DE602004000288T2

DE602004000288T2 - Verfahren zur Herstellung eines Artikels mittels Hitze und Druck, eine Methode zur Befestigung eines Rohrs an einer abgedichteten Vorrichtung und das dafür verwendete Verbindungsstück

Info

Publication number: DE602004000288T2
Application number: DE602004000288T
Authority: DE
Inventors: Stephen Edwin Mickleover Twigg
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-10-23
Also published as: JP4712353B2; US20070283549A1; US7543379B2; JP2005169503A; US7316066B2; EP1533066A1; DE602004000288D1; US20080030022A1; EP1533066B1; GB0327043D0; US20050104368A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch Anwendung von Hitze und Druck. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes unter Benutzung eines abgedichteten Aufbaus, der über ein Rohr evakuiert wurde, das mit einem starren Punkt des Aufbaus verbunden war. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstandes aus einer faserverstärkten Metallmatrix und die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundrotors aus einer faserverstärkten Metallmatrix und Verbundscheiben aus einer faserverstärkten Metallmatrix. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verbundscheiben aus einer faserverstärkten Metallmatrix und Verbundringen aus einer faserverstärkten Metallmatrix, die geeignet sind zur Benutzung in Verbindung mit einem Rotor eines Gasturbinentriebwerks als Kompressorschaufelträger oder Turbinenschaufelträger.
Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Metallmatrix-Verbundgegenstandes, wie dieser in dem europäischen Patent Nr. EP 0831154B1 beschrieben ist, werden mehrere mit Metall überzogene Fasern in einer Ringnut in einem Metallring eingelegt und ein Metallring wird über die mit Metall überzogenen Fasern gelegt. Jede der mit Metall überzogenen Fasern ist in einer Ebene gewickelt und die mit Metall überzogenen Faserspiralen werden in der Ringnut im Metallring gestapelt. Der Metallring wird vorherrschend axial gepresst, um den Aufbau zu verfestigen und um eine Diffusionsverschweißung der Metallringe mit den mit Metall überzogenen Faserspiralen zu bewirken und um eine integrale Struktur zu erzeugen.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstandes aus einer faserverstärkten Metallmatrix, wie dies in der europäischen Patentanmeldung EP 1288324A2 beschrieben ist, wird die Anordnung gemäß EP 0831154B1 dadurch modifiziert, dass zusammen mit den mit Metall überzogenen Fasern Metalldrähte in die Ringnut im Metallring eingelegt werden. Jeder Metalldraht ist spiralförmig in einer Ebene aufgewickelt und die Metalldrahtspiralen sind in der Ringnut im Metallring zusammen mit den mit Metall überzogenen Faserspiralen gestapelt.
Bei diesen Herstellungsverfahren eines faserverstärkten Metallmatrix-Verbundkörpers wird der Aufbau von Metallringen und von mit Metall überzogenen Faserspiralen oder mit Metall überzogenen Faserspiralen und metallischen Drahtspiralen am Umfang und an der Verbindung der Metallringe abgedichtet, um einen abgedichteten Aufbau zu erhalten, bevor die Diffusionsverschweißung und die Verfestigung eintritt. Der abgedichtete Aufbau wird über wenigstens ein Rohr evakuiert, und das wenigstens eine Rohr wird abgedichtet, bevor die Diffusionsverschweißung und die Verfestigung erfolgt.
Bei diesen bekannten Verfahren der Diffusionsverschweißung und Verfestigung ist es wesentlich, dass ein Vakuum in dem abgedichteten Aufbau vorhanden ist, um zu gewährleisten, dass eine zufriedenstellende Diffusionsverschweißung zwischen den Metallringen erzeugt wird und dass das Vakuum in dem abgedichteten Aufbau aufrecht erhalten bleibt, wenn danach eine Erhitzung und Verpressung während des Diffusionsschweißverfahrens erfolgt.
Bei der Benutzung dieses Verfahrens ergibt sich jedoch ein Problem, weil die Hitze und der Druck, die während der Diffusionsverschweißung angewandt werden, bewirken, dass wenigstens eines der Rohre zusammenbricht / und sich bewegt, während die Metallringe relativ groß und starr sind und sich daher am Befestigungspunkt des wenigstens einen Rohres nicht bewegen und nicht bewegen können. Dieses Zusammenbrechen bzw. die Bewegung des wenigstens einen Rohres relativ zu den Metallringen kann zu einer Beschädigung und zu einem Bersten des wenigstens einen Rohres und zu einer Beschädigung des Befestigungspunktes des wenigstens einen Rohres mit den Metallringen führen. Der Befestigungspunkt des wenigstens einen Rohres mit den Metallringen umfasst gewöhnlich eine Schweißabdichtung, und die Schweißabdichtung kann während des Diffusionsschweißverfahrens beschädigt werden. Der Ausfall des wenigstens einen Rohres oder die Beschädigung der Schweißabdichtung führt zu einem Verlust von Vakuum in dem abgedichteten Aufbau und demgemäß zu einer Beschädigung der Diffusionsverschweißung und Verfestigung des abgedichteten Aufbaus. Dies kann zu einer Verschrottung der Metallringe und/oder der mit Metall überzogenen Faserspiralen führen, und dies sind sehr hochwertige Teilkomponenten.
Das europäische Patent EP0908263B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch Diffusionsverschweißung, wobei ein Rohr im Winkelabstand zu einer Öffnung in einem abgedichteten Aufbau angeordnet wird, um die Gefahr einer Beschädigung des Rohres während der Diffusionsverschweißung zu vermindern.
Diese Anordnung löst das Problem jedoch nicht vollständig, weil es immer noch möglich ist, dass sich das Rohr an seinem Befestigungspunkt an der Verschweißung mit dem abgedichteten Aufbau bewegt.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Herstellungsverfahren eines Gegenstandes durch Diffusionsverschweißung zu schaffen.
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch Anwendung von Hitze und Druck, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) es wird ein Verbinder an einen abgedichteten Aufbau angeschlossen, wobei der Verbinder ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und das erste Ende eine kleinere Querschnittsfläche als das zweite Ende aufweist und sich eine Bohrung durch den Verbinder vom ersten Ende nach dem zweiten Ende erstreckt, und es wird das zweite Ende des Verbinders an den abgedichteten Aufbau angeschlossen;
(b) es wird ein Rohr an das erste Ende des Verbinders angeschlossen;
(c) es wird das Innere des abgedichteten Aufbaus über das Rohr evakuiert;
(d) es wird das Rohr mit wenigstens einer Dichtung abgedichtet;
(e) es werden Hitze und Druck auf den abgedichteten Aufbau ausgeübt.

Der Schritt (a) kann den Aufbau von wenigstens zwei metallischen Komponenten zu einem Stapel relativ zueinander derart umfassen, dass die Oberflächen in Passberührung stehen und die Ränder der wenigstens zwei metallischen Komponenten gegeneinander abgedichtet werden, mit Ausnahme einer Öffnung, wo ein Rohr angeschlossen wird, um einen abgedichteten Aufbau zu schaffen, und der Schritt (e) umfasst die Anwendung von Hitze und Druck, um die wenigstens zwei metallischen Komponenten miteinander zu verbinden und um eine integrale Struktur zu schaffen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt (a) das Formen einer ersten metallischen Komponente, das Formen einer zweiten metallischen Komponente, das Formen wenigstens einer Faservorform, wobei die Faservorform wenigstens eine Faser umfasst, die Anordnung der wenigstens einen Faser und eines Füllmetalls zwischen der ersten metallischen Komponente und der zweiten metallischen Komponente, das Abdichten der ersten metallischen Komponente gegenüber der zweiten metallischen Komponente, und der Schritt (e) umfasst die Anwendung von Hitze und Druck derart, dass die wenigstens eine Faser und das Füllmetall verdichtet werden, und es umfasst der Schritt (e) die Diffusionsverschweißung des Füllmetalls mit der ersten metallischen Komponente und der zweiten metallischen Komponente, um eine einheitliche Verbundkomponente zu schaffen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt (a) die Erzeugung einer Nut in der ersten metallischen Komponente, die Anordnung der wenigstens einen Faser und des Füllmetalls in der Nut in der ersten metallischen Komponente und die Anordnung der zweiten metallischen Komponente in der Nut der ersten metallischen Komponente.
Vorzugsweise umfasst der Schritt (a) die Erzeugung eines Vorsprungs auf der zweiten metallischen Komponente und die Anordnung des Vorsprungs der zweiten metallischen Komponente in der Nut der ersten metallischen Komponente.
Vorzugsweise umfasst der Schritt (a) die Erzeugung einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut in der Oberfläche der ersten metallischen Komponente, die Anordnung wenigstens einer in Umfangsrichtung verlaufenden Faser und des Füllmetalls in der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut der ersten metallischen Komponente und die Anordnung der zweiten metallischen Komponente in der Nut der ersten metallischen Komponente.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Faser eine Siliziumkarbidfaser, eine Siliziumnitridfaser, eine Borfaser oder eine Aluminiumoxidfaser.
Vorzugsweise ist die Faser eine mit Metall überzogene Faser.
Vorzugsweise ist die mit Metall überzogene Faser eine mit Titan überzogene Faser, eine mit Titanaluminid überzogene Faser oder eine mit einer Titanlegierung überzogene Faser.
Vorzugsweise ist die in Umfangsrichtung verlaufende Faser eine Faservorform.
Vorzugsweise wird die Faservorform durch Aufwicklung wenigstens einer Faser auf einen Kern erzeugt, um eine spiralförmige Faservorform zu schaffen.
Vorzugsweise besteht das Füllmetall aus wenigstens einem Metalldraht.
Vorzugsweise ist der Metalldraht eine Drahtvorform.
Vorzugsweise wird die Drahtvorform durch Aufwicklung wenigstens eines Metalldrahtes auf einem Formkörper hergestellt, um eine Spiraldrahtvorform zu erzeugen.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Metalldraht ein Titandraht, ein Titanaluminiddraht oder ein Draht aus einer Titanlegierung.
Das erste Ende des Verbinders kann einen Bohrungsabschnitt mit größerem Querschnitt aufweisen, um die Auslassoberfläche des Rohres aufzunehmen.
Stattdessen empfängt das erste Ende des Verbinders die innere Oberfläche des Rohres.
Vorzugsweise verjüngt sich der Verbinder vom ersten Ende nach dem zweiten Ende. Vorzugsweise verjüngt sich der Verbinder glatt vom ersten Ende nach dem zweiten Ende.
Vorzugsweise ist der Verbinder im Querschnitt kreisförmig.
Vorzugsweise ist das Rohr im Querschnitt kreisförmig.
Vorzugsweise hat das zweite Ende des Verbinders einen Bereich mit kleinerer Querschnittsfläche als der Rest des zweiten Endes, und der Abschnitt mit kleinerer Querschnittsfläche erstreckt sich in die Öffnung in dem verdichteten Aufbau.
Vorzugsweise umfasst der Verbinder ein Material, das weicher ist als die wenigstens zwei metallischen Komponenten.
Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung der Ränder der wenigstens zwei metallischen Komponenten durch gegenseitige Verschweißung der Ränder der wenigstens zwei metallischen Komponenten.
Vorzugsweise ist das zweite Ende des Verbinders mit dem abgedichteten Aufbau durch Verschweißung verbunden.
Vorzugsweise ist das Rohr mit dem ersten Ende des Verbinders durch Verschweißung verbunden.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen Verbinder, um ein Rohr mit einem abgedichteten Aufbau zu verbinden, und der Verbinder umfasst ein erstes Ende und ein zweites Ende und das erste Ende hat eine kleinere Querschnittsfläche als das zweite Ende, wobei sich eine Bohrung durch den Verbinder von dem ersten Ende nach dem zweiten Ende erstreckt und das erste Ende besitzt Mittel, um das Rohr aufzunehmen und das zweite Ende besitzt Mittel, um von dem abgedichteten Aufbau aufgenommen zu werden.
Das erste Ende des Verbinders kann einen Bohrungsabschnitt mit einer größeren Querschnittsfläche aufweisen, um die äußere Oberfläche des Rohres aufzunehmen.
Stattdessen kann das erste Ende des Verbinders die innere Oberfläche des Rohres aufnehmen.
Vorzugsweise verjüngt sich der Verbinder von dem ersten Ende nach dem zweiten Ende.
Vorzugsweise verjüngt sich der Verbinder glatt von dem ersten Ende nach dem zweiten Ende.
Vorzugsweise ist der Verbinder im Querschnitt kreisförmig.
Vorzugsweise ist die Bohrung im Querschnitt kreisförmig.
Vorzugsweise hat das zweite Ende des Verbinders einen Bereich mit kleinerem Querschnitt und der Bereich mit kleinerem Querschnitt erstreckt sich in die Öffnung in dem abgedichteten Aufbau.
Vorzugsweise besteht der Verbinder aus einem Material, das weicher ist als der abgedichtete Aufbau.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Verbindung eines Rohres mit einem abgedichteten Aufbau, welches die folgenden Schritte umfasst: es wird ein Verbinder mit einem abgedichteten Aufbau verbunden; der Verbinder besitzt ein erstes Ende und ein zweites Ende; das erste Ende hat einen kleineren Querschnittsbereich als das zweite Ende und eine Bohrung erstreckt sich durch den Verbinder vom ersten Ende nach dem zweiten Ende; es wird das zweite Ende des Verbinders mit dem abgedichteten Aufbau verbunden; es wird das Rohr mit dem ersten Ende des Verbinders verbunden.
Das erste Ende des Verbinders kann einen Bohrungsabschnitt mit größerem Querschnitt aufweisen, um die äußere Oberfläche des Rohres aufzunehmen.
Das erste Ende des Verbinders kann die innere Oberfläche des Rohres aufnehmen.
Vorzugsweise verjüngt sich der Verbinder von dem ersten Ende nach dem zweiten Ende.
Vorzugsweise verjüngt sich der Verbinder glatt von dem ersten Ende nach dem zweiten Ende.
Vorzugsweise ist der Verbinder kreisförmig im Querschnitt. Vorzugsweise ist die Bohrung kreisförmig im Querschnitt.
Vorzugsweise hat das zweite Ende des Verbinders einen Bereichsabschnitt mit kleinerem Querschnitt, und der Bereichsabschnitt mit kleinerem Querschnitt erstreckt sich in die Öffnung des abgedichteten Aufbaus.
Vorzugsweise besteht der Verbinder aus einem Material, das weicher ist als das des abgedichteten Aufbaus.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ist eine in Längsrichtung axial verlaufende Schnittansicht durch einen beschaufelten Kompressorrotor, der gemäß der Erfindung hergestellt ist;
2 ist eine Grundrissansicht einer Faservorform, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung findet;
3 ist eine Querschnittsansicht der in 2 dargestellten Vorform;
4 ist eine in Längsrichtung axial verlaufende Schnittansicht durch einen Aufbau von Faservorformen, die zwischen ersten und zweiten Metallringen angeordnet sind;
5 ist eine in Längsrichtung verlaufende axiale Schnittansicht durch den Aufbau von Faservorformen, die zwischen ersten und zweiten Metallringen angeordnet sind, nach der gegenseitigen Verschweißung;
6 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine Schnittansicht des in 5 dargestellten Verbinders und des Rohres;
7 ist in größerem Maßstab gezeichnet eine Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform von Verbinder und Rohr gemäß 5;
8 ist eine in Längsrichtung verlaufende axiale Schnittansicht durch den Aufbau der Faservorformen, die zwischen den ersten und zweiten Metallringen angeordnet sind, nach der Verfestigung und Verschweißung zwecks Herstellung eines einheitlichen Verbundgegenstandes;
9 ist eine Grundrissansicht der Faser- und Drahtvorform, die bei einem alternativen Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
10 ist eine Schnittansicht durch die Vorform gemäß 9.
Ein fertiger mit Keramikfasern verstärkter Metallrotor 10 mit integralen Rotorschaufeln ist in 1 dargestellt. Der Rotor 10 umfasst einen Metallring 12, der einen Ring aus in Umfangsrichtung verlaufenden keramischen Verstärkungsfasern 14 umfasst, die in dem Metallring 12 eingebettet sind. Mehrere massive Metallrotorschaufeln 16 sind im Umfangsabstand auf dem Metallring 12 angeordnet und sie erstrecken sich radial von dem Metallring 12 nach außen und sind integral mit diesem hergestellt.
Ein mit Keramikfasern verstärkter Metallrotor 10 wird unter Benutzung einer Vielzahl von Keramikfasern hergestellt, die mit Metall überzogen sind. Jede Keramikfaser 14 ist mit einer Metallmatrix 18 durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise durch physikalische Dampfablagerung, durch Sputtern usw. überzogen. Jede mit Metall 18 überzogene Keramikfaser 14 ist um einen Kern aufgewickelt, um eine ringförmige oder scheibenförmige Faservorform 20 zu bilden, wie diese in den 2 und 3 dargestellt ist. Jede ringförmige oder faserverstärkte Faservorform 20 besteht damit aus einer einzigen mit Metall überzogenen Keramikfaser 14, die spiralförmig angeordnet ist, wobei benachbarte Windungen der Spirale aneinander liegen. Ein Kleber 22 wird auf die ringförmige oder scheibenförmige Faservorform an geeigneten Stellen aufgetragen, um die Windungen in ihrer Spirale zusammen zu halten. Der Kleber ist derart gewählt, dass er vollständig von der ringförmigen oder scheibenförmigen Faservorform 20 entfernt werden kann, bevor die Verfestigung eintritt. Der Kleber kann beispielsweise aus Polymethyl-Methacrylat in Dichlormethan bestehen (Perspex (RTM) in Dichlormethan).
Es wird ein erster Metallring oder eine Metallscheibe 30 geformt, und es wird eine axial verlaufende Ringnut 32 in eine radial verlaufende axiale Fläche 34 des ersten Metallringes 30 eingearbeitet, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Ringnut 32 besitzt gerade, parallele Seiten, die einen rechteckigen Querschnitt bilden. Es wird ein zweiter Metallring oder eine zweite Metallscheibe 36 geformt und aus dem zweiten Metallring oder der Metallscheibe 36 wird ein axial vorstehender Ringsteg 38 derart ausgebildet, dass er sich von der radial verlaufenden Fläche 40 des zweiten Metallringes oder der Metallscheibe 36 axial erstreckt. Der zweite Metallring oder die Metallscheibe 36 ist außerdem so ausgearbeitet, dass zwei Ringnuten 42 und 44 in der Fläche 40 des zweiten Metallringes oder der Metallscheibe 36 eingearbeitet werden. Die Ringnuten 42 und 44 liegen radial auf gegenüberliegenden Seiten des Ringsteges 38, und die Ringnuten 42 und 44 sind radial von der Fläche 40 nach der Basis des Ringsteges 38 verjüngt. Dabei ist festzustellen, dass die radial inneren und äußeren Dimensionen und die Durchmesser des Ringsteges 38 im Wesentlichen gleich sind den radial inneren und äußeren Dimensionen bzw. Durchmessern der Ringnut 32.
Eine oder mehrere der ringförmigen Faservorformen 20 sind koaxial in die Ringnut 32 in der Fläche 34 des ersten Metallringes 30 eingelegt. Die radial inneren und äußeren Dimensionen bzw. Durchmesser der ringförmigen Faservorform 20 sind im Wesentlichen die gleichen wie die radial inneren und äußeren Dimensionen bzw. Durchmesser der Ringnut 32, so dass die ringförmige Faservorform 20 in die Ringnut 32 eingelegt werden kann und die Ringnut 32 im Wesentlichen ausfüllt. Eine ausreichende Zahl von ringförmigen Faservorformen 20 wird in der Ringnut 32 gestapelt, um diese Ringnut 32 bis zu einer vorbestimmten Höhe teilweise auszufüllen.
Dann wird der zweite Metallring 36 so angeordnet, dass die Fläche 40 der Fläche 34 des ersten Metallringes 30 gegenüberliegt und die Achsen der ersten und zweiten Metallringe 30 und 36 aufeinander ausgerichtet sind, so dass der Ringsteg 38 auf dem zweiten Metallring 36 auf die Ringnut 32 des ersten Metallringes 30 ausgerichtet ist. Dann wird der zweite Metallring 36 derart auf den ersten Metallring 30 gedrückt, dass der Ringsteg 38 in die Ringnut 32 eintritt, und dann erfolgt eine weitere Pressung, bis die Fläche 40 des zweiten Metallringes 36 auf der Fläche 34 des ersten Metallringes 30 anstößt, wie dies in 5 dargestellt ist.
Der radial innere und äußere Umfang der Fläche 34 des ersten Metallringes 30 ist gegenüber dem radial inneren und radial äußeren Umfang der Fläche 40 des zweiten Metallringes 36 abgedichtet, um einen abgedichteten Aufbau zu erzeugen. Die Abdichtung erfolgt vorzugsweise durch WIG (Wolfram-Inert-Gas)-Schweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen oder einen anderen geeigneten Schweißprozess, durch den eine innere Ringschweißnaht 46 und eine äußere Ringschweißnaht 48 erzeugt werden, wie dies in 5 dargestellt ist.
Dann wird ein Rohr 50 an eine Öffnung 49 in dem abgedichteten Aufbau über einen Verbinder 51 angeschlossen, wie dies deutlicher aus 6 hervorgeht. Der Verbinder 51 weist ein erstes Ende 52 und ein zweites Ende 53 auf, und das erste Ende 52 besitzt eine kleinere Querschnittsfläche als das zweite Ende 53 und es erstreckt sich eine Bohrung 54 durch den Verbinder 51 vom ersten Ende 52 bis zum zweiten Ende 53.
Das erste Ende 52 des Verbinders 51 besitzt einen Bohrungsabschnitt 55 mit größerem Querschnitt. Der Bohrungsabschnitt 55 mit größerem Querschnitt ist im Wesentlichen der gleiche wie die Querschnittsfläche des Rohres 50, so dass die äußere Oberfläche des Rohres 50 im Bohrungsabschnitt 55 aufgenommen werden kann. Der Verbinder 51 ist vom ersten Ende 52 nach dem zweiten Ende 53 konisch ausgebildet und vorzugsweise erfolgt der konische Übergang glatt vom ersten Ende 52 nach dem zweiten Ende 53. Der Verbinder 51 ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und die Bohrung 54 ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und das Rohr 50 hat einen kreisförmigen Querschnitt. Das zweite Ende 53 des Verbinders 51 hat einen Abschnitt 56 mit kleinerem Querschnitt. Der Abschnitt 56 mit kleinerem Querschnitt hat im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wie die Öffnung 49, so dass der Abschnitt 56 mit kleinerem Querschnitt in die Öffnung 49 in dem abgedichteten Aufbau eingesetzt werden kann, um den Verbinder 51 genau relativ zum ersten und zweiten Metallring 30 bzw. 36 anzuordnen. Der Verbinder 51 besteht aus einem Material, das weicher ist als das Material des ersten und zweiten Metallringes 30 bzw. 36.
Der Abschnitt 56 wird in die Öffnung 49 eingesteckt und die äußere Oberfläche des zweiten Endes 53 des Verbinders 51 wird gegen den abgedichteten Aufbau am zweiten Metallring 36 durch eine Verschweißung 57 abgedichtet. Das Rohr 50 wird in den Bohrungsabschnitt 55 eingesteckt und die äußere Oberfläche des Rohres 50 wird durch eine Verschweißung 58 gegenüber dem ersten Ende 52 des Verbinders 51 abgedichtet. Die Verschweißungen 57 und 58 sind vorzugsweise WIG-Verschweißungen.
Der abgedichtete Aufbau wird unter Benutzung einer Vakuumpumpe und unter Benutzung des Rohres 50 evakuiert, das an die Nuten oder Kammern 42 und 44 angeschlossen ist. Dann wird der abgedichtete Aufbau erhitzt, während er kontinuierlich evakuiert wird, um den Kleber 22 aus der ringförmigen Faservorform 20 zu entfernen und um den Kleber 22 aus dem abgedichteten Aufbau zu entfernen.
Nachdem der gesamte Kleber 22 aus der ringförmigen Faservorform 20 entfernt ist und das Innere des abgedichteten Aufbaus evakuiert ist, wird das Rohr 50 an einer Stelle oder an mehreren Stellen unter Benutzung einer Widerstandsverschweißung abgedichtet. Dann wird der abgedichtete Aufbau erhitzt und es wird ein Druck auf den abgedichteten Aufbau ausgeübt, um eine axiale Verdichtung der ringförmigen Faservorform 20 zu bewirken und es wird durch Diffusionsverschweißung der erste Metallring 30 mit dem zweiten Metallring 36 verbunden und mit einer Diffusionsverschweißung wird das Metall 18 der überzogenen Keramikfasern 14 mit dem Metall oder dem Metallüberzug 18 anderer Keramikfasern mit dem ersten Metallring 30 und dem zweiten Metallring 36 verbunden. Während der Anwendung von Hitze und Druck wirkt der Druck gleichmäßig von allen Seiten auf den abgedichteten Aufbau ein und dies bewirkt, dass sich der Ringsteg 38 axial in die Ringnut 32 hinein bewegt, um die ringförmige Faservorform 20 zu verdichten.
Die sich hieraus ergebende verdichtete und diffusionsverschweißte durch Keramikfasern verstärkte Komponente ist in 8 dargestellt. Hier sind die Keramikfasern 14 und der durch Diffusion verschweißte Bereich 62 ersichtlich. Außerdem ermöglichen es die Ringnuten oder Kammern 42 und 44, dass sich der Ringsteg 38 während des Verfestigungsprozesses bewegt, und dies führt dabei zur Erzeugung einer Vertiefung 63 in der Oberfläche des Teils, der den zweiten Metallring 36 bildete. Die Vertiefung 63 zeigt an, dass eine erfolgreiche Verdichtung stattgefunden hat.
Nach der Verdichtung und Diffusionsverschweißung wird der Gegenstand bearbeitet, um wenigstens einen Teil von dem abzutragen, was ursprünglich der erste Metallring 30 war, und außerdem wird wenigstens ein Teil des zweiten Metallringes 36 und wenigstens ein Teil des diffusionsverschweißten Bereichs 62 abgetragen. Bei dem Ausführungsbeispiel wird der Hauptteil des zweiten Metallringes 36 und der Hauptteil der Diffusionsverschweißung 62 entfernt.
Der Gegenstand kann beispielsweise durch elektro-chemische Bearbeitung oder durch Fräsen bearbeitet werden, um die integralen Kompressorschaufeln 16 zu erzeugen, wie diese in 1 dargestellt sind oder der Gegenstand kann so bearbeitet werden, dass ein Schlitz oder mehrere Schlitze gebildet werden, um die Schaufelfüße der Kompressorlaufschaufeln aufzunehmen.
Stattdessen können die Kompressorlaufschaufeln durch Friktionsverschweißung, durch Laserverschweißung oder durch Elektronenstrahlverschweißung auf dem Gegenstand festgelegt werden.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass während der Diffusionsverschweißung und der Verdichtung, d.h. bei dem heißen isostatischen Pressen, der Verbinder 51 progressiv zusammenbricht, aber die Dichtung, d.h. die Verschweißung 57 zwischen dem Verbinder 51 und dem abgedichteten Aufbau nicht beschädigt wird und die Dichtung, d.h. die Verschweißung 58 zwischen dem Verbinder 51 und dem Rohr 50 bestehen bleibt. Die Verschweißungen 57 und 58 werden nicht beschädigt, weil sich der Verbinder 51 von dem ersten Ende 52 nach dem zweiten Ende 53 konisch erweitert. Der Verbinder 51 besteht außerdem aus einem weicheren Material. Der Verbinder 51 verjüngt sich graduell von dem relativ starren abgedichteten Aufbau nach dem zusammenbrechbaren Rohr 50, so dass das zweite Ende 53 des Verbinders 51 relativ starr ist, um sich an den abgedichteten Aufbau anzupassen, und das erste Ende 52 des Verbinders 51 ist zusammenbrechbar, um sich dem Rohr 50 anzupassen. So sind die Verschweißungen 57 und 58 in erster Linie Vakuumdichtungen und es brauchen keine strukturelllen Dichtungen zu sein, d.h. die Verschweißungen 57 und 58 können WIG-Verschweißungen anstelle von Elektronenstrahlverschweißungen sein.
Ein abgewandelter Verbinder 51A gemäß 7 besteht aus einem ersten Ende 52A und einem zweiten Ende 53A. Das erste Ende 52A besitzt einen kleineren Querschnitt als das zweite Ende 53A und eine Bohrung 54A erstreckt sich durch den Verbinder 51A vom ersten Ende 52A nach dem zweiten Ende 53A.
Das erste Ende 52A des Verbinders 51A nimmt die innere Oberfläche des Rohres 50A auf. Der Querschnittsbereich des ersten Endes 52A des Verbinders 51A entspricht im Wesentlichen der Querschnittsfläche der inneren Oberfläche des Rohres 50A. Der Verbinder 51A erweitert sich konisch vom ersten Ende 52A nach dem zweiten Ende 53A, und vorzugsweise ist der Konusverbinder 51A zwischen dem ersten Ende 52A und dem zweiten Ende 53A glatt ausgebildet. Der Verbinder 51A hat einen kreisförmigen Querschnitt und die Bohrung 54A ist kreisförmig im Querschnitt und das Rohr 50A hat ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt. Das zweite Ende 53A des Verbinders 51A hat einen kleineren Querschnittsabschnitt 56A. Der kleinere Querschnittsabschnitt 56A hat im Wesentlichen den gleichen Querschnitt wie die Öffnung 49A, so dass der Abschnitt 56A mit kleinerem Querschnitt in die Öffnung 49A in dem abgedichteten Aufbau eingesetzt werden kann, um den Verbinder 51 genau relativ zu den ersten und zweiten Metallringen 30 bzw. 36 anzuordnen. Der Verbinder 51A besteht aus einem Material, das weicher ist als das Material von erstem Metallring 30 und zweitem Metallring 36.
Der Abschnitt 56A wird in die Öffnung 49 eingesteckt und die äußere Oberfläche des zweiten Endes 53A des Verbinders 51A wird gegenüber dem abgedichteten Aufbau, dem zweiten Metallring 36, durch eine Verschweißung 57A abgedichtet. Die innere Oberfläche des Rohres 50A wird über die äußere Oberfläche des ersten Endes 52A gezogen und die äußere Oberfläche des Rohres 50 wird durch eine Verschweißung 58A gegenüber dem Verbinder 51 abgedichtet. Die Verschweißungen 57A und 58A sind vorzugsweise WIG-Verschweißungen.
Vor der Diffusionsverschweißung und der Verfestigung wird der Aufbau an einer oder mehreren Stellen durch Widerstandsverschweißung abgedichtet. Der Verbinder 51A wird durch Widerstandsverschweißung radial über das Rohr 50A und durch das erste Ende 52A des Verbinders 51A verschweißt, und dies bildet eine primäre Vakuumdichtung. Das Rohr 50A wird durch eine oder mehrere Widerstandsverschweißungen abgedichtet, um zusätzliche Vakuumdichtungen zu erzielen. Die Dichtung über den Verbinder 51A vermindert die Gefahr eines Vakuumausfalls infolge von Undichtigkeiten des dünnwandigen Rohres 50A mit großem Durchmesser, wobei zu bemerken ist, dass das Rohr 50A mit großem Durchmesser dünnwandig ausgebildet ist, damit es während der Diffusionsverschweißung und Verfestigung zusammenbrechen kann.
Der Verbinder 51A hat die gleichen Vorteile wie der Verbinder 51 und zusätzlich liefert der Verbinder 51A eine bessere Abdichtung des Rohres 50A.
Der Verbinder 51 wird allgemein für Rohre kleinen Durchmessers benutzt, z.B. mit einer 3-Millimeter-Bohrung und 1,5 mm dicken Wandrohren und der Verbinder 51A wird allgemein für dünnwandige Rohre größeren Durchmessers benutzt.
Die Verstärkungsfasern können aus Aluminiumoxid, aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Bor oder anderen geeigneten Fasern bestehen.
Der Metallüberzug der Verstärkungsfaser besteht aus Titan, Titanaluminid, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen oder anderen geeigneten Metallen, Legierungen oder Zwischenmetallen, die durch Diffusion verschweißbar sind.
Der erste Metallring und der zweite Metallring bestehen aus Titan, Titanaluminid, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen oder anderen geeigneten Metallen, Legierungen oder Zwischenmetallen, die durch Diffusion verschweißbar sind.
Die vorliegende Erfindung wurde nur in Verbindung mit spiralförmig aufgewickelten mit Metall überzogenen Fasern beschrieben, jedoch ist die Erfindung auch anwendbar auf die Benutzung von Faservorformen 20A, die aus spiralförmig gewickelten mit Metall 18 überzogenen Keramikfasern 14 bestehen und in Verbindung mit Drahtvorformen 24A, die aus spiralförmig aufgewickelten Metalldrähten 26 bestehen, wie dies in den 9 und 10 dargestellt ist. In den 9 und 10 ist jede Faservorform 20A in der gleichen Ebene wie eine zugeordnete Drahtvorform 24A angeordnet, aber jede Drahtvorform 24A weist einen größeren Durchmesser auf. Die Vorformen 20A und 24A können in unterschiedlichen Ebenen angeordnet werden.
Außerdem ist die vorliegende Erfindung anwendbar für die Benutzung spiralförmig aufgewickelter Fasern und Metallfolien, spiralförmig aufgewickelter Fasern und Metallpulver, schraubenlinenförmig aufgewickelter Fasern in Metallbändern, spiralförmig aufgewickelter Fasern und spiralförmig aufgewickelter Drähte oder es können andere Formen von Metallfüllkörpern Verwendung finden.
Der Metalldraht kann aus Titan, aus Titanaluminid, aus Titanlegierungen, aus Aluminium, aus Aluminiumlegierungen, aus Kupfer, aus Kupferlegierungen oder irgendeinem anderen geeigneten Metall oder Legierungen oder Zwischenmetallen bestehen, die durch Diffusion verschweißt werden können. Die Metallfolie, das Metallband, das Metallpulver oder andere Metallfüllkörper können aus Titan, Titanaluminid, Titanlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen oder irgendeinem anderen geeigneten Metall, einer Legierung oder einem Zwischenmetall bestehen, die in der Lage sind, durch Diffusion verschweißt zu werden.
Beispielsweise können im Falle von Metallringen aus einer Titanlegierung, z.B. Ti 6 Gewichtsprozent Al 4 Gewichtsprozent V, die Verbinder aus kommerziell reinem Titan bestehen, das weicher ist als die Titanlegierung.
Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Nut in einer Stirnseite des ersten Metallringes und einem ringsum laufenden Ringsteg auf einer Stirnseite eines zweiten Metallringes beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, eine ringsum laufende Nut auf einer radial äußeren oder inneren Oberfläche des Ringes vorzusehen. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar in Verbindung mit der Benutzung einer Vielzahl von Fasern oder mit Metall überzogenen Fasern, die sich in einer einzigen Richtung erstrecken, wobei die Fasern oder die mit Metall überzogenen Fasern in Schichten angeordnet sind und die Schichten aufeinander gestapelt sind.
Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar für andere Anordnungen, wo die Fasern zwischen zwei oder mehreren metallischen Komponenten angeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit der Herstellung von faserverstärkten Metallmatrix-Verbundgegenständen beschrieben, jedoch ist die Erfindung auch anwendbar auf andere Herstellungsprozesse, bei denen Hitze und Druck auf abgedichtete Aufbauten ausgeübt werden, die durch ein Rohr evakuiert wurden, das an einen starren Befestigungspunkt angeschlossen wurde. So ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Herstellungsverfahren anwendbar, die eine Diffusionsverschweißung, beispielsweise zur Herstellung diffusionsverschweißter Gegenstände benutzen, wie z.B. die Herstellung von diffusionsverschweißten und superplastisch geformten Gegenständen oder die Herstellung von isostatisch heiß gepressten Gegenständen, z.B. zur Verfestigung von Pulvermetallgegenständen. Der Verbinder kann benutzt werden, um das Rohr mit einem zusammenbrechbaren Vakuumköcher zu verbinden, wobei metallische Komponenten, Metallpulver usw. zur Diffusionsverschweißung, zur Verlötung, zur Verfestigung, zur isostatischen Heißverpressung usw. angeordnet werden. Das Rohr wird an dem Vakuumköcher an einem starren Befestigungspunkt angeschlossen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch Anwendung von Hitze und Druck mit den folgenden Schritten: (a) es wird ein Verbinder (51) an einen abgedichteten Aufbau angeschlossen, wobei der Verbinder (51) ein erstes Ende (52) und ein zweites Ende (53) aufweist und das erste Ende (52) eine kleinere Querschnittsfläche als das zweite Ende (53) aufweist und sich eine Bohrung (54) durch den Verbinder (51) vom ersten Ende (52) nach dem zweiten Ende (53) erstreckt, und es wird das zweite Ende (53) des Verbinders (51) an den abgedichteten Aufbau angeschlossen; (b) es wird ein Rohr (50) an das erste Ende (52) des Verbinders (51) angeschlossen; (c) es wird das Innere des abgedichteten Aufbaus über das Rohr (50) evakuiert; (d) es wird das Rohr (50) mit wenigstens einer Dichtung abgedichtet; (e) der abgedichtete Aufbau wird Hitze und Druck ausgesetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem im Schritt (a) wenigstens zwei metallische Komponenten (30, 36) relativ zueinander zu einem Stapel derart aufgebaut werden, dass die Oberflächen (34, 40) in Passberührung stehen, worauf die Ränder der wenigstens zwei metallischen Komponenten (30, 36) mit Ausnahme einer Öffnung (49) gegeneinander abgedichtet werden, wo ein Rohr (50) angeschlossen wird, damit ein abgedichteter Aufbau erzeugt wird und wobei der Schritt (e) die Anwendung von Hitze und Druck umfasst, um eine Diffusionsverschweißung der wenigstens zwei metallischen Komponenten (30, 36) zu bewirken und dadurch eine integrale Struktur zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt (a) die Formung einer ersten metallischen Komponente (30), die Formung einer zweiten metallischen Komponente (36), die Formung von wenigstens einer Faservorform (20) umfasst, wobei die Faservorform (20) wenigstens eine Faser (14) enthält und die wenigstens eine Faser (14) und ein Füllmetall (18) zwischen die erste metallische Komponente (30) und die zweite metallische Komponente (36) eingeführt werden und wobei die erste metallische Komponente (30) gegenüber der zweiten metallischen Komponente (36) abgedichtet wird und wobei der Schritt (e) die Anwendung von Hitze und Druck derart umfasst, dass die wenigstens eine Faser (14) und das Füllmetall (18) verdichtet werden und das Füllmetall (18), die erste metallische Komponente (30) und die zweite metallische Komponente (36) diffusionsverschweißt werden, um eine einheitliche Verbundkomponente zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem im Schritt (a) eine Nut (32) in der ersten metallischen Komponente (30) erzeugt wird und die wenigstens eine Faser (14) und das Füllmetall (18) in die Nut (32) in der ersten metallischen Komponente (30) eingelegt werden und die zweite metallische Komponente (36) in die Nut (32) der ersten metallischen Komponente (30) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem im Schritt (a) ein Vorsprung (38) auf der zweiten metallischen Komponente (36) angebracht wird und der Vorsprung (38) der zweiten metallischen Komponente (36) in die Nut (32) der ersten metallischen Komponente (30) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei welchem im Schritt (a) eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) in einer Stirnfläche (34) der ersten metallischen Komponente (30) ausgebildet wird und wenigstens eine in Umfangsrichtung verlaufende Faser (14) und das Füllmetall (18) in die in Umfangsrichtung verlaufende Nut (32) der ersten metallischen Komponente (30) eingelegt werden und die zweite metallische Komponente (36) dann in die Nut (32) der ersten metallischen Komponente (30) eingelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welchem die wenigstens eine Faser (14) eine Siliziumkarbidfaser, eine Siliziumnitridfaser, eine Borfaser oder eine Aluminiumoxidfaser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem die Faser (14) eine mit Metall (18) überzogene Faser (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die mit Metall (18) überzogene Faser (14) eine mit Titan überzogene Faser, eine mit Titanaluminid überzogene Faser oder eine mit einer Titanlegierung überzogene Faser ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die in Umfangsrichtung verlaufende Faser (14) eine Faservorform (24) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Faservorform (24) durch Aufwicklung wenigstens einer Faser (14) auf einen Kern erzeugt wird, um eine spiralförmige Faservorform zu schaffen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, bei welchem das Füllmetall (26) wenigstens ein Metalldraht (26) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Metalldraht (26) eine Drahtvorform (20A) bildet.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Drahtvorform (20A) durch Aufwicklung wenigstens eines Metalldrahtes (26) auf einem Formkörper erzeugt wird, um eine spiralförmige Drahtvorform (20A) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem der wenigstens eine Draht (26) ein Titandraht, ein Titanaluminiddraht oder ein Draht aus einer Titanlegierung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem das erste Ende (52) des Verbinders (51) einen Bohrungsabschnitt (55) mit einem größeren Querschnitt aufweist, um die äußere Oberfläche des Rohres (50) aufzunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem das erste Ende (52A) des Verbinders (51A) die innere Oberfläche des Rohres (50A) aufnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem der Verbinder (51) vom ersten Ende (52) nach dem zweiten Ende (53) konisch verlaufend ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der Verbinder (51) vom ersten Ende (52) nach dem zweiten Ende (53) in einer glatten Konusfläche verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welchem der Verbinder (51) kreisförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welchem die Bohrung (54) kreisförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei welchem das Rohr (50) im Querschnitt kreisförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei welchem das zweite Ende (53) des Verbinders (50) einen Abschnitt (56) mit einer Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als der Rest des zweiten Endes (53), wobei sich der Abschnitt (56) mit kleinerem Querschnitt in die Öffnung (49) im abgedichteten Aufbau hinein erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei welchem der Verbinder (51) aus einem Material besteht, das weicher ist als das Material der wenigstens zwei metallischen Komponenten (30, 36).
Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 15, bei welchem die Abdichtung (46, 48) der Ränder der wenigstens zwei metallischen Komponenten (30, 36) durch gegenseitige Verschweißung der Ränder der wenigstens zwei metallischen Komponenten (30, 36) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei welchem das zweite Ende (53) des Verbinders (51) mit dem abgedichteten Aufbau durch Verschweißung angeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, bei welchem das Rohr (50) mit dem ersten Ende (52) des Verbinders (51) durch Verschweißung angeschlossen ist.