DE69005192T2

DE69005192T2 - Diffusionsverbinden und superplastisches Verformen.

Info

Publication number: DE69005192T2
Application number: DE90305514T
Authority: DE
Inventors: Ian Edward Bottomley; Graham Alan Cooper
Original assignee: British Aerospace PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 1989-05-25
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2010-05-23
Also published as: EP0399772B1; EP0399772A2; EP0399772A3; ES2047263T3; DE69005192D1; US5069383A; GB8912025D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Diffusionsverbindungen bzw. Diffusionsverschweißungen, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Trennmaterial zur Benutzung bei der Herstellung kombinierter diffusionsverschweißter und superplastisch verformter Strukturen, die vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind.

Stand der Technik

Die kombinierte Diffusionsverschweißung und superplastische Verformung (DB/SPF) hat sich neuerdings als Produktionstechnik insbesondere in Verbindung mit Titanlegierungen eingeführt. Zusammenfassend wird das DB/SPF-Verfahren wie folgt durchgeführt: Es werden mehrere Bleche aus einem superplastischen Metall oder einer Legierung zu einem Stapel geformt und unter hoher Temperatur und hohem Druck zusammengepreßt, bis die Bleche miteinander durch Diffusionsverschweißung verbunden sind. An vorgewählten Stellen wird Trennmaterial auf die Bleche aufgebracht, um eine Verschweißung an diesen Stellen zu verhindern, während eine Verschweißung an den übrigen Stellen stattfinden kann. Nach der Diffusionsverschweißung und ebenfalls bei hohen Temperaturen wird die superplastische Verformungsstufe durchgeführt, d.h. es wird ein inertes Gas unter Hochdruck in das Innere des Stapels eingeblasen, um die Bleche zu einem dreidimensionalen Aufbau "aufzublasen". Wie bekannt, hängen Gestalt und Form des Endproduktes unter anderem von der Zahl der Bleche im Stapel und der Lokalisierung des Trennmaterials ab.
Bei der Durchführung des DB/SPF-Verfahrens von Titanlegierungen ist ein geeignetes Trennmittel Ytteroxid, in feinen Partikeln verteilt, in einem organischen Kunstharzbinder, der auf den Blechen durch ein herkömmliches Seidenschirm-Druckverfahren aufgebracht werden kann (vgl. beispielsweise GB 2095137 und 1495655). Während des DB- Schrittes, der bei Temperaturen von mehr als 900ºC bei Titan durchgeführt wird, kann eine Verdampfung des Binders die Oberflächen der Legierungsbleche verunreinigen; ähnliche Probleme treten bei der Diffusionsverschweißung von Aluminiumlegierungen auf. Um Strukturen befriedigend durch das DB/SPF-Verfahren herzustellen, insbesondere bei Strukturen, die aus einer Aluminiumlegierung bestehen, verbleibt die Notwendigkeit für ein geeignetes Trennmittel.
Die DE-A-3710680 beschreibt ein Verfahren zur Explosionsverschweißung von Folien in einem Paket; Papierblätter oder Faserstoffblätter können zwischen die Bleche gefügt werden, um eine Verschweißung in jenen Bereichen zu verhindern, die durch die Blätter bedeckt sind.
Die EP-A-0350220 beschreibt ein Verfahren, mit dem Aluminiumwerkstücke durch Diffusionsverschweißung verbunden werden, nachdem eine Oberflächenbehandlung stattgefunden hat, um die Diffusionsverschweißung zu verbessern. Hier gibt es ein Beispiel, bei welchem Glasgewebe als Trennmittel benutzt wird.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus geschaffen, welches die folgenden Schritte aufweist: Es werden mehrere Bleche aus superplastischem Metall (beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung) in einem Stapel angeordnet; es wird eine Lamelle aus inertem porösem Material zwischen benachbarte Bleche in einem vorbestimmten Muster angebracht, um eine Verschweißung zwischen den benachbarten Blechen in den gewählten Bereichen zu verhindern; es werden die Bleche des Stapels durch Diffusionsverschweißung miteinander verbunden, und dann wird der so verschweißte Stapel einer superplastischen Verformung unterworfen.
Die dazwischengefügten Lamellen müssen gewissen Erfordernissen genügen, um als wirksames Trennmaterial arbeiten zu können. Das Material muß bei den auftretenden erhöhten Temperaturen, im typischen Fall im Bereich zwischen 500 und 600ºC je nach Legierung, inert sein. Außerdem muß das Material porös sein, damit Gas zwischen die Legierungsbleche während des SPF-Schrittes einströmen kann. Beispiele geeigneter Materialien sind Glasfasergewebe und Vermiculit- Papier.
Es ist zweckmäßig, die Lamellen vorzuerhitzen, bevor die Diffusionsverschweißung erfolgt, um irgendwelche vorhandenen Verunreinigungen auszutreiben, und vorzugsweise wird dies bei einer Temperatur durchgeführt, die über der Temperatur liegt, die bei der Diffusionsverschweißung angewandt wird. Es ist auch zweckmäßig, daß vor dem Schritt der Diffusionsverschweißung der Legierungsblechstapel und dazwischengefügte Lamellen unter Vakuum abgedichtet werden.
Geeignete Aluminiumlegierungen sind alle jene, die superplastische Eigenschaften aufweisen, und insbesondere sind es Aluminium-Lithium-Legierungen, beispielsweise 8090 Aluminium-Lithium.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung die Trennung der superplastischen Bleche einfach dadurch erreicht, daß eine selbsttragende Lamelle aus einem inerten porösen Trennmaterial zwischen benachbarte Bleche eingelegt wird, bevor die Diffusionsverschweißung erfolgt, und so erübrigt sich das Aufbringen von Trennmaterial in flüssiger Form, wie beispielsweise durch einen Seidenschirm- Druck, und so werden die hieraus resultierenden Probleme der Verunreinigung durch die flüssige Phase bei einem solchen Druck verhindert.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Nunmehr wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1(a) und (b) Ansichten im Grundriß bzw. im Schnitt von einer Vorrichtung zur Diffusionsverschweißung eines Stapels von Legierungsblechen,
Fig. 2(a), (b) und (c) Grundrißansichten eines Legierungskernbleches bzw. zweier Trennmasken,
Fig. 3(a) und (b) Ansichten des oberen und des unteren die superplastische Verformung durchführenden Werkzeugs,
Fig. 4 eine Grundrißansicht eines diffusionsverschweißten Stapels, bereit zur superplastischen Verformung, und
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Aufbau, der durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.

Die beste Art und Weise der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Zunächst wird auf Fig. 1(b) Bezug genommen, und dies ist ein Schnitt längs der Linie A-A gemäß Fig. 1(a), und hier ist ein Diffusionsverschweißungspack dargestellt. Der Pack besteht aus einem Stapel von zwei äußeren Deckblechen 1 aus einer 8090 Aluminium-Lithium-Legierung, einem Kernblech 1', das ebenfalls aus einer 8090 Aluminium-Lithium-Legierung besteht, wobei das Kernblech 1' von den Deckblechen 1 durch zwei dünne Masken 2 getrennt ist, die aus Glasgewebe hergestellt sind. Der Stapel von Legierungsblechen ist als Sandwich zwischen Abstandselementen 3 angeordnet und in dem Hohlraum 15 in der Basis 16 einer Presse 17 zwischen einem Basiselement 4 und einer oberen Membran 5 eingesetzt, die aus superplastischem Material besteht.
Bevor der Verschweißungspack gemäß Fig. 1 hergestellt wird, werden die Legierungsbleche 1, 1' und die Glasfasermasken 2 vorbehandelt. Insbesondere werden die Bleche chemisch gereinigt, und die miteinander zu verschweißenden Oberflächen werden sandgestrahlt unter Benutzung von Aluminiumoxid. Die Glasmasken werden während einer Stunde bei 590ºC vorgebacken, um alle organischen Binder oder andere mögliche Verunreinigungen auszutreiben.
Die beiden äußeren Legierungsbleche 1 sind ununterbrochene Quadrate oder Rechtecke, aber das innere Kernblech 1' hat, wie aus Fig. 2(a) ersichtlich, zwei Ausschnitte 6, die teilweise in ihrer Gestalt den beiden Masken 2 komplementär sind, wie diese in den Fig. 2(b) und 2(c) dargestellt sind. Die Fig. 2(b) zeigt die obere der beiden Masken (in Richtung auf die Fig. 1(b) zu betrachtet), und die Fig. 2(c) zeigt die untere des Paares. Es ist klar, daß dann, wenn die Legierungsbleche und Masken in dem Verschweißungspack übereinandergefügt werden, die Masken eine Verschweißung der Legierungsbleche an gewählten Stellen verhindern, indem die Bleche getrennt und an einer gegenseitigen Berührung gehindert werden. Die Formen der Masken 2 und des Kernbleches 1' sind in Fig. 1(a) strichliert dargestellt.
Die so präparierten Bleche werden zu einem Verschweißpack mit Glasgewebemasken aufgebaut, wie dies aus Fig. 1(b) ersichtlich ist. Der Verschweißungspack wird dann in den Hohlraum 15 der Presse eingelegt, der auf 560ºC vorgeheizt ist; die Membrane wird über den Pack gelegt, und die Presse wird abgedichtet, indem der Oberteil 18 der Presse gegen die Basis 16 verklemmt wird, wodurch die Ränder der Membran 5 zusammengepreßt werden und so der Hohlraum 15 abgedichtet wird. Während der Aufheizung auf die erforderliche Verschweißtemperatur wird der Hohlraum 15 zehn Minuten lang evakuiert, um ein Vakuum von 10&supmin;&sup6; mbar oder noch weniger zu erlangen. Diese Evakuierung wird durch ein Vakuumrohr 7 bewerkstelligt, welches durch die Wand der Basis 16 geführt und an eine (nicht dargestellte) Pumpe angeschlossen ist.
Nachdem der Pack die erforderliche Temperatur erreicht hat, wird ein Verschweißdruck von 1000 psi (7 MPa) an den Pack dadurch angelegt, daß Druckgas durch den Einlaß 8 in den Raum 14 über der Membran 5 eingeblasen wird. Der Schweißdruck und die Schweißtemperatur werden so lange aufrechterhalten, wie dies erforderlich ist, um eine Diffusionsverschweißung zu erhalten, und zwar im typischen Fall während einer Zeitdauer von 3 Stunden. Nachdem die Diffusionsverschweißung stattgefunden hat, wird der Pack aus der Presse entnommen, und man läßt ihn abkühlen.
Nach der Abkühlung wird ein Gaszuführungsloch 19 (Fig. 4) in den Pack von verschweißten Blechen eingebohrt (die Formen der Masken 2 und des Kernbleches 1' sind in Fig. 4 strichliert dargestellt); das Loch 19 ist durch den Schwanzteil 6' des Ausschnittes 6 des Kernbleches 1' geführt (vgl. auch Fig. 2(a)) und durch einen Schwanzteil 2' der Trennmasken 2 (vgl. auch Fig. 2(b) und 2(c)), so daß das Gas in das Innere des Packs eingeblasen werden kann, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird; das Loch 19 dehnt sich jedoch nicht insgesamt über den Stapel der Bleche aus und tritt nicht durch das untere Deckblech 1 hindurch. Dann wird der Pack in die superplastische Verformungspresse (SPF) gemäß Fig. 3(a) und 3(b) eingelegt. Die SPF-Presse weist ein oberes Werkzeug 9 gemäß Fig. 3(a) auf und ein unteres Werkzeug 10 gemäß Fig. 3(b). Das obere Werkzeug 9 ist mit einer Zuführungsleitung 11 zur Zufuhr eines inerten Gases, beispielsweise Argon oder komprimierte Luft, versehen, um dieses Gas während der SPF-Stufe dem verschweißten Pack zuzuführen; der Auslaß 11' der Gaszuführungsleitung 11 ist auf das oben beschriebene Gaszuführungsloch 19 ausgerichtet, welches in den Pack eingebohrt wurde. Der untere Werkzeugteil 10 ist mit einer inneren Oberfläche 12 versehen, die der äußeren Oberfläche des herzustellenden Aufbaus entspricht.
Nachdem der verschweißte Stapel in das SPF-Werkzeug eingelegt wurde, wird dieses Werkzeug in eine vorerhitzte Presse (530ºC) eingelegt, und man läßt die Temperatur sich stabilisieren (was etwa 20 Minuten lang dauert). Dann wird komprimierte Luft in das Innere des Packs über die Zuführungsleitung 11 und das Gaszuführungsloch 19 eingeblasen, das in den Pack eingebohrt wurde, und der Gasdruck wird gesteuert, um einen optimalen Druck-Zeit-Zyklus zu erhalten, der vorher unter Benutzung einer Computermodelltechnik berechnet werden kann.
Die poröse Natur der Masken ermöglicht es, daß das Gas unter Druck aus dem Gaszuführungsloch 19 nach der Zwischenfläche zwischen den Blechen des verschweißten Stapels eindringen kann, wo dieser nicht verschweißt ist, und der Gasdruck bewirkt zusammen mit der hohen Temperatur ein superplastisches Aufblasen in die Ausnehmung 12 hinein, die im unteren Werkzeug 10 ausgebildet ist, bis die endgültige Gestalt erreicht ist, und dann findet eine Abkühlung statt. Fig. 5 zeigt im Schnitt den Aufbau, der mit den Blechen und Masken gemäß Fig. 1 und 2 erhalten wird.
Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahren kann es zweckmäßig sein, den Stapel unter Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen abzudichten, bevor die Diffusionsverschweißung erfolgt. Hierdurch wird die Möglichkeit vermindert, daß poröse Lamellenmasken beträchtliche Mengen von Luft auffangen, was zu einer späteren Bildung unerwünschter Oxide führen würde. Diese Abdichtung erhöht auch beträchtlich die Bearbeitungslebensdauer der Blechstapel, nachdem diese gereinigt und zur Verschweißung vorbereitet waren, d.h. während der Zeit zwischen der Vorbehandlung der Legierungsbleche und dem Zusammenbau des verschweißten Stapels, und andererseits der Diffusionsverschweißung dieses Stapels. Außerdem ermöglicht eine solche Abdichtung der Bleche unter Vakuum vor der Verschweißung die Durchführung einer Diffusionsverschweißung durch eine isostatische Heißdrucktechnik (HIP).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus, bei dem mehrere Bleche (1, 1') aus superplastischem Metall in einem Stapel angeordnet werden und inertes Trennmaterial zwischen benachbarte Bleche in einem vorbestimmten Muster eingefügt wird, um eine Verschweißung zwischen benachbarten Blechen in gewählten Bereichen zu verhindern, wobei der Blechstapel durch Diffusionsverschweißung verbunden und dann der verschweißte Stapel einer superplastischen Deformation unterworfen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß das dazwischengefügte inerte Trennmaterial aus einer Lamelle (3) aus porösem Material besteht,

aber mit der Beschränkung, daß das Trennmaterial kein Glasgewebe ist, wenn

(1) wenigstens eines der Bleche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, auf deren Oberfläche sich ein Überzug aus Aluminiumoxid bildet, und

(2) vor Anordnung der Bleche in einem Stapel die Bleche aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in jenen Flächen, die mit den anderen Blechen verschweißt werden sollen, sandgestrahlt werden, und

(3) vor Anordnung der Bleche in einem Stapel die sandgestrahlten Bleche chemisch behandelt werden, um an der Oberfläche das Aluminiumoxid zu entfernen, und

(4) die Bleche durch Diffusionsverschweißung miteinander verbunden werden, indem sie erhitzt und zusammengepreßt werden, ohne daß eine wesentliche plastische Deformation der Bleche erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle (3) aus einer Matte aus Papier oder Textilmaterial besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle des Trennmaterials (3) ein Fasermaterial ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle (3) des Trennmaterials aus Glasfasergewebe besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle des Trennmaterials (3) aus Vermiculit-Papier besteht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle des Trennmaterials (3) vorerhitzt wird, bevor die Diffusionsverschweißung stattfindet, um alle Fremdkörper auszutreiben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle des Trennmaterials (3) vor der Diffusionsverschweißung auf eine Temperatur vorgeheizt wird, die höher ist als die Temperatur der Diffusionsverschweißung.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel vor der Diffusionsverschweißung unter Vakuum beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißnähte rund um die Randbereiche der Bleche abgedichtet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung eine Aluminium-Lithium-Legierung ist.