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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Gegenstands durch superplastische Formung und Diffusionsverschweißung.
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Es
ist bekannt, hohle metallische Gegenstände durch superplastische Formung
und Diffusionsverschweißung
metallischer Werkstücke
herzustellen. Diese metallischen Werkstücke umfassen elementares Metall,
Metall-Legierungen, Zwischenmetall-Materialien und Metallmatrix-Zusammensetzungen.
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Das
Verfahren der superplastische Formung und Diffusionsverschweißung kann
benutzt werden, um konturierte Gegenstände herzustellen, zum Beispiel
Fan-Laufschaufeln
oder Fan-Kanalauslaß-Leitschaufeln
für Gasturbinentriebwerke,
indem eine integrale Struktur superplastisch oder heiß geformt
und durch ein Diffusionsschweißverfahren
erzeugt wird.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch superplastische
Formung und Diffusionsverschweißung
ist in unserer Europäischen
Patentschrift EP0568201B beschrieben. In der EP0568201B wird der
integrale Aufbau der durch das Diffusionsschweißverfahren erzeugt ist, verdrillt,
bevor die integrale Struktur superplastisch geformt wird. Zusätzlich wird
die integrale Struktur durch Heißfließen in der superplastisch formenden
Matritze gebildet.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch superplastische
Verformung und Diffusionsverschweißung ist in unserem britischen
Patent GB2269555B beschrieben. In der GB2269555B werden die Oberflächen von
zwei der metallischen Werkstücke
spanabhebend bearbeitet, um eine vorbestimmte Massenverteilung in
den metallischen Werkstücken
zu erzielen. Die gegenüberliegenden
Oberflächen
der zwei metallischen Werkstücke
werden flach gehalten und die flachen Oberflächen werden durch Diffusionsverschweißung miteinander
verbunden, oder sie werden mit gegenüberliegenden Oberflächen eines
dritten metallischen Werkstücks
verschweißt.
Die integrale Struktur wird durch Heißfließen in superplastischen Formmatritzen
geformt.
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Dieses
Herstellungsverfahren ergibt jedoch ein Problem. Die superplastische
Verformung oder die Heißverformung
der integralen Struktur führt, nach
der Diffusionsverschweißung,
in den Matritzen zu einer Knitterung des heißverformten metallischen Werkstücks an der
konvexen Oberfläche
der superplastischen Formgebungsmatritze. Der Grund dafür besteht
darin, dass das heißgeformte
Werkstück
an der konvexen Oberfläche
der superplastischen Formgebungsmatritze unter Druck steht. Dies
führt dazu,
dass die Form des Gegenstands von den gewünschten Dimensionen abweicht
und dies kann zu einer Verschrottung des Gegenstands führen und demgemäß zu einer
Vergeudung von Material, Zeit und Geld.
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Demgemäß sucht
die vorliegende Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Herstellung
eines Gegenstands durch superplastische Verformung und Diffusionsverschweißung zu
schaffen, wobei die oben erwähnten
Probleme vermieden werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands
durch superplastische Verformung und Diffusionsverschweißung von
wenigstens zwei metallischen Werkstücken, wie dies in Patentanspruch
1 definiert ist.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (c) eine spanabhebende Bearbeitung des zweiten
metallischen Werkstücks,
um unterschiedliche Tiefen bis zu einer maximalen Tiefe zu bearbeiten
und die maximale Tiefe spanabhebende Bearbeitung ist derart, dass
die verbleibende Dicke des zweiten metallischen Werkstücks gleich
der Dicke des ersten metallischen Werkstücks ist.
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Der
hohle Gegenstand kann eine Fan-Auslaß-Leitschaufel sein.
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Das
Verfahren kann eine superplastische Formung und Diffusionsverschweißung von
drei metallischen Werkstücken
umfassen und das dritte metallische Werkstück besitzt flache Oberflächen, wobei im
Schritt (e) die drei metallischen Werkstücke in einem Stapel derart
zusammengestellt werden, dass das dritte metallische Werkstück zwischen
dem ersten und dem zweiten metallischen Werkstück zu liegen kommt und die
flachen Oberflächen
in Paßberührung zueinander
stehen.
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Der
hohle Gegenstand kann eine Fan-Laufschaufel sein.
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Die
Heißfließmatritze,
die im Schritt (g) benutzt wird, kann die superplastische Formmatritze sein,
die im Schritt (h) benutzt wird.
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Nach
der Diffusionsverbindung des Stapels von Werkstücken und vor der superplastischen
Verformung der integralen Struktur, kann die integrale Struktur
erhitzt werden, und es können
Belastungen auf die gegenüberliegenden
Enden der integralen Struktur aufgeprägt werden, um ein Ende relativ
zu dem anderen Ende zu verdrillen, und die integrale Struktur zu
einer vorbestimmten Gestalt zu verformen.
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Nach
der Verdrillung der integralen Struktur und vor der superplastischen
Formgebung der integralen Struktur kann die geformte integrale Struktur einem
Innendruck ausgesetzt werden, um die Klebeverbindung zwischen dem
Trennmaterial und dem wenigstens einen Werkstück in dem vorgewählten Bereich
aufzubrechen.
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Vorzugsweise
wird nach der inneren Druckbeaufschlagung der integralen Struktur
zum Aufbrechen der Klebeverbindung und vor der inneren Druckbeaufschlagung
der integralen Struktur zur superplastischen Verformung des wenigstens
einen metallischen Werkstücks,
das Innere der integralen Struktur aufeinanderfolgend evakuiert
und mit einem inerten Gas gespeist, um Sauerstoff aus dem Inneren der
integralen Struktur zu entfernen.
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Vorzugsweise
wird nach der Diffusionsverschweißung des Werkstück-Stapels
und vor der superplastischen Verformung der integralen Struktur, die
integrale Struktur innen unter Druck gesetzt, um die Klebeverbindung
zwischen dem Trennmaterial und dem wenigstens einen Werkstück in dem
vorgewählten
Bereich aufzubrechen.
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Vorzugsweise
wird nach der inneren Druckbeaufschlagung des integralen Aufbaus
zum Zweck der Aufbrechung der Klebeverbindung und vor der inneren
Druckbeaufschlagung der integralen Struktur zur superplastischen
Verformung wenigstens eines Werkstücks, das Innere der integralen
Struktur aufeinanderfolgend evakuiert und mit einem inerten Gas gespeist,
um Sauerstoff aus dem Inneren der integralen Struktur zu entfernen.
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Vorzugsweise
werden nach Anordnung der metallischen Werkstücke in einem Stapel und vor
der Diffusionsverschweißung
der metallischen Werkstücke
miteinander, zur Erzeugung der integralen Struktur, die Ränder der
metallischen Werkstücke
versiegelt.
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Vorzugsweise
werden die Ränder
der metallischen Werkstücke
miteinander verschweißt.
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Vorzugsweise
werden dann, wenn die metallischen Werkstücke aus einer Titanlegierung
bestehen, diese metallischen Werkstücke auf eine Temperatur erhitzt,
die gleich oder größer als
850°C ist
und der angelegte Druck ist gleich oder größer als 20 × 105 Nm–2,
um die Werkstücke
miteinander durch Diffusion zu verschweißen und eine integrale Struktur zu
schaffen.
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Vorzugsweise
werden die metallischen Werkstücke
auf eine Temperatur zwischen 900°C und
950°C erhitzt,
und der angelegte Druck liegt zwischen 20 × 105 Nm–2 und
30 × 105 Nm–2.
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Vorzugsweise
wird die integrale Struktur auf eine Temperatur erhitzt, die gleich
850°C beträgt oder
größer als
diese ist, um die integrale Struktur superplastisch zu formen.
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Vorzugsweise
wird die integrale Struktur auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C.
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Vorzugsweise
wird die integrale Struktur durch Heißfließen bei einer Temperatur erzeugt,
die gleich oder größer ist
als 740°C.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (c) ein Fräsen,
eine elektrochemische Bearbeitung, eine chemische Bearbeitung oder
eine Funkenentladungs-Bearbeitung.
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Nachstehend
wird die Erfindung ausführlich unter
Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung
zeigen:
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1 zeigt
einen Gegenstand, der durch superplastische Verformung und Diffusionsverschweißung gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt wurde;
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2 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Stapels
zweier metallischer Werkstücke,
die superplastisch verformt und durch Diffusion verschweißt sind,
um einen Gegenstand gemäß der Erfindung
zu erzeugen;
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3 ist
ein Schnitt durch einen Stapel metallischer Werkstücke gemäß 2,
bevor die Diffusionsverschweißung
gemäß der Erfindung
durchgeführt
wurde;
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4 ist
ein Schnitt der integralen Struktur nach Vollendung des Diffusionsverschweißungsschrittes;
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5 ist
eine Schnittansicht durch den integralen Aufbau, nachdem der Schritt
der Heißfließformung
durchgeführt
wurde;
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6 ist
eine Schnittansicht durch den integralen Aufbau, nachdem der superplastische
Formgebungsschritt durchgeführt
wurde;
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7 ist
eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung eines Stapels
von drei metallischen Werkstücken,
die superplastisch geformt und diffusionsverschweißt sind,
um einen Gegenstand gemäß der Erfindung
zu erzeugen;
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8 ist
ein Schnitt durch den integralen Aufbau nachdem der Heißfließformungsschritt
durchgeführt
worden ist;
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9 ist
eine Schnittansicht durch eine Gesenkform für den Heißfließformungsschritt.
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Eine
Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 eines
Turbofan-Gasturbinen-Triebwerks ist in 1 dargestellt. Diese
besteht aus einem stromlinienförmig
gestalteten Körper 12,
mit einer Vorderkante 14, einer Hinterkante 16 und
einer konkaven Oberfläche 18,
einer konvexen Oberfläche 20,
einem Schaufelfuß 26 und einer
Schaufelspitze 28. Die Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 ist
hohl und weist einen Hohlraum 22 innerhalb des stromlinienförmig gestalteten
Körpers 12 auf. Der
Hauptteil der Masse des Materials 24, der die Vorderkante 14 des
stromlinienförmig
gestalteten Körpers 12 definiert,
liegt nach der konvexen Oberfläche 20 des
stromlinienförmig
gestalteten Körpers 12 hin.
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In
den 2 und 3 sind zwei Bleche 30 und 32 aus
einer Titanlegierung zu einem Stapel 58 zusammengefügt. Das
Blech 30 besitzt flache Oberflächen 34 und 36 und
das Blech 32 besitzt eine einzige flache Oberfläche 38.
Die flachen Oberflächen 34 und 38 der
Bleche 30 und 32 sind so angeordnet, dass sie
aneinanderstoßen.
Dabei ist zu berücksichtigen,
dass das zweite Blech 32 dicker ist als das erste Blech 30.
Die Dicke des ersten Blechs 30 ist derart gewählt, dass
es im wesentlichen gleich dick ist, wie dies für die konkave Wand der fertigen
Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 erforderlich
ist.
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Bevor
die Bleche 30 und 32 zu dem Stapel 58 zusammengestellt
werden, wird das zweite Blech 32 in dem Bereich 42 zentral
zur Oberfläche 40 des zweiten
Bleches 32 spanabhebend bearbeitet. Der zentrale bearbeitete
Abschnitt 42 ist derart geformt, dass eine Veränderung
in der Massenverteilung der Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 von
der Vorderkante 14 nach der Hinterkante 16 und
von dem Schaufelfuß 26 nach
der Schaufelspitze 28 erfolgt, indem die Tiefe der Bearbeitung
verändert
wird, das heißt
es wird die Dicke des zweiten Blechs 32 über den
zentralen bearbeiteten Bereich 42 in der Richtung zwischen
den Rändern 43 und 45 und
in der Richtung zwischen den Enden 47 und 49 des
zweiten Bleches 32 verändert. Die
maximale Tiefe der Bearbeitung des zentralen bearbeiteten Bereichs 42 ist
derart, dass eine Dicke verbleibt, die im wesentlichen gleich ist
der Dicke, die für
die konvexe Wand der fertigen Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 erforderlich
ist.
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Die
spanabhebende Bearbeitung des zentralen bearbeiteten Bereichs 42 des
zweiten Bleches 32 erfolgt durch Fräsen, elektrochemische Bearbeitung, chemische
Bearbeitung, Elektrofunken-Entladungsbearbeitung oder andere geeignete
Bearbeitungsverfahren.
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Die
aneinanderstoßenden
Oberflächen 34 und 38 der
Bleche 30 und 32 werden dann für die Diffusionsverschweißung durch
chemische Reinigung vorbereitet. Eine der aneinanderstoßenden Oberflächen 34 und 38,
in diesem Fall die anliegende Oberfläche 34, wurde mit
einem Trennmaterial überzogen. Das
Trennmaterial kann aus pulverisiertem Yttriumoxid in einem Binder
und einem Lösungsmittel
bestehen, zum Beispiel kann es ein Trennmittel sein, welches unter
der Bezeichnung "Stopyt
62A" von einer amerikanischen
Firma GTE Service Corporation in 100 Endecott Street, Danvers, MA10923,
USA vertrieben wird.
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Das
Trennmaterial wird in den gewünschten Mustern
durch das bekannte Siebdruckverfahren aufgebracht. Das gewünschte Muster
des Trennmaterials verhindert eine Diffusionsverschweißung zwischen
vorgewählten
Bereichen der Bleche 30 und 32. In diesem Beispiel
wird das Trennmittel im wesentlichen über die gesamte Oberfläche 34 aufgetragen, mit
Ausnahme von Bereichen benachbart zu den Rändern 43 und 45 und
den Enden 47 und 49, und zwar genügend weit,
dass am Rand eine zufriedenstellende Diffusionsverschweißung zustandekommen kann.
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Das
Blech 30 besitzt zwei Dübellöcher 50, die
axial auf entsprechende Dübellöcher 52 im
Blech 32 ausgerichtet sind, um eine richtige Positionsbeziehung
zwischen den beiden Blechen 30 und 32 zu gewährleisten.
Die Bleche 30 und 32 werden in dieser Positionsbeziehung
durch zwei nicht dargestellte Dübel
gehalten, die in die axial ausgerichteten Dübellöcher 50 und 52 eingesetzt
werden.
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Die
Bleche 30 und 32 des Stapels 58 werden zusammengefügt, um ein
Ende eines Rohres 48 aufzunehmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird eine Nut 44 in eine Oberfläche 34 des ersten
Bleches 30 eingearbeitet, und eine Nut 46 wird
in der Oberfläche 38 des
zweiten Bleches 32 ausgebildet. Das Rohr 48 wird
so angeordnet, dass es zwischen den beiden Blechen 30 und 32 vorsteht.
Ein Ende des Rohres 48 stellt eine Verbindung mit dem Muster
des Trennmaterials zwischen den Blechen 30 und 32 her. Bei
Vollendung des Aufbaus in der beschriebenen Weise, werden die Bleche
an ihrem Umfang derart verschweißt, dass die Ränder und
die Enden der Bleche 30 und 32 durch eine Verschweißung 59 verbunden
sind. Das Rohr 48 wird über
seinen Umfang mit den Blechen 30 und 32 verschweißt. Auf
diese Weise wird ein abgedichteter Aufbau 59 erzeugt, mit
Ausnahme des Einlasses der durch das Rohr 48 gebildet und
in 3 dargestellt ist.
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Es
ist natürlich
möglich,
eine Nut nur auf einer der beiden aneinanderstoßenden Oberflächen 34 und 38 der
Bleche 30 bzw. 32 auszubilden.
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Das
Rohr 48 wird dann an eine Vakuumpumpe angeschlossen, die
benutzt wird, um das Innere des abgedichteten Aufbaus 59 zu
evakuieren und dann ein inertes Gas, beispielsweise Argon, in das Innere
des versiegelten Aufbaus 59 einzuleiten. Diese Evakuierung
und Zuführung
von inertem Gas nach dem Inneren des abgedichteten Aufbaus 59,
kann mehrmals wiederholt werden, um zu gewährleisten, dass die meisten
oder alle Spuren von Sauerstoff aus dem Inneren des abgedichteten
Aufbaus 59 abgezogen sind. Die jeweilige Zahl von Vorgängen, bei
denen das Innere des abgedichteten Aufbaus 59 evakuiert
und mit inertem Gas gespült
wird, hängt
von der Größe der Werkstücke und
von der erforderlichen Integrität
der fertigen Komponente oder des fertigen Gegenstands ab. Je kleiner
die Spuren von verbleibendem Sauerstoff, um so besser wird die Qualität der anschließenden Diffusionsverschweißung. Das inerte
Gas wird zugeführt,
um das Innere des abgedichteten Aufbaus 59 auf Atmosphärendruck
zu bringen.
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Der
abgedichtete Aufbau 59 wird evakuiert und in einem Ofen
angeordnet. Der abgedichtete Aufbau 59 wird dann auf eine
Temperatur zwischen 250°C
und 350°C
erhitzt, um den Binder aus dem Trennmaterial zu verdampfen. Während des
Ausbackens des Binders wird der abgedichtete Aufbau 59 kontinuierlich
evakuiert, um den Binder zwischen den Blechen 30 und 32 zu
entfernen. Nachdem der Binder entfernt ist, was entweder dadurch
bestimmt wird, dass der Pegel des Binders in dem aus dem abgedichteten
Aufbau 59 abgezogenen Gas überwacht wird oder dadurch,
dass der abgedichtete Aufbau 59 während einer vorbestimmten Zeit
auf einer Temperatur zwischen 250°C
und 350°C
gehalten wird; dann wird der abgedichtete Aufbau 59 aus
dem Ofen entfernt und er wird auf Umgebungstemperatur abgekühlt, während eine
kontinuierliche Evakuierung stattfindet. Der Binder wird aus dem
abgedichteten Aufbau 59 bei einer geeigneten niedrigen
Temperatur ausgebacken, um eine Oxidation der äußeren Oberfläche des
abgedichteten Aufbaus 59 zu vermindern oder zu verhindern.
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Das
Rohr 48 wird dann abgedichtet, so dass ein Vakuum innerhalb
des abgedichteten Aufbaus 59 verbleibt. Der abgedichtete
Aufbau 59 wird dann sorgfältig nach einem Autoclaven überführt. Die
Temperatur im Autoclaven wird derart angehoben, dass der abgedichtete
Aufbau 59 auf eine Temperatur von mehr als 850°C erhitzt
wird, und der Argon-Druck im Autoclaven wird auf mehr als 20 Atmosphären (294 Pfund
pro Quadrat-Zoll (20,26 × 105 Nm–2) angehoben und Druck
und Temperatur werden auf diesem Wert eine vorbestimmte Zeit lang
aufrechterhalten. Vorzugsweise wird der abgedichtete Aufbau 59 auf eine
Temperatur zwischen 900°C
und 950°C
erhitzt und der Druck liegt zwischen 294 Pfund pro Quadrat-Zoll
(20,26 × 105 Nm–2) und 441 Pfund pro
Quadrat-Zoll (30,39 × 105 Nm–2). Wenn beispielsweise der
abgedichtete Aufbau 59 auf eine Temperatur von 925°C erhitzt
wird, und der Druck auf 300 Pfund pro Quadrat-Zoll angehoben wird,
dann werden Temperatur und Druck etwa zwei Stunden lang konstant
gehalten. Dann wird der Druck auf Umgebungsdruck vermindert, und
es hat eine Diffusionsverschweißung stattgefunden
und der abgedichtete Aufbau 59, der dann einen integralen
Aufbau 60 bildet, wird aus dem Autoclaven entfernt. Die
Diffusionsverschweißung hat
in den Bereichen 54 stattgefunden, die durch die strichlierten
Linien gekennzeichnet sind, und die Diffusionsverschweißung wurde
in den Bereichen 56 verhindert.
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Die
Vorderkante 14 und die Hinterkante 16 der Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 wird
dann durch irgendein geeignetes Verfahren spanabhebend bearbeitet,
um eine Formgebung nach der Diffusionsverschweißung zu erhalten, wie diese
in 4 dargestellt ist.
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Das
Rohr 48 wird aus der integralen Struktur 60 entfernt
und in die integrale Struktur 60 wird ein zweites Rohr
eingefügt.
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Dann
wird die integrale Struktur 60 in einem Heißfließ-Gesenk 120 eingelegt,
wie dies in 9 dargestellt ist; und dieses
Formgesenk weist eine konkave Oberfläche 128 und eine konvexe
Oberfläche 126 auf.
Die integrale Struktur 60 wird in das Formgesenk derart
eingefügt,
dass das erste Blech 30 der konvexen Oberfläche 126 des
Formgesenks 120 zugewandt ist und das zweite Blech 32 auf
die konkave Oberfläche 128 des
Formgesenks 120 weist. Die integrale Struktur 60 wird
erhitzt, während sie
sich im Formgesenk 120 befindet, um die integrale Struktur 60 zu
veranlassen, sich durch Heißfließen an der
konvexen Oberfläche 126 des
Formgesenks 120 zu verformen, um eine stromlinienförmige Gestalt
zu erhalten, wie diese in 5 dargestellt
ist. Das erste Blech 30 nimmt die Form der konvexen Oberfläche 126 des
Formgesenks 120 an. Während des
Heißfließ-Formprozesses
wird die integrale Struktur auf eine Temperatur von 740°C erhitzt.
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Die
durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 62 wird dann in einem Superplastik-Formgesenk
eingelegt, das eine konkave Oberfläche und eine konvexe Oberfläche besitzt.
Die durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 62 wird in das Formgesenk derart eingefügt, dass
das erste Blech 30 der konvexen Oberfläche des Formgesenks anliegt
und das zweite Blech 32 im Abstand auf die konkave Oberfläche des
Formgesenks gerichtet ist. Die konvexe Oberfläche des Formgesenks hat im
wesentlichen die gleiche Form wie die konvexe Oberfläche 126 des
Heißfließ-Formgesenks 120 und
wie das erste Blech 30. Es wird ein inertes Gas, beispielsweise
Argon, in die Bereiche innerhalb des durch Heißfließen erzeugten integralen Aufbaus 62 eingeleitet, in
dem das Trennmittel enthalten ist, um die Klebeverbindung aufzubrechen,
die durch die Diffusionsverschweißung erzeugt wurde. Das Argon
wird sorgfältig
in jene Bereiche eingeführt,
die das Trennmittel enthalten, und das Argon sickert durch das Trennmittel
und erreicht schließlich
das gegenüberliegende Ende
der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62. Das Argon muß über die gesamte Länge des
Inneren der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62 fließen, so dass die Klebeverbindung zwischen
dem Trennmittel und dem Werkstück
aufgebrochen wird, die während
der Diffusionsverschweißung
hergestellt wurde.
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Dieser
Schritt kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, weil das Metall
bei Raumtemperatur elastisch ist und die minimale Streckung, die auftritt,
nicht über
die elastischen Grenzen hinausgeht. Infolgedessen nimmt die durch
Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 62 ihre Form wieder an, wenn der Druck
am Ende dieses Schrittes aufgehoben wird. Stattdessen kann dieser
Schritt bei einer Superplastik-Formgebungs-Temperatur durchgeführt werden,
jedoch besteht eine erhebliche Gefahr einer progressiven plastischen
Deformation in Längsrichtung
der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62, anstelle der gleichzeitigen Deformation über die
Gesamtheit der durch Heißfließen erzeugten integralen
Struktur 62. Nichtsdestoweniger wird der Fachmann in der
Lage sein, das Aufbrechen der Klebeverbindung durch geeignete Steuerung
des Argondrucks einzustellen.
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Das
zweite Rohr 48 wird dann mit einer Vakuumpumpe verbunden,
die benutzt wird, um das Innere der durch Heißfließen erzeugten integralen Struktur 62 zu
evakuieren und dann wird ein inertes Gas, zum Beispiel Argon, in
das Innere der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62 eingeleitet. Dieses Verfahren der
Evakuierung und Zuführung
von inertem Gas nach dem Inneren der durch Heißfließen erzeugten integralen Struktur 62 kann mehrmals
wiederholt werden, um zu gewährleisten, dass
die meisten Spuren oder im wesentlichen alle Spuren von Sauerstoff
aus dem Inneren des durch Heißfließen erzeugten
integralen Aufbaus 62 entfernt werden. Die jeweils erforderliche
Zahl von Schritten, mit denen das Innere der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62 evakuiert und mit inertem Gas gespült wird,
hängt von
der Größe des Werkstücks und
von der erforderlichen Integrität
der fertigen Komponente ab. Das inerte Gas wird zugeführt, um
das Innere der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62 auf atmosphärischen Druck zu bringen.
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Die
durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 62 und das Formgesenk für die superplastische
Verformung werden in einem Autoclaven angeordnet. Die durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 62 wird wiederum auf eine Temperatur
von mehr als 850°C,
vorzugsweise zwischen 900°C
und 950°C
erhitzt. Bei diesem Beispiel werden das Formgesenk und die durch
Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 62 auf 925°C erhitzt. Ein inertes Gas,
zum Beispiel Argon, wird in das Innere der durch Heißfließen erzeugten
integralen Struktur 62 zwischen die Bleche 30 und 32 derart
eingeführt,
dass durch Heißverformung
das Blech 32 gegen die konkave Oberfläche des Formgesenks gedrückt wird,
was eine hohle innere Struktur erzeugt, die von dem Muster des aufgebrachten
Trennmittels abhängt,
wie dies in 6 dargestellt ist.
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Bei
Vollendung der Heißverformung
wird die inerte Argon-Atmosphäre
innerhalb der integralen Struktur aufrechterhalten, während die
Struktur abgekühlt
wird. Dann wird die integrale Struktur spanabhebend bearbeitet und/oder
gefräst,
um überschüssiges Metall
abzutragen und um die erforderliche Vorderkantenform und Hinterkantenform
der fertigen Fan-Auslaß-Leitschaufel 10 zu
erzeugen.
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Stattdessen
wird die integrale Struktur 60 in das superplastisch verformende
Formgesenk eingelegt. Das erste Blech 30 wird durch Heißfließen in die Form
der konvexen Oberfläche
des Formgesenks gebracht und dann wird das zweite Blech 32 durch Hitze
in die Form der konkaven Oberfläche
des Formgesenks überführt.
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Der
Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die superplastische
Formgebung oder die Heißformgebung
der integralen Struktur nach der Diffusionsverschweißung in
dem Formgesenk nicht zu einer Faltung des metallischen Werkstücks an der
konvexen Oberfläche
des Superplastik-Verformungsgesenks führt. Der Grund liegt darin,
dass das metallische Werkstück
durch Heißfließen auf
der konvexen Oberfläche
des Formgesenks bei einer sehr viel geringeren Kompression erzeugt
wurde, bevor die superplastische Verformung oder die Heißverformung des
zweiten Werkstücks
auf der konkaven Oberfläche
des Formgesenks erzeugt wurde. Dies führt zu einem Gegenstand mit
den gewünschten
Dimensionen. Zusätzlich
wird nur das zweite Werkstück
spanabhebend bearbeitet und hierdurch wird an Abfallmaterial, Zeit
und Geld gespart. Das erste Werkstück wird so gewählt, dass
es eine Dicke eines Standardmetallblechs hat, um Kosten zu sparen,
und nur das zweite Blech hat keine Dicke eines Standardmetallblechs.
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Ein
weiteres Beispiel der Erfindung ist in den 7 und 8 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden drei Bleche 70, 72 und 74 aus einer
Titanlegierung in einem Stapel 112 zusammengefügt, wie
dies in 7 dargestellt ist. Das Blech 70 besitzt
flache Oberflächen 76 und 78 und
das Blech 72 hat flache Oberflächen 80 und 82 und
das Blech 74 hat eine einzige flache Oberfläche 84.
Die flachen Oberflächen 78 und 80 der
Bleche 70 und 72 sind jeweils so angeordnet, dass
sie aneinanderstoßen.
Die flachen Oberflächen 82 und 84 der
Bleche 72 und 74 stoßen jeweils aneinander. Dabei
ist festzustellen, dass das zweite Blech 74 dicker ist,
als das erste Blech 70. Die Dicke des ersten Blechs 70 wird
so gewählt,
dass es im wesentlichen die gleiche Dicke hat wie diese für die konkave
Wandung der fertigen Fan-Laufschaufel erforderlich ist.
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Vor
dem Zusammenfügen
der Bleche 70, 72 und 74 zu dem Stapel 112 wird
das zweite Blech 74 in einem zentralen Bereich 88 der
Oberfläche 86 des zweiten
Blechs 74 spanabhebend bearbeitet. Der in der Mitte bearbeitete
Bereich 88 wird so geformt, dass eine Veränderung
der Massenverteilung der Fan-Laufschaufel von der Vorderkante nach
der Hinterkante und vom Schaufelfuß nach der Spitze erfolgt,
indem die Tiefe der Bearbeitung geändert wird, das heißt es wird
die Dicke des zweiten Blechs 74 über dem zentralen bearbeiteten
Bereich 88 in Richtung zwischen den Rändern 90 und 92 und
in der Richtung zwischen den Enden 94 und 96 des
zweiten Blechs 74 geändert.
Die maximale Tiefe der Bearbeitung des zentralen bearbeiteten Bereichs 88 ist
derart, dass eine Dicke verbleibt, die im wesentlichen gleich ist
der Dicke, die für
die konvexe Wand der fertigen Fan-Laufschaufel erforderlich ist.
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Die
Bearbeitung des zentralen bearbeiteten Bereichs 88 des
zweiten Blechs 74 erfolgt durch Fräsen, durch elektro-chemische
Bearbeitung, durch chemische Bearbeitung, durch Funkenerosionsbearbeitung
oder durch irgendein anderes geeignetes Verfahren.
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Die
aneinanderstoßenden
Oberflächen 78, 80, 82 und 84 der
Bleche 70, 72, und 74 werden dann zur
Diffusionsverschweißung
durch chemische Reinigung vorbereitet.
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Eine
der aneinanderstoßenden
Oberflächen 78 und 80,
in diesem Fall die anstoßende
Oberfläche 78,
war vorher mit einem Trennmittel versehen worden, und eine der aneinanderstoßenden Oberflächen 82 und 84,
in diesem Fall die Oberfläche 82 war
vorher mit einem Trennmittel versehen worden. Das Trennmittel kann
aus pulverisierten Yttriumoxid in einem Binder und Lösungsmittel
bestehen, zum Beispiel kann das Trennmittel Verwendung finden, das unter "Stopyt 62A" bekannt ist und
von einer amerikanischen Firma mit dem Namen GTE Service Corporation,
100 Endecott Street, Danvers, MA10923, USA geliefert wird.
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Das
Trennmaterial wird in gewünschten Mustern
durch ein bekanntes Siebdruckverfahren aufgebracht. Die erwünschten
Muster aus Trennmaterial verhindern eine Diffusionsverschweißung zwischen
vorgewählten
Bereichen der Bleche 70, 72 und 74. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird das Trennmittel in geraden Linien aufgetragen, aber es kann auch
punktweise oder in irgendeinem anderen Muster auf den Oberflächen 78 und 82 aufgetragen
werden, außer
in den Bereichen benachbart zu den Rändern 90 und 92 und
nicht an den Enden 94, 96, die in einer Breite
belassen werden müssen,
die für
eine zufriedenstellende Diffusionsverschweißung erforderlich ist.
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Das
Blech 70 weist zwei Dübellöcher 98 auf, die
axial auf entsprechende Dübellöcher 100 im Blech 72 und
Dübellöcher 102 im
Blech 74 ausgerichtet sind, damit eine richtige Positionsbeziehung zwischen
den drei Blechen 70, 72 und 74 erhalten wird.
Die Bleche 70, 72 und 74 werden in dieser
Lagebeziehung durch zwei nicht dargestellte Dübel gehalten, die in die axial
aufeinander ausgerichteten Dübellöcher 98, 100 und 102 eingesetzt
werden.
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Die
Bleche 70, 72 und 74 des Stapels werden
zusammengestellt, um ein Ende eines Rohrs 110 aufzunehmen.
Bei diesem Beispiel ist eine Nut 104 auf der Oberfläche 78 des
ersten Blechs 70 ausgearbeitet. Eine Nut 108 ist
auf der Oberfläche 84 des zweiten
Blechs 74 ausgearbeitet und ein Schlitz 106 ist
in das Ende 94 des dritten Blechs 72 ausgearbeitet.
Ein Rohr 110 ist so angeordnet, dass es zwischen den drei
Blechen 70, 72 und 74 vorsteht. Ein Ende des
Rohrs 110 ist mit dem Muster des Trennmaterials zwischen
den Blechen 70, 72 und 74 verbunden.
Bei Vollendung des Zusammenbaus in der beschriebenen Weise erfolgt
eine Verschweißung über den
Umfang, so dass die Ränder
und Enden der Bleche 70, 72 und 74 miteinander
verschweißt
werden. Das Rohr 110 wird außerdem über seinen Umfang mit den Blechen 70, 72 und 74 verschweißt. Auf
diese Weise wird ein Aufbau erzeugt, der mit Ausnahme des Einlasses
für das
Rohr 110 abgedichtet ist.
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Danach
wird der abgedichtete Aufbau erhitzt, während er evakuiert wird, um
das Lösungsmittel
aus dem Trennmaterial zu entfernen, wie dies weiter oben beschrieben
wurde. Das Rohr 110 wird abgedichtet und der abgedichtete
Aufbau wird in einem Autoclaven angeordnet, und es werden Hitze
und Druck auf den abgedichteten Aufbau ausgeübt, um eine Diffusionsverschweißung der
drei Bleche 70, 72 und 74 miteinander
in vorbestimmten Bereichen zu bewirken, und um eine integrale Struktur
zu schaffen, wie diese im wesentlichen weiter oben beschrieben wurde.
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Die
integrale Struktur wird durch Heißfließen in einem Vorgesenk 120 geformt,
um eine durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 114 zu erzeugen, wie diese in 8 dargestellt
ist und wie dies weiter oben beschrieben wurde.
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Die
durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 114 wird mit einem superplastisch verformenden
Formgesenk in einem Autoclaven angeordnet. Die durch Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 114 wird wiederum auf eine Temperatur
von mehr als 850°C
und vorzugsweise zwischen 900°C
und 950°C
erhitzt. Bei diesem Beispiel werden das Formgesenk und die durch
Heißfließen erzeugte
integrale Struktur 114 auf 925°C erhitzt. Es werden ein inertes Gas,
zum Beispiel Argon, in das Innere der durch Heißfließen erzeugten integralen Struktur 114 zwischen
die Bleche 70 und 72 und zwischen die Bleche 72 und 74 eingeleitet,
so dass eine Heißverformung des
Blechs 74 auf der konkaven Oberfläche des Formgesenks bewirkt
wird, und eine superplastische Verformung des Blechs 72 bewirkt
wird, was eine hohle innere Struktur, je nach dem Muster des aufgetragenen
Trennmittels, erzeugt.
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Die
Größe der Bewegung
von wenigstens einem der Bleche während der Deformation ist derart, wie
es erforderlich ist, um eine superplastische Ausdehnung zu bewirken.
Der Ausdruck "superplastisch" ist ein Standardausdruck
in der Metallformtechnik und wird daher hier nicht im einzelnen
beschrieben.
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Um
eine superplastische Verformung ohne Aufreißen des verdünnten Metalls
zu bewirken, wird das Argon in einer Reihe von Impulsen mit einer
vorberechneten Rate eingeführt,
was zu einer gewünschten
Dehnungsrate führt,
wie das auf den Seiten 615 bis 623 des folgenden Buches beschrieben ist: "The Science, Technology
and Application of Titanium",
ediert von R. I. Jaffe und N. E. Promisel, veröffentlicht von Pergamon Press
in 1970, und diese Veröffentlichung
wird als Referenz eingeführt.
Das Verfahren gewährleistet,
dass das Metall einer solchen Beanspruchungsrate unterworfen wird,
dass die maximal zulässige
Ausdehnungsgeschwindigkeit an jeder gegebenen Stelle innerhalb des
Verfahrens erfolgt. Die Rate der Anwendung und/oder das Volumen
der Impulse der Gasimpulse kann während der Ausdehnung der Bleche 72 und 74 schwanken.
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Bei
Vollendung der superplastischen Formgebung wird die inerte Argonatmosphäre innerhalb der
integralen Struktur aufrechterhalten, während die Struktur abgekühlt wird.
Dann wird die integrale Struktur spanabhebend bearbeitet und/oder
gefräst, um überschüssiges Metall
abzutragen und die erforderliche Form von Vorderkante und Hinterkante
der fertigen Fan-Laufschaufel zu erzeugen.
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Die
vorstehende Beschreibung bezieht sich auf Fan-Auslaß-Leitschaufeln
und Fan-Laufschaufeln,
jedoch ist die Erfindung ebenso anwendbar auf andere Gegenstände oder
Komponenten, die geformte Oberflächen
aufweisen.
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Die
Beschreibung bezieht sich auf Titanbleche oder Werkstücke, jedoch
ist die Erfindung in gleicher Weise anwendbar für andere Metallbleche oder Werkstücke, die
heißverformt
oder superplastisch verformt werden können.