DE2611859A1

DE2611859A1 - Verfahren zur herstellung von metall-sandwichgebilden

Info

Publication number: DE2611859A1
Application number: DE19762611859
Authority: DE
Inventors: Jun Leonard Angelo Ascani; Charles Howard Hamilton
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-03-20
Publication date: 1976-10-07
Also published as: JPS51111465A; JPS5924893B2; SE414591B; FR2304438A2; CA1055680A; SE7600331L; GB1495655A; FR2304438B2; CH622191A5

Description

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, 2230 East Imperial Highway, El Segundo, California 902 45, U.S.A.

Verfahren zur Herstellung von Metall-Sandwichgebilden

Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß bestimmte Metalle wie beispielsweise Titan und seine Legierungen die Eigenschaft der Superplastizität aufweisen. Die Superplastizität ist die Fähigkeit eines Materials, ungewöhnlich hohe Zugdehnungen zu entwickeln, und zwar bei einer verminderten Tendenz hinsichtlich einer Querschnittsverminderung. Diese Fähigkeit zeigen nur einige wenige Metalle und Legierungen und zwar innerhalb eines begrenzten Temperatur- und Umformungsgeschwindigkeitsbereichs. Titan und Titanlegierungen besitzen superplastische Eigenschaften, die gleich oder größer sind als die von irgendeinem anderen Material. Mit geeigneten Titanlegierungen sind Oberflächengesamt erhöhungen von bis zu 300 % möglich.

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Die superplastische Verformung hat sehr viele Vorteile: Es können ohne weiteres sehr komplizierte Formen und tiefgezogene Teile ausgeformt werden; es sind geringe Deformationsbeanspruchungen erforderlich, um das Metall im superplastischen Temperaturbereich zu verformen/ wodurch Teile bei geringen Drücken ausgeformt werden, was die Deformation und den Abrieb der Werkzeuge minimiert und die Verwendung von preiswerten Werkzeugen und Mate- · rialien gestattet, wobei zudem das Kriechen im Werkzeug verhindert ist; es können einfache Stempel- und Aufnahmewerkzeuge verwendet werden; es tritt kein Zurückfedern auf; es entwickelt sich kein Bauschinger-Effekt; Mehrfachteile von unterschiedlicher Geometrie können in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden, wobei sehr kleine Radien ausgebildet werden können und kein Problem hinsichtlich der Druckfaltungen oder -klemmungen auftritt. Bei der superplastischen Verformung von Titan und ähnlichen reaktionsfähigen Metallen ist es jedoch erforderlich, die Erhitzung und Verformung in einer kontrollierten Umgebung vorzunehmen, um so die Sauberkeit des Titans sicherzustellen, welches insbesondere gegenüber dem Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserdampfgehalt der Luft bei erhöhten Temperaturen empfindlich ist. Wird das Titan nicht geschützt, so wird es spröde und seine Integrität wird zerstört.

Bei einer Diffusionsverbindung handelt es sich um die metallurgische Verbindung oder Vereinigung von Oberflächen aus ähnlichen oder unähnlichen Metallen durch das Anlegen von Wärme und Druck für eine solche Zeitdauer, daß eine gemeinsame Vermengung der Atome an der Verbindungsgrenzschicht auftritt. Die Diffusionsverbindung wird vollständig im festen Zustand erreicht, und zwar bei oder oberhalb der Hälfte des (absoluten) Grundmetallschmelzpunkts. Die tatsächlich

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erforderlichen Zeiten, Temperaturen und Drücke sind von Metall zu Metall verschieden. Die Verbindungsoberflächen müssen durch das Anliegen von Druck auf Atomabstände zusammengebracht werden. Ein angemessener Druck muß ebenfalls vorgesehen sein_f um zu bewirken, daß etwas plastischer Fluß die normalerweise leeren Zonen ausfüllt. Wenn die Drücke zu klein sind, so verbleiben kleine Leerstellen an der Verbindungsgrenzschicht und die Verbindungsfestigkeit ist kleiner als die maximal erhältliche. Die Anwendung von Druck zerlegt ebenfalls die Oberflächenoxyde und die Oberflächenrauhheiten, auf welche Weise saubere Oberflächen für die Verbindung vorgesehen werden. Die bei der Diffusionsverbindung verwendeten erhöhten Temperaturen beschleunigen die Diffusion der Atome an den Verbindungsgrenzschichten und sie erzeugen eine bei der Oberflächendeformation mithelfende Metallerweichung, um so eine innigere Berührung für die Atombindung und die Bewegung über die Verbindungsgrenzschicht hinweg zuzulassen. Die erhöhte Temperatur und der angelegte Druck bewirken auch eine Diffusion der Oberflächenverunreinigungen in das Basismetall während des Verbindungsvorgangs, was eine Metall-Atom-zu-Atom-Verbindung ergibt und daher die Verbindung stärkt. Um die Verfestigung der Verbindung durch die Diffusion von Atomen über die Verbindungsgrenzschicht hinweg sicherzustellen, muß eine ausreichende Zeitspanne vorgesehen sein. Eine Schutzatmosphäre für die Verbindung ist dann erforderlich, wenn Titan und andere, ähnlich reaktionsfähige Metalle miteinander verbunden werden.

Verfahren zur superplastischen Verformung von Metallen und Verfahren zur Diffusionsverbindung sind einzeln bereits beschrieben. Im U.S.Patent 3.340.101 ist ein Verfahren zum superplastischen Verformen beschrieben, bei

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welchem ein Metall derart behandelt wird, daß es seine effektive Umformungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit zeigt und sodann durch Anwendung allein von Vakuum oder in Verbindung mit einem Metallstempel verformt wird. Die U.S. Patente 3.145.466, 3.180.022, 3.044.160, 2.850.798 und 3.170.234 beziehen sich auf die Festkörper- oder Diffusions-Verbindung. Die Kombination dieser beiden Verfahren kann dem Stand der Technik nicht entnommen werden.

In der DT OS 2 5 44 359 ist ein Verfahren zum superplastischen Verformen von Metallen gleichzeitig mit einer Diffusionsverbindung beschrieben. Das Problem dabei ist die superplastische Verformung eines Metallrohlings gegen ein Formungsglied und ein weiteres Metallwerkstück, so daß der Metallrohling verformt und mit dem anderen Metallwerkstück in einem Arbeitsvorgang diffusionsverbunden wird. Obwohl auf diese Weise ein an den Umfangskanten verbundenes hohles Metallgebilde ausgeformt werden kann, ist dieses Verfahren zur Bildung von Sandwich-Gebilden nicht vorgesehen. Die Ausbildung von Sandwich-Gebilden gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert getrennte superplastische Verformungs- und Verbindungsstufen sowie ein Verfahren zur Verbindung von nur ausgewählten Zonen der verwendeten Metallrohlinge.

Die Erfindung vermeidet die Probleme bei der Ausbildung von Sandwich-Gebilden. Ein Sandwich-Gebilde umfaßt normalerweise einen zwischen Stirnblechen angeordneten Kern. Bislang wurde bei der Herstellung von Sandwich-Gebilden üblicherweise als erstes eine Metallfolie oder ein Band gewalzt und dann mit dem gewünschten Zellenkern verbunden, worauf dann der Kern an den Stirnflächen durch Hartlöten oder Punktschweißen erfolgte. Dabei sind die hohen Kosten des Kerns wegen der Verwendung von überschüssigem Material

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nachteilig und ferner die großen Schwierigkeiten sowie der übermäßige Zeitverbrauch und die Kosten bei der Herstellung der Sandwichform. Zudem ist ein gesonderter Arbeitsvorgang erforderlich, um einen Abschluß oder eine Befestigung mit dem Sandwich-Gebilde zu verbinden. Die Herstellung eines Sandwich-Gebildes mit einer unüblichen Form, beispielsweise einer Verjüngung, ist fast unmöglich.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Verfahren zur Metallverbxndung und superplastischen Formung zur Bildung von Metall-Sandwich-Gebilden zu vereinigen. Die Erfindung bezweckt ferner, Metall-Sandwich-Gebilde in einem einzigen Arbeitsvorgang herzustellen, wodurch die Kosten, die Schwierigkeiten und die erforderliche Zeit deutlich abgesenkt werden. Die Erfindung sieht ferner die Möglichkeit vor, ein Sandwich-Gebilde auszubilden, an dem im gleichen Arbeitsvorgang eine Befestigung oder ein Anschluß angebracht wird. Ferner bezweckt die Erfindung, das Sandwich in der gleichen Vorrichtung zu erhitzen, superplastisch zu verformen und zu verbinden, wobei auf diese Weise Arbeitszeit und Ausrüstungskosten gespart werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Metall-Sandwich-Gebilde aus einer Vielzahl von Metallrohling-Werkstücken hergestellt, die anfänglich übereinandergestapelt angeordnet sind. Die Rohlinge werden an ausgewählten Zonen verbunden. Mindestens einer der Rohlinge wird superplastisch gegen ein Formungsglied verformt, um das gewünschte Sandwichgebilde auszuformen. Der Kernauf bau wird durch die Lage, Größe und Form der verbundenen Zonen bestimmt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben

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sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Figur 1 - eine auseinandergezogene Ansicht einer dreiteiligen Metallblechanordnung, behandelt für die selektive Diffusionsverbindung, wobei die Anordnung vor dem Einsetzen in die Formungsvorrichtung dargestellt ist;

Figur 2 - eine Querschnittsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Formungsvorrichtung zur Herstellung von Metall-Sandwich-Gebilden, wobei die dreiteilige Metallblechanordnung gemäß Fig. 1 eingesetzt ist;

Figur 3 - die vollständig ausgedehnte dreistückige Metallblechanordnung innerhalb der Formungsvorrichtung der Fig. 2, wobei gestrichelte. Linien hinzugefügt sind, um die Endposition der Komponenten-Metallbleche der ausgedehnten verbundenen Anordnung darzustellen;

Figur 4 - eine Einzelheit eines Aufblasrohrs in Verbindung mit der Dreiblechanordnung;

Figuren 5 und 6 - Querschnitte durch erfindungsgemäße abgewandelte Formvorrichtungen, wobei eine dreiteilige Metallblechanordnung in Fig. 5 in der Anfangsstellung und in Fig. 6 in der ausgedehnten Endstellung dargestellt ist;

Figuren 7 und 8 - Schnitte durch eine abgewandelte Formungsvorrichtung, bei der eine zweiteilige Metallblechanordnung in Fig. 7 in der Anfangsstellung und in Fig. in der ausgedehnten Endstellung dargestellt ist;

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Figur 9 - einen Querschnitt durch eine abgewandelte Formungsvorrichtung, wobei sich eine verjüngte dreiteilige ^J Metallblechanordnung in der Endformungsstellung befindet und zwar ist an der durch die gestrichelten Linien angedeuteten Stelle eine Befestigung mit dem Sandwich-Gebilde verbunden;

Figur 10 - eine perspektivische Ansicht des gemäß Fig. 9 ausgebildeten Sandwich-Gebildes, wobei die Enden weggeschnitten sind;

Figur 11 - einen Teilschnitt einer abgewandelten Formungsvorrichtung, wobei die Lage eines Aufblasrohrs bezüglich einer vierteiligen Metallblechanordnung dargestellt ist;

Figur 12 - einen Querschnitt-eines Sandwich-Gebildes, ausgebildet aus einer vierteiligen Metallblechanordnung;

Figur 13 - eine perspektivische Teilansicht des Sandwich-Gebildes gemäß Fig. 12.

Zur erfolgreichen Durchführung einer superplastischen Verformung ist es erforderlich, daß ein geeignetes Material verwendet wird. Das Ausmaß, mit dem ein ausgewähltes Material superplastische Eigenschaften zeigen wird, ist allgemein aus einer Bestimmung der Umformungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit (strain rate sensitivity) und einer Konstruktionsbestimmung hinsichtlich der zulässigen Änderung der Wandstärke bestimmbar. Die Umformungsgeschwindigkeit-Empfindlichkeit kann als m definiert werden, wobei m gleich r-; <3T ist dabei die Beanspruchung in engl. Pfund/Quadratzoll

und & ist die ümformgeschwindigkeit in reciproken Minuten. Die Ümformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit kann durch

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einen einfachen anerkannten Torsionstest bestimmt werden, wie er in dem Artikel "Determination of Strain Hardening Characteristics by Torsion Testing" von D.S. Fields jr. und W.A.Backofen in ASTM 1957, Band 57 Seiten 1259 - 1272 beschrieben ist. Bei einer UmformungSgeschwindigkeits-Empfindlichkeit von ungefähr 0,5 oder größer können zufriedenstellende Resultate erwartet werden, wobei gilt, daß je größer dieser Wert (bis zu einem Maximum von 1) ist, umso größer die superplastischen Eigenschaften sind. Die maximale Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit tritt, wenn überhaupt, bei Metallen dann auf, wenn die Metalle nahe ihrer Phasentransformationstemperatur verformt werden. Demgemäß ist zu erwarten, daß die Temperatur unmittelbar unterhalb der Phasentransformationstemperatur die größte Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit erzeugt. Für Titanlegierungen ist der Temperaturbereich, in dem die Superplastizität beobachtet werden kann, ungefähr 1 45O°F bis ungefähr 1 85O°F, und zwar abhängig von der speziell verwendeten Legierung.

Andere Variable beeinflussen die Umformgeschwindigkeits-Empfindlichkeit und sollten daher bei der Auswahl eines geeigneten Metallmaterials berücksichtigt v/erden. Eine abnehmende Kormgröße hat entsprechend höhere Werte für die ümformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit zur Folge. Zudem beeinflussen die Umformungsgeschwindigkeit und das Materialgefüge (Materialstruktur) die Umformungsgeschwindigkeits-Einpfindlichkeit. Es wurde festgestellt, daß für Titan der m Wert eine Spitze bei einem Zwischenwert der ümformgeschwindigkeii:· (annähernd 10 Zoll/Zoll/Sek) erreicht. Für maximale stabile Deformation sollte die superplastische Verformung bei oder nahe dieser ümformgeschwindigkeit erfolgen. Sine zu große Abweichung gegen·

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über der optimalen Umformgeschwindigkeit kann einen Verlust der superplastischen Eigenschaften zur Folge haben.

Die Diffusionsverbindung, wo gesonderte Elemente eine einzige einheitliche Masse bilden, 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, Zirconium, Columbium und Beryllium.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf reaktionsfreudige Metalle, deren Oberflächen bei den für die superplastische Verformung und Diffusionsverbindung erforderlichen erhöhten Temperaturen verunreinigt sein würden. Titan und seine Legierungen sind Beispiele für solche Metalle. Es wurde festgestellt, daß Titan und seine Legierungen besonders für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, wobei diese Legierungen sehr hohe superplastische Eigenschaften in einem Temperaturbereich zeigen, der für die Diffusionsverbindung geeignet ist, d.h. in einem Bereich von 1450 F bis ungefähr 185O°F, abhängig von der speziellen verwendeten Legierung.

In Figur 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer dreistückigen Metallblechanordnung dargestellt, die gemäß der Erfindung in ein Sandwich-Gebilde umgeformt werden soll. Die Anordnung besteht aus Metallrohlingen 10, 12 und 14, alle vorzugsweise in der Form von Blechen mit oberen und unteren entgegengesetzt liegenden Hauptoberflächen 15 und 16 bzw. 17 und 18

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bzw. 19 und 20 (vergl. auch Figur 4). Die Anzahl der verwendeten Bleche hängt von den Lastbedingungen und den Konstruktionserfordernissen ab. Ss muß jedoch ein Minimum von 2 Blechen verwendet werden und normalerweise werden nicht mehr als 4 Bleche benutzt. Die Metallbleche müssen die Fähigkeit besitzen, daß sie durch ¥erfahren wie Hartlöten, Schweißen oder Dxffusxonsverbinden miteinander verbunden werden können. Abhängig von der Anzahl der auszudehnenden oder auszuweitenden Bleche muß mindestens eines der Bleche superplastische Eigenschaften aufweisen. Jedes Metall,das geeignete superplastische Eigenschaften innerhalb eines bearbeitbaren Temperaturbereichs aufweist, kann für ein solches Blech verwendet werden, wobei sich die vorliegende Erfindung aber insbesondere auf solche Metalle bezieht, die superplastische Eigenschaften innerhalb des Temperaturbereichs besitzen, der für die Diffusionsverbindung erforderlich ist, und die bei der Formungstemperatur Verunreinigungen ausgesetzt sind. Die Erfindung bezieht sich demgemäß insbesondere auf Titan und eine Legierung von Titan, wie beispielsweise Ti-6A1-4V. Wenn Ti-6A1-4V verwendet wird, so ist die Formungstemperatur vorzugsweise annähernd 170O⁰F. Die anfängliche Stärke der Metallrohlinge 10, 12 und 14 ist durch die Abmessungen des auszuformenden Teils bestimmt.

Damit nur ausgewählte Zonen oder Flächen der Metallbleche verbunden werden, ist gemäß einem bevorzugten Schritt vorgesehen, auf denjenigen Flächen innerhalb des Stapels, wo keine Befestigung oder Verbindung zwischen den Blechen gewünscht wird, ein geeignetes Abhaltematerial aufzubringen. Demgemäß sind die Flächen 30, 32, und 34 mit einem Abhaltematerial bedeckt, um die Verbindung an diesen Flächen zu verhindern. Weitere Zonen oder Flachen an den Oberflächen 15, 18 und 20 könnten ebenfalls zur Verhinderung einer Verbindung bedeckt sein. Alternativ könnte das Metallblech-

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gebilde an denjenigen Zonen, wo die Verbindung erwünscht ist, punktgeschweißt oder hartgelötet sein. Zudem könnte, wie im folgenden erläutert, das Metallblechgebilde oder der Stapel 40 an ausgewählten Zonen diffusionsverbunden sein, und zwar durch selektives Druckanlegen.

In Figur 2 ist eine bevorzugte Formungsvorrichtung 42 zur Durchführung der Erfindung dargestellt. Der obere Werkzeugrahmen 44 besitzt vorzugsweise einstückig damit ausgebildete Seitenwände 45 in der Form eines Rings, der irgendeine gewünschte Form besitzen kann. Der untere Werkzeugrahmen 46 hat vorzugsweise die gleichen Außenabmessungen wie der obere Rahmen 42 und kann flach ausgebildet sein und als eine Basis zur Halterung eines Stapels von Metallrohlingen 40 dienen,' wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Der obere Werkzeugrahmen 44 und der untere Werkzeugrahmen 46 werden auch als Formglieder bezeichnet, da beide zusammen das die gewünschte Form aufweisende Gebilde ausformen. Die Innenoberfläche des oberen Werkzeugrahmens 44 definiert eine Innenkammer 48 und eine Aufnahmeform-Oberfläche. Ein oder mehrere Stempelformglieder (nicht gezeigt) können in der Kammer 48 zur Veränderung der Form des zu bildenden Teils vorgesehen sein. Der vom unteren Werkzeugrahmen 46 getragene Stapel von Metallrohlingen 40 bedeckt die Kammer 48. Die Metallrohlinge des Stapels müssen alle aus einem Material bestehen, welches zur Verbindung wie beispielsweise durch Schweißen, Hartlöten oder Diffusionsverbindung geeignet ist. Mindestens einer der äußeren Metallrohlinge und höchstwahrscheinlich die inneren Rohlinge müssen eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit für superplastische Eigenschaften bei einer gewünschten Formungstemperatur aufweisen, und zwar vorzugsweise innerhalb eines für die Diffusionsverbindung des Stapels er-.

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forderlichen Temperaturbereichs.

Dies ist in Figur 3 durch den ausgedehnten Stapel 40 dargestellt, wo beide Bleche 12 und 14 superplastisch ausgedehnt wurden, während das Blech 10 des geformten Stapels im wesentlichen ungeändert blieb. Die anfängliche Stärke der Bleche des Stapels 40 wird durch die Abmessungen der zu formenden Teile bestimmt. Das zu verwendende Verbindungsverfahren, nämlich Schweißen, Hartlöten oder Diffusionsverbindung hängt von dem für die Metallrohlinge ausgewählten Material, der für die superplastische Verformung erforderlichen Temperatur und der gewünschten Festigkeit ab. Besonders für Titan wird jedoch die Diffusionsverbindung vorgezogen, da dies die festeste Verbindung liefert und die Verbindungstemperatur im allgemeinen für superplastische Formung geeignet ist.

In den Zonen 30, 32 und 34 können — wie erwähnt - Abhaltemittel verwendet werden, um die Verbindung an diesen Zonen zu verhindern. Das spezielle Abhaltemittel muß die Verbindung verhindern und mit dem Metall oder den Metallen des Stapels kompatibel sein (d.h. es darf mit den Stapelmetallen nicht reagieren und nur eine minimale Diffusion in die Stapelmetalle hinein zeigen). Für Titanmetallrohlinge sind geeignete Abhaltemittelmaterialien Graphit, Bornitrid und Yttriumoxid. Wenn Yttriumoxid als Abhaltemittel verwendet wird, so wird das Abhaltemittelmuster typischerweise auf die Rohlinge mit einer Lösung von Yttriumoxid und einem Bindemittel aufgesprüht. Das Bindemittel hält das Yttriumoxid während des Verbindens in seiner Lage und verdampf schließlich unterhalb der Verformungstemperatur. Die Verbindung des Stapels 40 an ausgewählten Stellen durch Hartlöten oder Punktschweißen wird normalerweise außerhalb der Formvorrichtung 42 vor der Anordnung des Stapels in der Form durchgeführt. Wenn Diffusionsverbindung verwendet wird,

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so wird der noch nicht verbundene Stapel 40 vorzugsweise nach der Anordnung in der Formvorrichtung 42 verbunden, wodurch Herstellungszeit und Ausrüstungskosten gespart werden (obwohl der Stapel auch durch Preßbindung oder Walzbindung vor Anordnung in der Vorrichtung 42 diffusionsverbunden werden könnte). Das Gewicht des oberen Werkzeugrahmens 44 wirkt als eine Klemm- oder Haltevorrichtung für den Stapel 40. Eine einzige kontinuierliche Kante des Stapels 40 wird wirkungsvoll zwischen dem oberen Werkzeugrahmen 44 und dem unteren Werkzeugrahmen 46 eingeschränkt gehalten. Dies stellt sicher, daß diejenigen Teile der Rohlinge des zu verformenden Stapels gestreckt und nicht gezogen werden. Zweckmäßig können zusätzliche Festziehmittel, wie beispielsweise (nicht gezeigte) Bolzen verwendet werden, um den Stapel 40 in wirkungsvollerer Weise einschränkend festzulegen. Als weitere zusätzliche Festlegvorrichtung könnte eine (nicht gezeigte) Presse, vorzugsweise eine hydraulische Presse, mit Platten 50 verwendet werden. Die Formungsvorrichtung 42 ist zwischen den Platten 50 angeordnet und wird dadurch zusammengedrückt, wobei sichergestellt ist, daß der Stapel 40 in wirkungsvoller Weise festgelegt und die Kammer 48 gegenüber Luft abgedichtet ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da die Platten 50 aus einem Keramikmaterial hergestellt sein können, wobei darin widerstandsbeheizte Drähte 52 vorgesehen sind, um den Stapel 40 auf die Formungstemperatur zu erhitzen. Andere Heiζverfahren könnten zusammen mit der Formvorrichtung 42 verwendet werden, die üblicherweise von einer Heizvorrichtung umgeben ist, wenn die Heizplatten nicht verwendet werden.

Zur Verunreinigungsverhinderung und Diffusionsverbindung des Stapels 40 im nicht verbundenen Zustand innerhalb der Formungsvorrichtung 42 wird ein ümgebungssteuersystem vorgesehen. Der Zweck dieses Systems besteht darin, den Stapel 40 nur dem inerten Gas oder Vakuum während des Erhitzens, Formens und Ver-

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bindens auszusetzen, und wahlweise der Diffusionsverbindung des Stapels durch Strömungsmitteldruck. Die Metallrohlinge des Stapels 40 reagieren infolge der Natur des inerten Gases nicht mit diesem, und zwar auch bei den erhöhten Formungsund Bindungstemperaturen. In einem hohen Vakuum gibt es im wesentlichen keine Elemente, mit denen der Stapel 40 reagiert. Auf diese Weise wird in dieser Umgebung die Verunreinigung des Stapels 40 verhindert.

Eine Leitung 52 steht mit einem (nicht gezeigten) Ende mit einer Quelle von unter Druck stehendem inerten Gas in Verbindung und ferner mit der Kammer 48 über die Zumeßöffnung 54 im oberen Werkzeugrahmen 44. Ein Ventil 56 dient zur Steuerung des inerten Gasstromes durch die Leitung 52 in Kammer 48, und ein Druckmesser 58 zeigt den Druck an. Das verwendete Gas ist vorzugsweise flüssiges Argon. Die Leitung 52 dient auch als ein Auslaß für das inerte Gas aus der Kammer 48 und könnte auch mit der Vakuumquelle, wie beispielsweise einer nicht gezeigten Saugpumpe, verbunden sein, um Vakuum in der Kammer 48 zu erzeugen. Wenn die Leitung 52 als ein Auslaß verwendet wird, so steuert das Ventil 56 die Strömung des inerten Gases von der Kammer 48. Eine zusätzliche Leitung 60 ist optimalerweise auf der entgegengesetzten Seite des Werkzeugrahmens 44 vorgesehen und arbeitet als ein Auslaß für das inerte Gas in der Kammer 48. Die Leitung 60 ist mit der Kammer 48 durch eine Öffnung 62 im oberen Werkzeugrahmen 44' verbunden. Die Leitung 60 weist ein Ventil 64 zur Regulierung des inerten Gasstroms von der Kammer 48 auf. Die Leitung 60 kann einfach als ein Ablaß dienen oder mit einer Vakuumquelle, wie beispielsweise einer nicht gezeigten Saugpumpe, verbunden sein.

Wie oben erwähnt kann das Verunreinigungs-Verhinderungssystem auch als ein Mittel zur Gasdruck-Diffusionsverbindung von Stapel 40 dienen. Wenn demgemäß der Stapel 40 in der Formvorrichtung 42 gemäß Fig. 2 angeordnet wird, so kann der Stapel

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in einer inerten Gasatmosphäre auf eine geeignete Diffusionsverbindungstemperatur (annähernd 1700° Fahrenheit, wenn die Metalrohlinge des Stapels 40 aus Ti-6Al-4V bestehen) durch in Wärmeplatten 50 erzeugte Wärme erhitzt werden, wobei dann ein Druck an den Stapel 40 durch Erhöhung des Drucks in Kammer 48 angelegt wird, und zwar durch Hinzufügen von zusätzlichem unter. Druck stehenden inerten Gas über Leitung 52, wobei die Leitung 60 durch Ventil 64 geschlossen gehalten wird. Auf diese Weise werden die nicht behandelten Zonen oder Flächen des Stapels 40 durch das Anwenden dieses Druckes diffusionsverbunden, wobei der Druck vorzugsweise annähernd 500 psi (englische Pfund pro Quadratzoll) für Ti-6A1-4V beträgt, und zwar für eine geeignete Formungszeit, die von der Stärke des Stapels 40 abhängt und zwischen 30 Minuten und 12 Stunden liegen kann. Die Kanten der Rohlinge des Stapels 40 können also, wenn gewünscht, diffusionsverbunden werden, und zwar durch den darauf ausgeübten Abdichtdruck in der Form des Gewichts des oberen Werkzeugs 44 und wahlweise durch Druck von einer Presse und/oder einer Festspannvorrichtung. Nach der Diffusionsverbindung des Stapels 40 wird das inerte Gas aus der Kammer 48 über Leitungen 52 und 60 entfernt, um das Aufblasen des Stapels 40 zu gestatten.

Für die Expansion des Stapels 40 in die in Fig. 3 gezeigte Gestalt sind Expansionsrohre 72 und 74 vorgesehen,'deren Einzelheiten am besten in Fig. 1 und Fig. 4 zu erkennen sind. Das Expansionsrohr 72 (und in gleicher Weise auch das auf der entgegengesetzten Seite des Stapels 40 angeordnete Expansionsrohr 74) ist zwischen den Metallrohlingen 10 und 14 angeordnet und ragt in einen durch Ausnehmungen 76 und 78 gebildeten Kanal 75 und den Teil der Oberfläche 20 des Metallrohlings 14, der über der Ausnehmung 78 liegt. Die Ausnehmungen 77 und 79 sind auf entgegengesetzten Seiten der Rohlinge 10 bzw. 12 vorgesehen, um einen Kanal für das Aufblasrohr 74 vorzusehen. Die Anordnung des Expansionsrohrs 72

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in einem derartigen Kanal 75 verhindert das Zusammendrücken des Rohrs 72 durch die Werkzeugrahmen 44 und 46. Ferner wird durch die Anordnung von Rohr 72 derart, daß es nur teilweise in den Kanal 75 hineinragt, erreicht, daß inertes Gas ziemlich gleichmäßig zwischen die Metallrohlinge des Stapels 40 strömt, und zwar in diesem Fall auf jeder Seite des Rohlings 12, wie dies durch die Pfeile 80 und 82 angedeutet ist. Wie man in Fig. 2 erkennt, besitzen die Expansionsrohre 72 und 74 Ventile 84 bzw. 86, um die hindurchgehende Strömung des inerten Gases zu steuern, und sie besitzen ferner Druckmesser 88 und 90 zur Druckanzeige.

Die Expansionsrohre 72 und 74 können auch zum Absaugen von verdampftem Bindemittel dienen. Zu diesem Zweck könnte das Rohr 72 als Einlaß und das Rohr 74 als Auslaß dienen, wobei eine inerte Gasströmung durch den Stapel 40 geleitet wird, und zwar vor der Ausdehnung des Stapels 40, um so das verdampfte Bindemittel abzusaugen.

Vorzugsweise ist an entgegengesetzt liegenden Seiten des unteren Werkzeugrahmens 46 ein Paar von seitlichen Nuten 71 (nicht gezeigt) und 73 vorgesehen, wobei sich die Nut 71 in Ausrichtung mit Ausnehmung 77 und die Nut 73 in Ausrichtung mit Ausnehmung 76 befindet. Die Nuten 71 und 73 stellen sicher, daß der Durchgang des inerten Gases von den Aufblasrohren 72 und 74 zwischen den Metallrohlingen des Stapels nicht am Erreichen der behandelten Zonen 30 und 34 dadurch gehindert wird, daß der Stapel infolge des durch den oberen und unteren Werkzeugrahmen 44 und 46 ausgeübten Drucks abgeklemmt wird. Die Breite der Nuten 71 und 73 ist vorzugsweise die gleiche wie die der Ausnehmungen 76 und 77, wobei aber die Nuten 71 und 73 weiter nach innen im Stapel 40 enden, so daß das Abklemmen nicht eintritt, bevor die inerte Gasströmung die behandelten Zonen 30 und 34 erreicht.

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Wenn, wie in Fig. 1 gezeigt, ausgewählte Zonen des Stapels 40 zur Verhinderung der Diffusionsbindung mit Abhaltemittel behandelt werden, so sollten zusätzliche Zonen, wie beispielsweise die bei 92 und 94 gezeigten Zonen, in gleicher Weise behandelt werden, um daran die Verbindung zu verhindern, so daß das Gas von den Aufblasrohren 72 und 74 die ausgewählten behandelten Zonen für die Ausdehnung des Stapels 40 erreicht. Die öffnungen 96 sind in den behandelten Zonen 30, 32 und 34 zur weiteren Übertragung des inerten Gases von den Aufblasrohren 72 und 74 innerhalb des Stapels 40 zu den anderen behandelten Zonen ausgebildet, und um gleichen Druck innerhalb des Stapels 40 (in diesem Fall auf jeder Seite des Metallrohlings 12) aufrechtzuerhalten. Wenn der Druck ungleich ist, so würde der sich ergebende Kern des Sandwich-Metallrohlings 12 in der in Fig. 3 gezeigten Form yerformt werden, was die Lasttragfähigkeit des fertigen Sandwichgebildes beeinflußt.

Zur Herstellung des in Fig. 3 gezeigten Sandwich-Metallgebildes werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Metallrohlingwerkstücke 10, 12 und 14 vorgesehen. Sowohl die Bleche 12 als auch 14 müssen aus einem Material bestehen, welches eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit für superplastisches Verformen besitzt. Optimalerweise wird der eine oder mehrere der Rohlinge an speziellen .Stellen, wie beispielsweise 30, 32 und 34, behandelt, so daß dann, wenn die Metallrohlinge in einem Stapel 40 angeordnet und durch Diffusion verbunden sind, nur ausgewählte Zonen des Stapels dadurch verbunden werden. Alternativ könnte der Stapel 40 zum Zwecke der selektiven Verbindung punktgeschweißt oder hartgelötet werden. Wenn die Verbindung durch die Diffusionsbindung erfolgt, so wird der Stapel 40 optimalerweise vor dem Formvorgang in der Formvorrichtung 42 angeordnet. Der Druck in der Kammer 48 würde dabei durch eine

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Strömung von unter Druck stehendem inerten Gas durch Leitung 52 in Kammer 48 erhöht. Wenn die Kammer 48 ^ine inerte Gasatmosphäre aufweist, so würde der Stapel 40 durch Widerstandsdrähte 52 in Heizplatten 50 auf eine Temperatur erhitzt, die optimalerweise sowohl für die Diffusionsbindung als auch die superplastische Verformung geeignet ist, obwohl die Temperatur später erhöht oder abgesenkt werden könnte, wenn eine unterschiedliche Temperatur für die superplastische Verformung erforderlich ist. Der Druck in Kammer 48 würde dabei durch zusätzliches unter Druck stehendes inertes Gas über Leitung 52 auf einen Druck erhöht, der für die Diffusionsbindung des Stapels 40 geeignet ist.. Dieser Druck würde für eine Zeitdauer aufrechterhalten werden, die für die Diffusionsbindung ausreicht.

Wenn die Metallrohlinge des Stapels 40 aus einer Ti-4V-6A1-Legierung bestehen, so wäre die zu verwendende Temperatur annähernd 1700° Fahrenheit, und der Druck wäre ungefähr 500 psi. Diese Werte können natürlich während der Formung und Bindung verändert werden, solange sie in geeignetem Bereich gehalten werden. Die Zeitdauer hängt von den verwendeten Legierungen, der Temperatur, dem Druck und der Dicke des Stapels 40 ab. Die Dauer kann zwischen 30 Minuten und 15 Stunden variieren, wobei aber 3 Stunden einen repräsentativen Wert darstellen. Die Verbindungstemperatur kann sich, wie bereits erwähnt, von 145O° Fahrenheit bis ungefähr 1850° Fahrenheit ändern. Der Bindedruck kann sich von ungefähr TOO psi bis 2000 psi oder mehr ändern, wobei der bevorzugte Bereich 150 psi bis 600 psi ist.

Bevor der Stapel 40 expandiert wird, wird der Druck in der Kammer 48 über Leitungen 52 und 60 reduziert. Wenn der Stapel 40 vor dem Einsetzen in die Formvorrichtung 42 verbunden wird, so würde der vorausgehende Diffusions-Verbindungsschritt in der Formvorrichtung 42 weggelassen . Bei super-

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plastischer Formungstemperatür, die für Ti-6A1-4V-Legierungen (allgemein 1650 bis 1750°"Fahrenheit) annähernd 1700° Fahrenheit ist, wird der Stapel 40 durch unter Druck stehendes inertes Gas expandiert, welches durch die Leitungen 72 und 74 fließt, während optimalerweise ein Vakuum an die Kammer 48 über Leitungen 52 und 60 angelegt wird. Das unter Druck stehende inerte Gas, welches das Innere des Stapels 40 gegenüber Verunreinigung bei den erhöhten Formungstemperaturen schützt, fließt von den Rohren und 74 in Kanäle 75, vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten des Stapels 40, worauf dann .das inerte Gas im Stapel 40 fließt. Dieses unter Druck stehende inerte Gas innerhalb des Stapels 40 bewirkt die Expansion des Stapels 40 infolge des Druckdifferentials zwischen dem Inneren des Stapels 40 und der Kammer 48. Das normalerweise verwendete Druckdifferential für die superplastische Verformung von Ti-6A1-4V liegt normalerweise im Bereich von 25 bis 250 psi. Der Metallrohling 14 wird anfänglich durch das Druckdifferential angehoben und zieht die ausgewählten verbundenen Zonen des Metallrohlings 12 mit sich. Diese Erweiterung gestattet, daß unter Druck stehendes inertes Gas durch Öffnungen 96 strömt und einen gleichen Druck innerhalb des Stapels 40 erzeugt, so daß der Kern (Werkstück 12) gleichförmig ausgeformt wird. Der gleiche Druck hält auch den Metallrohling 10 des Stapels 40 in seiner anfänglichen Stellung, wo er gegen die Basis oder den unteren Werkzeugrahmen 47 gedrückt wird.

In den Fig. 5 und 6 ist ein unterschiedlich geformter unterer Werkzeugrahmen 100 dargestellt, der vorzugsweise einstückig damit ausgebildete Seitenwände 102, 104 aufweist, die eine Kammer 106 bilden. Die Rohrleitungen 108 und 110 sind im unteren Werkzeugrahmen 100 zur Erzeugung einer inerten Gasumgebung in der Kammer 106 ausgebildet und dienen

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als Ablaß- oder Vakuumleitungen/ wenn der Stapel 40 superplastisch expandiert wird. Wenn der Stapel 40 in der Formvorrichtung 120 diffusionsverbunden wird, so würde der Druck in beiden Kammern 48 und 106 vorzugsweise gleichmässig zu erhöhen sein, so daß ein geeigneter Druck an den Stapel 40 für die Diffusionsverbindung angelegt wird. Zur superplastischen Expansion des Stapels 40 würde der Druck innerhalb des Stapels 40 erhöht, und zwar dadurch, daß man eine Strömung aus unter Druck stehendem inerten Gas in den Stapel 40 über Leitungen 72 und 74 einläßt, so daß der Druck innerhalb des Stapels 40 größer ist als in den Kammern 48 und 106. Zusätzlich wäre der Druck in den Kammern 48 und 106 vermindert worden und optimalerweise dem Vakuum über Leitungen 108, 110, 52 und 60 ausgesetzt. Da, wie in Fig. 6 gezeigt, alle drei Metallrohlinge des Stapels 40 superplastisch expandiert würden, muß jeder der Rohlinge aus einem Material mit einer effektiven Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit für superplastisches Verformen bestehen. Der Metallrohling 14 wird - wie gezeigt nach oben in die Kammer 48 gedrückt, der Metallrohling 10 wird nach unten in die Kammer 106 gedrückt, und der Metallrohling 12 wird infolge der selektiven Verbindung an speziellen Stellen mit sowohl dem Metallrohling 10 als auch dem Metallrohling 14 in beiden Richtungen verformt und bildet den Kern des gezeigten Sandwich-Gebildes.

In den Fig. 7 und 8 ist eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Formungsvorrichtung 130 dargestellt, sowie die Verwendung eines unterschiedlichen erfindungsgemäßen Verfahrens zur selektiven Verbindung. Die Verwendung eines Zweiblechstapels 132 mit Metallrohlingen 134 und ist in der Zeichnung zu erkennen. Der Stapel 132 könnte durch Diffusionsverbindung, Hartlöten oder Punktschweißen vor dem Einsetzen in die Formungsvorrichtung 130 verbunden

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sein. Im Falle der Diffusionsverbindung würden die Metallrohlinge 134 und 136 als erstes selektiv mit einem geeigneten Abhaltemittel behandelt werden, so daß nur gewisse vorbestimmte Zonen des Stapels miteinander verbunden werden. Optimalerweise wäre der Stapel 132 jedoch vor dem Einsetzen in die Formvorrichtung 130 noch nicht verbunden. Wenn dies der Fall ist, so braucht man die Abhaltemittel nicht.

Die Formvorrichtung 130 verwendet einen oberen Werkzeugrahmen 140 mit einer unteren bogenförmigen Oberfläche, gebildet durch eine Vielzahl von VorSprüngen 142, die voneinander durch dazwischenliegende Ausnehmungen oder Kammern 144 mit Abstand angeordnet sind. Der untere Werkzeugrahmen 150 besitzt eine komplementär ausgebildete obere bogenförmige Oberfläche 152 (komplementär bezüglich der Vorsprünge 142) Aufblasrohre 160, 162 sind zwischen den beiden Metallrohlingen 134 und 136 angeordnet. Ähnlich zu den Ausnehmungen 76 und 77 im Metallrohling 10 (Fig. 1) sind die Rohlinge 134 und 136 mit ausgerichteten Ausnehmungen (nicht gezeigt) ausgebildet, welche eine (nicht gezeigte) zylindrische Kammer bilden, in der Rohre 160, 162 angeordnet sind. Die Leitungen 164 und 166 schaffen, ähnlich den Leitungen 52 und 56 in Fig. 2, eine inerte Gasumgebung in den Kammern 144 und dienen als Ablässe oder Verbindung für Vakuumquellen und zum Absaugen des inerten Gases aus den Kammern 144 zur superplastischen Expansion des Metallrohlings 134 innerhalb dieser Kammern. Jedes der Rohre 164 und 166 ist mit einem (nicht gezeigten) Ventil und einem (nicht gezeigten) Druckmesser verbunden, um die Zugabe und die Entfernung von inertem Gas in Kammern 144 zu steuern. Die Rohre 164 und 166 sind mit Bohrungen 170 bzw. 172 verbunden, die Zugang zu den Kammern 144 schaffen.

Abhängig von der Dicke und der gewünschten Krümmung des

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Stapels 132 kann der Stapel in diese Form vor dem Einsetzen in die Formvorrichtung 130 durch übliche Metallblechverformung, wie beispielsweise Walzenformung oder superplastische Verformung, vorgeformt werden, oder aber die Verformung kann dadurch erfolgen, daß man nach dem Einsetzen in die Formvorrichtung 130 Druck an den Stapel 132 durch die Vorsprünge 142 des oberen Werkzeugrahmens 140 und die Oberfläche 152 des unteren Werkzeugrahmens 150 anlegt. Die Vorformung in der Formvorrichtung 130 ist vorzuziehen, da die Vorformung und die selektive Diffusionsverbindung gleichzeitig erreicht werden, wenn der Stapel vor dem Einsetzen in die Vorrichtung 130 nicht verbunden ist, auf welche Weise man Herstellungszeit und Ausrüstungskosten spart.

Bei Verwendung der Formvorrichtung 130 kann der nicht verbundene Stapel diffusionsverbunden werden, und zwar durch Anlegen von Druck vom oberen Werkzeugrahmen 140 und unteren Werkzeugrahmen 150, und zwar bei der erforderlichen Temperatur und für eine geeignete Zeitdauer. Durch die Vorsprünge 142 wird der Druck nur an ausgewählten Zonen des Stapels 132 angelegt, so daß nur diese Zonen diffusionsverbunden werden, wodurch eine Expansion der nicht verbundenen Zonen gestattet ist.

Nach der Diffusionsverbindung (oder dem Einsetzen eines bereits verbundenen Stapels 132 in die Formvorrichtung 130) und der Vorformung wird der Stapel 132 durch eine Strömung aus inertem Gas durch Leitungen 160 und 162 aufgeblasen, so daß die nicht verbundenen Zonen des Metallrohlings 134 in die Kammern 144 erweitert werden. Optimalerweise wird ein Vakuum über Leitungen 164 und 166 an die Kammern 144 angelegt. Da der einzige für die Expansion vorgesehene Raum die Kammern 144.sind, wird nur der Metallrohling 134 erweitert

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und infolgedessen muß nur dieser Rohling aus einem Material bestehen, welches für superplastische Verformung geeignet ist.Man erkennt, daß in einem Arbeitsgang in der gleichen Vorrichtung die Diffusionsverbindung, die Vorformung und die superplastische Expansion durchgeführt werden kann.

Es sei bemerkt, daß die superplastische Expansion auch vor der Diffusionsverbindung des Stapels 132 durchgeführt werden könnte, und zwar durch Abdichten der umgebenden Zone um den Stapel 132 herum, ohne an den Stapel 132 Druck anzulegen. Auf diese Weise könnte der obere Werkzeugrahmen 140 an den Stapel 132 unter Berührung durch seine Vorsprünge 142 angelegt werden, und zwar ohne ausreichenden Druck für Diffusionsverbindung. Bei diesem Verfahren würde der Stapel 132 in die Kammern 144 durch superplastisches Aufblasen erfolgen, wobei die Vorsprünge 142 die Ausdehnung in anderen Zonen verhindern, ohne infolge der Position des Werkzeugrahmens 140 einen Druck anzulegen. Nach einer derartigen Expansion würde ein hinreichender Druck an die Werkzeugrahmen 140 und 150 angelegt, und zwar an der unteren Oberfläche der Vorsprünge 142 entsprechenden Zonen, um diese entsprechenden Zonen des Stapels 132 diffusionszuverbinden.

In Fig. 9 ist die Ausbildung eines Gebildes mit veränderter Form dargestellt, und zwar in diesem Falle eines sich verjüngenden Sandwich-Gebildes mit einer damit verbundenen Befestigung. Gemäß der Erfindung wird die Verjüngung des Sandwich-Gebildes dadurch erreicht, daß man die entsprechende Formoberfläche des oberen Werkzeugrahmens entsprechend, gestaltet. In Fig. 9 besitzt der obere Werkzeugrahmen 170 eine obere Formoberfläche 172, die von einer Seite zur anderen

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(in der Zeichnung von links nach rechts) winkelmäßig nach unten verläuft. Wenn somit der obere Metallrohling 174 des Stapels superplastisch gegen die Oberfläche 172 verformt wird, so erhält er die Form der Neigung dieser Oberfläche. Der durch den Rohling 178 gebildete Kern des Stapels "176 ist ebenfalls verjüngt/ und zwar deshalb, weil er von der Bewegung des oberen Rohlings 174 abhängt.

Die Befestigung 180, die in einer beliebigen Form dargestellt ist, ist mit dem Stapel 176 am oberen Glied 174 längs einer Verbindungslinie 183 während der superplastischen Expansion des Stapels 176 in der gleichen Formvorrichtung verbunden, auf welche Weise die Herstellungszeit, die Vorrichtungskosten und die FormungsSchwierigkeiten vermindert werden. Wie in der DT-OS 25 44 359 erläutert, könnte die Befestigung 180 innerhalb einer geeignet geformten Nut, wie bei 182 dargestellt, angeordnet sein, wo die Befestigung aus dieser Nut herausragen oder nicht herausragen kann, oder aber die Befestigung kann in der Formkammer ohne die Verwendung einer Nut angeordnet sein, so daß sie selbst eine hervorstehende oder eingedrückte Formoberfläche bildet. Wenn eine Nut verwendet wird, so wird sie als ein Teil der Formungskammer verwendet, so daß die Befestigung innerhalb der Kammer angeordnet ist, wenn sie sich in der Nut befindet. Wenn im dargestellten Ausführungsbeispiel der Stapel 176 superplastisch erweitert wird, so berührt er längs der Verbindungslinie 183 die Befestigung 180. Durch die superplastische Formungstemperatur, auf die die Befestigung 180 auch erhitzt ist, und durch den den Stapel 176 erweiternden Druck, der schließlich das obere Glied 174 zur Anlage an die Oberfläche 172 und die Befestigung 180 mit dem Stapel 176 längs der Verbindungslinie 183 diffusionsverbindet, wenn die Temperatur und der Druck auf einem erforderlichen Diffusions-Verb indungs -Niveau für eine geeignete Zeitdauer gehalten werden. Optimalerweise ist die Temperatur und der Druck für die

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superplastische Verformung der Glieder 174 und 178 auch für die Diffusionsverbindung geeignet, so daß der Druck oder die Temperatur nach dem Formen nicht erhöht oder abgesenkt werden muß, um die Diffusionsverbindung zu erreichen. Das für die Befestigung 180 ausgewählte Material sollte zur Diffusionsverbindung mit dem Material des Gliedes 174 geeignet sein und vorzugsweise ein gleichartiges Material sein. Als typischer, für die superplastische Verformung benutzter Gasdruck werden 150 psi verwendet; dies ist ein Druck, der beträchtlich geringer ist als 2000 psi> wie sie normalerweise bei einer Diffusionsverbindung verwendet werden, wobei die sich ergebende Verbindung nicht die volle Festigkeit des Stamm-Materials erreicht, sondern mehr einer Hartlötverbindung hoher Qualität ähnelt. Wenn jedoch das Sandwich-Gebilde - wie in Fig. 9 gezeigt vollständig ausgedehnt ist, so kann der Druck innerhalb des ausgedehnten Sandwich durch die Aufblasrohre 190 und 192 auf einen Pegel erhöht werden, der für die vollständige Diffusionsbindung geeigneter ist.

Ein Abschluß, wie er beispielsweise bei 194 gezeigt ist, kann ebenfalls an dem erweiterten Sandwich-Gebilde im gleichen Arbeitsvorgang ausgebildet werden/ und zwar durch Diffusionsverbindung des Abschlusses 194, der ein nicht ausgedehntes Ende des Stapels 176 umfaßt, wobei der Stapel 176 auf die Diffusionsverbindungstemperatur unter Anlage von Druck durch die oberen bzw. unteren Werkzeugrahmen 170 und 171 erwärmt wird. Das ausgedehnte Sandwich-Gebilde 200 der Fig. 9 ist in Fig. 10 mit weggeschnittenen Seitenenden dargestellt.

Die Fig. 11 veranschaulicht die Anordnung eines Aufblasrohrs 10 bezüglich einer vierteiligen Metallblechanordnung oder eines Stapels 212 in der Formvorrichtung mit oberen und

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unteren Kammern 214 bzw. 216. Das Aufblasrohr 210 ist zwischen dem oberen Metallrohling 217 und dem. unteren Metallrohling 218 angeordnet, wobei der untere Metallrohling 218 eine Ausnehmung 220 an seinem Umfang besitzt, wie beispielsweise in Fig. 1 für Ausnehmung 7 6 gezeigt. Die inneren Metallrohlinge 221 und 222 des Stapels 212 besitzen eine Ausnehmung, wie bei 78 in Fig. 1 gezeigt, welche gestattet, daß das Aufblasrohr 210 zwischen den Gliedern 217 und 218 angeordnet werden kann, öffnungen 2 30 zur Übertragung von Aufblasgas und Abhaltemittel 232 an solchen Zonen, wo keine Verbindung erwünscht ist, sind ebenfalls dargestellt. In den Fig. 12 und 13 sind Ansichten des fertigen Sandwich-Gebildes 240 der Fig. 11 zu sehen.

- Patentansprüche -

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Claims

1.] . Verfahren zur Herstellung eines Metall-Sandwichfebildes aus einer Vielzahl von Werkstücken, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Vorsehen von mindestens zwei Formungsgliedern (44, 46) Vorsehen von einer Vielzahl von Metallrohling-Werkstücken (14, 15, 17), wobei jedes Werkstück zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen besitzt und mindestens eines der Werkstücke eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufweist;

Behandlung der Werkstücke an ausgewählten Zonen derart, daß die Verbindung in diesen Zonen verhindert wird; Anordnung der Werkstücke in einem Stapel (40) derart, daß sich die Hauptoberflächen berühren, wobei mindestens eines der äußeren Werkstücke des Stapels eine effektive Umformungsgeschwindigkeit s-Empfindlichkeit aufweist; Umschließen durch mindestens eine Kammer durch Anordnung des Werkstückstapels bezüglich.der Formungsglieder; Erhitzung der Werkstücke auf eine Temperatur, die ausreicht, um eine Diffusionsverbindung der Werkstücke an den vorgewählten Zonen zu erzeugen, und zwar unter koordinierten Temperatur-Druck-Zeit-Dauerbedingungen;

Anlegen eines Kompressionsdrucks für die Diffusionsverbindung an den Werkstückstapel;

Aufrechterhaltung des Drucks und der Temperatur■für eine Zeitdauer, die ausreicht, um die Diffusionsverbindung der Werkstücke an den ausgewählten Zonen zu erzeugen; und Einführung einer Zugbeanspruchung in das erwähnte mindestens eine äußere Werkstück, so daß mindestens ein Teil desselben sich superplastisch in die erwähnte mindestens eine Kammer hineinerweitert, um sich in enger Berührung gegen mindestens eines der Formglieder auszuformen.

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2. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Sandwichgebildes aus einer Vielzahl von Werkstücken, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Vorsehen von mindestens zwei Formgliedern;

Vorsehen von einer Vielzahl von Metallwerkstücken, von denen ein jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen aufweist,- und wobei mindestens eines der Werkstücke eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit besitzt;
Anordnung der Werkstück in einem Stapel mit sich berührenden Hauptoberflächen, wobei mindestens eines der äußeren Werkstücke des Stapels eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufweist;

Einschließung von mindestens einer Kammer durch Anordnung des Stapels der Werkstücke relativ zu dem Formgliedern;
Erhitzung der Werkstücke auf eine Temperatur, die ausreicht, um die Diffusionsverbindung der Werkstücke an vorgebildeten Zonen under koordinierten Temperatur-Druck-Zeit-Dauerbedingungen zu erzeugen;

Anlegen eines Kompressionsdrucks an ausgewählte Zonen des Stapels, wobei der Druck ausreicht, um die Diffusionsverbindung an den vorgewählten Zonen durchzuführen.
Aufrechterhaltung des Drucks und der Temperatur für eine
Zeitdauer, die ausreicht, um die Diffusionsverbindung der Werkstücke an den vorgewählten Zonen zu erzeugen;
und Ausübung einer Zugbeanspruchung auf mindestens eines
der äußeren Werkstücke, so daß mindestens ein Teil des mindestens einen äußeren Werkstücks superplastisch in die erwähnte mindestens eine Kammer hineinerweitert wird, um in enger Berührung mit mindestens einem der Formglieder an diesem ausgebildet zu werden.

3. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Sandwichgebildes aus einer Vielzahl von Werkstücken, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Herstellen einer Vielzahl von Metallrohling-Werkstücken,
von denen jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen besitzt, und wobei mindestens eines der Werkstücke

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eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufweist;

Anordnung der Werkstücke in einem Stapel unter Berührung ihrer Hauptoberflächen, wobei mindestens eines der äußeren Werkstücke des Stapels eine effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufweist;

Verbindung vorgewählter Zonen des Werkstückstapels; Vorsehen von mindestens zwei Formgliedern; Umschließung von mindestens einer Kammer durch Anordnung des Stapels, der Werkstücke relativ zu den Formgliedern; Erhitzung von mindestens einem äußeren Werkstück auf eine für die superplastische Verformung geeigneter Temperatur; und Ausübung einer Zugbeanspruchung in dem mindestens einen äußeren Werkstück, wodurch mindestens ein Teil desselben sich superplastisch in die mindestens eine Kammer ausdehnt und sich in enger Berührung mit dem mindestens einen Formglied ausformt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Diffusionsbindung ausreichende Temperatur für die superplastische Verformung geeignet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Diffusionsbindung ausreichende Temperatur für die superplastische Verformung geeignet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt der Aufrechterhaltung des Drucks und der Temperatur der Schritt der Einstellung der Temperatur auf einen für superplastische Verformung geeigneten Wert vorgesehen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt der Aufrechterhaltung des Drucks und der Temperatur der Schritt der Einstellung der Temperatur auf einen für superplastische Verformung geeigneten Wert vorgesehen ist.

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8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt des Einschließens von mindestens einer Kammer der Schritt des Vorsehens einer inerten Gasumgebung in der erwähnten mindestens einen Kammer vorgesehen ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt des ümschließens der mindestens einen Kammer der Schritt des Vorsehens einer inerten Gasumgebung in der erwähnten mindestens einen Kammer vorgesehen ist.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt des Vorsehens einer Vielzahl von Metallwerkstücken der Schritt des Behandeins dieser Werkstücke an ausgewählten Zonen vorgesehen ist, um die Verbindung an diesen Zonen zu verhindern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schritt des Ümschließens von mindestens einer Kammer der Schritt des Vorsehens einer inerten Gasumgebung in der Kammer vorgesehen ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugbeanspruchung dadurch erzeugt wird, daß man einen inerten Gasströmungsmitteldruck an den Hauptoberflächen von mindestens einem äußeren Werkstück anlegt, und zwar für eine substantielle Zeitperiode, die umgekehrt mit der zugeführten Zugbeanspruchung in Beziehung steht, und wobei das mindestens eine äußere Werkstück wesentlich über seine übersprüngliche Oberflächenzone hinausgestreckt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugbeanspruchung dadurch erreicht wird, daß man eine inerte Gasströmungsmitteldruck-Beanspruchung an die Hauptoberflächen des mindestens einen äußeren Werkstücks anlegt, und zwar für eine wesentliche Zeitperiode, die umgekehrt mit der zugeführten Zubeanspruchung in Beziehung steht, wobei mindestens das eine äußere Werkstück wesentlich über seine

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ursprüngliche Oberflächenzone hinaus gedehnt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugbeanspruchung dadurch angelegt wird, daß man eine inerte Gasströmungsmitteldruck-Beanspruchung an die Hauptoberflächen von mindestens einem äußeren Werkstück für eine wesentliche Zeitperiode anlegt, die umgekehrt mit der zugeführten Zugbeanspruchung in Beziehung steht, wobei mindestens ein äußeres Werkstück über seine ursprüngliche Oberflächenzone hinaus gestreckt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung dadurch erreicht wird, daß man ein geeignetes Abhaltemittel aufbringt, und wobei die Kompressionskraft durch Strömungsmitteldruck innerhalb der erwähnten mindestens einen Kammer angelegt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung durch Anlegen eines geeigneten Abhaltematerials erreicht wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Formglieder mindestens einen vorstehenden Teil aufweist, und wobei der Kompressionsdruck an ausgewählte Zonen des Stapels durch den mindestens einen vorstehenden Teil angelegt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckbelastung dadurch angelegt wird, daß man gleichen inerten Gasdruck zwischen den Werkstücken des Stapels verteilt.

19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckbelastung dadurch angelegt wird, daß man gleichen inerten Gasdruck zwischen den Werkstücken des Stapels verteilt.

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20. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckbelastung dadurch angelegt wird, daß man gleichen inerten Gasdruck zwischen den Werkstücken des Stapels verteilt.

21. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsdruck den Stapel der Werkstücke vorformt.

22. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel der Werkstücke vorgeformt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch Diffusionsverbindung erreicht wird.

24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckbelastung einen größeren Druck an inertem Gas zwischen den Werkstücken des Stapels relativ zu dem innerhalb der mindestens einen Kammer aufweist, und wobei die mindestens eine Kammer abgelassen wird, um die Ausströmung von inertem Gas zu gestatten, wenn sich das erwähnte mindestens eine äußere Werkstück ausdehnt und dadurch die Größe der erwähnten mindestens einen Kammer vermindert.

25. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckbelastung einen größeren Druck an inertem Gas zwischen den Werkstücken des Stapels relativ zu dem innerhalb der erwähnten mindestens einen Kammer aufweist, und wobei die erwähnte Kammer abgelassen wird, um die Ausströmung des inerten Gases zu gestatten, wenn das erwähnte mindestens eine äußere Werkstück sich ausdehnt und dadurch die Größe der erwähnten Kammer reduziert.

26. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckbelastung einen größeren Druck an inertem Gas zwischen den Werkstücken des Stapels relativ zu dem innerhalb der erwähnten mindestens einen Kammer auf-

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weist, und wobei die erwähnte Kammer den Austritt des inerten Gases gestattet, wenn sich das erwähnte mindestens eine äussere Werkstück erweitert und die Größe der erwähnten Kammer vermindert. · -

27. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromungsmitteldruckbelastung das Anlegen von Vakuum an die erwähnte mindestens eine Kammer umfaßt, wobei ein positiver Druck an inertem Gas zwischen den Werkstücken des Stapels aufrechterhalten bleibt.

28. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromungsmitteldruckbelastung das Anlegen von Vakuum an die mindestens eine Kammer umfaßt, wobei ein positiver Druck an inertem Gas zwischen den Werkstücken des Stapels aufrechterhalten bleibt.

29. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromungsmitteldruckbelastung das Anlegen eines Vakuums an die mindestens eine Kammer umfaßt, wobei ein positiver Druck an inertem Gas zwischen den Werkstücken des Stapels aufrechterhalten bleibt.

30. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,· daß das inerte Gas Argon ist, daß die Metallwerkstücke Titanlegierungsblech sind, daß die Temperatur in einem Bereich von ungefähr 1650 bis 175O°F gehalten ist, und daß die Kompressionskraft in einem Bereich von ungefähr 150 bis 600 psi liegt.

31. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Argon ist, daß die Metallwerkstücke Titanlegierungsblech sind, und daß die Temperatur in einem Bereich von ungefähr 1650 bis 175O°F gehalten ist.

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32. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Argon ist, daß die Metallwerkstücke Titanlegierungsblech sind, und daß die Temperatur im Bereich von ungefähr 1650 bis 175O°F liegt.

33. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Vorsehens von mindestens einer Metallbefestigung, die mit dem erwähnten mindestens einen äußeren Werkstück diffusionsverbunden werden soll, und wobei die mindestens eine Befestigung innerhalb der erwähnten mindestens einen Kammer angeorndet ist, und wobei sich das mindestens eine äußere Werkstück ebenfalls gegen die Befestigung verformt und mit dieser diffusionsverbindet.

34. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den Schritt des Vorsehens von mindestens einer Metallbefestigung· zur Diffusionsverbindung mit dem mindestens einen äußeren Werkstück, und wobei die mindestens eine Befestigung innerhalb der mindestens einen Kammer angeordnet ist, und wobei sich das mindestens eine Werkstück ebenfalls gegen die Befestigung verformt und mit dieser diffusionsverbunden wird.

35. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Vorsehens von mindestens einer Metallbefestigung zur Diffusionsverbindung mit dem mindestens einen äusseren Werkstück, und wobei die Befestigung in der erwähnten mindestens einen Kammer angeordnet ist und das mindestens eine äußere Werkstück sich auch gegen die Befestigung verformt und mit dieser diffusionsverbunden wird.

36. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Kammern durch die Anordnung des Werkstückstapels eingeschlossen sind, und wobei die Zugbeanspruchung in beide äußeren Werkstücke des Stapels eingeführt wird, wodurch mindestens ein Teil, des einen äußeren Werkstücks sich superplastisch in die erste Kammer und mindestens ein Teil des anderen äußeren Werkstücks sich superplastisch in die zweite Kammer ausdehnt.

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37. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Kammern durch Anordnen des Werkstückstapels umschlossen sind, und wobei die Zugbeanspruchung in die beiden äußeren Werkstücke des Stapels eingeführt wird, wodurch mindestens ein Teil des einen äußeren Werkstücks sich superplastisch in die erwähnte erste Kammer und mindestens ein Teil des anderen äußeren Werkstücks sich superplastisch in die erwähnte zweite Kammer ausdehnt.

38. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Sandwichgebildes aus einer Vielzahl von Werkstücken, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Vorsehen von mindestens zwei Formgliedern; Vorsehen einer Vielzahl von Metallwerkstücken, von denen jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen besitzt, und wobei mindestens eines der Werkstücke eine ■ effektive Umformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeit aufweist;

Anordnung der Werkstücke in einem Stapel, so daß sich deren Hauptoberflächen berühren, wobei mindestens eines der äusseren Werkstücke des Stapels eine effektive Umformungsgeschwindigkeit s-Empfindlichkeit aufweist; Umschließung von mindestens einer Kammer durch Anordnung des Stapels der Werkstücke relativ zu den Formgliedern; Erwärmung der Werkstücke auf eine Temperatur, die zur superplastischen Verformung geeignet ist; Einführung einer Zugbeanspruchung in mindestens eines der äußeren Werkstücke, welches eine effektive Umformungsgeschwindikgeits-Empfindlichkeit aufweist, um auf diese Weise mindestens einen Teil dieses Werkstücks superplastisch zu erweitern, und zwar in die eine Kammer hinein, so daß sich das Werkstück in enger Berührung mit den Formgliedern und an diesen verformt;

und Diffusionsverbinden von ausgewählten Zonen des Werkstückstapels unter kooordinierten Temperatur-Druck-Zeit-Dauerbedingungen .-

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