DE4200047C2

DE4200047C2 - Verfahren zum superplastischen Umformen mit gleichzeitiger Verbindung zwischen einem superplatisch zu verformenden Blechzuschnitt und einem weiteren Bauteil

Info

Publication number: DE4200047C2
Application number: DE19924200047
Authority: DE
Inventors: Tung-Han Chuang
Original assignee: Individual
Current assignee: National Science Council
Priority date: 1992-01-03
Filing date: 1992-01-03
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2012-01-04
Also published as: DE4200047A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum superplastischen Umformen, mit gleichzeitiger Verbindung zwischen einem superplastisch zu verformenden Blechzuschnitt und einem weiteren Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Als superplastische Materialien gelten solche Legierungen, die sich unter bestimmten Temperaturen und Spannungen mit einem hohen Umformgrad verformen lassen. Solche Materialien sind beispielsweise Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Eisenlegierungen und manche Magnesiumlegierungen. Das in der Luftfahrtindustrie am häufigsten benutzte Material ist die Ti 6 Al 4V-Legierung. Auch manche Aluminiumlegierungen haben eine gewisse Bedeutung erlangt, beispielsweise die 7475 Al-Zn-Mg- Legierung oder die 8090 Al-Li-Legierung. Zudem werden immer neue superplastische Legierungen entwickelt.

Die superplastische Umformtechnik, die derartige superplastische Legierungen verwendet, zeichnet sich dadurch aus, daß kompliziert gestaltete Bauteile hergestellt werden können, wobei ein großer Umformgrad erreicht werden kann und niedrige Umformspannungen erzielt werden, so daß der Energiebedarf und der Werkzeugverschleiß reduziert wird. Für bestimmte Sonderlegierungen wie Ti 6 Al 4V, die mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden kaum umgeformt werden kann, ist die superplastische Umformung besonders geeignet.

Bei der superplastischen Umformung werden Metallbleche ähnlich dem Blasformen bei thermoplastischen Kunststoffen umgeformt. Hierbei wird ein Umformdruck von etwa 5 bis 20 bar Gasdruck angewendet. Für eine bessere Steuerung der Umformung kann auch ein entsprechender Unterdruck oder ein gleichzeitiger Gegendruck Anwendung finden.

Diese Verfahren sind beispielsweise in dem US-Patent 3 340 101, 3 595 060 und 4 181 000 beschrieben. In dem US-Patent 4 045 986 wird ein Umformverfahren beschrieben, wobei unter Verwendung einer Druckform und einer Gegenform eine gleichförmige Wandstärke im fertiggestellten Bauteil erreicht wird.

Die DE 36 01 868 A1, durch deren Inhalt der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert ist, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von integralen Blechbauteilen aus hochfesten Aluminiumlegierungen durch Kombination von superplastischer Umformung und integraler Verbindungstechnik. Hierbei werden Blechbauteile vor oder nach erfolgter Umformung unter Verwendung von Zwischenschichten in Form von Folien, Pulvern oder Pasten im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre durch Drücke zwischen 20 und 25 bar und Temperaturen zwischen 516°C und 600°C miteinander verbunden. Die zur Verbindung verwendeten Zwischenschichten schmelzen hierbei unter Bildung niedrig schmelzender Phasen im Grenzbereich auf und kristallisieren anschließend. Die verwendete Zwischenschicht bildet dabei mit dem Grundmetall der Blechbauteile eine flüssige Phase. Diese Verbindungstechnik ist aufgrund der erforderlichen Rekristallisation somit im wesentlichen auf eutektische Verbindungen beschränkt, insbesondere auf hochfeste Aluminiumlegierungen. Eine Anwendung dieser Verbindungstechnik auf Titan-Legierungen und nicht-eutektische Legierungen, wie sie häufig in der Luftfahrtindustrie benutzt werden, ist hierbei ausgeschlossen.

Im US-Patent 3 920 175 ist ein Verfahren zur superplastischen Umformung von Metallen beschrieben, wobei gleichzeitig eine Diffusionsverbindung hergestellt wird, die die häufig benutzte Diffusionsverbindungstechnik mit der superplastischen Umformtechnik kombiniert. In diesem Verfahren wird ein Blechzuschnitt superplastisch durch Druck verformt, so daß der Blechzuschnitt sich fest an ein anderes Bauteil anlegt und dann durch Diffusionsverbindung bei der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck unter Schutzgasatmosphäre zusammengefügt werden.

Hierbei liegt jedoch der Druck, der für eine einwandfreie Diffusionsverbindung erforderlich ist, bedeutend höher als der Druck, der für die superplastische Umformung angewendet wird, insbesondere für solche Materialien, die durch Diffusionsverbindung schwierig zusammenzufügen sind. Beispielsweise ist das Verfahren gemäß dem US-Patent 41 81 000 und dem US-Patent 39 20 175 nicht für Aluminium-Legierungen anwendbar. Dementsprechend werden diese bekannten Verfahren nur für Titan-Legierungen angewendet, jedoch nicht für Aluminium-Legierungen, die hauptsächlich in der Luftfahrtindustrie Verwendung finden. Außerdem ist von Nachteil, daß bei kompliziert gestalteten Bauteilen, bei denen der erforderliche Druck für die Diffusionsverbindung nicht direkt auf die zu verbindenden Oberflächen der Bauteile ausgeübt werden kann, eine Diffusionsverbindung nicht möglich ist und somit das vorher beschriebene Verfahren der superplastischen Umformung mit gleichzeitiger Diffusionsverbindung nicht geeignet ist.

Weiterhin ist von Nachteil, daß bei dem beschriebenen Verfahren der Diffusionsverbindung eine über mehrere Stunden dauernde Anwendungszeit bei hohen Temperaturen erforderlich ist, so daß für die Herstellung ein hoher Energiebedarf erforderlich ist. Zudem ergibt sich dadurch eine geringe Fertigungsrate pro Zeiteinheit, eine geringe Produktivität und durch die lange Anwendung von hohen Temperaturen die Gefahr der Materialalterung und somit die Gefahr von Qualitätsverlusten.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein superplastisches Umformverfahren mit gleichzeitiger Verbindung mit einem weiteren Bauteil anzugeben, das sich für unterschiedliche Legierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen eignet und welches zudem zeit- und energiesparend ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist die breite Anwendung auf eine Vielzahl von Legierungen, so daß dieses Verfahren im Gegensatz zu dem US-Patent 3 920 175 nicht nur auf Titan-Legierungen beschränkt ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß zur Verbindung der Bauteile kein hoher Druck auf die Verbindungsflächen der Bauteile ausgeübt werden muß, so daß im Gegensatz zu den bekannten Diffusionsverbindungsverfahren auch sehr kompliziert geformte Bauteile miteinander verbunden werden können, die beispielsweise durch die Diffusionsverbindung nicht zuverlässig zusammengefügt werden konnten, da insbesondere bei komplizierten Abwinkelungen oder Hinterschneidungen der für die Diffusionsverbindung erforderliche Druck nicht ausgeübt werden konnte.

Ein weiterer Vorteil ist, daß sich die Gesamtarbeitszeit gegenüber dem im US-Patent 3 920 175 beschriebenen Verfahren beträchtlich reduziert, wodurch sich der Energiebedarf für die Herstellung und die Gefahr der Materialschwächung beträchtlich verringert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der zu verbindenden Bauteile in einer zugehörigen Vorrichtung vor Beginn der superplastischen Umformung;

Fig. 2 die Darstellung gemäß Fig. 1 während der superplastischen Umformung;

Fig. 3 die Darstellung gemäß Fig. 1 und 2 nach der superplastischen Umformung; und

Fig. 4 das durch das Verfahren gemäß den Fig. 1 bis 3 hergestellte Bauteil.

In Fig. 1 ist ein plattenförmiges Füllmetall 1 gezeigt, dessen Auswahl für die Qualität der Verbindung wesentlich ist. Das Füllmetall 1, das zwischen einem Bauteil 2 und einem superplastisch zu verformenden Blechzuschnitt 3 eingelegt wird, weist eine gute Lötbarkeit auf, insbesondere eine gute Benetzungseigenschaft, gute Fließfähigkeit, sowie eine ausreichende Festigkeit. Wesentlich ist ferner, daß das Füllmetall 1 einen Schmelzpunkt (oder Soliduspunkt) aufweist, der höher als die Temperatur zum superplastischen Umformen des Blechzuschnittes 3 liegt, jedoch nicht so hoch ist, daß der zu verformende Blechzuschnitt 3 geschmolzen oder durch Gefügeumformung oder dgl. geschädigt wird.

Die nachfolgende Tafel 1 zeigt einige Beispiele von geeigneten Füllmetallen 1 für unterschiedliche superplastische Materialien und ihre zugehörigen Temperaturen zur superplastischen Umformung, sowie die Verbindungstemperaturen für das jeweilige Füllmetall.

Tafel 1

Die vorstehenden Füllmetalle sind nicht durch die obenstehenden Beispiele beschränkt. So kann jedes Füllmetall verwendet werden, das die vorstehenden Anforderungen hinsichtlich Lötbarkeit und Schmelzpunkt erfüllt. Das Füllmetall 1 kann dabei in Blatt- oder Pastenform angewendet werden, wobei für kompliziert gestaltete Bauteile die Pastenform bevorzugt wird.

Wie in Fig. 1 angedeutet, wird ein beispielsweise in der Tafel 1 erwähntes Füllmetall 1 auf die Fügefläche des Bauteiles 2 aufgelegt. Dann wird der superplastisch zu verformende Blechzuschnitt 3 in einer Form 4 eingelegt und fixiert. Anschließend wird die jeweilige in Tafel 1 erwähnte Temperatur zur superplastischen Umformung durch eine Heizvorrichtung 5 erzeugt.

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, wird dann der erwärmte Blechzuschnitt 3 durch superplastische Verformung umgeformt, bis dieser das (ebenfalls erhitzte, aber noch feste) Füllmetall 1 berührt, wobei herkömmliche Verformungsmittel wie Preßdruckformen oder Umformung durch Tiefziehen angewendet werden, wie dies durch den Pfeil 6 symbolisiert ist.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird nach der Anlage des umgeformten Blechzuschnittes 3 auf dem Füllmetall 1 die Temperatur weiter auf eine der in Tafel 1 erwähnten Fügetemperaturen erhöht. Hierbei kann das Verformungsmittel (z. B. Preßdruck) von dem verformten Blechzuschnitt 3 gelöst werden, was beispielsweise in dem US-Patent 3 920 175 nicht möglich ist. Obwohl es nicht erforderlich ist, daß der Verbindungsschritt im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, kann in den meisten Fällen eine bessere Verbindungsqualität dadurch erreicht werden, daß die Form 4 in eine Vakuumeinrichtung gestellt wird oder indem der Hohlraum 8 durch einen Anschluß 7 evakuiert oder mit Schutzgas gefüllt wird. Nachdem die Fügetemperatur für eine vorbestimmte Zeit, im allgemeinen 10 Minuten, aufrechterhalten wurde, wird die Heizvorrichtung 5 abgeschaltet. Nach dem Abkühlen wird somit das in Fig. 4 dargestellte Bauteil erhalten, wobei der umgeformte Blechzuschnitt 3 über das Füllmetall 1 fest mit dem Bauteil 2 verbunden ist.

Claims

1. Verfahren zum superplastischen Umformen mit gleichzeitiger Verbindung zwischen einem superplastisch zu verformenden Blechzuschnitt (3) und einem weiteren Bauteil (2) mit folgenden Schritten:

(a) Einbringen eines Füllmetalls (1) zwischen dem superplastisch zu verformenden Blechzuschnitt (3) und dem Bauteil (2), wobei das Füllmetall (1) einen höheren Schmelzpunkt als die zur superplastischen Verformung des Blechzuschnittes (3) erforderliche Temperatur aufweist;
(b) superplastisches Verformen des Blechzuschnittes (3) mittels Umformdrucks bei der für superplastisches Verformen des Zuschnittes (3) erforderlichen Temperatur bis sich der Blechzuschnitt (3) an das Füllmetall (1) anlegt; und
(c) Erhöhen der Temperatur über den Schmelzpunkt des Füllmetalls (1) unter Verbindung des superplastisch verformten Blechzuschnittes (3) und des weiteren Bauteils (2).

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur nur so weit über den Schmelzpunkt des Füllmetalls (1) erhöht wird, daß der superplastisch verformte Blechzuschnitt (3) im Anlegebereich an das Füllmaterial (1) nicht aufgeschmolzen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Verfahrensschritt (c) etwa 10°C über den Schmelzpunkt des Füllmetalls (1) erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Verfahrensschritt (c) etwa 10 Minuten aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformdruck für den Verfahrensschritt (b) während des Verbindungsschrittes (c) reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformdruck auf "Null" reduziert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmetall (1) ein Hartlot mit guter Benetzungseigenschaft und Fließfähigkeit ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmetall (1) in Blattform auf das Bauteil (2) aufgelegt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmetall (1) in Pastenform auf das Bauteil (2) aufgetragen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsschritt (c) unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlraum (8) zwischen dem zu verformenden Blechzuschnitt (3) und dem Bauteil (2) durch einen Anschluß (7) evakuiert oder mit Schutzgas gefüllt wird.