DE3485872T2

DE3485872T2 - Dicke kernverbundstrukturen und verfahren zu deren herstellung.

Info

Publication number: DE3485872T2
Application number: DE8484107509T
Authority: DE
Inventors: Gilles Rainville
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2004-06-29
Also published as: EP0130583A2; EP0130583A3; DE3485872D1; EP0130583B1; US4530197A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine superplastisch geformte metallurgisch verbundene Sandwichstruktur mit einer ungeraden Anzahl (mindestens drei) von Kernflächenelementen, wobei Teile der Kernflächenelemente geschichtet und nicht-geschichtet sind, und ein Verfahren zum Herstellen solcher Strukturen.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß bestimmte Metalle, wie zum Beispiel Titan und viele seiner Legierungen, superplastische Eigenschaften besitzen. Superplastizität ist die Fähigkeit eine ungewöhnlich hohe Zugdehnung zu entwickeln, und zwar mit einer verringerten Tendenz des Einschnürens innerhalb eines begrenzten Temperatur und Belastungsratenbereichs. Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen besitzen gute superplastische Eigenschaften.
Diffusionsverbinden ist ein metallurgisches Verbinden oder Zusammenfügen von gleichen metallischen Teilen, die zusammengepreßt werden bei erhöhten Temperaturen und Drücken. Dies bewirkt ein Verformen, was in einem engen Kontakt der Zusammenzubringenden Oberflächen und eine nachfolgende Diffusion der atomaren Struktur resultiert. Ein monolithisches Metallstück wird geformt mit einer Verbindungsfestigkeit, die äquivalent zu der des Ursprungs- oder Ausgangsmetalls ist. Diffusionsverbinden wird komplett im Festkörperzustand erreicht.
Viele der gleichen Legierungen, die beim superplastischen Formen verwendet werden, können auch beim Diffusionsverbinden verwendet werden. Wenn die zwei Vorgänge kombiniert werden, sind die Temperaturen und Drücke für beide Vorgänge ähnlich, so daß das fertige Produkt in einem im wesentlichen einschrittigen Arbeitsvorgang gebildet werden kann, der aus dem US-Patent 3 927 817 bekannt ist und der den nächstkommenden Stand der Technik bildet, zumindest was den Gegenstand des Anspruchs 23 betrifft.
Jedoch ein Nachteil dieses Verfahrens beinhaltet die Schwierigkeit beim Herstellen dickerer Sandwichstrukturen. Diese Strukturen benötigen erhebliche Verlängerung des superplastischen Kernmaterials, was zur Folge haben kann, daß ein fertiges Produkt nicht in der Lage ist, quergerichtete Scherkräfte zu tragen, d. h., daß der weitere Kernabstand, der benötigt wird zur Aufnahme der dickeren Kernflächenelemente in einer geschwächten Struktur resultieren kann.
Eine verstärkte Kernstruktur ist in dem US-Patent 4 217 397 gezeigt, der den nächstkommenden Stand der Technik bildet, was den Gegenstand der Ansprüche 1, 7 und 12 betrifft. Die Struktur, die in Fig. 16 dieses Patentes gezeigt ist, besitzt eine Sandwichstruktur mit vier Flächenelementen (zwei parallelen Stirnflächenelementen und zwei Kernflächenelementen). Die zwei Kernflächenelemente sind über ihre gesamte Länge miteinander diffusionsverbunden. Die Kernflächenelemente sind an die Stirnflächenelemente fusiongeschweißt. Um dieses Sandwich dicker zu machen, muß der Abstand zwischen den Stirnknoten und der Abstand zwischen den Stirnflächenelementen erhöht werden. Dies kann eine instabilen Struktur zur Folge haben, wenn Lasten zwischen den Stirnknoten angelegt werden. Auch müssen die Kernflächenelemente eine dickere Abmessung aufweisen, um schwerere Lasten zu tragen, was dazu führen kann, daß das Sandwich zu schwer für die praktische Anwendung wird.
Ein weiterer Nachteil dieser Struktur ist, daß die Fusionsschweißungen schlechten Ermüdungswiderstand bieten und auch die Herstellung der Struktur schwierig machen.
Was also benötigt wird, ist eine dickere, leichtgewichtige Sandwichstruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Struktur, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Solch eine Struktur wäre in der Lage, große, quergerichtete Scherkräfte aufzunehmen.
Es ist ein Grundziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, zum Herstellen einer metallischen Sandwichstruktur mit einem teilweise geschichteten Kern, der superplastisch geformt und metallurgisch verbunden wird bei im wesentlichen gleichen Temperatur- und Druckzuständen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren vorzusehen zum Herstellen einer komplexen Sandwichstruktur mit einem teilweise geschichteten Kern, der eine minimale Truss oder Fachwerksexzentrizität an den Kernknoten besitzt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine superplastisch geformte metallurgisch verbundene Metallsandwichstruktur vorzusehen für Anwendungen die eine dickere und stärkere Struktur zum Tragen von größeren quergerichteten Lasten benötigen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine metallische Sandwichstruktur vorzusehen mit nur homogenen Verbindungen, wodurch keine großen Ablagerungen von Metallguß an den Knoten zurückbleiben.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, eine superplastisch geformte metallurgisch verbundene Sandwichstruktur vorzusehen, die leicht verwendbar ist in Strukturbauteilen, und zwar mit einem breiten Bereich von Formen.
Kurz gefaßt, sieht die vorliegende Erfindung eine Sandwichstruktur mit einem teilweise geschichteten Kern vor.
Die Stirnflächenelemente können im wesentlichen parallel sein, konvergieren oder divergieren, im wesentlichen konzentrisch sein oder sie können eine oder mehrere schiefe Teile besitzen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist eine metallische Sandwichstruktur folgendes auf:
ein erstes Stirnflächenelement;
ein zweites Stirnflächenelement beabstandet gegenüber dem ersten Stirnflächenelement;
ein erstes Kernflächenelementglied, positioniert zwischen den Stirnflächenelementen und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von ersten Stirnknoten mit den Stirnflächenelementen derart, daß das erste Kernflächenelement sich transversal und linear mit im wesentlichen keiner Exzentrizität von dem einen Stirnflächenelement zu dem anderen Stirnflächenelement in einer abwechselnden Folge erstreckt; und
eine zweites Kernflächenelementglied positioniert zwischen den Stirnflächenelementen und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von zweiten Stirnknoten mit den Stirnflächenelementen derart, daß sich das zweite Kernflächenelement transversal und linear mit im wesentlichen keiner Exzentrizität von dem einen Stirnflächenelement zu dem anderen Stirnflächenelement in abwechselnder Folge erstreckt, wobei die zweiten Stirnknoten in abwechselnder Folge positioniert sind entlang entsprechender Stirnflächenelemente mit den ersten Stirnknoten und wobei das zweite Kernflächenelement metallurgisch verbunden ist mit dem ersten Kernflächenelement an einer Vielzahl von Kernknoten derart, daß für das erste Kernflächenelement transversal eine Halterung vorgesehen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine metallische Sandwichstruktur folgendes auf:
ein erstes Stirnflächenelement;
ein zweites Stirnflächenelement beabstandet gegenüber dem ersten Stirnflächenelement;
ein erstes Kernflächenelement positioniert zwischen den Stirnflächenelementen und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von ersten Stirnflächenknoten mit den Stirnflächenelementen derart, daß sich das erste Kernflächenelement quer von einem Stirnflächenelement zu dem anderen in einer alternierenden Folge erstreckt; und
ein zweites Kernflächenelement positioniert zwischen den Stirnflächenelementen und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von zweiten Stirnflächenknoten mit den Stirnflächenelementen derart, daß sich das zweite Kernflächenelement quer erstreckt von einem Stirnflächenelement zu dem anderen in alternierender Folge, wobei das erste Kernflächenelement wesentlich dicker ist als das zweite Kernflächenelement, wobei die zweiten Stirnflächenknoten zwischen den ersten Stirnflächenknoten angeordnet sind und wobei das zweite Kernflächenelement metallurgisch verbunden ist mit dem ersten Kernflächenelement an einer Vielzahl von Kernknoten derart, daß die Querhalterung für das erste Kernflächenelement vorgesehen ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine metallische Sandwichstruktur folgendes auf:
zwei Stirnflächenelemente;
einen geschichteten Kernteil positioniert zwischen und metallurgisch verbunden mit den beiden Stirnflächenelementen unter Bildung von Stirnflächenknoten, wobei der geschichtete Kernteil kontinuierlich zwischen den Stirnflächenelementen verläuft und spitze Winkel relativ zu den Stirnflächenelementen bildet; und
ein nicht-geschichteter Kernteil, der zwischen den Stirnflächenelementen positioniert und mit diesen unter Bildung von Stirnflächenknoten verbunden ist, wobei der nicht-geschichtete Kernteil kontinuierlich zwischen den Stirnflächenelementen verläuft, und zwar unter Bildung von spitzen Winkeln relativ gegenüber den Stirnflächenelementen und wobei der nicht-geschichtete Kernteil den geschichteten Kernteil kontaktiert unter Bildung von Kernknoten.
Der Kern der Sandwichstruktur besitzt geschichtete (wo zwei parallele Kernflächenelemente zusammen verbunden sind zwischen Knoten) und nicht-geschichtete Teile. Die Kernflächenelemente der Struktur sind selektiv verbunden mit den Stirnflächenelementen und miteinander. Der Punkt, an dem zwei oder mehrere Flächenelemente verbunden sind, wird als ein "Knoten" bezeichnet. Ein "Stirnflächenknoten" tritt auf, wo ein Stirnflächenelement verbunden ist mit einem Kernflächenelement. Ein "Kernknoten" tritt auf, wo ein Kernflächenelement mit einem anderen Kernflächenelement verbunden wird. Zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Knoten gibt es entweder einen geschichteten Teil oder einen nicht-geschichteten Teil. Die geschichteten Teile sind hauptsächlich zum Tragen der Stirnflächenelemente ausgelegt. Die ungeschichteten Teile tragen die Stirnflächenelemente an Punkten zwischen geschichteter Teile Stirnflächenknoten und sehen weiterhin Querhalterung der geschichteten Teile vor.
Metallurgisches Verbinden, wie es hier verwendet wird, umfaßt Diffusionverbinden, Fusionschweißen, Druckschweißen und ähnliche Verfahren. Diffusionsverbinden umfaßt das Festkörperverbinden von Metalloberflächen durch Anlegen von ausreichender Wärme und ausreichendem Druck, und zwar für eine Zeit, die bewirkt, daß sich die Moleküle an der zusammengebrachten Schnittfläche vermischen. Fusionsschweißen umfaßt das Verbinden von Metalloberflächen durch Anlegen von ausreichender Wärme, um zu bewirken, daß die zusammengebrachte Schnittfläche den flüssigen Zustand erreicht und in ein einziges Ganzes zusammenbringt. Druckschweißen umfaßt das Verbinden von Metalloberflächen durch Anlegen von Druck zum Bewirken, daß sich die Moleküle an der zusammengebrachten Schnittfläche vermischen.
Im allgemeinen weist der Kern einen dicken Teil und einen dünnen Teil auf. Der dicke Teil besteht aus Kernflächenelementen, die zusammen verbunden werden, um Schichten zu bilden. Die dünnen Teile sind ungeschichtet. Da in diesem Ausführungsbeispiel alle Kernelemente aus dem gleichen Material sind und die gleiche Dicke besitzen, sind die dicken Teile stärker als die dünnen Teile.
Das bevorzugte Verfahren des metallurgischen Verbindens ist das Diffusionsverbinden. Ein Grund für diese Bevorzugung ist, daß dieses Verbinden nicht in einem Überschuß von Material an der verbundenen Schnittfläche resultiert. Ein weiterer Grund ist, daß die für das Diffusionsverbinden verwendeten Temperatur- und Druckbereiche eng übereinstimmen mit den Temperaturen und Drücken für das superplastische Formen. Somit kann das Formverfahren, daß das Verbinden und das Ausdehnen beinhaltet in einem im wesentlichen einzigen Schritt ausgeführt werden. Somit braucht dieses Verfahren nur einen Wärmezyklus, wobei das Verbinden und Ausdehnen in der gleichen Vorrichtung auftritt.
Diffusionsverbinden beinhaltet normalerweise das Behandeln der ausgewählten Bereiche der Kernflächenelemente mit einem Maskierungsmittel, und zwar vor dem Positionieren der Flächenelemente in einem Stapel. Die Bereiche, wo Diffusionsverbindung auftreten sollen, werden freigelassen, wohingegen das Maskierungsmittel an den übrigbleibenden Oberflächenbereichen angelegt wird. Das Maskierungsmittel kann auch an die Stirnflächenelemente angelegt werden, und zwar in Bereichen, die die Stirnflächenknoten umgeben.
Die ausgedehnte Sandwichstruktur bestehend aus zwei Stirnflächenelementen und drei Kernflächenelementen ist ungefähr 6,3 bis 11,4 cm (1 1/2 bis 4 1/2 inch) dick. Um ein dickeres Sandwich mit befriedigenden Stärkeeigenschaften zu erhalten, können mehr Kernflächenelemente verwendet werden. Der Winkel zwischen den Kernflächenelementen und den Stirnflächenelementen ist in dem Bereich von 50 bis 65º und ist vorzugsweise ungefähr 60º. Wenn der Winkel viel größer als 65º ist, sind die Kernflächenelemente in der gebildeten Struktur viel enger zusammen. Obwohl dies die Stärkeeigenschaften verbessert, wird die Struktur erheblich schwerer. Ist der Winkel geringer als 50º, wird der Abstand zwischen den Kernflächenelementen in der gebildeten Struktur größer. Obwohl dies eine leichtere Struktur zur folge hat, ist die Struktur nicht in der Lage, schwerere quergerichtete Lasten zu tragen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung.

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht auf eine ausgedehnte fünf Flächenelemente aufweisende Sandwichstruktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht einer Anordnung mit fünf gestapelten Flächenelementen, und zwar vor dem Diffusionsverbinden und superplastischen Formen;
Fig. 3 eine Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 2 nach dem Diffusionsverbinden und superplastischen Formen;
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer Anordnung mit fünf Flächenelementen, die ein Fachwerk mit gleichförmiger Dicke, nach dem Diffusionsverbinden und superplastischen Formen bilden wird;
Fig. 5 die gleiche Ansicht gemäß Fig. 4, aber nach dem Diffusionsverbinden und superplastischen Formen;
Fig. 6 dieselbe Ansicht wie Fig. 3, und zwar mit Zwischenschritten, die mit gestrichelten Linien gezeigt sind;
Fig. 7 eine Ansicht auf eine komplett gebildete Anordnung mit sieben Flächenelementen;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht einer Tragfläche mit einem wesentlichen Teil gebildet aus fünf Flächenelementen;
Fig. 9 ein Teil derselben Ansicht wie in Fig. 8, wobei die Tragfläche konvergiert;
Fig. 10 einen Querschnitt einer Sandwichstruktur mit fünf Flächenelementen, wobei die Stirnflächenelemente konzentrische Kreise sind;
Fig. 11 ein vergrößerter Teil der gleichen Ansicht wie in Fig. 10 gezeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Formen von dicken metallischen Sandwichstrukturen aus einer Vielzahl von Metallflächenelementen mit superplastischen Eigenschaften. Die metallischen Legierungen, die verwendet werden, müssen eine Zusammensetzung und Mikrostruktur besitzen, so daß, wenn sie auf eine Temperatur innerhalb eines geeigneten Temperaturbereiches erwärmt und innerhalb einer angemessenen Belastungsrate verformt werden, sie ungewöhnlich hohe Zugdehnungen besitzen, und zwar mit einer reduzierten Tendenz zum Einschnüren. Solche Legierungen können durch die folgende Formel dargestellt werden:
σ = K · m wobei:
σ = Spannung
K = eine Konstante,
= Spannungsrate, und
m = Belastungsratenempfindlichkeit.
Im allgemeinen kann gesagt werden, daß, wenn keine Belastungsverhärtung auftritt, daß desto höher die Belastungsratenempfindlichkeit ist, desto höher ist die Zugdehnung vor dem Zerreißen. Materialien werden als superplastisch bezeichnet, wann immer die graphische Darstellung von "m" gegen "log " ein Maximum erreicht. Der minimale m-Wert kann bestimmt werden durch Aufzeichnen der graphischen Darstellung von "m" gegen die Gesamtdehnung.
Der Wert "m" ist eine Funktion der Temperatur, der Belastungsrate, der Mikrostruktur, und des Materials. Daher können breite Bereiche im Wert "m" und den entsprechenden Dehnungen für ein gegebenes Material entwickelt werden, wenn sich die Verformungsrate ändert.
Es wurde herausgefunden, daß bei superplastischer Verformung unter biaxialen Spannungszuständen die Gleichförmigkeit des Dünnerwerdens zusammenhängt mit der Belastungsratenempfindlichkeit. Zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung wird eine geeignete Belastungsrate bestimmt und diese Belastungsrate wird gesteuert während des Formzyklus, um ausreichend hohe Werte von "m" beizubehalten, um Formungszeiten zu minimieren und um Zerreißen und übermäßiges lokalisiertes Verdünnen zu vermeiden.
Obwohl viele metallische Legierungen superplastische Eigenschaften besitzen, werden Titanlegierungen, wie zum Beispiel Ti-6Al-4V und die Aluminiumlegierungen bevorzugt. Der superplastische Temperaturbereich für Titanlegierungen, der auch geeignet ist für Diffusionsverbinden ist im allgemeinen zwischen 1450ºF bis 1850ºF abhängig von der verwendeten spezifischen Legierung.
Fig. 1 zeigt eine ausgedehnte Sandwichstruktur der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen angezeigt wird durch den Pfeil 1, und zwar mit einem dicken Kern, der mit der Abmessung A bezeichnet ist. Fig. 3, 5, 6, 7, 9 und 11 zeigen ausgedehnte Sandwichstrukturen, und zwar mit Linien, die zwischen den ausgedehnten verbundenen Flächenelementen gezeigt werden. Diese Linien dienen nur dem Darstellungszweck. Die ausgedehnte Sandwichstruktur besitzt keine Linien zwischen den ausgedehnten Flächenelementen, da das metallurgische Verbinden in einer geformten homogenen Struktur resultiert.
Das obere Stirnflächenelement 10 und das untere Stirnflächenelement 50 umgeben die geformten Kernflächenelemente. Die geformten Kernflächenelemente weisen geschichtete Kernteile 16 auf, die sich von dem oberen Stirnflächenelement 10 zu dem unteren Stirnflächenelement 50 kontinuierlich über die gesamte Länge der Struktur erstrecken, und zwar mit Verbindungen an verschiedenen Stirnknoten 2, 3 und 4. Die anderen Kernteile 18 sind vorzugsweise nicht so dick wie der geschichtete Kern 16. Die Kernteile 18 kontaktieren und halten die Stirnflächenelemente 10 und 50 und kontaktieren und halten weiterhin die geschichteten Kernteile 16. Die Kernteile 18 sehen eine Zwischenhalterung für die Stirnknoten des geschichteten Teils vor, zum Beispiel an Knoten 5, 6 und 7 und zusätzlich quergerichtete Scherhalterung an Struktur 1, während das Gewicht minimiert wird (dadurch, daß sie relativ dünn sind).
In Fig. 2 ist eine Anordnung mit drei Kernflächenelementen 20, 30 und 40 sowie zwei Stirnflächenelementen 10 und 50 gezeigt. Diffusionsverbinden, welches das bevorzugte Verfahren des metallurgischen Verbindens ist, kann durchgeführt werden mit einer großen Vielfalt von Metallegierungen, die die folgenden umfassen: Aluminium, rostfreier Stahl, Titan, Nickel, Tantal, Molybdän, Zirconium, Niobium und Beryllium.
In der vorliegenden Erfindung sind nur selektive Abschnitte der Flächenelemente miteinander verbunden. Ein bevorzugter Schritt ist es ein Maskierungsmittel anzulegen, das auch mit den Metallflächenelementen kompatibel ist, und zwar an die Bereiche der Flächenelemente 10, 20, 30, 40 und 50, wo kein Verbinden benötigt ist. Die dunklen Abschnitte (zum Beispiel 11, 32, 22 und 43) sind das Maskierungsmittel, welches selektiv aufgebracht wurde, und zwar vor dem Anordnen der Flächenelemente. Beispiele für geeignete Maskierungsmittel sind Graphit und Bornitrid, jedoch wird Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) bevorzugt, welches in einem geeigneten Bindungsmittel angelegt wird durch ein Seidensiebverfahren.
Sowohl die oberen als auch die unteren Werkrahmen (nicht gezeigt) sind Formgebungsglieder, die zusammenwirken, um die gewünschte geformte Struktur zu bilden. Wenn die Sandwichstruktur divergiert, konvergiert, konzentrisch ist oder schiefe Abschnitte besitzt, müssen die Werkglieder diese gesamten allgemeinen Formen besitzen.
Eine inerte Gasleitung (nicht gezeigt) ist mit einem unter Druck stehendem inerten Gas verbunden, und ermöglicht Gas durch den Stapel in den oberen Werkrahmen zu strömen. Das inerte Gas ist vorzugsweise Argon. Die Gasleitung kann auch mit einer Vakuumquelle verbunden sein zum Erzeugen eines Vakuums in dem Stapel. Das unter Druck stehende inerte Gas drückt den Stapel zusammen auf Grund des Druckdifferentials zwischen dem Stapel inneren und der Kammer.
Wenn Ti-6Al-4V Metallflächenelemente verwendet werden, wird der Stapel in einer inerten Gasatmosphäre auf ungefähr 1700ºF erhitzt und ein Druckdifferential wird an den Stapel angelegt. Wenn inertes Gas verwendet wird, erlaubt ein Druckdifferential von bis zu ungefähr 500 psi das Diffusionsverbinden der Flächenelemente. Abhängig von der Dicke des Stapels kann die Verbindungszeit zwischen 30 Minuten bis 12 Stunden variieren. Nachdem das Verbinden vollständig ist, wird überflüssiges Gas von der Kammer beseitigt, um das Aufblasen des Stapels zu ermöglichen.
Gemäß Fig. 3 sind die Stirnknoten an dem oberen Stirnflächenelement mit 61, 71 und 81 und die Stirnknoten an dem unteren Stirnflächenelement mit 63, 73, 83 und 93 bezeichnet. Die Kernknoten sind mit 62, 72 und 82 bezeichnet.
Ein bevorzugtes Kriterium der Erfindung ist es, Fachwerksexzentrizität zu minimieren oder sogar zu beseitigen. Fachwerksexzentrizität bezieht sich auf die Größe der Abweichung von der Linearität der Kernflächenelemente um die Kernknoten. Somit wird die Exzentrizität beseitigt, wenn die Kernflächenelemente so miteinander verbunden werden, daß sie lineare Glieder durch die Kernknoten bilden. Zum Beispiel wirken Kernabschnitt 15 und Kernabschnitt 45 zusammen, um ein im wesentlichen gerades Glied durch den Kernknoten 62 zu bilden. In ähnlicher Weise geht der geschichtete Kernabschnitt 35 durch den Kernknoten 62 zum Bilden eines im wesentlichen geraden Gliedes mit dem geschichteten Kernabschnitt 55. Diese Kernexzentrizität kann beseitigt oder minimiert werden durch präzises Steuern der selektiven Aufbringung des Maskierungsmittels, wo Diffusionsverbindung verwendet wird, um die Kernflächenelemente 20, 30 und 40 miteinander zu verbinden.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, muß das Maskierungsmittel so angelegt werden, daß:
(1) das mittlere Kernflächenelement 30 selektiv verbunden ist mit dem äußeren Kernflächenelementen 20 und 40 zum Bilden von Kernknoten (wo drei Kernflächenelemente verbunden sind) und geschichteten Abschnitten, wo das mittlere Kernflächenelement verbunden ist mit nur einem äußeren Kernflächenelement, und zwar zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Kernknoten);
(2) Stirnknoten entlang jedes entsprechenden Stirnflächenelementes, das Verbinden von geschichteten und ungeschichteten Abschnitten alternierend, d. h. an dem Stirnflächenknoten 61 sind geschichtete Abschnitte 55 und 56 mit dem Stirnflächenelement 10 verbunden, während an dem Stirnflächenknoten 71 nicht-geschichtete Abschnitte 57 und 58 mit dem Stirnflächenelement 10 verbunden sind;
(3) gegenüberliegend ausgerichtete Stirnflächenknoten, zum Beispiel 61 und 73, haben die abwechselnde Verbindung von geschichteten und nicht-geschichteten Abschnitten, zum Beispiel werden beschichtete Abschnitte 55 und 56 an dem Stirnflächenknoten 61 verbunden, während nichtgeschichtete Abschnitte 45 und 46 an dem Stirnflächenknoten 73 verbunden werden; und
(4) zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Kernknoten und Stirnflächenknoten gibt es entweder einen geschichteten Abschnitt oder einen ungeschichteten Abschnitt, d. h. zwischen dem Kernknoten 62 und dem Stirnflächenknoten 61 gibt es nur einen geschichteten Abschnitt 55, während es zwischen dem Kernknoten 62 und dem Stirnflächenknoten 73 nur einen nicht-geschichteten Abschnitt 45 gibt. In Bezug auf das Obengenannte ist zu sehen, daß abwechselndes Verbinden des mittleren Kernflächenelements 30 mit den äußeren Kernflächenelementen 20 und 40 zwischen den Kernknoten auftritt.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Sandwichstruktur mit einem Kern mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke. Fig. 4 zeigt, wie die Flächenelemente gestapelt werden müssen und die ungefähren Stellungen des Maskierungsmittels vor dem Diffusionsverbinden und superplastischem Formen.
Um eine solche Struktur herzustellen, müssen die Kernflächenelemente 37 und 38 selektiv vor dem Stapeln verarbeitet werden, und zwar durch chemisches Fräsen oder einem ähnlichen Vorgang, so daß die Flächenelemente 37 und 38 dicke und dünne Abschnitte besitzen. Zum Beispiel besitzt das Flächenelement 37 dünne Abschnitte 61 und 62 und dicke Abschnitte 63 und 64. Die Flächenelemente 37 und 38 müssen vor dem Verarbeiten dicker sein als das Kernflächenelement 30 und lange Streifen werden entlang der Länge der Flächenelemente 37 und 38 chemisch gefräst, die den dünnen Abschnitten entsprechen.
Gemäß Fig. 6 zeigen die gestrichelten Linien die Zwischenschritte bei der Entwicklung, wenn die Kernflächenelemente während des superplastischen Formens ausgedehnt werden.
Gemäß Fig. 7 ist eine sieben Flächenelemente aufweisende fertige Struktur gezeigt, und zwar mit zwei Stirnflächenelementen 110 und 170 und mit fünf Kernflächenelementen 120, 130, 140, 150 und 160. Beispiele der Kernknoten sind gezeigt bei 121 (drei Flächenelemente) 131 (zwei Flächenelemente) und 141 (zwei Flächenelemente). Einige Stirnflächenknoten sind bei 111, 112, 113, 152 und 153 gezeigt. Die geschichteten Abschnitte verlaufen ununterbrochen zwischen den zwei Stirnflächenelementen 110 und 170. Die geschichteten Abschnitte bestehen aus zwei Flächenelementen, die miteinander metallurgisch verbunden sind, aber an jedem Kernknoten wird eines der zwei Flächenelemente ein nicht geschichteter Abschnitt und wird durch ein anderes Kernflächenelement ersetzt. Zum Beispiel sind oberhalb des Kernknotens 125 die Kernflächenelemente 120 und 130 miteinander verbunden und unterhalb des Kernknotens 125 wird das Kernflächenelement 120 ein nicht-geschichteter Abschnitt und das Kernflächenelement 130 wird verbunden mit dem Kernflächenelement 140. An dem Kernknoten 126 wird dann das Kernflächenelement 130 ein nicht-geschichteter Abschnitt und das Kernflächenelement 140 wird mit dem Kernflächenelement 150 verbunden. Im Vergleich mit Fig. 3 können die folgenden Ähnlichkeiten beobachtet werden:
Beide Strukturen verwenden selektives Verbinden der Kernflächenelemente miteinander und mit den Stirnflächenelementen;
beide Strukturen besitzen geschichtete Kernabschnitte, wobei die geschichteten Kernabschnitte ungefähr zweimal so dick sind wie nicht-geschichtete Abschnitte und die geschichteten Abschnitte ununterbrochen zwischen den zwei Stirnflächenelementen verlaufen;
die nicht-geschichteten Abschnitte schneiden die geschichteten Abschnitte und verlaufen zwischen den zwei Stirnflächenelementen, wodurch Zwischenhalterung vorgesehen wird für die Stirnflächenelemente und den geschichteten Kern; und
wo ein Stirnflächenknoten geschichtete Abschnitte mit den Stirnflächenelementen verbinden, zum Beispiel bei 111 verbindet der gegenüberliegend ausgerichtete Stirnflächenknoten einen nicht-geschichteten Abschnitt, d. h. bei 152.
Die sieben Flächenelemente aufweisende Struktur kann verwendet werden, um eine Sandwichstruktur zu machen, die wesentlich dicker ist als die fünf Flächenelemente aufweisende Struktur. Es wurde geschätzt, daß die fünf Flächenelemente aufweisende Struktur eine stabile Sandwichstruktur bis ungefähr 5 inch Dicke bilden kann. Die sieben Flächenelemente aufweisende Struktur kann in ähnlicher Weise ein Sandwich von bis zu ungefähr 10 inches Dicke bilden. Natürlich verwendet das dickere Sandwich mehr Metall und ist schwerer als das fünf Flächenelemente aufweisende Sandwich, aber diese Nachteile werden für ausgewählte Anwendungen aufgehoben durch die Erhöhung der Festigkeit.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Tragflügelstruktur, die aus einer fünf Flächenelemente aufweisenden Struktur hergestellt ist. Die Führungskante 126 des Tragflügels besitzt divergierende Stirnflächenelemente, der Mittelabschnitt 127 besitzt konvergierende Stirnflächenelemente 123 und 124 und die hintere Kante 128 wird so dünn, daß die Struktur eine drei Flächenelemente aufweisende Struktur wird. Innerhalb des drei Flächenelemente aufweisenden Abschnittes gibt es nur ein ungeschichtetes Kernflächenelement, und zwar in dem dünnen Abschnitt der hinteren Kante.
Gemäß Fig. 10 ist eine fünf Flächenelemente aufweisende Sandwichstruktur gezeigt, wo die Stirnflächenelemente 133 und 134 konzentrische Kreise sind. Fig. 11 ist ein vergrößerter Teil der Fig. 10 und ist ähnlich der Sandwichstruktur gemäß Fig. 3.
Demgemäß wurde eine metallische Sandwichstruktur vorgesehen mit einem teilweise geschichteten Kern und ein Verfahren zum Herstellen der Struktur, das die oben aufgezeichneten Ziele befriedigt. Es sei zu verstehen, daß alle hier verwendeten Begriffe zur Beschreibung dienen und nicht zum Begrenzen der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Metall-Sandwich-Struktur, die folgendes aufweist:

ein erstes Stirnflächenelement (10);

ein zweites Stirnflächenelement (50) beabstandet gegenüber dem ersten Stirnflächenelement (10); ein erstes Kernflächenelement (20) positioniert zwischen den Stirnflächenelementen (10, 50) und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von ersten Stirnknoten (61, 71, 81) mit den Stirnflächenelementen derart, daß das erste Kernflächenelement (20) sich transversal und linear mit im wesentlichen keiner Exzentrizität von dem einen Stirnflächenelement (10) zu dem anderen Stirnflächenelement (50) in einer abwechselnden Folge erstreckt; und

ein zweites Kernflächenelement (40) positioniert zwischen den Stirnflächenelementen (10, 50) und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von zweiten Stirnknoten (63, 73, 83, 93) mit den Stirnflächenelementen derart, daß sich das zweite Kernflächenelement (40) transversal und linear mit im wesentlichen keiner Exzentrizität von dem einen Stirnflächenelement zu dem anderen Stirnflächenelement in abwechselnder Folge erstreckt, wobei die zweiten Stirnknoten in abwechselnder Folge positioniert sind entlang entsprechender Stirnflächenelemente mit den ersten Stirnknoten, und wobei das zweite Kernflächenelement (40) metallurgisch verbunden ist mit dem ersten Kernflächenelement an einer Vielzahl von Kernknoten (62, 72, 82) derart, daß für das erste Kernflächenelement transversal eine Halterung vorgesehen ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, wobei entgegengesetzt zu jedem ersten Stirnknoten auf dem einen oder anderen Stirnflächenelement ein zweiter Stirnflächenknoten auf dem anderen Stirnflächenelement ausgerichtet ist.

3. Struktur nach Anspruch 2, wobei die Kernknoten transversal oder quer relativ zu den Stirnknoten positioniert sind.

4. Struktur nach Anspruch 1, wobei das erste Kernflächenelement und das zweite Kernflächenelement im wesentlichen die gleiche Dicke besitzen.

5. Struktur nach Anspruch 1, wobei das erste Kernflächenelement wesentlich dicker ist als das zweite Kernflächenelement.

6. Struktur nach Anspruch 1, wobei das erste Kernflächenelement geschichtet ist und das zweite Kernflächenelement nicht geschichtet ist.

7. Metall-Sandwich-Struktur, die folgendes aufweist:

ein erstes Stirnflächenelement (10);

ein zweites Stirnflächenelement (50) mit Abstand angeordnet gegenüber dem ersten Stirnflächenelement;

ein erstes Kernflächenelement (37) positioniert zwischen den Stirnflächenelementen und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von ersten Stirnflächenknoten mit den Stirnflächenelementen derart, daß sich das erste Kernflächenelement (37) quer von einem Stirnflächenelement zu dem anderen in einer alternierenden Folge erstreckt; und

ein zweites Kernflächenelement (38) positioniert zwischen den Stirnflächenelementen und metallurgisch verbunden an einer Vielzahl von zweiten Stirnflächenknoten mit den Stirnflächenelementen derart, daß sich das zweite Kernflächenelement (38) quer erstreckt von einem Stirnflächenelement zu dem anderen in alternierender Folge, wobei das erste Kernflächenelement wesentlich dicker ist als das zweite Kernflächenelement, wobei die zweiten Stirnflächenknoten zwischen den ersten Stirnflächenknoten angeordnet sind, und wobei das zweite Kernflächenelement metallurgisch verbunden ist mit dem ersten Kernflächenelement an einer Vielzahl von Kernknoten derart, daß die Querhalterung für das erste Kernflächenelement vorgesehen ist.

8. Struktur nach Anspruch 7, wobei entgegengesetzt zu jedem ersten Stirnflächenknoten auf jedem Stirnflächenelement ein zweiter Stirnflächenknoten auf dem anderen Stirnflächenelement ausgerichtet ist.

9. Struktur nach Anspruch 8, wobei die Kernknoten in Querrichtung relativ zu den Stirnflächenknoten positioniert sind.

10. Struktur nach Anspruch 7, wobei eine Vielzahl von zweiten Kernflächenelementen vorgesehen ist.

11. Struktur nach Anspruch 7, wobei das erste Kernflächenelement geschichtet ist und das zweite Kernflächenelement nicht geschichtet ist.

12. Metall-Sandwich-Struktur, die folgendes aufweist:

zwei Stirnflächenelemente (110, 170);

einen geschichteten Kernteil positioniert zwischen und metallurgisch verbunden mit den beiden Stirnflächenelementen unter Bildung von Stirnflächenknoten, wobei der geschichtete Kernteil kontinuierlich zwischen den Stirnflächenelementen verläuft und spitze Winkel relativ zu den Stirnflächenelementen bildet; und

ein nicht geschichteter Kernteil, der zwischen den Stirnflächenelementen positioniert und mit diesen unter Bildung von Stirnflächenknoten verbunden ist, wobei der nicht geschichtete Kernteil kontinuierlich zwischen den Stirnflächenelementen verläuft, und zwar unter Bildung von spitzen Winkeln relativ gegenüber den Stirnflächenelementen, und wobei der nicht geschichtete Kernteil den geschichteten Kernteil kontaktiert unter Bildung von Kernknoten.

13. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei der geschichtete Kernteil aus zwei Metallflächenelementen (Metallblechen) gebildet ist, und wobei der nicht geschichtete Kernteil aus einem Metallflächenelement (Metallblech) geformt ist.

14. Sandwich-Struktur nach Anspruch 13, wobei die Stirnflächenknoten längs jeder Stirnfläche zwischen geschichteten und nicht geschichteten Teilen alternieren.

15. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei die spitzen Winkel zwischen dem Kernteil und den Stirnflächenelementen im Bereich von 50º bis 65º liegen.

16. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Knoten entweder ein geschichteter Teil oder ein nicht geschichteter Teil vorhanden ist.

17. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei entgegengesetzt zu einem Stirnflächenknoten, in dem ein geschichteter Kernteil ein Stirnflächenelement kontaktiert ausgerichtet sich ein entgegengesetzt liegender Stirnflächenknoten befindet, in dem ein nicht geschichteter Kernteil das andere Stirnflächenelement kontaktiert.

18. Sandwich-Struktur nach Anspruch 13, wobei der Abstand zwischen den Stirnflächenelementen im Bereich von 2-1/2 Zoll bis 4-1/2 Zoll liegt.

19. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei die Stirnflächenelemente im wesentlichen parallel verlaufen.

20. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei die Stirnflächenelemente für eine im wesentlichen konzentrische Lage positioniert sind.

21. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei ein Teil eines der Stirnflächenelemente einen schrägen Winkel relativ zu dem anderen Stirnflächenelement bildet.

22. Sandwich-Struktur nach Anspruch 12, wobei die nicht geschichteten Kernteile im wesentlichen so dick sind wie die geschichteten Kernteile.

23. Verfahren zum Bilden einer Metall-Sandwich-Struktur mit einem teilweise geschichteten Kern aus einer Vielzahl von Metallflächenelementen (Metallblechen), wobei folgendes vorgesehen ist:

Vorsehen von zwei Stirnflächenelementen, deren jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen besitzt;

Vorsehen von mindestens drei Kernflächenelementen, deren jedes zwei entgegengesetzt liegende Hauptoberflächen besitzt;

Positionierung der Kernflächenelemente in einem Stapel unter Berührung an den Hauptoberflächen derart, daß die Stirnflächenelemente die Kernflächenelemente sandwichartig anordnen;

metallurgische Verbindung der Flächenelemente in ausgewählten Gebieten derart, daß ausgewählte Teile eines ersten der Kernflächenelemente verbunden werden mit ausgewählten Teilen von zweien der anderen der Kernflächenelemente zur Bildung von drei Flächenelementkernknoten, wobei das erste der Kernflächenelemente mit einem der anderen Kernflächenelemente verbunden ist, und zwar zwischen aufeinanderfolgenden drei Flächenelementkernknoten zur Bildung von geschichteten Kernteilen, wobei ausgewählte Teile der geschichteten Kernteile verbunden sind mit ausgewählten Teilen der Stirnflächenelemente zur Bildung von drei Flächenelement-Stirnflächenknoten, wobei ausgewählte Teile des anderen der Kernflächenelemente nicht verbunden sind mit dem ersten der Kernflächenelemente und ungeschichtete Kernteile bilden, und wobei schließlich ausgewählte Teile der anderen Kernflächenelemente verbunden sind mit den Stirnflächenelementen zur Bildung von zwei Flächenelement-Stirnflächenknoten; und

Expandieren des metallurgisch verbundenen Stapels durch superplastische Verformung unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen derart, daß die Sandwich-Struktur mit partiell geschichteten Kernteilen gestützt durch die nicht geschichteten Kernteile geformt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die metallurgische Verbindung die Diffusionsverbindung ist.

25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei ferner Teile der Flächenelemente selektiv vor dem Positionierschritt behandelt werden, um die Diffusionsverbindung an den behandelten Teilen zu verhindern.

26. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Kernflächenelemente unterschiedliche Dicke besitzen.

27. Verfahren nach Anspruch 23, wobei selektive Teile einiger der Kernflächenelemente chemisch gefräßt werden und zwar vor der Positionierung der Kernflächenelemente in dem Stapel, und zwar derart, daß relativ dünne und relativ dicke Teile auf denjenigen Flächenelementen sich ergeben, die chemisch gefräßt wurden.

28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die dünnen Teile selektiv zur Bildung von geschichteten Kernteilen verbunden werden.

29. Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine ungeradzahlige Anzahl von Kernflächenelementen vorgesehen ist.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Knoten entweder ein geschichteter Teil oder ein nicht geschichteter Teil vorgesehen ist.

31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Flächenelemente derart verbunden sind, daß nach dem Expansionsschritt für jeden drei Stirnflächenelementknoten auf dem entgegengesetzt liegenden Stirnflächenelement ein ausgerichteter Zweistirnflächenelementknoten vorgesehen ist.