DE69822781T2

DE69822781T2 - Keramikverstärkte Struktur

Info

Publication number: DE69822781T2
Application number: DE69822781T
Authority: DE
Inventors: Daniel G. sumner Sanders; Bryan L. El Cajon Cox
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-12-31
Also published as: ES2218761T3; US6235381B1; EP0933178B1; EP0933178A1; DE69822781D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Verstärkung von Keramikstrukturen, welche einer thermischen und/oder mechanischen Belastung ausgesetzt sind, spezieller eine verstärkte Keramikstruktur, wie sie in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 definiert ist, und ein Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Keramikstruktur mit Verstärkungselementen, welche chemisch und thermisch mit dem keramischen Material verträglich sind, spezieller ein Verfahren, wie es in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 13 definiert ist. Solch eine verstärkte Keramikstruktur und ein Verfahren für ihre Herstellung sind aus der GB-A-758 917 bekannt. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Verstärkung von Keramikformen, welche zum Schmieden oder zur superplastischen Formgebung und zur Diffusions-Kontaktherstellung von Aluminium und Titanium-Legierungen oder anderen Materialien eingesetzt werden, welche bei erhöhter Temperatur ausgebildet werden können.
Hintergrund der Erfindung
Aus geschmolzenem Siliziumdioxid-Aggregat und Calciumaluminat-Zement hergestellte gießbare Keramikmaterialien werden weithin in vielen Hochtemperatur-Umgebungen (540°C–930°C oder 1000°F–1700°F) wegen ihrer geringen Kosten und ihrer Eigenschaften bezüglich Druckbelastbarkeit, Härte, Hitzebeständigkeit, Formbeständigkeit und schneller Vergießbarkeit zur endgültigen Form eingesetzt. Ihr Einsatz ist jedoch aufgrund ihrer geringen Biegefestigkeit und Sprödigkeit eingeschränkt, was rückblickend zu Fehlern aufgrund von Rissen geführt hat. Andere stabilere gießbare Keramiken, wie z. B. auf Mullit basierende Materialien, sind entwickelt worden, aber diese Materialien sind auch relativ schwach und brüchig und haben ihre eigenen Nachteile, wie z. B. ein extremes Schrumpfen wäh rend des Trocknens und Härtens. All diese Materialien wären brauchbarer, wenn ein Weg gefunden würde, um ihre Tragfähigkeit zu steigern.
Eine wertvolle Anwendung für keramische Materialien besteht in Formen zur superplastischen Formgebung, in erster Linie von Titanium und Aluminium-Legierungen, aber auch von einigen korrosionsbeständigen Stahl-Legierungen, Nickel-Legierungen und Superlegierungen. Die erstrebenswerten Eigenschaften von geringen Kosten, schneller Herstellung und exzellenter Hochtemperatur-Stabilität macht die schnelle, genaue und preiswerte Herstellung von Formen möglich, wobei gießbare keramische Materialien eingesetzt werden. Die US-A-5,467,626 lehrt eine innovative freistehende Keramikform, welche aus diesen Materialien hergestellt ist.
Die Lebensdauer von Keramikformen ist jedoch schlecht. Es ist für eine Form für ein Teil von einer mittleren Ziehtiefe ungewöhnlich, dass 20 Teile hergestellt werden, bevor sie ausfällt und ersetzt werden muss, so dass Keramikformen in erster Linie zum schnellen Bau eines Prototyps und für begrenzte Produktionsmengen von Teilen eingesetzt werden. Die Lebensdauer kann erhöht werden, indem die Dicke der Form erhöht wird, aber eine extreme Dicke erhöht die Masse der Form und erhöht die Bearbeitungsschwierigkeit. Schwerwiegender ist, dass dickwandige Formen schwierig herzustellen sind, weil sie dazu neigen, während der anfänglichen Trocknungsphase zu brechen, was ein Verfahren ist, wobei Hitze in einer exothermer Reaktion abgegeben wird, was eine extreme thermale Belastung auf der Form verursacht. Auch während des Härtens und des Brennens können ein Schrumpfen und eingeschlossene Feuchtigkeit ein Brechen einer Form verursachen, welche das Trock nungsverfahren überstanden hat. Während der Herstellung eines Teiles ist die Aufheizdauer, um die Temperatur für eine massive Form zur superplastischen Formgebung auf 900°C (1650°F), eine typische Temperatur zur superplastische Formgebung für Titanium, anzuheben, wesentlich länger als diejenige für eine standardisierte "dünn"-wandige Form. Dementsprechend gab es eine andauernde Anstrengung von vielen Fachleuten, um die Biegefestigkeit von Keramikformen zur superplastischen Formgebung zu verbessern.
Die Versuche, welche unternommen worden sind, um das Problem der schwachen Zugfestigkeit und Sprödigkeit bei Keramik zu lösen, betrafen hauptsächlich zwei Arten: 1) Bereitstellen einer externen Druckunterstützung für die Struktur und 2) Untermischen von Fasern eines verstärkenden Materials in die gießbaren Materialien und Ermöglichen, dass die Keramik aushärtet, wobei die Fasern an der Stelle bleiben.
Eine externe Druckunterstützung ist ein geläufiger Trick und wurde zuerst tatsächlich in der Form eines Stahlsicherheitsbehälters als eine Sicherheitsmaßnahme eingesetzt aufgrund der Furcht vor einem explosiven Bersten der keramischen Form unter einem hohen Druck eines Formiergases und einer hohen Druckbelastung durch den Druck auf den Deckel, um das unter Druck stehende Formiergas in dem Formhohlraum abzudichten. Stahlsicherheitsbehälter werden trotz der erwiesenen Sicherheit der freistehenden Keramikformen weiterhin eingesetzt. Eine Abbildung eines solchen Sicherheitsbehälters ist in der US-A-4,584,860 dargestellt.
Obwohl mit Stahl oder CRES umschlossene Keramikformen gut arbeiten und eine angemessene Festigkeit besitzen, sind sie im Wesentlichen teurer herzustellen und das Entfernen des keramischen Materials von dem Sicherheitsbehälter am Ende der Lebenszeit der Form ist schwierig und arbeitsaufwändig. Teile, welche unter Verwendung der mit dem Stahlgehäuse eingeschlossenen Keramikformen hergestellt werden, sind rückblickend gesehen teurer, da ein größerer Rohling, aus welchem das Teil hergestellt wird, benötigt wird, um eine Dichtung um die Umgebung der formgebenden Kammer zu erzielen, was größere Mengen an Rest/Abfall ergibt, was von dem ausgeformten Teil abgeschnitten werden muss. Andere innovativere Formen einer externen Druckunterstützung der Form wurden erfolgreich ausprobiert. Eine solches Verfahren ist in der US-A-5,683,608 dargestellt. Dieses Verfahren verwendet Glasfaserstäbe, welche in die keramische Form gegossen und als Spannstäbe verwendet werden, um externe Phenolklötze unter Druck gegen die vier Seiten der Form zu halten. Dieses Konzept arbeitet gut, aber sein Einsatz ist durch die Temperatureinschränkungen der verstärkenden Materialien beschränkt.
Die Verwendung von verstärkenden Fasern, welche in das gießbare keramische Material gemischt werden, wenn es zum Gießen vermischt wird, ist ein Konzept, welches von zahlreichen Keramik-Forschern untersucht worden ist. Das Material, aus welchem die verstärkenden Fasern hergestellt sind, besitzt eine hohe Zugfestigkeit und die Theorie hinter dieser Methode ist, dass die Zugbelastung auf die Fasern übertragen wird und von den Fasern getragen wird, wobei die Biegefestigkeit und Zugfestigkeit erhöht wird. Die Erfahrung mit verstärkenden Fasern in Keramiken ist bestärkend: obwohl es keine wesentliche Verbesserung bei der Biegefestigkeit gegeben hat, gab es einige Verbesserungen bei der Belastbarkeit. Einige Fragen bleiben offen, ob sich die Fasern ausreichend mit dem Zement verbinden, oder ob die Belastung, welche in dem keramische Material erforderlich ist, bevor die Zugbelastung auf die Fasern übertragen und von den Fasern aufgenommen werden kann, die Belastungsfähigkeit des brüchigen keramischen Materials übersteigt. Der große Unterschied bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der CRES-Faser und dem keramischen Material kann innere Spannungen in der Form erzeugen, was für ihr Überleben bei einer heißen Anwendung mit hoher Belastung schädlich sein kann.
Das vorab angegebene Dokument zum Stand der Technik GB-A-758 917 offenbart eine verstärkte Keramikstruktur für einen Einsatz in einer Umgebung mit hoher Temperatur und ein Verfahren zum Herstellen solch einer Struktur. Die verstärkte Struktur nach dem Stand der Technik ist eine keramische Brennkapsel oder ein offenes Gehäuse, welches dafür bestimmt ist, als eine Abdeckung in einem Ofen zu dienen. Folglich ist die Struktur nach dem Stand der Technik nur eher einer thermalen als einer mechanischen Belastung ausgesetzt. Die Struktur oder die Brennkapsel nach dem Stand der Technik wird hergestellt, indem eine setzbare Mischung mit Sillimanit und geschmolzenem Aluminiumoxid in eine die Form der gewünschten Brennkapsel definierende Form gegossen wird und der Mischung ermöglicht wird, sich zu setzen. Wenn die Mischung gegossen wird, werden vorher gebrannte Verstärkungsstäbe, welche aus einer stark hitzebeständigen Aluminiumoxid-Keramik, welche als HYLUMINA^TM bekannt ist, extrudiert sind, derart in der Form platziert, dass sie in den Wänden und der Basis der Brennkapsel eingebettet sind. Da die Struktur nach dem Stand der Technik nicht dafür bestimmt ist, thermalen und mechanischen Belastungen in der Weise zu widerstehen, in der es eine Form muss, spezifi ziert dieses Dokument keine strukturellen Eigenschaften der Verstärkungsstäbe.
Schließlich offenbart die US-A-4,252,588 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Verbundstoffes. Dieses Verfahren umfasst ein Zusammenbauen von steifen Stäben in eine geometrische Struktur, so dass alle Zwischenräume bildenden Hohlräume verbunden sind, wobei die geometrische Struktur mit Partikeln infiltriert wird, wobei die infiltrierte geometrische Struktur mit einer geeigneten Matrizen-Bindemittel-Flüssigkeit oder einem Ausgangsmaterial imprägniert wird, und die imprägnierte geometrische Struktur derart behandelt wird, dass sich das Bindemittel verfestigt, um den verstärkten Verbundstoff zu bilden. Dieses Dokument, welches ein völlig anderes Gebiet betrifft, d. h. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffe zur Verwendung bei Vorsprungsenden, Raketendüsen, Hitzeschilden, Gasturbinen bei Atomreaktoren und bioprothetischen Vorrichtungen, erwähnt eine thermale Verträglichkeit der Stäbe und des Körpers überhaupt nicht und enthält keinen Hinweis auf die Festigkeit der Stäbe in Relation zu derjenigen des Körpers. Obwohl Keramiken als mögliche Materialien erwähnt werden, mit welchen die dort beschriebene Erfindung ausgeführt werden könnte, ist dies nicht ausgeführt.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend stellt diese Erfindung eine verbesserte verstärkte Keramikstruktur mit einer Biegefestigkeit bereit, welche im Wesentlichen größer als diejenige ist, welche durch dieselbe Struktur-Ausführung ohne die erfindungsgemäße Verstärkung bereitgestellt wird. Die Erfindung stellt auch ein verbessertes Verfahren zum Verstärken von Keramikstrukturen bereit, welches relativ preiswert ist, in einer Herstellungsumgebung einfach einzusetzen ist und wiederholbar eine wesentliche Verbesserung der Tragfähigkeit der Keramikstruktur bewirkt.
Diese Vorteile der Erfindung werden bei einer verstärkten Keramikstruktur erzielt – zum Beispiel einer Form zur superplastischen Formgebung oder einem Gesenk – des in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschriebenen Typs, wobei die Stäbe einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, welcher im Wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des gegossenen Keramikkörpers ist und eine Biegefestigkeit besitzen, welche mindestens fünfmal größer als diejenige des Keramikkörpers ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen verstärkten Keramikstruktur sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 definiert.
Die Vorteile der Erfindung werden auch durch ein Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Keramikstruktur, wie in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 13 dargelegt, erzielt, wobei die verstärkte Keramikstruktur eine Form zum Ausbilden eines Metallteiles ist, wobei ein Modell des Metallteiles an dem Boden des Gussgehäuses angebracht wird, bevor die Verstärkungsstäbe angeordnet werden und das gießbare Material eingefüllt wird, wobei jeder Verstärkungsstab in einem Paar von ausgerichteten Löchern angebracht wird, welche in die Innenoberfläche des Gussgehäuses gebohrt sind, und wobei zwischen den Schritten des Entfernens der Grünlingstruktur und des Trocknens und Brennens die Grünlingstruktur gewendet und das Modell entfernt wird.
Bevorzugte Varianten zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche 14 bis 17.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung und ihre vielen einhergehenden Aufgaben und Vorteile werden besser verstanden, wenn die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei gilt:
1 ist eine Perspektivansicht, teilweise im Querschnitt, einer erfindungsgemäß hergestellten verstärkten keramischen Form zur superplastischen Formgebung;
2 ist eine Perspektivansicht eines Gussgehäuses, welches ein Modell eines Teiles enthält, um die in 1 dargestellte Form herzustellen;
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines zusammenpassenden Satzes von erfindungsgemäß hergestellten verstärkten keramischen Gesenken, wobei die Form geschlossen ist;
4 ist eine Perspektivansicht eines Teils, welches in dem in 3 dargestellten Formsatz geformt wurde;
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines zusammenpassenden Satzes von erfindungsgemäß hergestellten verstärkten keramischen Prägungsgesenken; und
6 ist eine Perspektivansicht eines Teiles, welches in dem in 5 dargestellten Formsatz geformt wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die Erfindung wird zuerst beschrieben, wie sie in einer Keramikform zur superplastischen Formgebung und zur Diffusions-Kontaktherstellung von metallischen Teilen, hauptsächlich Titaniumlegierungen und Aluminiumlegierungen, verkörpert ist. Auf Nickel basierende Legierungen und rostfreier Stahl können auch in Keramikformen superplastisch ausgestaltet werden. Freistehende Keramikformen für diesen Zweck sind in der US-A-5,467,626 beschrieben. Eine Verwendung des hier offenbarten verstärkenden Verfahrens verbessert die Tragfähigkeit dieser Formen, verlangsamt die Rissbildung und die Rissausbreitung, und erhöht die Anzahl der Teile, welche mit ihnen hergestellt werden können, bevor sie ausfallen. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf eine Verwendung bei Keramikformen beschränkt. Wir ziehen ihre Verwendung bei Keramikstrukturen in Erwägung, welche im Einsatz hohen Belastungen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei andere Typen von Formen einbezogen sind, wie zum Beispiel Formen zum heißen Kalibrieren, Formen zum allmählichen Ausformen, Gussformen und Gesenke, und auch nicht herkömmliche Verwendungen von Keramik, wie zum Beispiel Motorblöcke, Gussformen für geschmolzenes Metall und bei Druckbehältern eingesetzte Formen zum Verschmelzen eines Verbundstoffes, wie auch tragfähige Keramikstrukturen, welche bei der Produktion gebrannt werden. Ein erfindungsgemäß hergestelltes Gesenk wird im Folgenden beschrieben.
Nun zu den Zeichnungen, wo gleiche Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile bezeichnen und insbesondere zu 1 davon, in welcher eine Keramikform 30 mit einer Formbasis 32 dargestellt ist, welche einen Formhohlraum 34 aufweist, wobei die Teilform durch innere Oberflächen 36 des Formhohlraums 34 definiert ist. Ein Umfangsrand 40 an der Oberseite der Wand besitzt eine Dichtungsstruktur, wie zum Beispiel einen Wulst oder eine Vertiefung, welche(r) eine Hitze beständige Dichtung, wie zum Beispiel einen Ring 54 aus rostfreiem Stahl, aufnehmen kann, durch welchen der Formhohlraum 34 durch einen Deckel 46 abgedichtet werden kann, welcher an der Stelle auf dem Umfangsrand durch eine starke Druckkraft (dargestellt durch einen Pfeil 48) gehalten wird, welche durch eine hydraulische Presse (nicht dargestellt) zur Warmformgebung oder zur superplastischen Formgebung einer bekannten Ausführung ausgeübt wird und welche handelsüblich von Quellen, wie zum Beispiel L & F Press Company, Inc. in Huntington Park, California verfügbar ist.
Eine Handhabung der Formen zur superplastischen Formgebung ist an sich bekannt, so dass ihre Handhabung nicht im Detail beschrieben wird. Für eine detaillierte Beschreibung der Verwendung von Keramikformen bei einer superplastischen Formgebung und Diffusions-Kontaktherstellung kann auf die vorher erwähnte US-A-5,467,626 verwiesen werden. Eine Steuerung des Formiergases bei einer Presse zur superplastischen Formgebung kann durch die Vorrichtung und das Verfahren vorgenommen werden, was in der US-A-5,419,170 beschrieben ist.
Die in 1 dargestellte verstärkte Keramikform zur superplastischen Formgebung besitzt eine Mehrzahl von Quarzstäben 50, welche in einer Anordnung in dem Boden 38 der Formbasis 32 angeordnet sind. Die Stäbe 50 besitzen einen Durchmesser von 19 mm (3/4'') und sind in zwei oder mehr Reihen beabstandet, welche senkrecht zueinander und parallel zu der Ebene der unteren Oberfläche des Formbodens 38 angeordnet sind. Die Stäbe 50 in jeder Reihe sind mit einem Abstand beabstandet, welcher ungefähr gleich dem 1–5-fachen des Stabdurchmessers ist, und die Reihen sind mit einem Abstand voneinander beabstandet, welcher ungefähr gleich dem ½–3-fachen des Stabdurchmessers ist. Die Stäbe 50 sind von mehreren Zulieferern verfügbar, einschließlich G. E. und McMaster-Carr und werden verwendet, wie sie von dem Hersteller empfangen werden. Die Quarzstäbe verbinden sich fest mit dem Calciumaluminatzement ohne dem Erfordernis nach einer Struktur oder Profilierung der Stäbe. Die Stäbe können jedoch strukturiert werden, z. B. durch Strahlputzen, und/oder durch Bearbeitung profiliert werden, um eine Oberflächenprofilierung zu erzeugen, um die Verbindungsfestigkeit zu verbessern und die Stäbe in Längsrichtung in der Keramikformbasis 32 zu arretieren. Quarz ist jedoch ein gegenüber einer Aussparung empfindliches Material, so dass es vorteilhaft sein kann, Scharfes ("sharp comers") bei profilierten Ausführungen zu vermeiden, um die Beständigkeit eines Stabes gegenüber einem Riss oder einem Fehler zu erhöhen. Alternativ kann es ein Vorteil sein zu verhindern, dass sich die Stäbe 50 mit dem keramischen Material in der Formbasis 32 verbinden. Wenn zum Beispiel die Schrumpfungsrate des speziell für die Form oder eine andere Struktur eingesetzten keramischen Materials während der Trocknungs- oder Brennschritte mehr als ungefähr 1% beträgt, kann es von Vorteil sein, eine relative Bewegung zwischen dem keramischen Material und den Stäben 50 während des Schrumpfens zu ermöglichen. In diesem Fall können die Stäbe gewachst oder anders mit einem Scheidemittel behandelt sein, um ein Verbinden zwischen den Stäben und dem keramischen Material zu verhindern.
Wenn die Stäbe verbunden sind und/oder in der Keramikformbasis 32 arretiert sind, indem die Stäbe profiliert sind, tragen Sie zur Biegefestigkeit und auch Zugfestigkeit des Keramikkörpers bei. Wenn die Stäbe nicht verbunden sind und nicht in dem Keramikkörper 32 arretiert sind, d. h. sie können sich in Längsrichtung relativ zu dem Keramikkörper 32 bewegen, tragen Sie nur zur Biegefestigkeit bei. Jedoch ist der Beitrag zur Biegefestigkeit allein wesentlich.
Eine Konstruktion der Formbasis 32, wie in 2 dargestellt, verwendet ein Formgussgehäuse 55, welches herkömmlich aus 3/4 Sperrholz oder Holzwerkstoff ("Oriented Strand Board") hergestellt ist. Ein Modell 56 des Teiles ist an dem Boden des Gehäuses 55 angebracht und zwei oder mehr Reihen von ausgerichteten Löchern 57 und 59 sind in der Nähe der oberen Kante des Gehäuses 55 für Reihen der Stäbe 50 gebohrt. Vorzugsweise erstrecken sich die Löcher 57 und 59 vollständig durch die Seiten des Gehäuses 55, so dass sie in den Löchern 57 und 59 verschoben werden können. Wenn Quarzstäbe verwendet werden, ist es ratsam, ein Verschmutzen durch eine Handhabung mit bloßen Händen zu vermeiden, da sie empfindlich gegenüber einer Entglasung bei hohen Temperaturen sind, wenn sie während der Handhabung verschmutzt werden. Wenn erwünscht, können die Stäbe 50 durch Holzleisten in Position gehalten werden, welche über die Reihen der Löcher geheftet werden, nachdem die Stäbe 50 eingeführt worden sind, und/oder die Löcher können durch ein geeignetes Dichtungsgemisch, wie z. B. Hydro-Cal-Zement, zugestopft und abgedichtet werden.
Wenn die Stäbe 50 eingeführt und in Position befestigt sind, wird das Betongemisch durch die über dem oberen Ende des Gehäuses 55 befestigten Stäbe 50 in das Gehäuse 55 geschüttet. Alternativ könnten die Stäbe in die Löcher 57 und 59 eingeführt werden, nachdem das Betongemisch in das Gehäuse bis zu dem Niveau der Löcher 57 geschüttet worden ist, und dann würde das Gehäuse mit dem Rest des Betongemischs bis zu dem oberen Ende gefüllt werden, wobei dadurch die Schwierigkeit vermieden wird, den Beton durch die Anordnung der Stäbe 50 zu schütten. Das bevorzugte Betongemisch ist eine qualmende Siliziumdioxid/Calciumaluminat-Zusammensetzung, wie z. B. gießbares Thermo-Sil 220 von Ceradyne Thermo-Materials Corp. oder HS2 gießbares keramisches Material von Pyromedia Inc. in Seattle, WA. Gießverfahren können von dem Hersteller oder von der vorab genannten US-A-5,467,626 erhalten werden.
Nachdem sich das Betongemisch bei Raumtemperatur für 12–36 Stunden oder länger, abhängig von seinem Volumen, gesetzt hat, wird das Gehäuse 55 gewendet, so dass sich das Modell 56 auf der Oberseite befindet. Das Gehäuse 55 wird demontiert, und ein Kran oder eine Winde wird an dem Modell 56 angebracht, um allmählich einen aufwärts gerichteten Zug auf das Modell 56 anzuwenden, bis es von der Grünlingsform 34 frei gebrochen ist. Das Gußteil wird dann mit nassen Tüchern überdeckt und kann bei Raumtemperatur (15°C–27°C oder 60°F–80°F) für 3–7 Tage, abhängig von seiner Größe, aushärten, wobei die nassen Tücher nach 1–2 Tagen entfernt werden. Nach einem anfänglichen Härten bei Raumtemperatur wird die Grünlingsform in einem Heißlufttrockner auf 66°C (150°F) mit einer An stiegsrate von ungefähr 10°C (50°F) in 16–36 Stunden, abhängig von seiner Größe, aufgeheizt und für 2–5 Tage oder mehr, abhängig von seiner Größe, bei 66°C (150°F) getrocknet. Es wird dann bei 995°C (1825°F) für 9 Stunden nach einem allmählichen Anstieg der Temperatur in einem Ofen über ungefähr 3 Tage gebrannt, wobei die Ofentür periodisch geöffnet wird, um Feuchtigkeit aus dem Ofen zu entlüften. Es kann dann mit ungefähr 66°C (150°F)/Stunde auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Die Fläche des Formhohlraumes wird mit Bornitrid beschichtet, was die Formoberfläche schützt und auch als eine Ablösebeschichtung dient, um ein Festsitzen des Titaniumteiles an der Form während der superplastischen Formgebung zu minimieren. Der Formdeckel wird in derselben Weise bearbeitet. Die Form ist nun für einen Einsatz bereit.
Quarzstäbe haben eine Biegefestigkeit von ungefähr 69 MPa (10.000 psi), was für eine wesentliche Biegefestigkeit für die Formbasis 32 sorgt. Die maximale Biegefestigkeit, welche bei einer unverstärkten Siliziumdioxid- und Calciumaluminat-Zementzusammensetzung erreicht werden kann, liegt ungefähr bei 10 MPa (1500 psi), und diese Leistung wird durch Temperaturen in dem Bereich einer superplastischen Formgebung von Titanium, welche ungefähr 900°C (1650°F) beträgt, herabgesetzt, weil Wasser bei dieser Temperatur bei der hydraulischen Bindung austritt. Die Verbesserung der Biegefestigkeit der mit Quarzstäben 50 verstärkten Formen ist wesentlich. Testmuster haben einen Anstieg von 245% bzgl. der Festigkeit gezeigt, obwohl die Festigkeit einer komplexen Struktur wie derjenigen einer Form oft von vielen Faktoren, einschließlich einem Trocknungs-, einem Härte- und einem Brennverfahren und einer Platzierung der Stäbe abhängt, so dass es schwierig ist, die Verbesserung der Festigkeit in den Testmustern auf die Ver besserung der Festigkeit bei der endgültigen Struktur, z. B. einer Form, zu übertragen. Es gibt keramische Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid, welche stabiler als Quarz sind und nicht seine Empfindlichkeit gegenüber einer Vertiefung und die Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung besitzen. Aluminiumstäbe sind mit einer Biegefestigkeit von ungefähr 390 MPa (56.000 psi) von Coors in Golden, Colorado verfügbar, aber die Kosten sind wesentlich größer. Der Kompromiss zwischen erhöhten Kosten und erhöhter Festigkeit muss für jede Anwendung bestimmt werden.
Es kann wünschenswert sein, die Seitenwände 34 und den Deckel 46 mit Verstärkungsstäben 50 aus einem keramischen Material, wie z. B. geschmolzenen Oxiden von Silizium oder Aluminium (Quarz oder Aluminiumoxid), zu verstärken. Es kann durch Endliche-Elemente-Analyse, herkömmliche Belastungsanalyse, und/oder praktische Erfahrung bestimmt werden, wo die Strukturen eine Verstärkung benötigen und die Stäbe können in den Deckel und die Seitenwände gegossen werden, um, wie gefordert, eine maximale Wirkung zu erzielen, wobei die vorab dargelegten Verfahren verwendet werden.
Es ist allgemein üblich, die bei der Metallformgebung eingesetzten Keramikformen mit elektrischen Heizelementen zu heizen, welche in der Form ausgebildeter Nuten eingeschlossen sind, wobei ein Kunststoffrohr verwendet wird, welches entfernt wird, während die Form noch grün ist oder welches während des Brennens ausgebrannt wird. Leider bewirkt dieses bequeme und effiziente Verfahren des Heizens der Form eine Abnahme der Biegefestigkeit der Form, weil die Nuten die Form durch Verformen und indem sich die während der Verwendung entstehenden Beanspruchungen konzentrieren, schwächen. Diese Erfindung zieht in Erwägung Holstäbe (Aluminiumoxid oder Quarz) einzusetzen, in welche elektrische Heizelemente, wie z. B. Nichrom-Drähte, eingeführt werden können, um die Form während der Verwendung bei der superplastischen Formgebung von metallischen Teilen zu heizen. Insbesondere das Quarzmaterial ist gegenüber thermalen Schocks äußerst widerstandsfähig. Eine Verwendung von hohlen Keramikstäben eliminiert eine durch die Heizelementnuten nach dem Stand der Technik eingeschleppte Schwachstelle und verbessert tatsächlich die Biegefestigkeit der Form, während es eine integrale elektrische Heizmöglichkeit bereitstellt.
Die verstärkenden geschmolzenen Siliziumdioxid-Stäbe 50 wurden zum Einsatz bei geschmolzenem Siliziumsdioxid/Calciumaluminat-Material wegen der nahen Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgewählt. Neuerdings sind jedoch gießbare keramische Materialien mit einer größeren Biegefestigkeit verfügbar, wie z. B. Mullit-Aggregat-Keramiken, verfügbar als CK-1081 von Norton Company Refractory Systems. Dieses Material besitzt eine etwas größere Schrumpfungsrate und einen etwas größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das geschmolzene Siliziumdioxid/Calciumaluminat-Material, aber ist mit den Aluminiumoxidstäben chemisch und thermisch verträglich.
Die Erfindung kann eingesetzt werden, um verstärkte Formen zum Herstellen von isostatisch gepressten Metall- oder Nicht-Metall-Teilen herzustellen, wie z. B. "PEEK"-Verbundstoffe oder Harze vom APC II Typ mit Kohlefaser, in einem thermischen Verfahren, wobei eine superplastische Aluminium-Treibschicht bei geringer Temperatur, um die Metallschicht oder Form zu bilden und den Verbundstoff zwischen der Treib schicht und der Form zu verdichten, oder eine dazwischengelegte Aluminium-Basisschicht gemäß der US-A-4,644,626 eingesetzt wird. Die schnelle und preiswerte Herstellung von formgebenden Keramikformen für diese Anwendung würde die Kosten verringern und die Herstellung der mit diesem Verfahren gebildeten Teile beschleunigen.
Ein zusammenpassender Satz von verstärkten Keramikgesenken, mit einer oberen Form 70 und einer unteren Form 75, dargestellt in 3, wird verwendet, um ein in 4 dargestelltes Aluminiumteil 80 herzustellen, wobei das Schmiedeverfahren mit geschlossener Form verwendet wird. Dies ist ein gratloses Verfahren, dass das Erzeugen eines Grats um den Umfang der Form nicht erfordert, um ein vollständiges Füllen der Form zu erreichen. Die Genauigkeit dieses Gießverfahrens macht es möglich, dass die Formausführung und das Werkstückvolumen in dem Formsatz derart ist, dass ein vollständiges Füllen der Form ohne übermäßigen Druck wegen einer Überfüllung des Werkstückvolumens erreicht werden kann.
Wie dargestellt besitzt die untere Form 75 einen Formhohlraum 85 mit einem Oberflächenprofil wie das erwünschte Oberflächenprofil der Unterseite des erwünschten Teiles 80, und die obere Form besitzt ein entsprechendes Außenstanzteil 90 mit einem Oberflächenprofil ähnlich der oberen Oberfläche des erwünschten Teiles 80. Die Gesenke sind in einer Schmiedepresse in der herkömmlichen Weise angebracht und werden auf die Schmiedetemperatur für das Metall, aus welchem das Teil 80 hergestellt ist, aufgeheizt. Ein Metallrohling wird in der Presse zwischen den zwei Formen 70 und 75 platziert, und ihm wird ermöglicht, die Schmiedetemperatur zu erreichen. Wahlweise kann ein größerer Durchsatz durch ein Vorheizen des Me tallrohlings auf die Schmiedetemperatur erzielt werden, bevor er in der Presse platziert wird. Wenn der Rohling die Schmiedetemperatur erreicht hat, wird die Presse betrieben, um die Formen 70 und 75 gegen den Rohling zu bringen und ihn in der Form, welche durch die Oberflächen der oberen und unteren formgebenden Oberflächen definiert wird, zu formen. Dies ist ein isothermisches Verfahren, in welchem eine Formgebung bei einer geringen Arbeitsgeschwindigkeit erfolgt, so dass eine minimale Kraft erforderlich ist und eine wesentliche Komplexität des Teiles erzielt werden kann.
Die Formen 70 und 75 werden hergestellt, indem dasselbe vorab beschriebene Verfahren für die Form 30 zur superplastischen Formgebung verwendet wird, wobei aber eine größere Anzahl von Verstärkungsstäben 50 eingesetzt wird, um die Struktur zu verstärken. Das auf diesem Formsatz 70/75 hergestellte Teil 80 ist wesentlich stabiler als ein durch eine herkömmliche Bearbeitung hergestelltes entsprechendes Teil sein würde, weil der Kornfluss in dem Teil 80 darauf ausgerichtet ist, der Kontur des Teiles 80 zu folgen, so dass für die größte Stabilität in der Richtung der größten Belastung gesorgt wird, welche das Teil während eines Einsatzes erfährt.
Ein anderer erfindungsgemäß hergestellter Gesenkesatz, dargestellt in 5, besitzt eine obere Form 94 und eine untere Form 96 zum Herstellen eines in 6 dargestellten Teiles 100. Die obere Form 94 besitzt Hohlräume 102 und 104 zum Herstellen komplementärer Formen 106 und 108 auf der oberen Oberfläche des Teiles 100. Die untere Form 96 besitzt einen Hohlraum 110 zum Herstellen der komplementären Form 112 auf der Unterseite des Teiles 100. Das mit diesem Formsatz 94/96 eingesetzte Schmiedeverfahren erzeugt einen Fluss des Materi als des Metallrohlings in die Hohlräume 102, 104 und 110 durch Extrusion.
Die Formen 94 und 96 werden hergestellt, indem dasselbe Verfahren wie das Verfahren eingesetzt wird, um die Form 30 zur superplastischen Formgebung und die Gesenke 70 und 75 herzustellen. Verstärkungsstäbe 50 sind in der Form orthogonal in Reihen ausgerichtet platziert, wie in 5 dargestellt. Ein vorgeheizter Metallrohling wird in die Presse zwischen die Formen 94 und 96 eingeführt, und die Formen werden zueinander gegen den Metallrohling bewegt. Das heiße Metall in dem Rohling fließt langsam unter dem durch die Flächen der Formen 94 und 96 ausgeübten Druck, um die Hohlräume 102, 104 und 110 und den Zwischenraum zwischen den Formflächen zu füllen, um das Teil 100 erzeugen. Die verbesserte Festigkeit, mit welcher die Verstärkungsstäbe 50 die Formen 94 und 96 versehen, ermöglichen denen, die Biege- und Bruchbelastungen zu überstehen, welche die Gesenke beim Einsatz erfahren, und auch einem Spanen und einer Rissbildung beim Einsatz für eine verbesserte Haltbarkeit zu widerstehen, so dass sie eine größere Anzahl von Teilen bei geringeren Gesamtkosten herstellen können.
Offensichtlich sind zahlreiche Veränderungen und Variationen dieser bevorzugten Ausführungsform für die Fachleute im Lichte dieser Offenbarung enthalten. Dementsprechend ist ausdrücklich festzuhalten, dass diese Veränderungen und Variationen, und die Äquivalente davon, als im Umfang der folgenden Ansprüche enthalten betrachtet werden sollen.

Claims

Verstärkte Keramikstruktur, umfassend: einen Körper (32; 70; 75; 94; 96) eines Guß-Siliziumdioxid/Calciumaluminat basierten keramischen Materials; und eine Mehrzahl von Verstärkungsstäben (50), welche aus monolithisch geschmolzenen Oxiden von Siliziumdioxid oder Aluminium hergestellt sind, welche in den Keramikkörper (32; 70; 75; 94; 96) gegossen sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher im Wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des gegossenen Keramikkörpers (32; 70; 75; 94; 96) ist, und eine Biegefestigkeit besitzen, welche mindestens fünfmal größer als diejenige des Keramikkörpers (32; 70; 75; 94; 96) ist.
Verstärkte Keramikstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (50) eine Dicke zwischen 3,2 und 51 mm (1/8''–2,0'') besitzen.
Verstärkte Keramikstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) Mitten besitzen, welche voneinander um ungefähr das 2–10-fache des Durchmessers der Stäbe (50) beabstandet sind.
Verstärkte Keramikstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) in dem Keramikkörper (32; 70; 75; 94; 96) verbunden sind.
Verstärkte Keramikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) mit einem Ab lösemittel beschichtet sind, um ein Verbinden mit dem Keramikkörper (32; 70; 75; 94; 96) zu verhindern.
Verstärkte Keramikstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) in einer Anordnung von zumindest zwei Reihen angeordnet sind, wobei die Stäbe (50) in jeder Reihe parallel zueinander angeordnet sind und wobei die Stäbe (50) in benachbarten Reihen orthogonal zueinander angeordnet sind.
Verstärkte Keramikstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihen mit einem Abstand beabstandet sind, welcher ungefähr gleich dem ½–3-fachen des Durchmessers der Stäbe (50) ist.
Verstärkte Keramikstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Stäbe (50) hohl sind und elektrische Heizelemente zum Heizen der verstärkten Keramikstruktur aufnehmen.
Verstärkte Keramikstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Stäbe (50) vollständig über die volle Länge und Breite des Körpers (32; 70; 75; 94; 96) erstrecken.
Verstärkte Keramikstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eine Form zur Formgebung eines Metallteiles (35; 80; 100) ist; wobei der Gusskeramikkörper (32; 70; 75; 94; 96) ein freistehender Körper mit zumindest einem Formhohlraum (34; 85; 102; 104; 110) ist, welcher durch Innenoberflächen (36) einer Umfangswand und eines Formbodens (38) integral mit der Umfangs wand definiert ist, wobei der Boden (38) eine Bodenoberfläche, auf welcher die Form aufliegt, besitzt; wobei ein Umfangsrand (40) um eine obere Kante der Umfangswand ausgebildet ist, wobei der Rand (40) eine obere Konfiguration besitzt, welche mit den entsprechenden Umfangsoberflächen auf einer Unterseite eines Formdeckels (46) zusammenwirkt, um den Formhohlraum abzudichten; und wobei die Mehrzahl der Stäbe (50) in den Boden (38) eingebettet ist.
Verstärkte Keramikstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) parallel zu der Bodenoberfläche angeordnet sind.
Verstärkte Keramikstruktur nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl der in der Umfangswand eingebetteten Stäbe (50).
Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Keramikstruktur, die Schritte umfassend: a) Auswählen eines Gussgehäuses (55) mit inneren Abmessungen, welche gleich der erwünschten äußeren Abmessungen der Keramikstruktur sind, und mit einem Boden und einer offenen Oberseite; b) Anordnen einer Mehrzahl von Verstärkungsstäben (50) in dem Gießgehäuse (55), welche aus monolithisch geschmolzenen Oxiden von Silizium oder Aluminium hergestellt sind; c) Füllen des Gussgehäuses 55) mit einem gießbaren zementartigen Material über die offene Oberseite; d) Ermöglichen, dass sich das gießbare zementartige Material in eine Grünlingsstruktur in dem Gussgehäuse (55) setzt und härtet; e) Entfernen der Grünlingsstruktur von dem Gussgehäuse (55); f) Trocknen der Grünlingsstruktur und Brennen der Grünlingsstruktur, um eine hitzebeständige Keramikstruktur zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte Keramikstruktur eine Form zur Formgebung eines Metallteiles (35; 80; 100) ist; wobei ein Modell (56) des Metallteiles an dem Boden des Gussgehäuses (55) angebracht wird, bevor die Verstärkungsstäbe (50) angeordnet werden und das gießbare Material eingefüllt wird; wobei jeder Verstärkungsstab (50) in einem Paar von ausgerichteten Löchern (57, 59) angebracht ist, welche in Innenoberflächen des Gussgehäuses (55) gebohrt sind; und wobei zwischen den Schritten (e) und (f) die Grünlingsstruktur gewendet wird und das Modell (56) entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Keramikform zum Formen eines Metallteiles nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das gießbare zementartige Material bündig mit der offenen Oberseite geglättet wird, um eine glatte, flache Oberfläche zu erzeugen, welche eine Bodenformoberfläche wird, nachdem die Form gewendet worden ist.
Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Keramikform zum Formen eines Metallteiles nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) einen Durchmesser von ungefähr 1/8''–2'' haben und in zumindest einer Reihe parallel zu der Bodenoberfläche angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Keramikform zum Formen eines Metallteiles nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, dass die Stäbe (50) parallel zueinander sind und an Mitten mit einem Abstand beabstandet sind, welcher ungefähr gleich dem 1½–5-fachen des Stabdurchmessers ist.
Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Keramikform zum Formen eines Metallteiles nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (50) in zumindest zwei Reihen parallel zu der Bodenoberfläche angeordnet sind, wobei eine der Reihen Stäbe (50) aufweist, welche alle parallel zueinander sind, und die andere der Reihen Stäbe (50) aufweist, welche alle parallel zueinander und orthogonal zu den Stäben (50) in der einen Reihe sind.