DE3810865C2 - Verfahren zur Herstellung monolithischer Aluminiumstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Strukturen, die insbesondere aus Aluminium oder seinen Legierungen herge­ stellt sind. Speziell bezieht sich die Erfindung auf Aluminium oder Aluminiumlegierungsstrukturen, wie beispielsweise metal­ lische Sandwichstrukturen, die durch ein Verfahren hergestellt werden, bei dem die Feinkornentwicklung von mindestens einer Komponente der Struktur in Verbindung mit Walzverbindung und superplastischem Formen vorkommt.

Aluminium und seine Legierungen wurden durch Diffusionsverbin­ dung und insbesondere durch Walzverbindung und superplasti­ sches Formen in Baumaterialien verformt, d. h. Materialien zum Aufbau größerer Gebilde. Für viele Aluminiumlegierungen, ins­ besondere diejenigen, die auf hohe Festigkeiten wärmebehandel­ bar sind, ist die Walzverbindung und die superplastische For­ mung schwer durchzuführen. Es ist somit erwünscht, daß Alumi­ niumlegierungen eine Feinkornstruktur besitzen, damit sie wäh­ rend der Walzverbindung und des superplastischen Formungsver­ fahrens leichter deformiert und gedehnt werden können. Obwohl jedoch Verfahren entwickelt wurden, um Aluminiumlegierungen eine Feinkorngröße zu erteilen, wurden derartige Verfahren bislang nicht erfolgreich für die selektive Walzverbindung und superplastische Verformung von Aluminiumlegierungen in ge­ wünschte Strukturen angewandt.

US-PS 4 092 181 beschreibt ein Verfahren, um durch Ausschei­ dung härtbare Aluminiumlegierungen mit einer Feinkornstruktur zu versehen. Die Legierung wird zuerst auf eine Festlösungs­ temperatur erhitzt, um die Ausscheidungsbestandteile in der Legierung aufzulösen, sodann wird die Legierung abgekühlt, und zwar vorzugsweise durch Wasserkühlung, auf eine Temperatur un­ terhalb der Lösungstemperatur. Sodann wird die Legierung vergütet ("überaltert"), um Ausscheidungen zu bilden, und zwar durch Erhitzen über die Ausscheidungshärtungstemperatur für die Legierung hinaus, aber unter ihre Lösungsbehandlungstempe­ ratur (Vergütungsbehandlungstemperatur). In die Legierung wird Beanspruchungsenergie durch plastische Verformung derselben eingeführt, und zwar auf oder unterhalb der verwendeten Über­ alterungstemperatur. Sodann wird die Legierung auf einer Re­ kristallisationstemperatur gehalten, was die Entwicklung der Körner in einer Feinkornstruktur zur Folge hat.

US-PS 4 222 797 beschreibt ein Verfahren ähnlich dem gemäß US 4 092 181 und gibt zusätzliche Bedingungen für die Mini­ mierung der Korngröße an. Gemäß diesem Patent wird die Bean­ spruchungsenergie in die Legierung durch plastische Verformung derselben in einem Temperaturbereich von 193°C bis 232°C eingegeben, um deren Querschnittsfläche auf ein Minimum von insgesamt 40% zu vermindern, und zwar mindestens 25% der Flächenreduktion wird in einem einzigen kontinuierlichen De­ formationsvorgang erreicht.

US-PS 4 490 188 beschreibt ein Verfahren, um einer Aluminiumle­ gierung der Typen 2000 und 7000 eine Feinkornstruktur aufzu­ prägen. Die Legierung wird lösungsbehandelt und überaltert, um eine geeignete Ausscheidung vorzusehen. Sodann wird sie er­ weicht und stabilisiert, so daß sie bei Raumtemperatur ohne Rißbildung kaltgewalzt werden kann. Nach dem Kaltwalzen wird die Legierung auf einer Rekristallisationstemperatur gehalten, so daß neue Körner einer Kernbildung unterzogen werden und zur Bildung einer Feinkornstruktur wachsen.

US-PS 4 434 930 beschreibt ein Verfahren für die Walzverbin­ dung und Gasexpansion von Metallblechen in zusammengesetzte Strukturen. Das Verfahren sieht die Verwendung von mindestens zwei flachen Blechen aus dehnbarem (formbarem) Metall, wie beispielsweise Aluminium, vor und es wird ferner ein ausgewähltes Muster aus einem Stopp-Material zwischen mindestens zwei benachbarten Metallblechen verwendet, wobei das Stopp-Material thermisch zerlegbar ist, um ein Gas dann zu erzeugen, wenn die Temperatur über eine gegebene Tem­ peratur hinaus angehoben wird, wobei ein erster Teil des Stopp-Materials Gas bei der Sintertemperatur erzeugt und der zweite Teil Gas oberhalb einer vorbestimmten Temperatur höher als der Sintertemperatur erzeugt. Ein solches Verfahren hat jedoch oft die Trennung und Deformation der an das Stopp-Ma­ terial angrenzenden Bleche zur Folge.

Typischerweise besitzt eine gemäß bekannten Verfahren herge­ stellte dreiblechige Binder- oder Bauteil-Kernsandwichstruktur ein dünnes Mittelkernblech. Das Mittelblech ist dünner als die äußeren Bleche, so daß es superplastisch in einem größeren Ausmaß gedehnt werden kann als die äußeren Bleche, um die ge­ wünschte mittige Verstärkungsstruktur zu erhalten, ohne uner­ wünschte Nuten oder Kissen in die äußeren Bleche zu bringen. Nach der superplastischen Verformung war dieses mittige oder zentrale Blech oftmals jedoch zu dünn, um der Sandwichstruktur die notwendige Druckfestigkeit zu erteilen, um das Zusammen­ sinken der Struktur bei der Anlage von Drucken im Normalge­ brauch zu verhindern. Die bekannten Verfahren haben somit den Nachteil, daß sie typischerweise nicht in der Lage sind, Sand­ wichstrukturen mit einer starken mittigen Verstärkungsstruktur zu schaffen, wenn nicht außerordentlich dicke Ausgangsmaße für die äußeren Bleche verwendet werden, was oftmals teure chemische Verdünnungsstufen nach der superplastischen For­ mungsstufe erforderlich macht, um das Minimalgewicht für den Teil zu erreichen.

Die folgende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfah­ ren zur Herstellung von Aluminiumstrukturen aus einer Vielzahl von wärmebehandelbaren Aluminiumkomponenten oder Blechen anzu­ geben, und zwar dadurch, daß man mindestens einem dieser Ble­ che eine Feinkornstruktur im Zusammenhang mit den Schritten des Walzverbindens und superplastischen Verformens der Bleche erteilt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein effektives Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsstrukturen vorzusehen, wie beispielsweise von Binder- oder Bauteilkern­ sandwichstrukturen, und zwar aus einer Vielzahl von aneinander grenzenden wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungsblechen, dadurch daß man mindestens einem dieser Bleche, insbesondere dem Mittelblech, eine gewünschte Feinkornstruktur erteilt, und zwar in Verbindung mit der Walzverbindung und der superplasti­ schen Formung der Aluminiumlegierungsbleche.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für die Walzverbindung und die superplastische Verformung einer Vielzahl von Aluminiumlegierungsblechen anzugeben, und zwar einschließlich der Wärmebehandlung von mindestens einem der Bleche sowohl vor als auch nach der Walzverbindung, um eine Feinkornstruktur zu erzeugen, die insbesondere den super­ plastischen Formungsvorgang erleichtert.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung einer monolithischen Aluminiumlegie­ rungsstruktur vorgesehen, wie beispielsweise einer Binder- oder Bauteil-Kernsandwichstruktur, und zwar aus einer Vielzahl von Aluminiumlegierungsblechen, wobei folgende Schritte vorge­ sehen sind:
Erteilen einer gewünschten Mikrostruktur in selektiver Weise den entsprechenden Blechen durch isothermische Alterung oder durch Alterung bei gesteuerter langsamer Abkühlung,
Vorsehen eines Stopp- oder Trennmaterials an ausgewählten Ge­ bieten oder Flächen der entgegengesetzt liegenden Oberflächen der Bleche, wo es erwünscht ist, daß die Bleche nicht mitein­ ander verbunden werden sollen,
Übereinanderstapeln der Bleche,
Walzverbindung der Außenoberflächen des Stapels der Bleche,
wobei der Walzbindedruck eine hinreichende Größe besitzt, um die Bleche physikalisch zu deformieren und die Bleche mitein­ ander an den Teilen zu verbinden, wo das Stopp-Material nicht aufgebracht wurde,
schnelles Erhitzen des walzverbundenen Blechstapels unter Be­ dingungen zur Rekristallisierung der Legierung in einem oder mehreren Blechen in eine Feinkornstruktur, und
superplastische Verformung des Blechstapels in eine gewünschte monolithische Struktur.

Verschiedene Alterungs- und Erwärmungsbehandlungsverfahren können vor dem Walzverbinden des Stapels aus Aluminiumlegie­ rungsblechen ausgeführt werden, um die Herstellung einer Fein­ kornaluminiumlegierungsstruktur in mindestens einem der Bleche vor dem superplastischen Formungsvorgang zu erleichtern.

Gemäß einem weiteren Merkmai der Erfindung kann die thermische Zerlegung organischer Verbindungen als Stopp-Materialien ver­ wendet werden, und zwar aufgebracht an denjenigen Gebieten, wo die Verbindung verhindert werden soll, und wobei diese Mate­ rialien sich während der auf die Kaltwalzverbindung folgenden Wärmebehandlung in Gase zerlegen. Gemäß der Erfindung sind thermisch sich zerlegende Verbindungen nur in einer solch ge­ nügenden Menge vorhanden, daß eine geringfügige Blähung der nicht verbundenen Gebiete erzeugt wird. Nach einer derartigen partiellen Expansion während der Wärmebehandlung zum Erhalt der Feinkornrekristallisation werden Rohrverbindungen vorgese­ hen, die mit den geblähten Gebieten in Verbindung stehen und die gesamte Anordnung oder das Sandwich wird in einer erwärm­ ten einschränkenden Form derart angeordnet, daß eine gesteuer­ te superplastische Ausdehnung ausgeführt werden kann. Auf die­ se Weise kann ein optimierter superplastischer Formprozeß mit gesteuerter Beanspruchungsrate ausgeführt werden, um den fer­ tigen, monolithischen expandierten Teil herzustellen, der eine Endform aufweisen kann, die nur durch eine optimierte gesteu­ erte superplastische Expansion erreichbar ist.

Die vor der Kaltwalzverbindungsstufe ausgeführte Alterungsbe­ handlung an den Aluminiumblechen kann in unterschiedlicher Weise an den verschiedenen Blechlagen in einem Stapel oder Sandwich derart ausgeführt werden, daß die sich schließlich ergebenden Korngrößen jeder Lage oder Schicht derart zuge­ schnitten sind, daß die schließliche superplastische Expan­ sionsstufe optimiert wird. Auf diese Weise kann in einem drei­ blechigen Binder- oder Bauteil-Kernsandwich das dünne Mittel­ blech eine sehr feine Korngröße besitzen, so daß es weiter gestreckt werden kann als die zwei äußeren Bleche, die eine relativ grobe Korngröße aufweisen. Die superplastische For­ mungsexpansion oder Ausdehnung dieses Sandwich erfolgt dann mit einer signifikanten niedrigeren Flußbeanspruchung in dem feinkörnigen Mittelblech als in den äußeren Blechen. Die Fä­ higkeit individuelle Korngrößen des Blechs zuschneidern zu können, sieht einen zusätzlichen Grad an Flexibilität vor.

Nach der Kaltwalzverbindung und vor der superplastischen Ver­ formung werden zur Erzeugung bestimmter gewünschter Feinkorn­ strukturen in einem oder mehreren der Aluminiumlegierungsble­ che des walzverbundenen Stapels diese Bleche einer schnellen Erwärmung ausgesetzt, die ausreicht, um das Material auf eine feine Korngröße zu rekristallisieren.

Nach der superplastischen Verformung kann eine abschließende Wärmebehandlung der Bleche der ergebenden Sandwichstruktur vorgenommen werden, um der Aluminiumlegierung eine gewünschte Festigkeit oder Zähigkeit aufzuprägen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht von zwei Blechen aus wärmebehandel­ barer Aluminiumlegierung mit einer an einem ausgewähl­ ten Gebiet der entgegengesetzt liegenden Oberflächen der Bleche aufgebrachten Stopp-Verbindung, und zwar ausgesetzt gegenüber dem Walzverbindungsprozeß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Bleche der Fig. 1 nach Vollen­ dung des Walzverbindungsprozesses, wobei das Gebiet dargestellt ist, wo Stopp-Material aufgebracht wurde;

Fig. 3 einen Querschnitt der Bleche längs Linie 3-3 in Fig. 2, wobei ein Rohr dargestellt ist, welches durch das obere Blech eingesetzt ist und zur Strömungsmittelverbindung mit dem Hohlraum dient, der durch die Blechexpansion an dem Gebiet gebildet wurde, wo das Stopp-Material aufge­ bracht wurde, und wobei durch dieses Rohr unter Druck stehendes Gas dorthin geleitet wird;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht ähnlich der Fig. 3, wobei hier die expandierten oder ausgedehnten Bleche nach Vollen­ dung des superplastischen Formverfahrens dargestellt sind;

Fig. 5 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Walzverbindungsver­ fahrens, verwendet bei einem Stapel aus drei Blechen zur Herstellung einer Binder- oder Bauteilkernsandwich­ struktur;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Bleche der Fig. 5 nach Vollendung des Walzverbindungsprozesses, wobei die Gebiete veranschaulicht sind, wo Stopp-Material zwi­ schen benachbarten Oberflächen der Bleche aufgebracht wurde;

Fig. 7 einen Querschnitt der Blechanordnung der Fig. 6, und zwar längs Linie 7-7 in Fig. 6, und zwar angeordnet in einer Form, nachdem die Bleche superplastisch in der Form in eine Dreiblechbinder-Kernstruktur umgeformt wurden;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der in Fig. 5 gezeigten Bleche nach Vollendung des Walzverbindungsprozesses, wobei eine Injektionsnadel zwischen Kantenteile der Bleche eingesetzt ist, um unter Druck stehendes Gas in das mit Stopp-Material behandelte Gebiet zum Zwecke der superplastischen Formung einzugeben;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der Dreiblechbinder-Kern­ struktur gemäß Fig. 7;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Form einer Binderkernstruktur, die durch das erfindungsge­ mäße Verfahren herstellbar ist.

Sämtliche Figuren sind schematische Darstellungen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrie­ ben.

Die vorliegende Erfindung zur Herstellung monolithischer Alu­ miniumstrukturen, wie beispielsweise von Binderkernsandwich­ strukturen sieht zuerst die Feinkornverarbeitung von Alumi­ niumblechen gemäß US-Patent 4 092 181 und 4 222 797 zur Her­ stellung einer spezifischen überalterten Mikrostruktur in mindestens einem Blech der Blechanordnung durch isothermische Alterung oder absichtliche langsame Abkühlung, gefolgt von Kaltwalzverbindung, Rekristallisationsanlassen und superpla­ stischer Verformung vor.

Die einzelnen die endgültige strukturelle Anordnung bildenden Bleche werden verarbeitet, um eine ausgewählte Korngröße für jedes der Bleche zu erhalten. Demgemäß wird der Prozeß ge­ steuert, um die jeweils erforderliche Korngröße für jedes der Bleche in der Anordnung zu erhalten, sei es nun feineres oder gröberes Korn. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, ein drei­ blechiges Binder-Kernendprodukt herzustellen, so ist es zweck­ mäßig, daß das Mittelblech eine sehr feine Korngröße besitzt, wobei die äußeren beiden Bleche grobkörnig gemacht sind, was diese bei einer erhöhten Temperatur unter langsamen Beanspru­ chungsratenbedingungen verhältnismäßig steif macht, verglichen mit dem inneren Blech. Demgemäß kann die Korngröße in jedem Blech auf eine unterschiedliche spezifische Mikrostruktur durch Steuerung der individuellen Alterungsbehandlungen der Bleche zum Erhalt unterschiedlicher Mikrostrukturen ausgelegt werden, um so zu ermöglichen, daß eines der Bleche, beispiels­ weise das Mittelblech, mit feinster Korngröße sich leichter ausdehnt als die anderen.

Nach den Alterungsbehandlungen zum Erhalt der gewünschten Korngröße für jedes der Bleche der Anordnung werden die Bleche für die Walzverbindung vorbereitet, und zwar durch Aufbringen eines Stopp- oder Trennmaterials auf denjenigen Gebieten oder Flächen der Bleche (allgemein Flächenelemente), wo die Verbin­ dung verhindert werden soll. Vorzugsweise werden thermisch sich zerlegende Trennmaterialien verwendet, wie beispielsweise Calciumcarbonat, oder organische Verbindungen, wie beispiels­ weise Epoxyharze, können nur in hinreichenden Mengen verwendet werden, um eine leichte Wölbung der nicht verbundenen Gebiete zu erzeugen. Dieses Merkmal erleichtert die Lokalisierung des Trennmusters, um den Einsatz des Rohrs für die superplastische Verformung vorzubereiten. Es können jedoch auch andere Verfah­ ren zur Bezeichnung des Trennmusters verwen­ det werden. Wenn somit ein sich nicht zerlegendes Trennmate­ rial, wie beispielsweise Bornitrid, verwendet wird, so kann ein Index oder Anzeigesystem dazu benutzt werden, um die Trenngebiete zu lokalisieren, oder aber ultrasonische Vorrich­ tungen können zu diesem Zweck eingesetzt werden.

Die Walzverbindung des mit Trennmaterial behandelten Stapels aus Blechen (allgemein Flächenelementen) wird als ein Kalt­ walzvorgang ausgeführt, und die Walzwerksteuerungen können derart eingestellt werden, daß man eine sehr präzise Walzre­ duktion für jedes der Bleche in der Anordnung erreicht, bei­ spielsweise eine Reduktion von 40 bis hinauf zu 80 bis 90%. Nach der Walzverbindung wird ein Anlassen mit schneller Heiz­ rate der Anordnung unter Bedingungen zur Rekristallisation von mindestens einem der Bleche in der Anordnung, beispielsweise des Mittelblechs, einer Dreiblechbinderkernstruktur zu einer Feinkorngröße, beispielsweise weniger als 14 µm in einer Alumi­ niumlegierung vom Typ 7475 ausgeführt. Dies ist eine Sinterbehandlung, wel­ che eine wesentlich stärkere Verbindung zwischen den Blechen bewirkt oder beeinflußt. Um diese Rekristallisation zu bewir­ ken, ist eine schnelle Erwärmung erforderlich, beispielsweise auf eine Temperatur von ungefähr 516°C für eine Alumi­ niumlegierung vom Typ 7475. Wenn das Heizen mit einer langsamen Rate oder Geschwindigkeit ausgeführt wird, so ergibt sich eine grobe Kornstruktur, wobei aber noch immer die Verbindungsfestigkeit verbessert wird.

Nach der Rekristallisation kann man die Anordnung in einer nicht kontrollierten oder gesteuerten Art und Weise abkühlen lassen, um die einfache Handhabung der Anordnung auf dieser Stufe zu gestatten. Gasnadeln können von der Kante her in den Pack oder Stapel in die nicht verbundenen Gebiete der Anord­ nung eingeführt werden, die Anordnung wird sodann für den su­ perplastischen Formungsvorgang in ein geheiztes Werkzeug oder die Form eingesetzt. Im Werkzeug wird der verbundene Pack su­ perplastisch unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingun­ gen, wie beispielsweise 516°C und 6,89 bis 137,89 bar verformt, und zwar durch Einführung irgend eines geeigneten inerten Gases, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon, und zwar vorzugsweise dem letztgenann­ ten Gas, in die nicht verbundenen Gebiete oder Zonen zwischen den Flächenelementen (Blechen), um das Strecken eines der Ble­ che, wie beispielsweise des Mittelblechs, an den nicht verbun­ denen Flächen in Berührung mit der Oberfläche des Werkzeuges hervorzurufen, um so den expandierten oder ausgedehnten Teil der Anordnung zu bilden.

Auf diese Weise kann ein kontinuierliches Verfahren ausgeführt werden, wobei ein Stapel aus drei Wickeln oder Blechen aus Aluminiumlegierung durch ein Ende einer Walzverbindungsvor­ richtung läuft und ein einziger Wickel aus walzverbundenem Material am entgegengesetzten Ende der Vorrichtung austritt. Das walzverbundene Produkt kann sodann getrennt werden, schnell zur Erreichung der Rekristallisation erhitzt werden, wobei gleichzeitig die Diffusionsverfestigung der Bindung er­ folgt, und sodann läßt man die Anordnung abkühlen und transfe­ riert sie in ein superplastisches Formwerkzeug in einer Heiß­ presse. In einigen Fällen dann die schnelle Erhitzungs/Rekri­ stallisationsstufe bewirkt werden, während die Erhitzung im superplastischen Formwerkzeug erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei wärmebehandelbaren Alu­ miniumlegierungen anwendbar, wie beispielsweise den Legierungen vom Typ 2000, 5000, 6000, 7000 und 8000 insbesondere bei der Legierung 7475 und der Legierung 2024.

Die genannte Klassifizierung der Aluminiumlegierungen erfolgt gemäß den Standards der US-amerikanischen Aluminum Associa­ tion (Aluminum Standards and Data, Washington DC, 1982). Dabei umfassen Legierungen vom Typ 2000 Aluminiumlegierungen mit Kupfer als Hauptlegierungszusatz (entsprechend AlCuX gemäß DIN 1700, wobei X den ungefähren Gehalt des Legie­ rungszusatzes in % angibt, vgl. auch DIN 1725), und Legierungen vom Typ 7000 sind Aluminiumlegierungen mit Zink und Magnesium als Hauptlegierungszusatz (entsprechend AlZnXMgY gemäß DIN 1700, wobei X den ungefähren Gehalt des ersten Legierungszusatzes in % und Y den ungefähren Gehalt des zweiten Legierungszusatzes in % angibt). Es sei bemerkt, daß die hier verwendete Bezeichnung "vom Typ 2000" sämtliche Legierungen der 2000er Serie gemäß der amerikanischen Klassifizierung bezeichnen soll, d. h. die Legierungen mit der Bezeichnung 2000 bis 2999. Entsprechendes gilt für die anderen genannten Legierungen.

Wie zuvor erwähnt, werden die die Aluminiumstruktur bildenden Aluminiumbleche anfangs behandelt, um eine bestimmte gewünsch­ te Mikrostruktur zu erhalten. Zu diesem Zweck kann bzw. können eines oder mehrere der Bleche entweder einer isothermischen Alterung ausgesetzt werden oder einem absichtlich langsamen Abkühlverfahren.

Bei dem isothermischen Alterungsverfahren, dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel, wird die durch wärmebehandelbare Aluminiumle­ gierung als erstes auf eine Festlösungstemperatur, beispiels­ weise 493°C, erhitzt, bei der mindestens ein Teil der Ausfäl­ lunger(in der Legierung aufgelöst werden. Dies läßt die Legie­ rung in einem grobkörnigen Zustand zurück. Sodann wird die Le­ gierung abgekühlt, und zwar vorzugsweise durch Wasserabkühlung auf annähernd Raumtemperatur, um die Legierungslösung schnell abzukühlen. Daraufhin wird die Legierung einer isothermischen Erwärmung ausgesetzt, die als "Überalterung" bezeichnet wird, und zwar auf eine Temperatur unterhalb derjenigen Temperatur, die für das anfängliche Erhitzen erforderlich ist, um so eine spezifische überalterte Mikrostruktur zu erhalten.

Die Temperatur und Dauer des isothermischen Heizschrittes kann entsprechend der verwendeten Legierung variieren. Für eine Aluminiumlegierung vom Typ 7000 wird die Legierung vorzugsweise auf eine Temperatur von annähernd 399°C für eine Zeitdauer von ungefähr 8 Stunden erhitzt; es kann aber eine Temperatur bis hinab zu 349°C für eine längere Zeitdauer für die Legierungen vom Typ 2000 verwendet werden. Ein zusätzlicher Schritt kann ausgeführt werden, um die Matrix zu erweichen, ohne die spezifische überalterte Mikrostruktur zu schädigen, die zum Erhalt einer Feinkornstruktur benötigt wird. Dies umfaßt eine weitere isothermische Alterungswärmebehandlung bei einer nie­ drigeren Temperatur als der vorhergehenden Überalterungsbe­ handlung. Die Temperatur und Dauer dieser zusätzlichen iso­ thermischen Wärmebehandlung kann sich auch entsprechend der Art der verwendeten Legierung ändern. Für eine Aluminiumlegierung vom Typ 7000 wird die Aluminiumlegierung vorzugsweise auf eine Temperatur von annährend 235°C für eine Dauer von annähernd 24 Stunden zur Erweichung der Legierung erhitzt, und zwar gefolgt von einer Abkühlung auf ungefähr Raumtemperatur. Für eine Legierung vom Typ 2000 wird die zweite isothermische Wärmebehandlung eliminiert. Die Legierung vom Typ 2000 wird statt dessen dadurch weichgemacht, daß man sie einer gesteuer­ ten langsamen Abkühlung auf unterhalb annähernd 199°C aus­ setzt. Diese langsame Abkühlrate oder -geschwindigkeit wird ausgeführt mit einer Rate von annähernd 10°C bis 28°C pro Stunde.

Anstelle der oben beschriebenen isothermischen Alterungsbe­ handlung wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel statt dessen eine beabsichtigte oder gesteuerte langsame Abkühlung ausge­ führt, und zwar darauf folgend auf den anfänglichen Erwärmungs­ schritt auf die Festlösungstemperatur. Die gesteuerte oder kontrollierte langsame Abkühlung kann beispielsweise für Legierungen vom Typ 7000 annähernd 20°C pro Stunde bis hinab auf ungefähr Raumtemperatur ausgeführt werden. Diese gesteuerte langsame Abkühlung sieht die überalterte Mikrostruktur vor, die für die darauffolgende Entwicklung einer Feinkornstruktur wesentlich ist, während gleichzeitig eine vernünftige Ziehfä­ higkeit durch Erweichung der Matrix sichergestellt wird.

Nach der Wasserabkühlung und isothermischen Erwärmung im er­ sten Ausführungsbeispiel und nach der gesteuerten langsamen Abkühlung des zweiten Ausführungsbeispiels werden die Legie­ rungsbleche zusammengebaut oder gestapelt und wie in Fig. 1 gezeigt, kaltgewalzt. Fig. 1 zeigt zwei mit dem Bezugszeichen 12 und 14 versehene Bleche, die einem Druck ausgesetzt werden, der durch die Walzen 16 und 18 ausgeübt wird. Dieses Kaltwal­ zen wird vorzugsweise bei annähernd Raumtemperatur ausgeführt. Trenn- oder Stopp-Material 20 ist in geeigneter Weise zwischen den Blechen 12 und 14 an ausgewählten Oberflächengebieten vor der Walzverbindung angeordnet, um die Verbindung dieser Bleche an diesen Gebieten 22 und 24 zu verhindern. Das Kaltwalzen verformt die Bleche plastisch und die Legierungsbleche können kaltgewalzt werden, um eine substantielle Dickenreduktion, beispielsweise bis zu 94% Reduktion, zu erreichen. Die Korn­ struktur der durch ein Verfahren einschließlich Kaltwalzen verarbeiteten Legierung ist kleiner als die Kornstruktur ähn­ licher Legierungen, verarbeitet durch ein Verfahren ein­ schließlich Warmwalzen. Die Verbesserung der Feinkornstruktur in den kaltgewalzten Legierungen ist auf die Tatsache zurück­ zuführen, daß das Kaltwalzen mehr gespeicherte plastische Be­ anspruchungsenergie als das Warmwalzen erzeugt. Die zuvor aus­ geführten Alterungsschritte unterstützen bei der Verhinderung von Beanspruchungsrissen der Legierung während des Kaltwalz­ schrittes.

Der Schritt der plastischen Beanspruchung Legierung durch das Walzen zur Erzeugung einer Feinkornstruktur wird mit dem Walzverbinden der Bleche 12 und 14 kombiniert. Das Aufbringen von Walzdruck auf die Bleche 12 und 14, ausreichend zur pla­ stischen Verformung und Streckung der Bleche ergibt ein Weg­ brechen und eine Trennung des Aluminiumoxids und anderer Ober­ flächenverunreinigungen, um so Räume übrig zu lassen, zwischen denen Freiheit von Aluminiumoxid und anderen Verunreinigungen herrscht.

Das Trennmaterial 20 ist deformierbar und dehnt sich daher zu­ sammen mit der Aluminiumlegierung; das Aluminiumoxid ist je­ doch nicht deformierbar und reißt unter dem Walzdruck auf und läßt saubere Räume oder Gebiete dazwischen zurück. Die saube­ ren Oberflächen frei von Aluminiumoxid sind erforderlich, um Aluminium an benachbarten Oberflächen durch Walzen zu verbin­ den. Da infolgedessen dieses Walzen Oberflächengebiete in mit­ einander in Eingriff stehenden oder sich berührenden Blech­ stirnflächen erzeugt, die sauber sind, kann das Walzen, wenn es mit einem hinreichenden Druck ausgeführt wird, die Verbin­ dung der Bleche 12 und 14 miteinander dort zur Folge haben, wo kein Trennmaterial vorhanden ist. Obwohl etwas Aluminiumoxid und andere Verunreinigungen zwischen den Blechen 12 und 14 während des Walzprozesses verbleiben, reichen sie nicht aus, um die Verbindung der Bleche zu verhindern; damit jedoch eine solche Verbindung hergestellt wird, ist es notwendig, daß der Walzdruck die Bleche mit einer Größe derart streckt, daß hin­ reichend große Flächen von inneren Oberflächen der Bleche 12 und 14 vorgesehen werden, die frei von Aluminiumoxid und ande­ ren Verunreinigungen sind.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist gemäß Fig. 5 ein dreiblechiges 12, 13 und 14 Layout beansprucht (gedehnt) und verbunden mittels der Walzen 16 und 18 gezeigt. Die mit Trenn­ material versehenen Gebiete 22 sind deutlich in Fig. 6 darge­ stellt.

Um gewisse erwünschte Feinkornstrukturen in den Aluminiumle­ gierungen zu erzeugen, müssen nach dem Walzverbinden diese Legierungen einer schnellen Erwärmung ausgesetzt werden, die ausreicht, um die Matrix um die Ausfällungen darinnen zu re­ kristallisieren und die Verbindung durch Diffusion verfesti­ gen. Die Erwärmungsrate und die Endtemperatur der walzverbun­ denen Bleche, die während des schnellen Erwärmungsschrittes erreicht werden, hängen von der speziellen verwendeten Legie­ rungsart ab und dem Ausmaß der gewünschten Feinheit der Korn­ struktur. Die Erwärmungsrate oder -geschwindigkeit kann in einem Bereich von 0,5°C bis ungefähr 555°C pro Minute liegen und die erreichte Endtemperatur kann in einem Bereich von unge­ fähr 232°C bis ungefähr 532°C liegen, beispielsweise unge­ gefähr 515°C für die Aluminiumlegierung 7475 betragen. Während der Rekristallisation werden neue Körner durch Kernbildung vor­ gesehen und wachsen zur Bildung einer Feinkornstruktur. Der Stapel aus Blechen wird sodann abgekühlt, beispielsweise auf Umgebungstemperatur.

Wenn ein thermisch zerlegbares Stopp- oder Trennmaterial ver­ wendet wurde, so setzt dieses während der oben erwähnten Nach­ walzverbindungswärmebehandlung ein Gas frei, welches die auf­ geblähten Gebiete 22, 24 gemäß Fig. 3 bildet und einen Hohl­ raum 26 zwischen den Blechen vorsieht. Nach der Rekristalli­ sation und Abkühlung des walzverbundenen Stapels kann ein oder mehrere Löcher 28 in geeignete Teile der Bleche- benachbart zu den geblähten Gebieten 22, 24 gebohrt werden, um eine Nadel oder ein geeignetes Rohr 30 darinnen einzusetzen, um über ge­ eignete (nicht gezeigte) Durchlässe zwischen den Blechen 12 und 14 eine Verbindung mit diesen geblähten Gebieten vorzuse­ hen. Ein geeignetes Abdichtelement 32 wird zwischen dem Rohr und der Öffnung 28 angeordnet, um in effektiver Weise das Rohr in der Öffnung zu versiegeln.

Anstelle des Vorsehens geblähter Gebiete 22, 24 und anstelle des Einsetzens eines Gasinjektionsrohrs 30 in eine Öffnung 208 zur Verbindung mit diesen geblähten Gebieten wie in Fig. 3 kann darauf folgend auf die Walzverbindung und den darauf fol­ genden schnellen Heizschritt eine oder mehrere Injektionsnadeln 30′ für Druckgas in die Kanten der Bleche, wie in Fig. 8 ge­ zeigt, eingesetzt werden. Ein spezieller Dorn oder ein (nicht gezeigter) Bohrer können dazu verwendet werden, um einen Tun­ nel 34 von den Kantenteilen der Bleche zu dem Gebiet 32′ vor­ zusehen, wo das Stopp-Material vorgesehen wurde. Die Gebiete, wo das Stopp-Material vorgesehen war, können durch geeignete (nicht gezeigte) Anzeigemittel bestimmt sein. Eine Gasinjek­ tionsnadel, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, oder ein geeig­ netes Rohr 30′ wird in den Tunnel 34 eingesetzt und damit ver­ siegelt, und zwar durch Pressen der Bleche gegen die Nadel. Das Pressen der Bleche gegen die Nadel unter Verwendung hohen Druckes sieht eine dichte Passung zwischen Nadel und Blechen vor. Eine Stange oder Platte 36 mit einer Nut, die eng der Na­ del angepaßt ist, kann benachbart zur Nadel angeordnet werden, wodurch verhindert wird, daß eine übermäßige Deformation der Nadel selbst während des superplastischen Formvorgangs auf­ tritt und wobei eine dichte Abdichtpassung (Fest- oder Preßsitz) zwischen der Nadel und den Blechen vorgesehen wird. Der Preßvorgang wird vorzugsweise bei einer superplastischen Formtemperatur ausgeführt, und zwar während des darauf­ folgenden superplastischen Formvorgangs, um niedrigere Preßlasten zu ermöglichen, wodurch verhindert wird, daß das Aluminiumstirnflächenblech um die Injektionsnadel herum reißt.

Die in Fig. 3 oder 8 gezeigte Blechanordnung ist nunmehr für die superplastische Formung fertig und diese Blechanordnung wird innerhalb einer superplastischen Formungsform 38 gemäß Fig. 7 positioniert, so daß die gesteuerte superplastische Dehnung des Sandwichs ausgeführt werden kann. Die Form ist auf die superplastische Formtemperatur, beispielsweise 960°F, erhitzt.

Unter Druck stehendes Gas, beispielsweise Argon, mit einem Druck von beispielsweise ungefähr 13.79 bar wird durch das Rohr oder die Nadel 30 oder 30′ in den Hohlraum 26, gebildet durch die geblähten Teile 22, 24 oder in die mit Stopp-Material behandelten Gebiete 32′ inji­ ziert. Die in Fig. 7 zu sehenden Bleche 12, 13 und 14 werden dadurch expandiert und superplastisch in die gewünschte Form und Struktur verformt. Die superplastische Ausdehnung in die gewünschten Struktur kann durch konventionelle superplastische Formverfahren erreicht werden. Ein derartiges konventionelles Verfahren kann beispielsweise das in US-PS 3 927 817 oder 4 181 000 oder 4 483 478 beschriebene sein.

Fig. 4 zeigt die expandierten Bleche 12 und 14 in den gebläh­ ten Gebieten 22 und 24 der Fig. 3, und zwar darauffolgend auf die superplastische Formung in einer Form, wie beispielsweise der Form 38 in Fig. 7.

Die Fig. 7 und 9 zeigen die dreiblechige Binder- oder Bauteil- Kernsandwichstruktur, die sich aus der superplastischen Ver­ formung der Bleche 12, 13 und 14 der Anordnung der Fig. 8 in­ nerhalb der Form 38 ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, daß die Bleche 12 und 14 in Fig. 1 oder 12, 13 und 14 in Fig. 5 individuell vor dem Walzen verarbeitet werden; dies gestattet, daß die verarbeite­ ten Bleche voneinander unterschiedliche Kornstrukturen besit­ zen. Die superplastischen Deformationseigenschaften jedes Ble­ ches können somit voneinander unterschiedlich sein und sie sind in einzigartiger Weise auf die Erfordernisse der ge­ wünschten Endstruktur zugeschnitten. Beispielsweise kann bei einer üblichen in Fig. 7 gezeigten dreiblechigen Binder- oder Bauteil-Kernsandwichstruktur das Mittelblech 13 durch das er­ findungsgemäße Verfahren in eine sehr feine Korngröße besit­ zende Aluminiumlegierung verarbeitet werden, während die zwei äußeren Bleche 12 und 14 relativ grobe Korngrößen besitzen. Infolge der unterschiedlichen Kornstrukturen der Bleche kann das Mittelblech einfach und/oder in einem größeren Ausmaß als die äußeren Bleche deformiert und gedehnt werden. Zudem kann das Mittelblech dicker sein als die äußeren Bleche und kann auch immer in einem größeren Ausmaß als die äußeren Bleche deformiert und gedehnt werden, weil feinkörnige Aluminium­ legierungen im allgemeinen wesentlich geringere superplasti­ sche Flußbeanspruchungen und wesentlich größere superplasti­ sche Formfähigkeiten besitzen als die relativ grobkörnigen Aluminiumlegierungen. Auf diese Weise ergibt sich eine größere Verschiedenheit von Kombinationen von Graden und Dicken der Bleche, die in integraler Weise in die gewünschte Struktur gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien verformt werden können.

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der Bauteil- oder Binder-Kern­ sandwichstruktur, die gemäß der Erfindung hergestellt werden kann.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, und zwar angewandt auf eine Legierung vom Typ 2000 (2024) und eine Legierung vom Typ 7000 (7475).

Beispiel 1 - Aluminiumlegierung 2024

Die Legierung 2024 ist eine ausscheidungsgehärtete auf Alumi­ nium basierende Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung von: 4,5% Cu, 1,5% Mg, 0,6% Mn (entspricht etwa AlCu 5 Mg). Zwei Bleche aus der Legierung werden lösungsbehandelt bei 493°C und zwar für 3 Stunden und darauf folgend durch Wasser gekühlt. Die Bleche werden einer isothermischen Erhitzung bei 399°C 8 Stunden lang ausge­ setzt, und zwar entsprechend dem Verfahren gemäß US-PS 4 092 181. Nach dem Abkühlen auf 199°C mit einer gesteuerten Geschwindigkeit von ungefähr 10°C pro Stunde, gefolgt von Luftkühlung von 199°C auf Raumtemperatur, wie in US-PS 4 490 188 beschrieben, wird ein Stopp- oder Trennmate­ rial in der Form eines thermisch zerlegbaren Epoxyharzes auf vorgewählte Gebiete von entgegengesetzt liegenden Oberflächen der Bleche aufgebracht.

Die Bleche werden sodann sandwichartig zusammengebracht und es wird Druck mittels der Walzen bei Raumtemperatur auf die Außen­ oberflächen der Bleche ausgeübt. Der Walzdruck erzeugt eine Verbindung in den Gebieten, wo das Stopp-Material nicht aufge­ bracht wurde und es wird auch die Beanspruchungsenergie vorge­ sehen, die notwendig ist, um die Legierung plastisch zu defor­ mieren und die erforderliche Gitterbeanspruchung aufzuprägen.

Das Kaltwalzen kann eine 80- bis 94%ige Reduktion der Dicke der Bleche erzeugen, und zwar mit einem entsprechend hohen Dehnungsausmaß der Bleche.

Nach dem Kaltwalzvorgang wird eine schnelle Erhitzung bei un­ gefähr 515°C zur Rekristallisierung der Matrix um die Ausscheidungen (Ausfällungen) herum durchgeführt. Während dieser Erhitzung gibt das Trenn- oder Stopp-Off-Material Gas frei, was geblähte Gebiete zwischen gewissen Oberflächenteilen der Bleche bildet. Nach dem Abkühlen der Bleche wird ein Loch gebohrt und es wird ein Rohr eingesetzt, um den Gaszugang zu den geblähten Gebieten vorzusehen, wie dies oben beschrieben wurde. Die Bleche haben nunmehr die gewünschte feine oder grobe Kornstruktur in Vorbereitung für die superplastische Verformung derselben. Daraufhin werden die Bleche in einer superplastischen Formungsform angeordnet.

Wenn die Bleche weiter auf die superplastische Temperatur von ungefähr 515°C erhitzt werden, so wird unter Druck stehendes Argongas mit ungefähr 13.79 bar durch das Rohr injiziert und dehnt dabei Teile der Bleche während des superplastischen Formvorgangs aus. Die Bleche werden mittels des Gasdruckes ex­ pandiert, bis sie vollen Kontakt mit der Form der Formoberflä­ che, in der die Bleche angeordnet sind, machen und sie sich der Formoberfläche anpassen.

Nachdem die Bleche superplastisch in die gewünschte endgültige monolithische expandierte Struktur verformt wurden, können übliche Endwärmebehandlungen vorgenommen werden, beispielswei­ se gemäß dem Verfahren T62 durch Lösungsbehandlung bei ungefähr 493°C, gefolgt von Wasserkühlung, gefolgt von Alterung bei 191°C über 9 Stunden hinweg, um so die gewünschte Festigkeit oder Zähig­ keit der Aluminiumlegierung aufzuprägen.

Das Verfahren T62 ist gemäß den Standards der US-amerikani­ schen Aluminum Association (Aluminum Standards and Data, Washington DC, 1982) ein Verfahren, bei dem das betreffende Material lösungswärmebehandelt wird, und zwar vom verarbei­ tenden Betrieb und nicht vom Aluminiumhersteller, ausgehend von dem angelassenen oder unbehandelten Tempermaterial durch Erwärmen über die Solidus- oder Löslichkeitstemperatur der Hauptlegierungszusätze gefolgt von Abschrecken mit Wasser, wobei danach eine künstliche Alterung bei einer mittleren Temperatur über eine ausreichende Zeit hinweg stattfindet, um maximale Härte zu erreichen.

Beispiel 2 - Aluminiumlegierung 7475

Die Legierung 7475 ist eine ausscheidungsgehärtete auf Alumi­ nium basierende Legierung mit einer nominellen Zusammensetzung von 5,5% Zn, 2,5% Mg, 1,5% Cu, 0,3% Cr (entspricht etwa AlZn 6 Mg). Drei Bleche aus der Legierung werden bei 493°C 1 Stunde lang lösungsbehan­ delt. Die Bleche werden sodann einer gesteuerten langsamen Abkühlung mit einer Rate von 20°C pro Stunde bis auf Raumtem­ peratur ausgesetzt. Die Schritte der Erwärmung und langsamen Abkühlung überaltern und erweichen die Legierung derart, daß sie plastisch durch Walzdruck ohne Beanspruchungsrisse an den Kanten der Bleche verformt werden kann.

Nachdem die Legierung in ordnungsgemäßer Weise überaltert und erweicht wurde, wird Bornitrid Trennmaterial zwischen benach­ barten Blechen an entgegengesetzten Oberflächen aufgebracht. Die Bleche werden daraufhin einer Walzverbindung unterworfen, welche die erforderliche Gitterbeanspruchungsenergie der Le­ gierung mitteilt und gleichzeitig die Bleche miteinander an den Teilen verbindet, wo Trennmaterial nicht aufgebracht wur­ de. Nach dem Verbinden werden die Bleche einer schnellen Er­ wärmung auf 515°C ausgesetzt, und zwar ausreichend, um die Matrix um die Ausfällungen herum zu kristallisieren und um die gewünschte Feinkornstruktur zu ergeben.

Ein Dorn oder ein Bohrer werden verwendet, um einen Tunnel an der Kante der Bleche vorzusehen, der in das Gebiet führt, wo das Trennmaterial aufgebracht wurde. Eine in den Tunnel ein­ gesetzte und dort durch eine geeignete Versiegelungs- oder Ab­ dichtverbindung versiegelte Gasinjektionsnadel erlaubt das Einführen von unter Druck stehendem Gas in das Gebiet, welches mit Trennmaterial versehen wurde. Nachdem die Bleche in einer geeigneten Form angeordnet sind, auf 515°C erhitzt wurden, wird Argongas mit einem vorbestimmten gesteuerten Druck typi­ scherweise 6,89 bis 68,94 bar in das mit Trennmittel behandelte Gebiet zwischen den Blechen injiziert, wobei die Bleche in die gewünschte monolithische Aluminiumlegierungsstruktur superpla­ stisch verformt und gedehnt werden.

Nachdem die Bleche superplastisch verformt wurden, wird die Injektionsnadel und die Abdichtverbindung entfernt; wahlweise können die Bleche einer Wärmeendbehandlung unterworfen werden, um der Legierung die gewünschten Zähigkeits- oder Festigkeits­ eigenschaften zu erteilen.

Beispiel 3

Zwei äußere Bleche aus Legierung 2024 mit einem Mittelblech aus Legierung 7475 sind sandwichartig angeordnet. Die äußeren Bleche werden den in Beispiel 1 angegebenen Schritten der Er­ wärmung, der Wasserkühlung und der isothermischen Erwärmung ausgesetzt. Das Mittelblech wird gleichlaufend den Wärme- und gesteuerten langsamen Abkühl-Schritten des Beispiels 2 ausge­ setzt. Alle Bleche werden darauffolgend derart positioniert, daß sie einander entgegengesetzt liegende Oberflächen in einer geschichteten Struktur besitzen, wobei Bornitrid Stopp-Mate­ rial in geeigneter Weise auf ausgewählten Teilen zwischen ent­ gegengesetzt liegenden Oberflächen dieser Bleche angeordnet ist. Die Anordnung aus Blechen wird sodann dem Kaltwalzen aus­ gesetzt. Das Walzen führt eine Gitterbeanspruchungsenergie in die Bleche ein und verbindet sie auch miteinander an den Tei­ len, wo kein Stopp-Material vorhanden ist.

Nach dem Walzen wird die gesamte zusammengesetzte Struktur einer schnellen Erwärmung auf bis zu ungefähr 493°C ausge­ setzt, um die Matrix um die Ausfällungen oder Ausscheidungen herum zu rekristallisieren. Da die äußeren Bleche anderen Wärme- und Kühlbehandlungen nach der Rekristallisation unter­ worfen wurden als das mittlere Blech nehmen sie eine unter­ schiedliche Kornstruktur als das mittlere Blech an. Es wird somit eine Feinkornstruktur in dem Mittelblech und eine gro­ bere Kornstruktur in den äußeren Blechen gebildet.

Nach dem Bohren einer Öffnung in der zusammengesetzten Struk­ tur und im Einsetzen eines Rohrs oder einer Gasinjektionsnadel darin, wie in dem Beispiel 1 oder 2 oben erläutert, wird die Struktur in einer geeigneten Form angeordnet und auf die su­ perplastische Formtemperatur erhitzt. Unter Druck stehendes Gas wird durch das Rohr oder die Nadel in die mit Stopp-Mate­ rial versehenen Gebiete zwischen benachbarten Oberflächen der Bleche injiziert, wodurch eines oder mehrere dieser Bleche gegen die Formoberfläche expandiert wird und die gewünschte Struktur gebildet wird. Da das Mittelblech eine wesentlich feinere Kornstruktur besitzt als die äußeren Bleche ist es in der Lage, eine größere plastische Deformation und Dehnung als die äußeren Bleche durchzuführen. Die Bleche können somit in eine monolithische Aluminiumsandwichstruktur, wie in Fig. 7 gezeigt, expandiert werden.

Nach dem Entfernen aus der Form und dem Abkühlen von der su­ perplastischen Formungstemperatur kann die Struktur wahlweise noch einmal erhitzt werden, um der Struktur die gewünschten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften zu erteilen.

Das Verfahren gemäß Beispiel 3 kann derart modifiziert werden, daß die Sandwichstruktur ein dickes Mittelblech bezüglich der anderen Bleche aufweist. Der dickere Binder oder Bauteilkern gibt der Sandwichstruktur eine größere für bestimmte Anwen­ dungsfälle erwünschte Festigkeit.

Die Materialien des Beispiels 3 können derart modifiziert werden, daß die zusammengesetzte Sandwichstruktur aus metall­ matrixverstärkten Außenflächenblechen, wie beispielsweise Aluminium mit 7064 (AlZn Mg) mit 20 Vol-% Siliciumcarbid-Teilchen, sowie feinförmigem Aluminium 7475 als dem hoch-superplastischen Mittelblech be­ steht.

Aus dem Vorstehenden erkennt man, daß die Erfindung ein Ver­ fahren vorsieht, um superplastisch expandierte monolithische Aluminiumstrukturen herzustellen, und zwar durch Kombination des Wärmebehandlungsprozesses zur Steuerung der Korngröße, spezifischer, die Struktur bildender Aluminiumlegierungsbleche mit den Schritten der Walzverbindung und der superplastischen Formung. Somit werden bei Bildung einer Aluminiumlegierungs­ binder-Kernstruktur die äußeren Bleche und auch das innere Blech zur Reduktion der Korngröße behandelt, wobei aber der kritische Alterungsschritt zur Reduktion der Korngröße, der zugeschnitten ist, daß sich eine Struktur ergibt, die nach den Stufen des Kaltwalzens und der Rekristallisation spezifische Korngrößen in den entsprechenden Blechen vorsieht. Die Korn­ größen der Bleche können recht genau derart zugeschnitten wer­ den, daß die gewünschte Korngröße entweder eine feinkörnige oder eine grobkörnige erhalten wird. Die Größe und Verteilung der Gesamtdichte der Überalterungsausfällungen, die Größe der Walzreduktion und schließlich die Rekristallisationserwär­ mungsrate beeinflussen sämtlich die Korngröße.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert wurde, so sind doch viele alternative Ausführungsbeispiele, Modifikationen und Abwandlungen dem Fachmann gegeben.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Ein Verfahren zur Ausbildung monolithischer Strukturen aus einer Vielzahl von Aluminium oder Aluminiumlegierungsblechen, wobei ein Verfahren zur Herstellung einer selektiven Feinkonstruktur in jedem der Bleche integriert wird mit der Walzverbindung und der superplastischen Verformung. Die Bleche werden einer isothermischen Alterung oder einer gesteuerten langsamen Abkühlung ausgesetzt, um in jedem der entsprechenden Bleche die gewünschte Korngröße zu erhalten. Unterschiedliche Erwärmungs- und Abkühlungsbehandlungen können individuell an jedem der Bleche derart ausgeführt werden, daß die Bleche mit einem feineren Korn oder einem gröberem Korn versehen werden können. Auf ausgewählte Flächen der Bleche wird ein Trennmaterial aufgebracht und der sich ergebende Blechstapel wird einer Kaltwalzverbindung ausgesetzt, um benachbarte Oberflächen der Bleche dort, wo kein Trennmaterial aufgebracht wurde, zu verbinden. Der Walzverbindungsschritt dient auch zur plastischen Deformation der Bleche. Der walzverbundene Stapel aus Blechen wird sodann einer schnellen Erwärmung zum Zwecke der Rekristallisierung eines oder mehrerer der Bleche in eine Feinkonstruktur ausgesetzt. Nach der Rekristallisierung werden die Bleche der superplastischen Formung in die gewünschte monolithische Struktur unterworfen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Aluminium­ legierungsstruktur aus einer Vielzahl von Aluminiumlegie­ rungsblechen, wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
selektives Erteilen einer gewünschten Mikrostruktur den Blechen durch isothermische Alterung oder durch Alterung unter gesteuerter langsamer Abkühlung;
Vorsehen eines Trennmaterials an gewählten Gebieten entge­ gengesetzter Oberflächen der Bleche, wo es erwünscht ist, daß die Bleche nicht miteinander verbunden werden;
Übereinanderstapeln der Bleche;
Walzverbindung, insbesondere Kaltwalzverbindung des Sta­ pels aus Blechen zur Verbindung derjenigen Teile dersel­ ben, wo das Stopp-Material nicht aufgebracht wurde;
schnelle Erhitzung des walzverbundenen Stapels aus Blechen unter Bedingungen zur Rekristallisierung der Legierung in einem oder mehreren der Bleche in eine Feinkornstruktur; und
superplastische Formung des Stapels aus Blechen bei erhöh­ ter Temperatur und Druck in eine gewünschte monolithische Aluminiumlegierungsstruktur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Abkühlens des Stapels aus Blechen vor der superplastischen Formung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzverbindung bei Umgebungstemperatur ausgeführt wird und unter Bedingungen derart, daß eine substantielle Reduktion der Dicke der Bleche in dem Stapel aus Blechen bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Stop- oder Trennmaterial ein thermisch zerlegbares Material vorgesehen wird und eine leichte Blähung von be­ nachbarten Blechen während des Schrittes der schnellen Er­ hitzung und Rekristallisation erfolgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist:
Einführung von Rohrmitteln in den Stapel aus Blechen in Verbindung mit den geblähten Gebieten zwischen benachbar­ ten Blechen des Stapels; und
Injektion von Gas durch die Rohrmittel und in die nicht verbundenen geblähten Gebiete zwischen den Blechen des Stapels, um einen superplastischen Formungsdruck während des superplastischen Formungsschrittes zu erzeugen.

6. Verfahren zur Erzeugung einer dreiblechigen Aluminium­ legierungsbinder-Kernsandwichstruktur gemäß Anspruch 1, wobei folgendes vorgesehen ist: Ausführung der anfängli­ chen Alterungsbehandlung, um den Blechen eine gewünschte Mikrostruktur aufzuprägen, und zwar unter Bedingungen zum Erhalt unterschiedlicher endgültiger Korngrößen in der Le­ gierung der entsprechenden Bleche im Stapel aus Blechen, die der superplastischen Formung ausgesetzt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Alterungs­ behandlung derart ausgeführt wird, daß das mittlere Legie­ rungsblech eine sehr feine Korngröße besitzt, und daß die äußeren Legierungsbleche eine relativ grobe Korngröße be­ sitzen, wodurch das Mittelblech durch die superplastische Formung weiter gestreckt werden kann als die zwei äußeren Bleche.

8. Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsstruktur, gebildet aus einer Viel­ zahl von Aluminium- oder Aluminiumlegierungswerkstückkom­ ponenten, wobei folgendes vorgesehen ist:
Erwärmung von mindestens einem der Werkstückkomponenten auf eine erste gewünschte Maximaltemperatur;
Strömungsmittelkühlen der mindestens einen der Werkstück­ komponenten auf eine gewünschte Minimumtemperatur;
weitere Erwärmung der mindestens einen Werkstückkomponente auf eine zweite gewünschte Maximumtemperatur unterhalb der höchsten Temperatur, erhalten vor dem Strömungsmittelküh­ len und Aufprägen einer gewünschten Kornstruktur auf min­ destens eine Komponente;
Aufbringen eines Trennmaterials an ausgewählten Gebieten entgegengesetzt liegender Oberflächen der Werkstückkompo­ nenten;
Zusammenbau der Werkstückkomponenten in einem Stapel;
Aufbringung eines Kaltwalzverbindungsdrucks an den Außen­ oberflächen der Werkstückkomponenten in dem Stapel, wobei der Druck eine hinreichende Größe besitzt, um die Kompo­ nenten plastisch zu verformen und um die Komponenten mit­ einander an denjenigen Gebieten zu verbinden, wo kein Trennmaterial aufgebracht wurde;
Erwärmung des walzverbundenen Stapels aus Werkstückkompo­ nenten, wobei die Erhitzung mit einer hinreichenden Rate und einer hinreichenden Temperatur erfolgt, um die Matrix um die Ausfällungen darinnen zu rekristallisieren; und
superplastische Verformung von mindestens einer der Werk­ stückkomponenten in die gewünschte monolithische Struktur.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstückkompo­ nenten Aluminiumlegierungen vom Typ 7000 oder 2000 (AlZnMg oder AlCu) eingesetzt werden.

10. Verfahren zur Erzeugung einer monolithischen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsstruktur, gebildet aus einer Viel­ zahl von Aluminium oder Aluminiumlegierungsblechen, wobei folgendes vorgesehen ist:
Erwärmung von mindestens einem der Bleche auf eine ge­ wünschte Maximaltemperatur;
Abkühlung der Bleche mit einer gesteuerten Rate auf eine gewünschte Minimumtemperatur und Aufprägung einer ge­ wünschten Kornstruktur auf das mindestens eine Blech;
Vorsehen von Trennmaterial an ausgewählten Gebieten von entgegengesetzt liegenden Oberflächen der Blechen wo es erwünscht ist, daß die Bleche nicht miteinander verbunden werden;
Zusammenbau der Bleche in einem Stapel;
Aufbringen von Kaltwalzverbindungsdruck an Außenoberflä­ chen der Bleche in dem Stapel, wobei der Druck eine hin­ reichende Größe besitzt, um die Bleche plastisch zu de­ formieren und die Bleche miteinander an denjenigen Gebie­ ten zu verbinden, wo Trennmaterial nicht aufgebracht wur­ de;
weitere Erwärmung des walzverbundenen Blechstapels zur Re­ kristallisierung der Matrix, um die Ausscheidungen oder Ausfällungen in den Blechen und Diffusionsverstärkung der Bindung; und
superplastische Formung von mindestens einem der Bleche in die gewünschte monolithische Struktur.