzustellen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung spart gegenüber bekannten Vorrichtungen Kosten ein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umform-Vorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1, und zwar angeordnet zwischen den Heizplatten einer Presse;

Fig. 3 einen Querschnitt eines Teils der Umform-Vorrichtung unterhalb eines Metallrohlings, wobei dessen ursprüngliche Lage, eine Zwischenlage und die Endlage dargestellt sind;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Gebildes gemäß Fig. 3, welches durch die Kombination aus superplastischer Umformung und Diffusionsverbindung hergestellt ist;

Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 Querschnitte von bevorzugten Umform­ vorrichtungen, die zur Formung unterschiedlich ge­ formter Endgebilde abgewandelt sind, wobei die ur­ sprüngliche Lage der zu verformenden Metallrohlinge in gestrichelten Linien angedeutet ist, während die Endlage nach Umformung und Verbindung mit mindestens einem weiteren Metallteil in ausgezogenen Linien gezeigt ist;

Fig. 10 einen Querschnitt einer abgewandelten Umformvorrichtung, die zwei Metallrohlinge verwendet, wobei deren ursprüngliche Stellungen in gestrichelten Linien und deren Endstellung, nach Umformung und Ver­ bindung, in ausgezogenen Linien dargestellt sind;

Fig. 11 eine weitere abgewandelte Umformvorrichtung im Schnitt mit zwei Metallrohlingen, die in ihren ursprünglichen Stellungen gestrichelt und in ihren Endstellungen, nach Umformung und Verbindung, in ausgezogenen Linien dar­ gestellt sind.

Zur erfolgreichen Durchführung einer superplastischen Verformung ist es erforderlich, daß ein geeignetes Material verwendet wird. Bekanntlich spielt dabei die Umformgeschwindigkeits-Empfindlichkeit "m" eine wichtige Rolle.

Es wurde festgestellt, daß noch andere Variable die Umform­ geschwindigkeits-Empfindlichkeit beeinflussen und sie sollten daher bei der Auswahl eines geeigneten Metall­ materials berücksichtigt werden. Eine abnehmende Korn­ größe hat entsprechend höhere Werte für die Umformgeschwindigkeits- Empfindlichkeit zur Folge. Zudem beeinflussen die Umformgeschwindigkeit und das Materialgefüge die Umformgeschwindigkeits-Empfindlichkeit. Es wurde festgestellt, daß für Titan der m-Wert eine Spitze bei einem Zwischenwert der Umformgeschwindigkeit (annähernd 10^-4 cm/cm/sec.) erreicht. Für maximale stabile Deformation sollte die superplastische Verformung bei oder nahe dieser Umformgeschwindigkeit erfolgen. Eine zu große Abweichung gegenüber der optimalen Umformgeschwindigkeit kann einen Verlust der superplastischen Eigenschaften zur Folge haben.

Die Diffusionsverbindung kann mit einer großen Vielzahl von Metallen und Legierungen durchgeführt werden. Die Qualität der Verbindung und die verwendeten Parameter ändern sich jedoch notwendigerweise für jede spezielle Auswahl eines Werkstückmaterials. Zu den Metallen oder Legierungen, die durch eine Festkörperdiffusionsverbindung verbunden werden können, gehören Aluminium, rostfreier Stahl, Titan, Nickel, Tantal, Molybdän, Zirkonium, Columbium und Beryllium.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf reaktionsfähige Metalle, deren Oberflächen bei den erhöhten Temperaturen verunreinigt sein würden, wie sie für die superplastische Verformung und Diffusionsbindung erforderlich sind. Titan und seine Legierungen sind Beispiele für solche Metalle.

Es wurde festgestellt, daß Titan und seine Legierungen besonders für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, daß diese Legierungen sehr hohe superplastische Eigenschaften in einem Temperaturbereich zeigen, der für die Diffusionsverbindung geeignet ist, d. h. in einem Bereich von 790° C bis ungefähr 1010° C abhängig von der speziellen verwendeten Legierung.

Der verwendete superplastische Formgasdruck ist typischerweise 103 N/cm², d. h. ein Druck, der beträchtlich kleiner ist als die 1380 N/cm², die normalerweise bei der Diffusionsverbindung verwendet werden. Es ist somit wahrscheinlich, daß die durch die Diffusionsverbindung während des superplastischen Formverfahrens erzeugten Verbindungen nicht die volle Festigkeit des Stamm-Metalls besitzen, sondern eher analog zu einer Hartlöt-Verbindung hoher Qualität sind, eine solche Lötverbindung bietet aber selbst mit Festigkeitswerten, die geringer sind als die Werte des Stamm-Metalls, nichtsdestoweniger beträchtliche Möglichkeiten für viele Anwendungsfälle, insbesondere dort, wo örtliche Dickenerhöhungen, wie beispielsweise Verstärkungen, erforderlich sind, und wo die Primärbeanspruchungen parallel zur Verbindung verlaufen. Zudem kann der Teil einem nach der Verbindung vorgesehenen Anlaßzyklus ausgesetzt werden, um Mikroporen zu eliminieren und die Verbindungsfestigkeit zu maximieren. In jedem Fall kann jedoch die volle Stamm-Metallfestigkeit dadurch erreicht werden, daß man den Formgasdruck auf ein Niveau (z. B. 1380 N/cm²) erhöht, so daß eine vollständige Diffusionsverbindung auftritt. Diese Drücke können bei oder nahe der Vollendung des Formungszyklus aufgebracht werden, ohne die superplastische Verformung zu stören.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Beispiel der Verformungs- und Verbindungs-Vorrichtung 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein unterer Werkzeugrahmen 12 hat Seitenwände 14 in der Form eines eine beliebige Form aufweisenden Rings sowie eine vorzugsweise einstückige Basisplatte 15. Die Innenoberfläche des unteren Werkzeugs 12 definiert eine Innenkammer 18 und eine Aufnahmeformoberfläche oder ein Formglied. In der (ersten) Kammer 18 kann ein oder mehrere Stempel 22 vorgesehen sein, um die Gestalt des zu formenden Teils zu verändern.

Ein Metallrohling 24 ist vorzugsweise in der Form eines Blechs mit oberen und unteren entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen 26 bzw. 28 ausgebildet und wird auf dem Werkzeugrahmen 12 getragen und deckt die erste Kammer 18 ab. Es kann irgendein Metallrohling verwendet werden, der superplastische Eigenschaft innerhalb des für die Diffusionsverbindung erforderlichen Temperaturbereichs zeigt, die Erfindung bezieht sich aber insbesondere auf solche Metalle, die bei der Verformungstemperatur Verunreinigungen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Titan oder eine Legierung aus Titan, wie beispielsweise Ti-6Al-4V. Die Anfangsstärke oder Dicke des Metallrohlings 24 wird durch die Abmessungen des zu formenden Teils bestimmt.

Innerhalb der ersten Kammer 18 ist ein oder mehrere Metallteile 29 angeordnet, die die Einzelteile bilden, mit denen sich der ausgeformte Metallrohling 24 verbinden muß. Die Metallteile 29 haben eine solche Form und sind derart angeordnet, daß das gewünschte Endgebilde sich dann ergibt, wenn der verformte Metallrohling 24 vollständig mit den Metallteilen 29 verbunden ist. Die Metallteile 29 können irgendeine gewünschte Form haben oder aus irgendeinem gewünschten Material bestehen, unter der Voraussetzung, daß eine Diffusionsverbindung mit dem Metallrohling 24 innerhalb des gewünschten Temperaturbereichs möglich ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein Metallteil 29 in der Form eines rechteckigen Rings vorgesehen, der den Stempel (Formteil) 22 umgibt. Das Material für die Metallteile 29 muß nicht superplastisch sein, da es mit dem Metallrohling 24 nur verbunden, aber nicht verformt wird. Es sei bemerkt, daß unterschiedliche Materialien für die Metallteile 29 und den Metallrohling 24 verwendet werden können, obwohl zu erwarten wäre, daß sie die Verbindungsfestigkeit abhängig von der verwendeten Materialkombination ändert.

Eine Hauptbetrachtung bei der Auswahl einer geeigneten Formgliedlegierung ist die Reaktionsfähigkeit mit dem zu formenden Metallrohling 24 und den Metallteilen 29 bei der Formungs- und Verbindungs-Temperatur. Wenn der Metallrohling 24 und die Metallteile 29 aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen, so waren auf Eisen basierende Legierungen mit geringem Nickelgehalt und geringem Kohlenstoffgehalt (wie 0,2 bis 0,5% Kohlenstoff) erfolgreich. Da die Formungsbelastungen sehr klein sind, können Materialien mit geringer Kriechfestigkeit und mechanischen Eigenschaften oftmals verwendet werden. Als eine zusätzliche oder alternative Vorsorge zur Verhinderung der Verbindung der Gebilde (Werkstücke) mit den Formteilen kann eine geeignete Stoppsperre, wie beispielsweise Graphit oder Bornitrid an den Formteiloberflächen verwendet werden.

Der obere Werkzeugrahmen 30 hat vorzugsweise die gleiche Draufsichtsflächengestalt wie der untere Werkzeugrahmen 12, so daß die Seitenwände 31, die vorzugsweise einstückig mit der oberen Platte 32 ausgebildet sind, sich in Ausrichtung mit den Seitenwänden 14 des unteren Werkzeugs 12 befinden. Der obere Werkzeugrahmen 30 definiert eine durch Membran 24 abgeschlossene zweite Kammer 33.

Das Gewicht des oberen Werkzeugrahmens 30 wirkt als eine Einspannvorrichtung für den Metallrohling 24. Eine einzige kontinuierliche Kante des Metallrohlings 24 ist zwischen dem oberen Tragwerkzeugrahmen 30 und dem unteren Tragwerkzeugrahmen 12 eingespannt. Dies stellt sicher, daß der Rohling 24 gestreckt und nicht gezogen wird. Wenn es erforderlich ist, können zusätzliche Befestigungsmittel, wie beispielsweise (nicht gezeigte) Bolzen, verwendet werden, um den Rohling 24 wirkungsvoller festzulegen. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein zusätzlich verwendetes Befestigungsmittel eine hydraulische Presse mit Platten 40. Die Form- und Verbindungs-Vorrichtung 10 ist zwischen den Platten 40 angeordnet und wird durch diese zusammengedrückt, was sicherstellt, daß der Rohling 24 in wirkungsvoller Weise zwangsgehaltert ist, und daß die Kammern gegenüber Luft abgedichtet sind. Diese Anordnung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die Platten aus einem keramischen Material bestehen können, wobei Widerstandsheizdrähte 42 in den Platten 40 vorgesehen sind, um die Kammern 18 und 33 auf die Formungs- und Verbindungs-Temperatur zu erhitzen. Die Wärme von den Widerstandsdrähten 42 wird über Werkzeugrahmen 12 und 30 auf die umschlossenen Kammern 18 und 33 und infolgedessen auf den Metallrohling 24 und die Metallteile 29 übertragen. Es können auch andere Heizverfahren zusammen mit der Formungs- und Verbindungs- Vorrichtung 10 verwendet werden, welchletztere üblicherweise von einem Heizmittel umgeben ist, wenn die Heizplatten nicht verwendet werden. Zur Verhinderung der Verunreinigung des Metallrohlings 24 und der Metallteile 29 beim Erhitzen, Formen und Verbinden ist ein Umgebungssteuersystem vorgesehen. Der Zweck dieses Systems besteht darin, den Metallrohling 24 und die Metallteile 29 nur gegenüber einem inerten Gas oder einem Vakuum während des Erhitzens, Formens und Verbindens freizulegen. Der Metallrohling 24 und die Metallteile 29 reagieren nicht mit dem inerten Gas infolge der Natur des inerten Gases, und zwar selbst bei den erhöhten Formungs- und Verbindungs-Temperaturen. In einem hohen Vakuum sind im wesentlichen keine Elemente für eine Reaktion mit dem Rohling 24 vorhanden. Auf diese Weise wird in dieser Umgebung die Verunreinigung des Metallrohlings 24 verhindert. Eine Leitung 50 ist mit einer unter Druck stehenden inerten Gasquelle an einem (nicht gezeigten) Ende verbunden und steht mit ihrem anderen Ende mit einem T-Verbindungsglied 51 in Verbindung. Das verwendete inerte Gas ist vorzugsweise Argon in flüssiger Form. Das Glied 51 steht über Winkelverbindungen 53 und 55 mit zwei parallelen Leitungen 52 und 54 in Verbindung. Die Leitung 52 ist über eine Öffnung 60 im oberen Werkzeugrahmen 30 mit der Kammer 33 verbunden. Zur Regelung der Strömung des inerten Gases durch Leitung 52 in Kammer 33 ist ein Ventil 56 in der Leitung 52 angeordnet. Ein Druckmesser 62 ist ebenfalls in der Leitung 52 vorgesehen, um den Druck "strömungsaufwärts" zu messen. Die Leitung 54 steht mit Kammer 18 über einen Kanal 64 im unteren Werkzeugrahmen 12 sowie einer damit ausgerichteten Öffnung 65 im Stempelformglied 22 in Verbindung. Ein Ventil 58 ist in die Leitung 54 eingeschaltet, um die Strömungen des inerten Gases in die Kammer 18 zu regeln. Eine mit der entgegengesetzten Seite des oberen Werkzeugrahmens 30 verbundene Leitung 70 arbeitet über Öffnung 72 als ein Auslaß für das inerte Gas von Kammer 33. Ein Ventil 74 ist in der Leitung 70 vorgesehen, um die Strömung des inerten Gases durch den Auslaß zu regeln. Ein Druckmesser 76 steht ebenfalls mit Leitung 70 in Verbindung, um den Druck "strömungsabwärts" anzuzeigen. Eine Leitung 80 arbeitet entweder als ein Ablaß für inertes Gas oder als ein Einlaß für ein Vakuum. Die Leitung 80 steht mit Kammer 18 über Kanal 82 sowie Queröffnungen 90 in Rahmen 12 und Öffnungen 83 in Stempelformglied 22 in Verbindung, welchletztere mit den Öffnungen 90 ausgerichtet sind. Wenn die Leitung 80 als ein Vakuumeinlaß arbeitet, so würde eine (nicht gezeigte) Saugpumpe an Leitung 80 verwendet werden, um in Kammer 18 das Vakuum zu erzeugen.

Die Verformung des Rohlings 24 wird durch das Druckdifferential zwischen den Kammern 18 und 33 erzeugt. Die Druckbelastung kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Beispielsweise kann ein konstanter positiver Druck in Kammer 33 aufrechterhalten werden, während ein Vakuum an Kammer 18 angelegt wird oder aber der positive Druck in Kammer 32 kann auf einen Wert erhöht werden, der größer ist als der positive Druck in der Kammer 18; schließlich könnte der positive Druck in Kammer 33 erhöht werden, wobei gleichzeitig ein Vakuum an Kammer 18 angelegt wird. Durch Verwendung des Metallrohlings 24 als eine Membran, die die beiden Druckkammern unterteilt, kann die Formungszeit vermindert werden, weil das Vakuum an die eine Kammer und der positive Druck an die andere Kammer angelegt werden kann. Dies gestattet die Erhöhung des Druckdifferentials, was die Umformgeschwindigkeit erhöht. Dies ist von großer Bedeutung bei einem dicken Metallrohling. Die brauchbare Verformgeschwindigkeit sollte jedoch nicht überschritten werden.

Fig. 3 veranschaulicht die Verformung des Metallrohlings 24 und seine Verbindung mit dem Metallteil 29. Die ursprüngliche Lage des Rohlings 24 ist bei a dargestellt, eine Zwischenlage ist bei b gezeigt und die Endlage der Membran nach Verformung ist bei c dargestellt. Während des Formvorgangs ist der Druck oberhalb des Rohlings 24 in Kammer 33 größer als der Druck unterhalb des Rohlings 24 in der Kammer 18. Wenn sich der Metallrohling 24 infolge des Druckdifferentials deformiert oder verformt, so kommt er mit dem Metallteil 29 in Berührung und drückt inertes Gas in Kammer 18 durch Ablaßleitung 80. Der die superplastische Verformung hervorrufende Druck entspricht auch der Diffusionsverbindungs-Anforderung, daß nämlich die zu verbindenden Metalle unter Druck gehalten werden müssen. Der Druck und Verformungstemperatur würden dabei für eine Zeitdauer aufrechterhalten werden, die für die Durchführung der Diffusionsverbindung geeignet ist, was eine Zeitperiode umfassen kann, nachdem die superplastische Verformung bereits vollständig ist. Der verwendete Differentialdruck kann von 13,3 N/cm² bis zu mehr als 1380 N/cm² reichen, wobei jedoch hinsichtlich der Druckrate Sorge getragen werden muß, um sicherzustellen, daß der Rohling 24 seine Superplastizität beibehält, um so Querschnittsverminderungen oder Bruch zu verhindern. Aus diesem Grunde und zur Sicherstellung eines ausreichenden Drucks für die Diffusionsverbindung werden die verwendeten Differentialdrücke normalerweise graduell erhöht. Abhängig von der Rohlings- oder Membrandicke und dem Differentialdruck können die Formungszeiten von 30 Minuten bis zu 12 Stunden dauern.

In Fig. 1 ist die Abdichtung der Kammern 18 und 33 dargestellt. Dieses Abdichtverfahren kann wahlweise insofern vorgesehen sein als die Formvorrichtung 10 durch den Druck des Gewichts des oberen Werkzeugrahmens 30 und/oder den Druck einer Presse und/oder eine Einspannvorrichtung abgedichtet ist. Jedoch insbesondere dann, wenn ein Vakuum verwendet wird, ist es zweckmäßig, eine außerordentlich wirkungsvolle Abdichtung vorzusehen, um den Eintritt jeglicher verunreinigender Luft in die Kammern 18 und 33 zu verhindern. Eine derartige Verunreinigung hat dann, wenn sie minimal ist, zusätzliche Arbeit bei der Reinigung der Oberfläche des geformten Teils zur Folge, während dann, wenn die Verunreinigung mehr als minimal ist, der ausgeformte Teil für seinen Verwendungszweck ungeeignet sein kann. Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen aus reinem Titan bestehenden O-Ring 120, der mit einem auf Glas basierenden Hochtemperatur Dichtmittel 122, wie beispielsweise einem glasüberzogenen Dichtmittel, kombiniert sein kann, wobei diese beiden Dichtungen umfangsmäßig auf der Oberseite der Seitenwand 14 des Rahmens 12 angeordnet sind. Das Hochtemperatur-Dichtmittel kann ebenfalls am Boden des oberen Werkzeugrahmens 30 um den Umfang herum angeordnet sein, wie dies bei 124 gezeigt ist, und zwar in Kontakt mit der Membran 24. Der Titan-O-Ring ist außerordentlich weich bei Verformungstemperaturen und bewirkt daher eine sehr gute Abdichtung.

In Fig. 4 ist das fertig ausgeformte und verbundene Gebilde der Fig. 3 dargestellt. Ein derartiges Gebilde wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt, und zwar unter Anwendung von 927° C und einem Druckdifferential von 41 N/cm² für eine Gesamtzeitdauer von annähernd 3 Stunden. Wie man erkennt, ist das Gebilde einheitlich und es besteht nicht aus einer Vielzahl von mechanisch befestigten Teilen. Das Gebilde hat eine komplizierte Gestalt und eine veränderbare Stärke. Das Gebilde 140 hat seine größte Dicke an den Seiten 142, wo die Verbindung erfolgte, eine mittlere Dicke an den nicht verbundenen Teilen der Seiten 142 und das Gebilde 140 hat schließlich die dünnsten Teile an seiner Behälterbasis 144. Wegen der veränderbaren Dicke könnte ein derartiges Gebilde 140 nicht allein durch superplastisches Verformen hergestellt werden. Darüber hinaus wird viel Zeit sowie auch Kosten dadurch gespart, daß man durch Verwendung nur einer Vorrichtung und eines Verfahrens sowohl eine superplastische Verformung und eine Diffungsverbindung durchführt.

In den Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 sind fünf verschiedene Anordnungen von Metallteilen und Formgliedern dargestellt, um unterschiedliche Endgebilde zu erzeugen. Die Leitungen 95 und 96 entlüften über Kanäle 97 und 98 die Kammern 18 dann, wenn die Membran verformt wird. Die ursprüngliche Lage des zu verformenden Metallrohlings 24 ist in gestrichelten Linien bei a dargestellt, während die Endlage nach der Verformung und der Verbindung mit den Metallteilen 150, 152, 154, 156 und 158 jeweils bei b dargestellt ist.

Die in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigten Gebilde werden in einer Aufnahmewerkzeuganordnung hergestellt. In jedem Fall ist der Metallteil 150, 152, 154 ein massiver rechteckiger Block. In den Fig. 5 und 6 wirken die Metallteile 150 und 152 als eine Stempelform zur Formung der Membran 24 in eine Hutform, wobei der Metallteil damit wie gezeigt verbunden ist. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann der Bodenrahmen 12 mit einer innenliegenden Mittelnut 160 ausgestattet sein, so daß der Metallteil-Einsatz 152 aus dem Boden des Hutabschnitts herausragen wird, wenn das Gebilde ausgeformt ist. In Fig. 7 ragt der Metallteil- Einsatz 154 nicht über die Oberseite der Nut 160 hinaus und daher wird der Metallrohling 24 nur an eine Aufnahmeformoberfläche angeformt, von der die Oberseite des Einsatzes 154 einen Teil bildet.

Die Gebilde gemäß Fig. 8 und 9 werden durch Verwendung von Stempelformen 170 bzw. 172 erhalten, und zwar zusammen mit der Innenoberfläche der Aufnahmeform des unteren Werkzeugrahmens 12. In Fig. 8 sind die beiden Einsätze 156 vor dem Formen auf einer jeden der Längsseiten der Stempelform 170 angeordnet. Der sich ergebende ausgeformte Hutabschnitt hat dann einen hohlen Innenraum entsprechend der Stempelform 170 sowie Längsseiten, die dicker sind als die Oberseite des Hutgebildes. In Fig. 9 sind die beiden Metallteil-Einsätze 158 parallel und in Berührung mit dem Rohling 24 während der Halterung an Stempelform 172 angeordnet. Wenn sich der Rohling 24 infolge des Differentialdrucks verformt, werden auch die Metallteile 158 gegen die Stempelform 172 verformt, wobei gleichzeitig die Metallteile 158 mit dem Metallrohling 24 verbunden werden. Für diesen Arbeitsvorgang sollte das Material für die Metallteile 158 ebenfalls superplastisch bei der für dieses Verfahren verwendeten Temperatur sein. Durch die auf diese Weise erfolgende Ausformung sind die oberen Ecken des Hutabschnitts zusätzlich zu den Längsseiten dicker und daher verstärkt.

In den Fig. 10 und 11 sind Abwandlungen der grundsätzlichen Formungsvorrichtung zur Ausformung von zwei Metallrohlingen dargestellt. In Fig. 10 ist der Metallrohling 200 über Tragwerkzeugrahmen 201 angeordnet und deckt Kammer 210 ab. Ein weiterer Metallrohling 202, vorzugsweise mit der gleichen Grundfläche wie Rohling 200, ist über und in Ausrichtung mit dem Rohling 200 angeordnet und deckt Kammer 208 ab, die durch die Innenoberfläche des oberen Werkzeugrahmens 203 definiert ist. Zwischen den beiden Metallrohlingen sind Ausdehnungsrohre 204 und 206 angeordnet. Um das Zusammendrücken der Rohre 204 und 206 durch die Werkzeugrahmen zu verhindern, können die Rohlinge 200 und 202 mit ausgerichteten Nuten 207 versehen sein, in denen die Rohre 204 und 206 angeordnet wären. Eine unter Druck stehende inerte Gasströmung fließt durch die Leitungen 204 und 206, wobei optimalerweise ein Vakuum an die Kammern 208 und 210 angelegt ist, um das Gebilde auszuformen. Rohling 200 verformt sich in Kammer 210 und verbindet sich gleichzeitig mit Metallteil 214, während sich der Rohling 202 in der Kammer 208 verformt und sich gleichzeitig mit dem Metallteil 212 verbindet. Die Kanten der Rohlinge 200 und 202 sind durch die oberen und unteren Werkzeuge eingezwängt oder festgehalten und sie werden während dieses Vorgangs ebenfalls diffusionsverbunden, und zwar infolge der Temperatur des Verfahrens und des Abdichtdrucks (das Gewicht des oberen Werkzeugs 203 und der wahlweise Druck durch eine Presse und/oder eine Einspannvorrichtung). Es ergibt sich ein hohles Endgebilde.

Fig. 11 veranschaulicht eine Verformungsvorrichtung zur Formung von zwei individuellen Endgebilden gleichzeitig. Ein Metallrohling 220 deckt eine durch ein oberes Werkzeug 224 definierte Kammer 222 ab, wohingegen ein Metallrohling 226 eine Kammer 228 des unteren Werkzeugs 230 abdeckt. Ein Werkzeugzwischenring 231, vorzugsweise mit der gleichen Grundflächenform wie die oberen und unteren Werkzeuge, ordnet die Rohlinge 220 und 226 mit Abstand an, wobei diese Metallrohling-Membranen die Kammer 232 definieren. Aufblasleitungen 234 und 236 gestatten die Einleitung von inertem Gas in Kammer 232, was den Rohling 220 in Kammer 222 und den Rohling 226 in Kammer 228 drückt. Ein Vakuum könnte auch an die Kammern 222 und 228 angelegt werden, um das Druckdifferential zu erhöhen.

Es sei im folgenden die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Gemäß Fig. 1 und 2 wird der untere Werkzeugrahmen 12 mit den zugehörigen Leitungen 54 und 80 zusammengebaut. Abdichtmittel, wie beispielsweise eine Abdichtung 122 und ein O-Ring 120, werden - wenn gewünscht - auf den unteren Rahmen 12 aufgebracht. Formteil 22 wird innerhalb des Rahmens 12 angeordnet. Metallteil 29 wird in Kammer 18 das Stempelformteil 22 umgebend angeordnet. Ein geeigneter Metallrohling 24 wird über dem Rahmen 12 die Kammer 18 umschließend angeordnet. Wahlweise kann ein Abdichtmittel am Boden des oberen Rahmens 30 angeordnet werden. Der mit Gasleitungen 70 und 52 verbundene obere Rahmen 30 wird über dem die Kammer 33 abschließenden Metallrohling 24 angeordnet. Die gesamte Umformvorrichtung 10 wird innerhalb einer Presse mit geheizten oberen und unteren Keramikplatten 40 angeordnet. Durch die Presse wird Druck für eine wirkungsvolle Abdichtung an die Umformvorrichtung 10 angelegt. Den oberen und unteren Kammern 33 bzw. 18 wird inertes Gas zugeführt, um den Metallrohling 221 und den Metallteil 29 gegenüber Verunreinigung während des Erhitzens, Formens und Verbindens zu schützen. Die Temperatur innerhalb der Kammern 33 und 18 wird durch die Heizvorrichtung 42 in den Platten 40 auf eine geeignete Form- und Verbinde-Temperatur erhöht. Das Druckdifferential an den Hauptoberflächen des Metallrohlings 24 veranlaßt den Metallrohling, sich gegen das Formteil 22 und Metallteil 29 zu verformen. Das Druckdifferential kann durch ein Vakuum in der unteren Kammer 18, erhöhten Gasdruck in der oberen Kammer 33 oder beides erzeugt werden. Die Temperatur- und Druck-Bedingungen werden solange aufrechterhalten, bis der Rohling 24 verformt und mit dem Metallteil 29 verbunden ist. Die Temperatur in den Heizplatten 40 wird vermindert und das geformte und verbundene Gebilde wird mit der, zwar verminderten, inerten Gasatmosphäre (oder dem Vakuum) abgekühlt. Die Presse wird hochgefahren und die Umformvorrichtung 10 wird zerlegt, worauf das Gebilde entnommen und auf seine Größe bearbeitet wird.

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallgebildes aus mehr als einem Ausgangsteil, bei dem mindestens ein Rohling (24; 200, 202; 220, 226) aus einem Metall oder einer Legierung mit einer superplastisches Umformen zulassenden Umformungs­ geschwindigkeitsempfindlichkeit und mit zwei entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen zusammen mit mindestens einem Formteil (22; 170; 172) in einem Formraum (18, 33; 208, 210; 222, 228) umschlossen und darin bis in einen Temperaturbereich erhitzt wird, der zur superplastischen Umformung des betreffenden Werkstoffs geeignet ist, und bei dem der Metallrohling weiterhin eine durch Anlegen einer Druckbelastung an eine der Hauptoberflächen des Metallrohlings aufgebrachte Dehnbeanspruchung erfährt und dadurch in enge Anlage an das mindestens eine Formteil gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig und zusammen mit dem Metallrohling mindestens ein weiterer Metallteil (29; 156; 158; 212, 214) in dem Formraum erhitzt wird und infolge der Umformung und unter der Druckbelastung des Metallrohlings mit diesem in innigen Kontakt gebracht wird, und dabei die Druckbelastung und der zur superplastischen Umformung verwendete Temperaturbereich für eine Zeitdauer aufrechterhalten wird, die für eine Diffusionsverbindung zwischen dem verformten Metallrohling und dem mindestens einen weiteren Metallteil ausreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbelastung mit einem Strömungsmittel vorgesehen wird, als welches ein Inertgas dient.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum für die Druckbelastung der Hauptoberflächen im umgekehrten Verhältnis zum Maß der Zugspannung steht, der der Metallrohling (24) ausgesetzt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Umformen der Metallrohling (24) parallel zu und in Berührung mit dem damit zu verbindenden Metallteil angeordnet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Umformen der Metallrohling (24) senkrecht zu und mit Abstand vom damit zu verbindenden Metallteil angeordnet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor dem Umformen der Metallrohling (24) senkrecht zu und in Berührung mit dem damit zu verbindenden Metallteil angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach einem Abschnitt des Aufrechterhaltens einer die superplastische Umformung bewirkenden Druckbelastung ein zusätzlicher Abschnitt mit erhöhter Druckbelastung vorgesehen ist, um eine vollständige Diffusionsverbindung sicherzustellen.

8. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Metall­ gebildes aus zwei umzuformenden Metallrohlingen (200, 202) und mindestens einem mit diesen zu verbindenden Metallteil (212), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Formteile einge­ setzt werden,
daß die Metallrohlinge (200, 202) bezüglich ihrer Hauptflächen parallel zueinander und in Berührung miteinander angeordnet werden,
daß der Rand der Metallrohlinge für deren anschließende Diffusionsverbindung durch Anlegen von Druck festgehalten wird, und daß durch Anlegen einer Strömungsmitteldruck­ belastung die Verformung der Metallrohlinge in annähernd entgegengesetzter Richtung bewirkt wird, wobei eine enge Berührung mit den mindestens zwei Formteilen erfolgt und mindestens ein Metallrohling in enge Berührung mit dem damit zu verbindenden Metallteil gelangt und mit diesem diffusionsverbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallrohlinge in Abstand voneinander angeordnet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zu verbindende Metallteil (150, 152, 154) als mindestens ein Formteil (Formwerkzeug) dient.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10 mit einem Formraum (18, 33), der durch den zu verformenden Metallrohling (24) in eine erste (18) und eine zweite (33) Kammer unterteilt ist, und mit mindestens einem die Form des Metallgebildes bestimmenden Formteil (22) in der ersten Kammer (18), dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine zu verbindende Metallteil (29) in der ersten Kammer (18) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmitteldruck in der zweiten Kammer (33) größer ist als der in der ersten Kammer (18), und daß die erste Kammer (18) belüftet ist, um das Ausströmen des Inertgases zu gestat­ ten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Druckbelastung durch Anlegen eines Vakuums an die erste Kammer (18) und einen konstanten Inertgasdruck in der zweiten Kammer (33) erreicht wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Inertgas Argon ist, daß der Metallrohling (24; 200, 202; 220, 226) aus einem Titanlegierungsblech besteht und daß der mindestens eine zu verbindende Metallteil (29; 156, 158; 212, 214) ebenfalls aus einer Titanlegierung besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Formraum (18, 33) abgedichtet ist, um das Einströmen von Luft zu verhindern.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Formteile als Matrize und/oder Formstempel wirken.