DE3942919C2 - Verfahren zur Herstellung superplastisch geformter und diffusionsgebundener Gegenstände und die so hergestellten Gegenstände - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Herstellung superplastisch geformter und diffusionsgebundener Gegenstände und die dadurch hergestellten Gegenstände. Das Verfahren und die Gegenstände sind insbesondere gut geeignet für ausgesteifte Zellwandkonstruktionen, nützlich zum Beispiel für hohle Flügel, Flügelfelder, Kanäle, Gehäuse (z. B. den das Flanschrohr bildenden Teil des Motorgehäuses) und Rahmen (d. h. Teil der Lagerhalterung). Es ist besonders geeignet, in bestim­ mten Ausführungen, zur Herstellung von mehrfach gekrümmten Flügelkonstruktionen wie Rotor- und Statorflügel für Kompres­ soren und Gebläse.

Superplastizität ist die Fließeigenschaft, entsprechend der einer viskosen Flüssigkeit, die sich bei bestimmten Metallen zeigt, welche ungewöhnlich hohe Zugdehnungen ohne Einschnürung aufweisen, d. h. mit gleichmäßiger Verringerung der Querschnitts­ fläche bei Dehnung, innerhalb begrenzter Temperatur- und Belastungsbereiche. Diese Erscheinung, sie ist ausgeprägt bei Titanlegierungen und bestimmten anderen Metallen und Metall­ legierungen, wurde zur Herstellung einer Reihe von Gegenständen genutzt, besonders für solche mit komplizierten und komplexen Formen mit kleinen Kurvenradien.

Es ist weiterhin bekannt, daß bei diesen gleichen Temperaturen der superplastischen Verformung die gleichen Werkstoffe unter Anwendung von Druck an den Kontaktflächen diffusionsgebunden werden können.

Diffusionsbinden ist ein Prozeß, in dem sich bei der Anwendung von Wärme und Druck auf die für eine bestimmte Zeitspanne in innigem Kontakt gehaltenen Metallteile eine metallurgische Bindung ausbildet. Es wird angenommen, daß die Bindung durch Atomwanderung durch die angrenzenden Flächen der Teile erfolgt, und sie ist eine Funktion von Zeit, Temperatur und Druck. Der Prozeß ist einzigartig indem er erlaubt, Metalle zu verbinden, ohne ihre physikalischen und metallurgischen Eigenschaften an der Verbindungsstelle nennenswert zu ändern und mit minimaler geometrischer Verformung.

Die Fabrikation von Gegenständen durch verschiedene Kombinationen von Arbeitsschritten mit superplastischer Verformung und Diffusionsbindung begann in den frühen 70er Jahren als Antwort auf den Bedarf nach leichtgewichtigen, hochfesten und steifen Flügeln zur Verringerung der Scheibenrandbelastung und auch für Leitungen, Rahmen und ähnliche Konstruktionen, insbesondere in Luft- und Raumfahrzeugen. Bei einer älteren Technik, die heute noch in Gebrauch ist, wurden die Werkstücke nur an vorbestimmten Stellen verbunden und an den anderen Stellen wurde die Bindung verhindert. Das war nötig, um die Formung des Werkstücks durch superplastische Verformung zu ermöglichen, ohne Bindung an solchen Stellen durch eine Beschichtung mit Maskierungsmittel oder Stopper. Der Gebrauch von Maskierungsmitteln wird im US-Patent Nr. 3 920 175 beschrieben.

Die bekannten Maskierungsmittel, von denen Bornitrid und Yttriumoxid die bekanntesten sind, bewirken eine Kontamination, die die Integrität der entstehenden Bindungen ernstlich ver­ schlechtern kann. Auch Versprödung kann auftreten. In komplexen Konstruktionen, besonders Hohlkernkonstruktionen mit Zellstruk­ turkernen zur Aussteifung, ist es unmöglich, das Maskierungsmit­ tel vollständig zu entfernen. Da die Maskierungsmittel typischer­ weise von Hand auf die von der Bindung auszuschließenden Stellen aufgetragen werden, ist es außerdem wahrscheinlich, daß Bereiche mit fehlerhafter oder unbeständiger Bindung entstehen. Daher ist der Gebrauch von Maskierungsmitteln auch beschränkt auf relativ einfache Konstruktionen und breite Verbindungszonen. Kontamina­ tion kann bei Maskierungsmitteln leicht auftreten, was eine zuverlässige Bindung verhindert.

Die ernsten Probleme, die mit den Maskierungsmitteln verknüpft sind, wurden zumindest schon im Jahre 1976 im US-Patent Nr. 4 087 037 erkannt (siehe besonders Spalte 1, Zeilen 20-42 und Zeilen 55-58; siehe auch US-Patent Nr. 4 304 821, Spalte 1, Zeilen 45-56), das ein Verfahren und eine Pressmaschine be­ schreibt zur Herstellung von superplastisch geformten und diffusionsgebundenen Gegenständen, ohne daß Maskierungsmittel nötig sind. Das Patent schlägt vor, die Notwendigkeit von Maskierungsmitteln zu umgehen, indem eine komplexe Presse verwendet wird, die fähig ist, den Prozeß sequentiell zu steuern und es erlaubt, die Arbeitsschritte der superplastischen Verformung abzuschließen, bevor die Teile sich zur Diffusionsbin­ dung berühren können. Das wird teilweise erreicht durch die Verwendung einer Grenzgesenkform und einer passenden flexiblen Gesenkform, da es nötig ist, das Druck-Umformen vor Erreichen der Diffusionsbindungstemperatur durchzuführen. Man beachte, daß das Patent über die Notwendigkeit unterrichtet, eine unbeabsichtigte Berührung der nicht zu bindenden Oberflächen zu vermeiden, da unerwünschte Bindung zu bedeutenden Schäden führen kann (Spalte 3, Zeilen 29-34). Obwohl das Patent die Fähigkeit der beschriebe­ nen Maschine zur Formung großflächiger Konstruktionen mit mehrfacher Krümmung nahelegt, ist der Anmelderin keine wesentli­ che kommerzielle Benutzung einer solchen Maschine (oder überhaupt einer Maschine oder eines Verfahrens) für diesen Zweck bekannt.

Ein anderer Weg zur Vermeidung der Maskierungsmittel ist das Nahtschweißen von zwei oder mehr Metallblechen mit einem Bindungsmuster, und dann Bildung einer Wabenstruktur von verbundenen Zellen durch superplastische Verformung, indem die geschweißten Bleche bei Temperatur aufgebläht werden, manchmal mit gleichzeitiger Bindung der äußeren Bleche. Solche Schweißver­ fahren werden zum Beispiel gezeigt in den US-Patenten Nr. 4 351 470, 4 304 821 und 4 217 397, das älteste davon wurde 1978 eingereicht.

Ein nahtgeschweißtes Bindungsmuster hat jedoch gewisse Nachteile, indem es nicht genau genug gesteuert werden kann, um Bindungen in gleichmäßiger Breite zu erreichen, besonders für detaillierte Anordnungen, und es macht auch eine relativ große Bindungsbreite notwendig, was zu unzulässiger Bruchbeanspruchung führt, wenn die Seitenwände angrenzender im Metallblech gebildeter Zellen während des Aufblähens sich umbiegen müssen, um sich in der Mitte der Schweißnähte zu treffen. Auch tendiert das Nahtschweißen zur Bildung unzuverlässiger Bindungen, weil die absichtlich zwischen den Schweißstellen gelassenen Lücken bei Temperatur der Diffusionsbindung unterliegen, wobei die erwünschte und für eine gleichmäßige superplastische Verformung notwendige Fließverbindung verhindert wird. Daher sind geschweißte Konstruktionen im allgemeinen nicht erwünscht für hochbelastete Teile, besonders für die Herstellung von kritischen Teilen wie Gebläse­ flügel. Das oben schon genannte US-Patent Nr. 4 351 470 erwähnt kurz, daß "anstelle von Schweißen die Bleche auf eine andere Weise verbunden werden könnten, zum Beispiel durch Diffusionsbin­ dung" (Satz in Spalte 2-3). Nichtsdestoweniger erklärt es nicht, wie ein solches Muster von Diffusionsbindung zu erzielen ist. Da erkannt wurde, daß darauf zu achten ist, daß sich keine Oberflächen berühren außer denen, die verbunden werden sollen (siehe z. B. US-Patent Nr. 4 087 037, Spalte 3, Zeilen 29-34); US-Patent Nr. 4 304 821, Spalte 1, Zeilen 39-42), wurde in dem zitierten Satz vermutlich die Verwendung von Stoppern oder Distanzstücken (die ähnliche Probleme wie Stopper bereiten und weitere dazu) zu diesem Zweck vorgesehen.

Zusätzlich zu den Problemen, die sich bei Verwendung von Maskierungsmitteln und beim Schweißen stellen und den Problemen, die dem örtlichen Dünnerwerden des Metalls beim Verformen zugeschrieben werden (siehe z. B. US-Patent Nr. 4 351 470, Spalte 1, Zeilen 33-37), entstehen auch Probleme aus den zahlreichen Temperaturzyklen, denen die Bauteile in vorhergehenden Prozessen unterliegen und die eine schwächende Wirkung auf die entstehende Struktur haben.

Noch ein weiterer ernster Nachteil gewisser bekannter Verfahren ist, besonders (aber nicht ausschließlich) derer, die Stopper verwenden, daß sie es unmöglich machen, die Integrität der Bindungen nach ihrer Bildung zu inspizieren und abzuschätzen, da die verbundenen Abschnitte durch den Herstellungsprozeß un­ zugänglich gemacht wurden. Dieses Problem ist besonders akut wenn die Zellstruktur als Hohlkern für einen Flügel verwendet wird, wo die Zellstruktur eingeschlossen ist, da sie zwischen den zwei äußeren Hautschichten gebildet wird. Da ein großer Teil der Kosten der fertigen Konstruktion mit dem Flügel selbst verbunden ist, im Gegensatz zum aussteifenden Kern, sind solche Prozesse oft nicht wirtschaftlich durchführbar wegen der hohen Rücklaufrate.

Trotz der vorhergehenden Versuche, ein wirtschaftlich durchführ­ bares Verfahren zu finden, zum superplastischen Verformen und zur Diffusionsbindung von Gegenständen ohne Maskierungsmittel und Schweißen und ohne Verwendung von schwerfälligen und teuren Geräten, kennt der Anmelder bis heute kein wirtschaftlich erfolgreiches Ergebnis. Das Fehlen eines erfolgreichen Verfahrens ist besonders bemerkenswert im Hinblick auf die Herstellung kompliziert geformter mehrfach gekrümmter Flügelkonstruktionen und komplexer Bauteile wie Rahmen oder den Bauelementen solcher Teile.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Sand­ wichgebilden bekannt (DE 26 11 859 A1), bei dem die Metallble­ che zunächst an den Stellen, an denen sie nicht miteinander verbunden werden sollen, mit einem die Verbindung verhindern­ den Mittel versehen und anschließend durch Aufbringen von Druck miteinander verbunden werden. Nach der Verbindung erfolgt dann das Verformen der nicht miteinander verbundenen Teile durch Aufblasen mit Druckgas und gleichzeitiges Absau­ gen auf der gegenüberliegenden Seite.

Ebenfalls bekannt ist aus diesem Stand der Technik, die Teile zunächst durch Aufbringen von Druckgas in Formen hinein zu verformen und anschließend dann die Teile mechanisch mitein­ ander zu verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftlich durchführbares Verfahren zum superplastischen Verformen und zur Diffusionsbindung von Gegenständen ohne Maskierungsmit­ tel, Schweißen und schwerfällige Geräte sowie einen solchen Gegenstand zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Kon­ struktion mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor.

Die Erfindung schlägt ebenfalls ein Verfahren mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand die jeweiligen abhängigen Patentan­ sprüche.

Allgemein ausgedrückt, um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, werden Konstruktionen entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt durch Anordnung von einem oder einem Paar von Metallblechen zwischen mindestens einer und vorzugsweise einem Paar Druckplatten, welche die Bleche entlang einer Bandoberfläche berühren, die in ihren Zwischenräumen eine Anordnung von polygonalen Lücken trägt, welche durch Reliefs in der Bandoberfläche miteinander verbunden sind. Wenn die Bleche von den Druckplatten zusammengepreßt werden, bei Temperatur, fließt das entlang der Bandoberfläche berührte Metall in die angrenzenden nicht berührten polygonalen Bereiche der Bleche, veranlaßt sie nach außen zu fließen und eine Anordnung von kissenförmigen Zellen zu bilden, die durch ein Netzwerk von Kanälen verbunden sind entsprechend den oben genannten Reliefs. Wenn die Bleche miteinander verbunden werden, können die Zellen durch Gasdruck aufgebläht werden, der durch ein Einlaßrohr am Rand der Bleche zugeführt wird und für eine Verbindung zu allen Zellen über ein Netzwerk von Kanälen sorgt.

Die Erfindung beruht zum Teil auf der Entdeckung, daß durch dieses Stauchen der Bleche entlang der Bandoberfläche, das Metall der Bleche dazu gebracht werden kann, in die polygonalen Lückenbereiche einzufließen, was sie veranlaßt sich aufzurichten oder (in Fällen wo zwei Bleche gleichzeitig geformt werden) sich zu trennen in einem Maß, das ausreicht, zusammenhängende aufblähbare kissenförmige Zellen zu bilden; daß sogar ohne Maskierungsmittel die kissenförmigen Bereiche der Bleche bei Diffusionsbindungstemperaturen nicht verbunden werden; und daß dies einen neuen und nützlichen Weg zur Formung verstärkter metallischer aussteifender Konstruktionen ermöglicht. Es wurde auch entdeckt, daß auf diese Art hergestellte vorgeformte Teile weiter verarbeitet werden können zur Herstellung von integralen mehrfach gekrümmten Verstärkungselementen für Rotor- und Statorblätter für Kompressoren und Gebläse und ähnliche Flügel­ konstruktionen. Es wird angenommen, daß jedes Blech die Kissen in Richtung zur angrenzenden Druckplatte ausbildet, auf Grund einer Affinität, ähnlich der Wirkung einer Oberflächenspannung, zwischen den Metallblechen und der angrenzenden Druckplatte während des Verformungsprozesses. Der Ausdruck "Kissen", wie er hierin verwendet wird, soll eine kissenförmige Verlagerung oder Wölbung in der Oberfläche des Metallbleches bedeuten, die gebildet wird, wenn das Blech von einer Druckplatte längs einer Bandoberfläche gestaucht wird. Jedes Kissen entspricht einem der polygonalen Hohlräume in der entsprechenden Platte. Andererseits besteht eine "Zelle" aus zwei Rücken an Rücken aneinander anliegenden "Kissen", die entstehen, wenn zwei Metallbleche gleichzeitig geformt werden oder in sonstiger Weise aneinander gelegt werden, so daß sie ein aufblähbares Volumen bilden können. Wenn daher ein einzelnes Blech allein geformt wird, sollten eine Druckplatte und eine gegenüberliegende ebene Oberfläche benutzt werden. Wenn zwei Metallbleche auf diese Art im selben Arbeitsgang geformt werden, können entweder eine Druckplatte und eine gegenüberliegende ebene Oberfläche benutzt werden oder zwei gegenüberliegende Druckplatten, wie unten beschrieben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die oben beschriebene Stauchformung durchgeführt in einer kürzeren Zeit oder bei einer niedrigeren Temperatur als für das Dif­ fusionsbinden erforderlich ist. Die erhaltenen geformten Bleche können dann gereinigt und geschweißt oder auf sonstige Weise entlang ihres Randes verbunden werden und ein Fluidverbin­ dungsrohr wird zwischen ihnen eingesetzt und angeschweißt, um den Druck im Netzwerk der verbundenen Zellen zu steuern, der entsteht, wenn sie verbunden werden. Der Hohlraum zwischen den Blechen wird dann zweckmäßigerweise evakuiert, um vollständige Bindung zu gewährleisten, und die Bleche nochmals direktem mechanischem Druck ausgesetzt zwischen den formenden Druckplatten bei Diffusionsbindungstemperaturen, damit sie entlang der Bandoberfläche verbunden werden. Die Druckplatten werden dann entfernt und die entstandene Vorform, noch bei Temperatur, wird mit einem Inertgas unter Druck gesetzt, zur Ausdehnung der verbundenen Zellen durch superplastischen Fluß.

Alternativ können die Bleche in einem Arbeitsschritt sowohl geformt wie auch gebunden werden, indem die Druckplatten bei Temperatur lange genug an der Stelle gehalten werden, um das Diffusionsbinden zu ermöglichen. Die Druckplatten werden dann entfernt und die Vorform, noch bei Temperatur, wird druckbegast wie oben beschrieben, um die Zellen zum gewünschten Volumen aufzublähen. Diese Arbeit wird vorzugsweise in einem Vakuumofen durchgeführt, um den gleichen Effekt zu erzielen wie beim Evakuieren des Hohlraumes zwischen den Blechen (oben beschrieben), aber ohne daß zuvor der Rand der Bleche und das Einlaßrohr geschweißt werden müssen. Die periphere Bindung in dieser Ausführung kann gebildet werden durch Gestaltung der Druckplatten oder anderer Formelemente zur Diffusionsbindung des Randes der Bleche, wobei eine Öffnung für den Gasaustausch gelassen wird. Ein Rohr kann, wenn gewünscht, auch eingeschweißt oder durch Diffusionsbindung in die Öffnung eingesetzt werden.

Die Expansion der Zellen der Vorform wie oben beschrieben kann eine freie Expansion sein oder kann durch die innere Oberfläche der Form eingeschränkt sein, vorzugsweise bildet sich die innere Oberfläche der gewünschten Endstruktur ab. Bei freier Expansion werden die Zellen vorzugsweise nicht so weit aufgebläht, daß ihre angrenzenden Seiten sich berühren und sich miteinander zu verbinden beginnen, das wird einem letzten Schritt überlassen, wo der teilweise expandierte Kern an andere äußere Bauelemente gebunden wird. Bei beschränkter Expansion werden die Zellen vorzugsweise so aufgebläht, daß ihre Seiten entlang ihrer gesamten Oberflächen an angrenzende Zellwände gebunden werden, und die Enden der Zellen bilden eine glatte, im wesentlichen kontinuierliche Oberfläche, die an eine äußere (d. h. äußere zu der Kernstruktur) Wand gebunden werden kann wie an eine Flügel­ haut oder eine Rahmenoberfläche.

Weiter wird gemäß der Erfindung die Vorform zunächst in geringem Umfang druckbegast, gerade ausreichend, um Knicken beim Biegen, Drehen oder anderer Verformung zu vermeiden, und dann weiter aufgebläht in einer oder mehreren äußeren Formen, die einen gesteuerten "Dreh" oder eine doppelte Krümmung auf die Vorform übertragen entsprechend, oder zum Erhalt, ihrer gewünschten endgültigen Form.

Während die Druckplatten hier als Polygone definierend be­ schrieben werden, wird der Ausdruck breit verwendet und schließt Kreise ebenso ein wie Polygone mit jeder Zahl von Seiten. Vorzugsweise ist die gewählte Polygonform eine, die eine regelmäßige Anordnung der Zellen aufbringt, die von einer Bandoberfläche mit konstanter Breite getrennt wird. Die bevor­ zugte Anordnung für praktische Zwecke ist das hexagonale Muster, das in den beigefügten Zeichnungen gezeigt wird. Für einige Anwendungen sollte eine geringere Anzahl von Seiten vermieden werden, weil die resultierenden schärferen Ecken leichter brechen, wenn die Zellen druckbegast und aufgebläht werden, als bei Polygonen mit einer größeren Zahl von Seiten. Oktagone, Dekagone und Dodekagone sind auch nützlich, da sie eine regel­ mäßige Polygonanordnung aufbringen mit einer Bandoberfläche konstanter Breite. Die Geometrie eines Quadrats als Polygon, das für manche Anwendungen nützlich ist, bringt im allgemeinen nicht das Maß an gleichmäßiger Aussteifung wie die bevorzugten geometrischen Formen.

Die gemäß der Erfindung erhaltenen Konstruktionen haben vor­ zugsweise verbundene Doppelwände, wo die angrenzenden Zellen sich miteinander verbinden, und keine inneren ungebundenen Lücken, wobei die gesamte Endoberfläche jeder Zelle sich an eine angrenzende Haut oder Wand binden kann. Weiter kann das Muster der polygonalen Zellen variiert werden und beispielsweise kleiner oder größer gemacht werden in bestimmten Bereichen, dabei die Wanddicke und Abmessungen der verstärkenden Konstruktion "abstimmen", um ungewollte Schwingungsresonanzen zu vermeiden, oder für dickere oder dünnere Verstärkungswände, oder aus anderen Gründen, die von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts diktiert werden.

Der Grad an Stauchung, der von der Druckplatte auf die Metallble­ che beim Formen übertragen wird kann von ein paar Prozent bis etwa 10%, vorzugsweise etwa 5% betragen, wobei die Stauchung als die durch die Druckplatten verursachte prozentuale Dickenver­ ringerung des Metallblechs an der Bandoberfläche definiert ist. Zum Beispiel ist eine Verringerung von .002" in einem Blech von .040" eine Stauchung von 5%. Gemäß der Erfindung werden die Druckplatten gegen positive Anschläge zusammengebracht, so daß die vorbestimmte Stauchung genau und kontrollierbar erreicht wird. Solche Anschläge können strukturelle Bauteile zwischen den Platten sein, die deren Schließbewegung begrenzen, oder alter­ nativ elektronische oder mechanische Mittel zum Erreichen des gleichen Endergebnisses umfassen. Zu diesem Zweck wird nur nominaler Druck benötigt.

Ein Paar Druckplatten wird bevorzugt gemäß der Erfindung für tiefe Verstärkungskonstruktionen, weil Gasdruck dann bewirkt, daß die Zellen gleichmäßig in beide Richtungen von der Ebene des Metallblechs expandieren, für maximale Tiefe. Für gewisse flache Konstruktionen jedoch wird eine einzelne Druckplatte, die in Kombination mit einer gegenüberliegenden ebenen Oberfläche arbeitet, bevorzugt, weil die erhaltene Stauchung nur in dem Blech mit Kontakt zur strukturierten Platte auftritt, und nur dieses Blech (weil es nach der Stauchung dünner ist) sich bei Druckbegasung zu einer expandierenden Zelle aufbläht. Die erhaltene Konstruktion hat so nur die halbe Dicke verglichen mit einer, bei der beide gegenüberliegenden Oberflächen jeder Zelle sich aufblähen. Der Grad der Aufblähung der Zellen hängt von der gewünschten Dicke der Zellwände ab, die von den konstruktiven Erfordernissen der speziellen Anwendungen abhängen werden. Im allgemeinen ist 50% Verringerung der Zellwanddicke akzeptabel, aber für einige Anwendungen können die Wände bis auf ein paar Prozent ihrer ursprünglichen Dicke verdünnt werden.

In einer Ausführung der Erfindung wird die Zellwandkonstruktion gedreht, um sie dem Hohlkern eines Flügels anzupassen, und darin eingebettet und innen mit dem Flügel verbunden. Zu diesem Zweck werden ein Paar Flügelhautschichten bearbeitet, damit sie einen inneren Hohlraum bilden. Die teilweise geformte Zellwandkonstruk­ tion wird dann zwischen die Hautschichten positioniert und die Hautschichten werden an ihrem Rand miteinander verbunden, wobei Gasrohre einen Zugang zum Volumen innerhalb der Wandkonstruktion und zum Volumen zwischen der Wandkonstruktion und dem Flügel­ hohlraum lassen. Die erhaltene Konstruktion wird der Temperatur des superplastischen Fließens unterworfen und die Gasdrucke werden gesteuert, um Druck innerhalb der Wandkonstruktion anzuwenden und den Druck zwischen letzterer und dem Flügel­ hohlraum zu verringern, damit sich durch Diffusionsbindung die Zellendwände an die Hautschichten binden und dabei einen hohl­ integralkernverstärkten Flügel bilden.

Das angewendete Verfahren zur Herstellung der Zellwand- (oder Kern-)konstruktion und die erhaltenen Gegenstände der vorliegen­ den Erfindung überwinden jene Probleme, die mit Maskierungsmit­ teln und Schweißen verbunden sind, und mildert die Probleme des örtlichen Dünnerwerdens, von denen bisherige Verfahren begleitet sind. Darüberhinaus sind die Geräte zur Ausführung des Verfahrens relativ unkompliziert und daher zuverlässig und preisgünstig. Wichtig ist, da Vorform und Kern mit Zellstruktur unabhängig vom Endprodukt, in das der Kern eingebaut wird, hergestellt werden können, sind sie einfach zugänglich zum Bestimmen der Integrität der Bindungen und des Aufbaus, bevor sie eingebaut oder an weitere Bauteile gebunden werden, aus denen der Gegenstand entsteht.

Das Verfahren der Erfindung kann verwendet werden zur Herstel­ lung von ausgesteiften Zellwand- oder Kernkonstruktionen für jede Anwendung und zur Herstellung von Bauelementen wie Leitungen, Rahmen, Streben, Flügel und dergleichen, die einen inneren leichtgewichtigen Verstärkungskern tragen, der fähig ist, sich integral mit dem Element zu verbinden. Die Zellkonstruktionen haben hohe Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse und sind sehr steif und folglich gut geeignet zur Verwendung als verstärkende Kerne für Hohlkernbauelemente.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht von zwei Metallblechen, die angeordnet sind zwischen gegenüberliegenden Druckplatten eines Werkzeugs vor der superplastischen Verformung und der Dif­ fusionsbindung;

Fig. 1A zeigt einen Querschnitt eines einzelnen zwischen einer Druckplatte und einer gegenüberliegenden flachen Oberfläche eines Werkzeugs angeordneten Metallblechs vor der superplastischen Formung und Diffusionsbindung;

Fig. 1B zeigt einen Querschnitt ähnlich der Fig. 1A, der das Aussehen eines einzelnen Blechs darstellt, wenn dieses längs der Bandoberfläche gestaucht wird.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die untere Druckplatte, die in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt eine Teilperspektive auf die Trennlinie der Druckplatten aus Fig. 1 und 2, ohne die Metallbleche zwischen ihnen und mit der oberen Druckplatte als Phantomlinie;

Fig. 4 zeigt einen Perspektivschnitt der superplastisch geformten Bleche aus Fig. 3, die diffusionsgebunden sind gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 aus Fig. 4;

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Form zur Formung einer doppelt gekrümmten Zellwandkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 zeigt eine Perspektive eines Flügels der vorliegenden Erfindung vor der Endmontage zur Darstellung der drei primären Bauteile;

Fig. 8 zeigt eine Perspektive des Flügels aus Fig. 7 nach der Montage;

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 9-9 aus Fig. 8;

Fig. 10 zeigt einen Plan der Zellverbindungen, die gebildet werden können, um einen Gasdurchgang gemäß der Erfindung zu schaffen.

Die Formen oder Druckplatten, die gemäß der Erfindung verwendet werden, sind in den Fig. 1-3 dargestellt; sie zeigen eine Ausführung, in der die Druckplatten ein hexagonales Muster bilden. Zwei Druckplatten 10, 12 sind in Fig. 1 dargestellt, die ein Paar Metallbleche 16, 18 sandwichartig zwischen sich einschließen. Wie in Fig. 2 gezeigt, trägt die Druckplatte 12 (und entsprechend Druckplatte 10) eine operative Bandoberfläche 20, die so angeordnet ist, daß sich eine entsprechende Bandoberfläche 22 auf der entstehenden Vorform 24 ausbildet, gezeigt in Fig. 4, die aus Metallblechen 16 und 18 in einer noch zu beschreibenden Weise geformt wird. Die Druckplatten­ bandoberfläche 20 bildet in ihren Zwischenräumen eine Anordnung von polygonalen Lücken oder Hohlräumen 28. Die Druckplatten haben auch ein Muster von Aussparungen 26 auf der Druckplatten­ bandoberfläche 20, das die polygonalen Hohlräume 28 verbindet. Das Aussparungsmuster 26 soll die Anwendung von Gasdruck durch ein äußeres Rohr 14 ermöglichen, zur Verbindung zu allen polygonalen Lücken wie dargestellt in Fig. 2 und 3.

Ein Beispiel eines Musters von Aussparungen zu diesem Zweck ist in Fig. 10 gezeigt; jedes Muster kann verwendet werden, das einen adäquaten Gasdruck durch die Zellen einbringt, um die gewünschte Aufblähung zu erreichen. Mehr als ein Rohr 14 kann auf Wunsch zu diesem Zweck angebracht werden, obwohl angenommen wird, daß eines für die meisten Anwendungen ausreicht.

Alternativ kann die hierin beschriebene Erfindung auch verwendet werden, ein einzelnes Blech superplastisch zu formen, anstelle eines oben beschriebenen Paares von Blechen. Die zum Durchführen dieses Verfahrens verwendete Vorrichtung ist in Fig. 1A und 1B dargestellt und beschrieben. Fig. 1A zeigt ein einzelnes zwischen Platte 10 und der gegenüberliegenden flachen Platte 13 sandwich­ artig angeordnetes Blech. Wie in Fig. 1B dargestellt, stellt die Druckplatte 10 eine wirksame Bandoberfläche zur Verfügung, die zur Bildung einer entsprechenden Bandoberfläche auf dem Blech 16 angeordnet ist, wenn das Blech 16 zwischen der Druckplatte 10 und der flachen Platte 13 komprimiert und Temperaturen bei oder im wesentlichen innerhalb des Bereichs der Superplastizität für das gewählte Material unterworfen wird. Fig. 1B zeigt daher schema­ tisch das Aussehen des Bleches 16, wenn es dem Formungsvorgang unterliegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Druckplatten, wie die in Fig. 1 und 2 gezeigten, dazu gebracht, auf ein Paar Metallbleche einzuwirken, die superplastisch geformt und diffusionsgebunden werden können, und die zusammengepressten Druckplatten erzeugen ein paar Prozent bis etwa 10% Stauchung in den Blechen im Bereich der Bandoberfläche 22. Gemäß der Erfindung wurde entdeckt, daß eine nützliche Vorform auf diese Weise hergestellt werden kann, ohne Verwendung von Stopper oder irgendeiner anderen Art von Adhäsionsinhibitor, und ohne die Notwendigkeit, die relativen Drucke innerhalb und außerhalb des von den Metallblechen dargestellten Sandwichs zu steuern. Die Stauchung des Metalls in dem beschriebenen Muster bewirkt, daß das überschüssige Metall in die angrenzenden polygonalen Hohlräume der Druckplatte fließt, wobei sich polygonale Zellen 32 bilden. Entsprechend fließt das Metall der Bleche 16 und 18 in das Aussparungsmuster 26 und bildet ein zugehöriges Muster von kleinen Öffnungen 30, die die Zellen 32 miteinander verbinden.

Das Verfahren kann in einer konventionellen Heißpresse oder einem Vakuumofen durchgeführt werden, wobei an konventionellen Press­ maschinen die Druckplatten gegen positive Anschläge zusammen­ gebracht werden bis auf den Abstand, der für den vorbestimmten Grad an Stauchung erforderlich ist. Zum Beispiel wenn zwei Bleche, jedes .040 Zoll dick, verwendet werden, sollten die Anschläge zur Begrenzung des Druckplattenabstands auf .076 Zoll gesetzt werden, damit .002 Zoll oder 5% Stauchung in jedem Blech erreicht werden.

Die Bandoberflächen 20 sind vorzugsweise eng und von konstanter Breite, vorzugsweise etwa .040-.060 Zoll. Sie müssen breit genug sein, daß Bindung eintritt, wenn die Druckplatten zusammengebracht werden, und für die Festigkeit während des Verformungsprozesses, und sie sollten schmal genug sein, um unzulässige Biegebeanspru­ chung zu vermeiden, wenn sich benachbarte Zellwände während der Druckbegasung umbiegen, um entlang der Bindungslinie zusammenzu­ stoßen. Die Bandoberflächen können auch von unterschiedlicher Breite sein, und sogar eine zufällige Verteilung der Polygone kann verwendet werden, mit willkürlich unterschiedlicher Größe, Form und Anordnung über der Blechoberfläche. Die gewünschte Bandbreite hängt notwendigerweise ab von der Dicke der Metallble­ che, der jeweiligen Legierung, der Größe und Geometrie der Polygone, dem gewünschten Grad des Zellwachstums und den gewünschten Eigenschaften des entstehenden Produkts. Das Verfahren ist besonders nützlich, indem es erlaubt, Kernkonstruktionen aus relativ dünnen Metallblechen herzustellen, in der Größenordnung von .020 Zoll, für sehr leichtgewichtige Konstruk­ tionen ohne unzulässige lokale Dehnung oder Einschnürung des Metalls der Zellwände.

Komplementäre Druckplatten 10 und 12 können eine offene Form bilden, wie gezeigt, oder sie können alternativ eine geschlos­ sene Hohlform bilden (nicht gezeigt), in der das Zellwachstum durch die Nähe der inneren Oberfläche der Form begrenzt werden kann, aber nicht muß. Es wird geschätzt werden, daß offene Formen weniger teuer herzustellen sind.

Die Druckplatten können auch eine äußere oder Randoberfläche 11 formen (Fig. 3), und einen diffusionsgebundenen Bereich von gewünschter Breite, der weitgehend die gesamte Vorform umschließt und die Kanäle 15 freiläßt, die für den Gasaustausch gewünscht sind, wie noch beschrieben wird, erzeugen. Alternativ kann ein getrenntes Paar von Druckplatten (nicht gezeigt) verwendet werden, in Verbindung mit den in Fig. 1 gezeigten, um die Randbindung herzustellen.

Die Metalle oder Metalllegierungen, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind jene Werkstoffe, die zur super­ plastischen Verformung und Diffusionsbindung fähig sind. Sie sind vorzugsweise fähig zur großen plastischen Deformation, von ein paar hundert Prozent bis zu etwa 1000% Belastung, bei ihren superplastischen Temperaturen. Jede einzelne Legierung erfährt die superplastische Umwandlung bei einer Temperatur, die einfach gemessen oder bestimmt werden kann aus Quellen oder nach Verfahren, die den Fachleuten gut bekannt sind, zum Beispiel aus M. Hansen "Binary Phase Diagrams", McGraw Hill 1978. Super­ plastisch verformbare Legierungen von Aluminium und Titan sind in der Technik bekannt. Eine besonders bevorzugte Titanlegierung schließt Aluminium und Vanadium ein, wie die Legierung Ti6Al-4V, die bei Temperaturen um 1435°F superplastisch wird und bei Temperaturen von ungefähr 1675-1725°F bindet. Bestimmte andere Legierungen, primär von Titan und Aluminium aber auch von anderen Metallen, können Superplastizität durch Verringerung ihrer Korngröße erreichen, da eine feine stabile Korngröße dafür bekannt ist, den Metallen die Fähigkeit zum superplastischen Fließen zu geben.

Es ist auch im Bereich der Erfindung, Schmelzpunkterniedriger oder Bindungsaktivatoren zu verwenden, um die Diffusionsbin­ dungstemperatur des Metallblechs zu senken. Solche Aktivatoren sind gut bekannt und sind spezifisch für das verwendete Metall oder die Legierung; zum Beispiel Nickel und/oder Kupfer bei Titanlegierungen. Der Aktivator wird entlang der Bandoberfläche auf die Bleche aufgebracht; er migriert während der Bindung in das Metall, so daß die entstehende Verbindung im wesentlichen von der Titanlegierung allein gebildet wird. Eine Verwendung von Aktivatoren in der Blattherstellung wird beschrieben in "The Rolls Royce Wide Chord Fan Blade", G. Fitzpatrick und P. Broughton, vorgetragen bei der First International Conference der Titanium Development Association, San Francisco, Kalifornien, Oktober 1986 und versendet an die Mitglieder der Gesellschaft.

In einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung werden die beiden Metallbleche 16 und 18 eingelegt zwischen die Druckplatten 10 und 12 in einer Heißpresse oder einem vergleichbaren bekannten Gerät, und die Platten werden gegen die Anschläge zusammen­ gebracht, um etwa 5% Stauchung entlang der Bandoberfläche 20 zu erreichen. Dies wird vorzugsweise kurz bei superplastischen Temperaturen gemacht, das Ziel ist, das Metall der Bleche 16 und 18 zu verformen, ohne sie zu binden. Bei superplastischen Temperaturen tritt Deformation fast augenblicklich ein, wobei sich die kissenförmigen Zellen 32 bilden, die Fig. 4 zeigt. Das kann in Luftatmosphäre durchgeführt werden. Eine wesentlich längere Zeit wird unterhalb der superplastischen Umwandlung benötigt. Die Druckplatten werden dann entfernt und die so geformten (aber nicht gebundenen) Bleche 16 und 18 (die geformten Bleche sind in Fig. 4 gezeigt; sie sehen in der gezeigten Anordnung im wesentlichen gleich aus, ob sie gebunden sind oder nicht) können zur weiteren Bearbeitung gereinigt werden. Die Bleche können dann örtlich verformt werden, zum Beispiel mit einem Mandrill, um das Einlaßrohr 14 anzubringen, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Bleche werden dann an ihrem Rand geschweißt nach bekannten Schweißverfahren wie Elektronenstrahlschweißen oder Wolframschutzgasschweißen, die die Metalloberfläche nicht kontaminieren. Das Rohr 14 wird vorzugsweise auch eingeschweißt, zum Beispiel durch Kehlnahtschweißen, so daß die beiden Platten ein luftdichtes inneres Volumen bilden.

Über Rohr 14 wird dann ein Vakuum erzeugt, bis ungefähr zwischen 10 (exp -2) und 10 (exp -3) Torr, und die beiden Bleche werden wieder in den Ofen gebracht bei einer Temperatur und für eine Zeit, die ausreichen um Diffusionsbindung herzustellen, wobei die Druckplatten in wesentlichen in der selben Schließstellung gehalten werden, die beim ersten Verformungsschritt angewendet wurde. Das Vakuum zwischen den Blechen gewährleistet adäquate Bindung entlang der Bandoberfläche 22, vermeidet ungebundene Bereiche, die sonst durch eingeschlossenes Gas entstehen, sogar in kleinen Mengen. Gleichzeitig sollte das Vakuum nicht so hoch sein, daß die gebildeten Kissen zusammenfallen.

Man beachte, daß, falls die Druckplatten 10 und 12 geschlossene oder Begrenzungsformen sind, die gebildeten Kissen eine ab­ geflachte hexagonale Form mit geraden Wänden annehmen können. Vorzugsweise werden bei Titan die Druckplattenoberflächen mit Bornitridpulver geschmiert, einem bekannten trockenen Schmiermit­ tel, um ein Fressen bzw. Abrieb auf den Druckplattenoberflächen durch Reibung mit den Metallblechen zu vermeiden.

Bei Verwendung von .030 Zoll Titanlegierung Ti6Al-4V-Blechen im oben beschriebenen Verfahren und bei 5% Stauchung mit einer hexagonalen Druckplattenkonfiguration, wobei die Sechsecke 1/2 Zoll zwischen den gegenüberliegenden Seiten sind und die Bandbreite .040 Zoll beträgt, und Erhitzen für 15 min auf 1440°F, wurde die Bildung von Zellen, wie in Fig. 4 beobachtet, mit einer Höhe von ungefähr 1/16 Zoll über der Ausgangsoberfläche von Blech 16 und 18, bei einer inneren Zelltiefe von etwa 1/8 Zoll. Macht man die Aussparungen 26 etwa 3/32-1/8 Zoll breit, bilden sich kleine Öffnungen 30 von etwa 1/32-1/16 Zoll Innendurch­ messer, die das so gebildete Zellennetzwerk verbinden.

Die oben beschriebene Ausführung der Erfindung ist vorteilhaft, indem sie in einer Standardheißpresse durchgeführt werden kann, mit einer Zykluszeit bei Temperatur von etwa einer Stunde. Alternativ kann das Verfahren in einer teureren Vakuumpresse durchgeführt werden, was eine längere Zykluszeit beansprucht. Das Vakuum in der Presse dient der selben Funktion wie oben be­ schrieben in Hinblick auf das Vakuum in der geschweißten Vorform, nämlich um adäquate Bindung zu gewährleisten. Auch können in dieser Ausführung Hitze und Druck im Anfangsschritt lang genug gehalten werden, um sowohl Bindung als auch Bildung der ver­ netzten Zellstruktur aufzubringen. Bei Titanlegierung Ti6Al-4V und bei einer Temperatur von etwa 1700°F beträgt die Zeit zur Bindung bei 5% Stauchung in der Größenordnung von ein bis zwei Stunden. Bei dieser Ausführung der Erfindung können die Bleche 16 und 18 gleichzeitig in einem Band um ihren Randdiffusionsgebun­ den werden, anstelle von Schweißen. Ein Rohr wie Rohr 14 wird bevorzugt, ist aber nicht notwendig, es genügt wenn eine Öffnung in der Bindung an Rand gelassen wird, durch die das innere Vorformvolumen mit dem Vakuum des Ofens in Verbindung steht. Mehrfach geschichtete Druckplatten können verwendet werden, bei einer Presse oder einem Ofen, jeweils wie oben beschrieben, um die Effizienz des Verfahrens zu erhöhen.

Es sollte darauf geachtet werden, scharfe Ecken in den Druckplat­ ten zu vermeiden. Zum Beispiel bei .010 Zoll Bandoberflächen­ breite ist die Dicke der Wände zwischen angrenzenden Sechsecken in der Druckplatte .1 Zoll, abgerundet mit einem .032 Zoll Radius. Die Ecken der Sechsecke sind ähnlich gerundet, um scharfe Ecken zu vermeiden, die zu hoher örtlicher Belastung führen können.

Es ist vorzuziehen, daß das Rohr 14 aus der gleichen Legierung hergestellt wird wie die Bleche 16 und 18; jedoch kann das Rohr aus jedem Werkstoff hergestellt werden, der sich auf die Metallbleche diffusionsbinden oder schweißen läßt, abhängig von der Ausführungsform des angewendeten Verfahrens, und der einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und sonst mit dem Grundmaterial kompatibel ist.

Die gemäß der Erfindung wie oben beschrieben hergestellte Vorform 24 kann dann aufgebläht werden bei superplastischen Temperaturen und typischerweise bei Drucken von etwa 200 bis 300 psi (13,8-20,7 bar) mit einem Inertgas wie Argon, damit sich die Wandkon­ struktion bildet oder eine Kernkonstruktion von regelmäßiger oder unregelmäßiger Form. Wenn die zwei Hälften der Vorform herge­ stellt aber nicht gebunden sind, wie zuerst oben beschrieben, können sie dann wenn sie nochmals zum Binden erhitzt werden, zusätzlich aufgebläht werden im selben Heizzyklus nach Entfernung der Druckplatten. Das Aufblähen läßt die Zellen 32 nach außen expandieren, in beide Richtungen von der Ebene der Bleche 16 und 18, zu einem gewissen Bruchteil, zum Beispiel 70-90% des am Ende gewünschten Dehnungsgrades. Man beachte, daß das Verfahren erlaubt, die Zahl der zur Herstellung notwendigen Temperaturzyk­ len, im Vergleich zu früheren Verfahren, zu minimieren.

Das Aufblähen der Vorform kann durchgeführt werden, während sie nur an ihrem Rand gehalten wird; in diesem Fall expandieren die Zellen gleichmäßig in ihre jeweiligen Richtungen. Alternativ kann die Vorform in einer geschlossenen Hohlform aufgebläht werden, so daß die Wände der Hohlform die gewünschte Form des aufgeblähten oder teilweise aufgeblähten Kerns begrenzen und bestimmen. Solch eine Form kann, zum Beispiel, die Expansion auf einen wesent­ lichen Bruchteil der am Ende gewünschten begrenzen. Sie kann alternativ die vollständige gewünschte Expansion ermöglichen und kann auch äußere Wände oder Bauelemente anpassen, die so an die expandierten Enden der Zellen diffusionsgebunden werden können, über die ganze Fläche der letzteren, wobei die Oberfläche zwischen den Wänden und dem Kern gebunden und im wesentlichen lückenfrei bleibt. Alternativ kann die Vorform auf diese Art vollständig aufgebläht und anschließend an äußere Elemente gebunden werden. Es wird sich zeigen, daß weil die Expansion durch den Gasdruck gleichmäßig und einheitlich abläuft, praktisch jede beliebige Kernform erreicht werden kann durch entsprechende Gestaltung der Hohlform. Die Aufblähung kann in Luft durchgeführt werden, vorausgesetzt daß der Aufblähgrad klein genug ist, so daß keine Bindung eintritt, zum Beispiel zwischen angrenzenden Zellwänden. Falls ein Arbeitsschritt in Luft ausgeführt wird, muß das Metall der Bleche oder der Vorform von Oxiden oder anderen Verunreinigungen gereinigt werden, nach bekannten Techniken wie einem Säurebad, bevor eine Bindung zuverlässig erreicht werden kann, was in der Technik bekannt ist.

Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere nützlich zur Formung von mehrfach gekrümmten Flügelkonstruktionen wie Rotorblätter oder Statorflügel für Gebläse und Kompressoren und Scheiben mit integrierten Blättern, die oft stark gekrümmte Oberflächen erfordern, hohe Festigkeit und Steifheit, geringes Gewicht und die Möglichkeit zur Inspektion des Kerns in einem frühen Produktionsstadium. Dies ist in den Fig. 6-9 dargestellt.

Die Vorform 24 wird zuerst in eine Form gedreht, die im wesentli­ chen der mehrfachen Krümmung des inneren hohlen Teils oder der Tasche 42 von Flügel 40 entspricht. Der so gedrehte Kern ist bei 44 gezeigt, plaziert zwischen den oberen und unteren Hälften 46 bzw. 48, auch als obere und untere Haut des Flügels 40 bezeich­ net. Gemäß der Erfindung werden die obere und untere Haut 46 und 48 diffusionsverbunden entlang ihrer peripheren kongruenten Oberflächen 50 und 52, und der Hohlraum oder die Tasche 42 zwischen ihnen (vorzugsweise gleichmäßig in beide Häute aus­ gedehnt) ist vollständig gefüllt mit zellförmigem Kern 44, der expandiert wird um dieses Volumen auszufüllen und der sich entlang seiner äußeren Oberfläche vollständig diffusionsbindet an die entsprechende innere Oberfläche der Flügelhäute.

Abhängig vom Ausmaß der mehrfachen Krümmung im Flügel kann es empfehlenswert sein, zuerst einen Teil der Krümmung in einer Form auf die Vorform aufzubringen, was die gesamte oder nur einen wesentlichen Teil der am Ende geforderten Krümmung ausmacht, während der Rest von den Flügelhäuten selbst vervollständigt wird, die als Formen dienen. Alternativ kann, wenn nur ein kleines Maß an mehrfacher Krümmung erforderlich ist, dies von den Flügelhäuten selbst auf die Vorform aufgebracht werden, ohne daß ein oder mehrere vorhergehende Formungsschritte nötig sind, um schrittweise die gewünschte mehrfache Krümmung zu erreichen.

Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung einer Form 56 einschließlich der oberen und unteren Druckelemente 58 und 60, die zwischen sich eine gemeinsame periphere Oberfläche 62 einschließen wenn die Hälften der Form zusammenkommen, entsprechend dem Grad an Drehung oder mehrfacher Krümmung, die in diesem speziellen Formungschritt erreicht werden soll. Die Vorform 24 ist schematisch zwischen den Druckelementen 58 und 60 dargestellt, noch mit Rohr 14, um die Druckbegasung des Inneren von Vorform 24 zu ermöglichen. In einem Ofen wird Vorform 24 zuerst mit einem Inertgas auf einige psi aufgebläht, um "knicken" oder scharfes Biegen der Vorform beim Krümmen zu vermeiden. Die Hälften der Form oder die Druckelemente 58 und 60 werden dann über der Vorform geschlossen, bei einer Temperatur innerhalb des superplastischen Bereichs, so daß die Vorform die gewünschte Krümmung annimmt. Die Form 56 kann eine offene Hohlform sein, einfach zum Aufbringen einer Drehung auf die Vorform oder es kann eine geschlossene Hohlform sein, deren innere Oberfläche die gewünschte äußere Form des durch Aufblähen der Vorform 24 zu formenden Kerns definiert. Das kann die am Ende gewünschte Form für den Kern sein, oder es kann ein wesentlicher Teil sein, weniger als der gesamte gewünschte Grad an Aufblähung. Während ein Teil der Aufblähung erreicht werden kann bevor die gesamte oder im wesentlichen die gesamte Drehung auf den Kern aufgebracht ist, wird der Grad an Aufblähung vorzugsweise unter dem gehalten, bei dem die Seitenwände der Zellen anfangen sich miteinander zu verbinden, bis die vollständige Drehung erreicht ist. Das vermeidet, daß Drehung auf den Kern aufgebracht werden muß, nachdem sich die Seitenwände schon verbunden haben, was sie verzerrt und zu ungleicher Dicke der Zellen im Kern führt. Für umfangreiche mehrfache Krümmung kann eine Folge schrittweiser Formungen angewendet werden.

Der aufgeblähte Kern 44 wird dann zwischen die Flügelhälften 46 und 48 plaziert und das entstandene Sandwich zusammengepresst, bei Temperaturen im superplastischen Bereich von Kern und Häuten. Die Herstellung der Flügelhäute 46 und 48 kann nach jedem üblichen bekannten Verfahren erfolgen, zum Beispiel durch eine Kombination von maschineller Bearbeitung und Warmformgebung. Sie werden vorzugsweise aus der gleichen Legierung wie der Kern gemacht oder mit einer kompatiblen. Ein Kanal 65 ähnlich dem Kanal 64 wird in die Haut 48 eingearbeitet, um einen Gasaustausch zwischen den inneren Volumen zwischen Kern 44 und den zugehörigen Häuten zu ermöglichen, so daß ein Vakuum innerhalb dieses Volumens erzeugt werden kann, um eine vollständige Bindung zwischen der Oberfläche von Kern 44 und den entsprechenden inneren Oberflächen der Häute 46 und 48 zu erreichen. Dies kann auf jedem der verschiedenen Wege erreicht werden, die beschrieben werden. Rohr 14 wird am Ort belassen, durch Kanal 64, als Gaszufuhr zum Druckbegasen des Inneren von Kern 44, um ihn aufzublähen, damit das Volumen zwischen den Flügelhälften 46 und 48 vollständig ausgefüllt wird. Nachdem die Konstruktion geformt ist, können die Rohre entfernt werden und die kleinen verbleiben­ den Löcher, falls gewünscht, verstopft oder zugeschweißt werden.

Zwei Wege werden beschrieben zur Formung der Teilstücke der zwei Flügelhälften und des Kerns 44 zu einem kompletten Flügel. In einem werden die Schritte in einer Vakuumpressenform durchge­ führt, die die erforderliche Temperatur und eine Pressung zuführt, zur Ausübung des mechanischen Drucks auf die zusammen­ gehörigen Ränder 50 und 52 der Flügelhäute unter Vakuumbedingun­ gen. Die drei Bauteile werden in die Vakuumpressenform eingelegt und Rohr 14 wird mit einer Inertgasquelle verbunden, die die Zellen des Kerns aufblähen kann. Bei Temperatur wird die Form geschlossen und mechanischer Druck für etwa 5% Stauchung wird angewendet auf die Ränder 50 und 52 der Häute, und Inertgasdruck wird durch Rohr 14 angewendet, um den Kern 44 gegen die Wände der inneren Tasche der Flügelhäute aufzublähen. Mit 5% Stauchung und einer Temperatur zwischen etwa 1675°F und 1725°F können die Formungs- und Bindungsschritte für eine typische Blattkonstruk­ tion, wie in den Fig. 7-9 gezeigt, in etwa zwei Stunden ab­ geschlossen werden. Das von der Presse erzeugte Vakuum ist vorzugsweise zwischen 10 (exp -4) und 10 (exp -6) Torr. Ein Kanal 65 wird in Haut 48 eingearbeitet, damit das von der Presse erzeugte Vakuum mit den inneren Volumen zwischen dem Kern und den zugehörigen Häuten in Verbindung steht. Solch ein Kanal kann in eine oder in beide der zusammengehörigen Flügelhäute eingearbeitet werden, und wenn gewünscht, kann mehr als ein solcher Kanal angebracht werden. Alternativ können die Flügelhäute 46 und 48 längs ihres Umfangs geschweißt und evakuiert werden, um eine Vakuumkammer zu schaffen, was es ermöglicht, die Bindung in einer Heißpresse durchzuführen anstatt in einem teureren Vakuumofen. Zu diesem Zweck ist es angebracht, ein in Kanal 5 eingeschweißtes Rohr 67 anzubringen, das mit einer geeigneten Vakuumquelle von 10 (exp -4)-10 (exp -6) Torr verbunden werden kann. Dies kann geschehen, indem das Rohr 67 mit der Vakuumquelle verbunden wird, bevor die Bauteile in die Presse eingelegt werden, und das Rohr verschlossen wird, so daß das gewünschte Vakuum während des Heizzyklus gehalten wird, ohne daß eine Vakuumverbindung zur Presse nötig ist. Der Kern wird dann aufgebläht, bei Diffusions­ bindungstemperaturen, und füllt und verbindet sich mit der Tasche in den Flügelhäuten. Man beachte, daß die Aufblähung hierin immer unter Verwendung von Inertgas wie Argon beschrieben wird, um die Bildung von Oxiden und anderen kontaminierenden Stoffen zu vermeiden, die nicht einfach entfernt werden können.

Die Zeitspanne, während der der Druck innerhalb des Kerns gehalten werden muß, um die Zellen aufzublähen, wird für die, die mit dieser Technik vertraut sind, bekannt sein und sie hängt ab vom Gasdruck, der jeweils verwendeten Legierung, der Blechdicke und der Geometrie der speziellen Vorform. Man beachte, daß Gaskanäle oder Rohre vorzugsweise über den Lauf 69 des Flügels zugeführt werden, wie in Fig. 8 gezeigt, oder durch die Spitze, so daß sie keine Bereiche kreuzen, die querlaufender Belastungs­ verwerfungen ausgesetzt werden können.

Fig. 8 und 9 zeigen den fertigen Flügel, mit den miteinander verbundenen Häuten, die den Kern 44 einschließen und an ihn gebunden sind. Wichtig ist, die Platte und anschließend Kern 44 ist für Inspektion nach jeder üblichen Prüfmethode zugänglich bevor er in den Flügel eingekapselt wird, was Inspektion der Bindungen und der Integrität des Aufbaus des Kerns in einem frühen Verfahrensstadium erlaubt. Gründliche Inspektion auf diese Weise macht es unwahrscheinlich, daß ein unsachgemäß gebundener oder geformter Kern in einen Flügel eingebaut wird, was unnötige Kosten aufgrund von Ausschuß vermeidet und ein höheres Maß an konstruktiver Integrität und Sicherheit schafft, als das mit Verfahren möglich ist, die solche frühen direkten Inspektionen nicht erlauben.

Man beachte, daß zwei oder mehr Zellstrukturkerne gemäß der Erfindung miteinander verbunden werden können, um verstärkende Konstruktionen mit größerer Tiefe oder einer anderen Gestalt zu schaffen, als das mit einem einzelnen Kern allein machbar oder wünschenswert ist.

Es wird für die mit der Technik Vertrauten offensichtlich sein, daß Modifikationen und Variationen der beschriebenen Ausführungen gemacht werden können, ohne daß der Bereich und der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird, was lediglich gemäß der folgenden Ansprüche beschränkt werden soll.

Claims (30)

1. Konstruktion mit Zellstruktur, die zwei Metallbleche (16, 18) umfaßt, die entlang einer Oberfläche (20) miteinander diffusionsverbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche eine Bandoberfläche (20) ist, die in ihren Zwischenräumen eine Anordnung von polygonalen Zellen enthält, die über von den Blechen (16, 18) gebildete Kanäle miteinander verbunden sind.

2. Konstruktion mit Zellstruktur nach Anspruch 1, in der die Zellen expandiert wurden unter Gasdruck bei super­ plastischer Temperatur.

3. Konstruktion mit Zellstruktur nach Anspruch 1 oder 2, in der die Wände der angrenzenden Zellen miteinander diffusionsverbunden sind, im wesentlichen ohne Lücken.

4. Konstruktion mit Zellstruktur nach Anspruch 1-3, wobei die Konstruktion eine mehrfache Krümmung aufweist.

5. Konstruktion mit Zellstruktur nach Anspruch 1-4, wobei die Konstruktion mit Zellstruktur eingebettet und verbunden ist mit zusätzlichen Bauelementen.

6. Konstruktion mit Zellstruktur nach Anspruch 1-5, wobei die Konstruktion mit Zellstruktur eingebettet und diffusionsverbunden ist mit Flügelhäuten (46, 48), und einen mehrfach gekrümmten Hohlkernflügel bildet.

7. Konstruktion mit Zellstruktur nach Anspruch 1-6, in der in mindestens einem Teil der Konstruktion die polygonalen Bereiche von unterschiedlicher Größe sind.

8. Verfahren zur Herstellung einer Konstruktion mit Zell­ struktur, bei dem mindestens ein Metallblech (16, 18), das einer superplastischen Formung fähig ist, verwendet und durch Anlegen von Druck superplastisch verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zur Stau­ chung des Bleches (16, 18) entlang einer Bandoberfläche (20) angelegt wird, die in ihren Zwischenräumen eine Anordnung von polygonen Lücken (28) trägt, die unterein­ ander durch Aussparungen (26) in der Bandoberfläche (20) verbunden sind, wobei der Druck ausreichend ist, um die Dicke des Bleches (15, 18) entlang der Bandober­ fläche (20) zwischen ein bar und etwa 10% zu verrin­ gern, und der Druck bei einer Temperatur und für eine Zeit angewendet wird, die ausreichen, daß das Metall in die Bereiche der polygonalen Lücken (28) einfließt und darin Kissen bildet, die durch Kanäle entsprechend den Aussparungen (26) untereinander verbunden sind, und die Kissen und Kanäle sich relativ zur Bandoberfläche abheben.

9. Verfahren nach Anspruch 8, in dem die Temperatur aus­ reicht, um die Metallbleche (16, 18) superplastisch zu machen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, in dem zwei Metall­ bleche (15, 18) flächig aneinander anliegend angeordnet werden und der Druck zu ihrer Stauchung von mindestens einer Druckplatte (10, 12) aufgebracht wird, die die Bandoberfläche (20) bildet, und von einer gegenüberlie­ genden Oberfläche, wobei die Druckplatte (10, 12) und die gegenüberliegende Oberfläche gegen positive Anschläge zusammengebracht werden, auf einen Abstand, der der Dickenverringerung entspricht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem die gegenüberliegende Oberfläche (13) eine ebene Oberfläche ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, in dem die gegenüberliegen­ de Oberfläche (13) eine zweite Druckplatte (12) ist, die eine zweite Bandoberfläche (20) bildet entsprechend der ersten Bandoberfläche (20) der ersten Druckplatte (10, 12), die Druckplatten entsprechende Aussparungen (26) aufweisen, so daß die beiden Metallbleche (16, 18), die dem Stauchdruck zwischen ihnen unterworfen werden, Kissen bilden, die sich in entgegengesetzten Richtungen erheben und ein Netzwerk von Zellen bilden, die durch Kanäle miteinander verbunden und durch eine Öffnung am Rand der Bleche (16, 18) zugänglich sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-12, in dem die Bandoberfläche (20) im wesentlichen konstante Breite aufweist, zwischen etwa 1/32 und 1/8 Zoll, alle Kanten der Druckplatten (10, 12), die die Bandoberfläche (20) bilden, ausreichend gerundet sind, um scharfe Ecken zu vermeiden, die unzulässige Belastung in den Metall­ blechen (16, 18) verursachen können.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-13, in dem die Form der polygonalen Lücken (28) aus Sechsecken und/oder Oktagonen und/oder Dekagonen und/oder Dodekagonen gebildet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-14, bei dem die Metallbleche (16, 18) bei der Temperatur ausreichend belassen werden, daß sie entlang ihrer Bandoberfläche (20) diffusionsverbunden werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die geformten Bleche (15, 18), bevor sie bei der Temperatur lang genug belassen werden, um die Diffusionsbindung einzugehen, längs ihres Umfangs miteinander verbunden und mit Mitteln zum Anschluß einer Gasdruckquelle, zur Verbin­ dung mit dem Netzwerk der von den Blechen (15, 10) gebildeten Zellen, versehen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-16, bei dem ein Paar der Metallbleche (16, 18) durch Diffusionsbindung entlang ihrer Bandoberflächen (20) und entlang ihrer Ränder zur Bildung einer Vorform verbunden werden, derart, daß die Kissen der jeweiligen Bleche (16, 18) ein Netzwerk von Zellen bilden, die durch die Kanäle miteinander verbunden sind; Verbindungen zur Steuerung des Gasdrucks innerhalb des Zellnetzwerks angebracht werden; und Gasdruck auf die Zellen durch die Verbindun­ gen bei Temperaturen der superplastischen Verformung zu ihrer Volumenexpansion angelegt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-17, in dem die Zellen expandiert werden unter Druck gegen eine Oberflä­ che, die ihre Expansion beschränkt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-18, in dem die Zellen derart expandiert werden, daß im wesentlichen alle Zellen auf zumindest einer Seite der Ebene der Bandoberfläche (20) diffusionsgebunden werden an an­ grenzende Zellen, zur Bildung einer verstärkenden Konstruktion mit Zellstruktur, die im wesentlichen frei ist von Lücken zwischen den angrenzenden Zellwänden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-19, bei dem die verstärkende Hohlkernkonstruktion an ein oder mehrere zusätzliche Metallelemente zur Bildung einer ausge­ steiften verstärkten Konstruktion diffusionsgebunden wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, in dem die einen oder mehreren zusätzlichen Metallelemente diffusionsgebunden werden an die Enden der Zellen, derart, daß im wesentli­ chen die gesamte Wandoberfläche der Zellen diffusionsge­ bunden ist, ohne Lücken zu angrenzenden Zellwänden oder zu besagten Metallelementen.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, in dem die einen oder mehreren Metallelemente im wesentlichen die gesamte verstärkende Konstruktion mit Zellstruktur einschließen, um eine verstärkte Hohlkernkonstruktion zu bilden.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20-21, wo die zusätzlichen Metallelemente Flügelhäute (46, 48) enthal­ ten, und die entstehende Konstruktion ein verstärkter Hohlkernflügel ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18-23, bei dem die Vorform, bei superplastischer Temperatur, zwischen Formgesenken eingelegt wird, die so gestaltet sind, daß sie eine Krümmung in der Ebene der Vorform erzeugen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem ein positiver Gasdruck in das Netzwerk der Zellen vor der Verformung der Vorform (24) durch die Formgesenke eingebracht, und der Gasdruck erhöht wird, nachdem eine Krümmung herge­ stellt ist, um das Volumen der Zellen superplastisch zu expandieren.

26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, in dem die Formgesenke so geformt werden, daß eine mehrfache Krümmung in der Vorform entsteht.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-26, bei dem die Vorform, bei Temperatur der superplastischen Verfor­ mung, zwischen ein Paar Flügelhäute (46, 48), die eine Tasche zwischen sich haben mit mehrfacher Krümmung, eingelegt wird; ein positiver Druck in die Zellen der Vorform eingebracht wird; die Vorform in die Tasche in den Flügelhäuten (46, 48) gelegt und die Häute (46, 48) zur Formung der Vorform zu einer mehrfachen Krümmung entsprechend jener der Tasche zusammengebracht werden; und die Vorform, um ihre äußere Oberfläche an die inneren Wände der Häute (45, 48) der Tasche anzupassen und diffusionszubinden, aufgebläht wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-27, bei dem die Vorform auf Integrität der Bindung und der Konstruktion inspiziert wird, bevor sie mit den einen oder mehreren Metallelementen verbunden wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-28, in dem die Größe der polygonalen Bereiche in mindestens einem Teil der Konstruktion unterschiedlich gemacht wird zu der Größe der polygonalen Bereiche in anderen Teilen der Konstruktion gemäß den Belastungen, Schwingungsanregun­ gen oder Biegemomenten, denen die Konstruktion ausge­ setzt werden soll.

30. Konstruktion mit Zellstruktur hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.