ES2280600T3 - Procedimiento de conformado superplastico y union por difusion. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de formación de una estructura mediante unión por difusión y conformado superplástico de al menos una lámina de revestimiento (16, 18) y al menos una lámina central (10, 12), comprendiendo el procedimiento: a) formar un paquete de al menos una lámina de revestimiento (16, 18) y al menos una lámina central (10, 12); b) situar el paquete en un molde (20) y calentar el paquete a una temperatura a la cual las láminas sean capaces de deformación superplástica; c) inyectar un gas entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12) para empujar la lámina de revestimiento contra una cara interna del molde (20) para de ese modo formar una cavidad entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12); d) inyectar gas en el lateral de la lámina central (10, 12) alejado de la lámina de revestimiento (16, 18) para empujar la lámina central (10, 12) contra la lámina de revestimiento (16, 18); e) mantener la presión de gas en dicho lateral de la láminacentral (10, 12) alejado de la lámina de revestimiento (16, 18), formando de ese modo una unión por difusión entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12); y f) mantener una presión regulada de un gas en la cavidad (30) entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12) durante al menos parte de la etapa d); caracterizado porque el gas usado en la etapa f) para mantener la presión de gas en la cavidad entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12) es helio.
Description
Procedimiento de conformado superplástico y
unión por difusión.
La presente invención se refiere a la formación
de una estructura usando técnicas de unión por difusión (DB) y
conformado superplástico (SPF). La invención tiene aplicación
particular en la industria aeroespacial en la producción de paneles
y estructuras para aviones.
La combinación de conformado superplástico/unión
por difusión (SPF/DB) es una técnica establecida para realizar
componentes estructurales, en particular componentes ligeros que
requieran estructuras internas complejas, a partir de materiales que
muestran propiedades superplásticas a temperaturas altas. Estos
materiales son principalmente aleaciones de titanio, especialmente
(pero no exclusivamente), aleaciones de
titanio/aluminio/vanadio.
En los documentos US-5.143.276,
US-4.534.503, GB-2.030.480,
GB-2.129.340, US-4.607.783,
US-4.351.470, US-4.304.821,
US-5.994.666 y EP-0.502.620, se
describen ejemplos típicos de procedimientos de conformado
superplástico/unión por difusión conocidos.
Se describirá ahora, junto a la figura 1, que
muestra cuatro etapas para formar un panel, un procedimiento SPF/DB
típico. En la etapa 1, puede aplicarse material limitante entre dos
láminas centrales 10, 12; el material limitante forma una capa que
previene que las láminas centrales se unan una a la otra por
difusión a temperaturas de funcionamiento en las áreas a las que se
ha aplicado el material limitante. Las láminas centrales se juntan
después mediante uniones en línea 14. Estas uniones pueden formarse
mediante unión por difusión de las dos láminas centrales 10, 12
juntas, en cuyo caso el material limitante debería omitirse en la
región de las uniones en línea 14. De manera alternativa, las
láminas centrales pueden unirse entre sí mediante otras técnicas,
por ejemplo soldadura por resistencia o unión por láser.
En la etapa 2, se forma un ensamblaje
empaquetado metiendo las láminas centrales 10, 12 entre láminas de
revestimiento 16, 18; el paquete puede sellarse después alrededor
de su contorno externo mediante soldadura o unión (no mostrado). En
el ensamblaje empaquetado se incluyen tubos que permiten inyectar
gas en la región entre las láminas centrales 10, 12 y, de manera
independiente, en la región entre las láminas de revestimiento 16,
18 y sus láminas centrales adyacentes, 10, 12. Si es necesario,
pueden dejarse espacios en las uniones en línea 14 para permitir el
paso de gas entre regiones adyacentes de las láminas centrales.
En la etapa 3, el ensamblaje empaquetado se
sitúa después entre dos mitades de una herramienta de moldeo 20
que puede calentarse. Las dos mitades de la herramienta de moldeo
20 se presionan una contra la otra para formar un sellado hermético
al gas entre los bordes del ensamblaje empaquetado y la cavidad
interna de la herramienta. Las fuerzas de pinzado, cuando se
suplementen a continuación con calor, pueden proporcionarse para el
desarrollo de las uniones por difusión 21 alrededor de la periferia
del paquete si así se desea.
La herramienta se calienta a una temperatura a
la cual tiene lugar el conformado superplástico, que es
típicamente superior a 850°C para una aleación típica, tal como una
Ti-6%A1-4%V. Se inyecta primero un
gas inerte entre cada lámina de revestimiento 16, 18 y su lámina
central adyacente 10, 12 respectivamente. Esto hace que las láminas
de revestimiento 16, 18 empujen contra la cara interna de la
herramienta de moldeo 20, adoptando de ese modo la configuración de
la cara interna de la herramienta de moldeo 20. Una vez que las
láminas de revestimiento 16, 18 se han empujado hacia el lado
opuesto de las láminas centrales 10, 12, por ejemplo, una vez que
están parcial o totalmente formadas en cuanto a configuración
mediante la herramienta 20, se inyectan gases entre las láminas
centrales 10, 12, haciendo que se "inflen" las áreas entre las
uniones. El inflado continúa hasta que las láminas centrales forman
una serie de celdas 22 divididas mediante paredes 24. La mitad
superior de cada pared 24 se forma mediante una sección con doble
revestimiento de la lámina central 10; de manera similar, la mitad
inferior de cada pared 24 se forma mediante una sección con doble
revestimiento de la lámina central 12. Las uniones entre las dos
mitades de la pared son las uniones en línea 14 formados en la
etapa 1.
En la etapa 4, la presión de gas en el interior
de las celdas 22 se mantiene durante un tiempo tras inflarse las
celdas para formar uniones por difusión 28 entre las láminas de
revestimiento 16, 18 y las áreas adyacentes de las láminas
centrales 10, 12. De manera similar, las uniones por difusión 28 se
forman entre las secciones reversas dobles de las láminas centrales
10, 12 que forman las paredes 24 y entre los bordes externos 26 del
perímetro externo del paquete comprimido por las dos mitades de la
herramienta de moldeo 20.
La fuerza del panel mejora mucho en presencia de
las uniones por difusión 28 y es conveniente que estuvieran
formados en toda la superficie de contacto entre las láminas
centrales y las láminas de revestimiento. Con ese fin, el gas del
interior de las cavidades 30 entre las láminas centrales y las
láminas de revestimiento está controlado y se retira gas de las
cavidades de modo que se contraen durante el inflado de las celdas
para prevenir que el gas sea retenido entre las láminas central y
de revestimiento, lo que prevendría el contacto estrecho entre
estas láminas, dificultando así la unión por difusión. Se retira gas
de las cavidades 30 en la región del tímpano 32 formado en la parte
superior e inferior de las paredes 24 entre las láminas centrales y
las láminas de revestimiento.
A temperaturas de conformado superplástico, las
aleaciones de titanio pueden formar una capa de superficie (o
"funda"), que es una fase alfa formada en particular en
presencia de elementos de estabilización de la fase alfa, tales
como oxígeno y nitrógeno. La formación de una funda alfa en una
localización para unirse por difusión reduce drásticamente la
fuerza de la unión por difusión y además tiene un efecto
perjudicial en el rendimiento de fatiga del metal. Por esta razón,
el gas usado en el conformado superplástico debería estar
básicamente libre de tales elementos estabilizadores de funda alfa
y de ese modo debería usarse un gas de pureza alta con un contenido
muy bajo de elementos estabilizadores de funda alfa (pureza
superior al 99,999%). Además, el gas pasa habitualmente por un
"getter" para reducir además la cantidad de cualquier impureza
que pueda estar presente. El gas usado casi de manera universal en
conformado superplástico es argón ya que es inerte y relativamente
barato. No se han usado otros gases inertes ya que no se ha
percibido ninguna ventaja usándolos frente al argón.
Durante el inflado de las láminas centrales, en
el primer contacto de las láminas centrales con las láminas de
revestimiento (denominado "contacto por adhesión"), hay una
tendencia por una tensión compresiva impartida por la expansión de
las láminas centrales hacia el revestimiento de delante del punto
de contacto de adhesión superior. Esta tensión progresiva puede
provocar que se tuerza la capa de revestimiento, la cual no está
soportada delante del punto de contacto de adhesión superior. El
desarrollo de tal torsión eventualmente provoca que se introduzca
demasiado material de revestimiento en la estructura de celdas en
el punto de las fronteras de la celda (es decir, encima del
tímpano) y provoca un defecto de línea en el revestimiento encima
del tímpano. Es costumbre, para minimizar que se tuerza el
revestimiento, mantener una contrapresión de gas en la cavidad 30
entre la lámina central y la lámina de revestimiento durante el
inflado de las partes centrales. La magnitud de la contrapresión
necesaria para evitar dicha torsión depende del espesor relativo de
las láminas central y de revestimiento y la geometría de las
celdas. La contrapresión se elimina normalmente una vez que se han
formado completamente las partes centrales (o que se han formado
casi completamente) para prevenir que el gas quede retenido entre
la lámina central y la lámina de revestimiento, lo cual reduce la
fuerza de unión por difusión entre estas láminas o de hecho puede
evitar que se forme una unión por difusión en aquellas áreas en las
que está atrapado el gas. Se elimina gas normalmente de la cavidad
entre las láminas central y de revestimiento por el tímpano, lo que
mantiene un conducto de gas durante al menos un tiempo tras
formarse básicamente las celdas centrales. De este modo, la
eliminación de la contrapresión entre las láminas central y de
revestimiento minimiza el grado de atrapamiento de gas potencial
dentro de la estructura del tímpano que puede aparecer si la red de
tímpanos pudiera llegar a bloquearse posteriormente.
En la figura 2, se muestra un ciclo de
presión-tiempo (PTC) esquemático con respecto al
inflado de las láminas centrales. La figura 2 no incluye un PTC con
respecto al inflado de las láminas de revestimiento. Como puede
verse, se mantiene una contrapresión (línea discontinua
(- - - - -) "a") entre las láminas
centrales y las láminas de revestimiento durante el inflado de las
láminas centrales (etapa 3, indicada por la flecha "3") pero,
una vez que las celdas centrales 22 se han formado básicamente, se
elimina la contrapresión y se mantiene la presión dentro de las
celdas centrales durante un tiempo predeterminado para permitir la
unión por difusión dentro del panel. La presión en las celdas 22 se
indica mediante la línea mixta (-.-.-.) "b", dando una presión
neta de un lado a otro de las láminas centrales 10, 12 indicada
mediante la línea continua (____) "c".
La calidad de las uniones por difusión formados
durante y después del conformado superplástico puede verse afectada
negativamente por el uso de una contrapresión de gas en la cavidad
entre las láminas centrales 10, 12 y las láminas de revestimiento
16, 18, causada, según se cree, por el atrapamiento de pequeñas
bolsas de gas durante el procedimiento SPF/DB. Esto es así incluso
en el caso de un PTC mostrado en la figura 2 en el que el gas de
contrapresión es evacuado según se forman las partes centrales y la
cavidad entre la lámina central y la lámina de revestimiento reduce
su tamaño. La figura 3 muestra una micrografía a través de la
región unida por difusión entre una lámina central y una lámina de
revestimiento usando el procedimiento SPF/DB anteriormente
descrito. Las áreas oscuras muestran gas atrapado. La naturaleza
redondeada de los bordes de las uniones mal formadas
("desuniones") es característica de que ha habido atrapamiento
de gas que evita que tenga lugar el estrecho contacto. La ausencia
de cualquier funda alfa en la línea de unión confirma que las
superficies de ambas capas estaban limpias durante la unión por
difusión.
Sin desear restringirse a ninguna teoría en
particular, se cree que el gas es retenido como resultado de
niveles altos de rugosidad en la superficie inducidos por tensión.
Durante el conformado superplástico, el material asume el alto nivel
de deformación de las láminas mediante un procedimiento conocido
como "deslizamiento de las fronteras de los granos", que es
como decir que granos individuales dentro del metal pasan
deslizándose entre ellos durante el conformado superplástico. El
resultado inevitable del deslizamiento de las fronteras de los
granos es que las superficies de las láminas llegan a ser rugosas a
un nivel microestructural debido a la superficie individual de los
granos que sobresalen de las superficies planas originales de las
láminas que se están formando. Como las superficies de las láminas
central y de revestimiento se acercan en contacto estrecho bajo la
aplicación de la presión de unión dentro de las partes centrales,
cualquier superficie previamente rugosa se deformará para producir
una superficie de contacto lisa esencialmente. Sin embargo, se cree
que el gas puede llegar a ser retenido en las grietas de detrás de
los granos que sobresalen y puede llegar a aislarse de la cavidad
hundida que llegará a ser de manera eventual el tímpano. Sin tal
vía de ventilación de vuelta al tímpano, se forma una bolsa de gas
y previene la unión por difusión. La aplicación de contrapresión
agrava el problema anterior ya que se presentará una mayor cantidad
de gas en la cavidad entre las láminas para la unión por
difusión.
El documento WO02/22.286 describe un
procedimiento de conformado superplástico de una lámina única
usando un molde de sílice. Para prevenir el excesivo contacto entre
la lámina y el molde, que podría contaminar la lámina, se forma
una barrera entre la lámina y el molde, que puede ser sólida o
gaseosa, por ejemplo, nitruro de boro o un gas inerte tal como
helio o argón.
El documento US-4.500.033
describe un procedimiento para expulsar y atrapar aire durante el
conformado superplástico cubriendo las láminas superplásticas con
un material que se descomponga a una temperatura por debajo de la
temperatura de conformado superplástico para formar un gas inerte.
Después se hace salir el gas de descomposición junto con el aire
atrapado por medio de argón.
El documento US-4.509.671
describe un procedimiento de conformado superplástico en el que se
crea una cavidad hueca en piezas de trabajo de aleación de titanio
mediante el paso de un gas inerte presurizado tal como argón o
helio en el espacio entre las piezas de trabajo.
La presente invención se basa en el concepto de
permitir que el gas usado para formar la contrapresión en la
cavidad entre las láminas central y de revestimiento difunda a
través de la(s) lámina(s) central(es) y de
revestimiento si se llega a formar el bolsillo de atrapamiento.
Esto se logra usando un gas con un diámetro atómico menor que el
gas argón usado de manera universal. El gas preferido es helio.
Según la presente invención, se proporciona un
procedimiento de formación de una estructura mediante unión por
difusión o conformado superplástico de al menos una lámina de
revestimiento y al menos una lámina central, comprendiendo el
procedimiento:
- a)
- formar un paquete de al menos una lámina de revestimiento y al menos una lámina central;
- b)
- situar el paquete en un molde y calentar el paquete a una temperatura a la cual las láminas sean capaces de deformación superplástica;
- c)
- inyectar un gas entre la lámina de revestimiento y la lámina central para empujar la lámina de revestimiento contra una cara interna del molde para de ese modo formar una cavidad entre la lámina de revestimiento y la lámina central;
- d)
- inyectar gas en el lateral de la lámina central más alejado de la lámina de revestimiento para empujar la lámina central contra la lámina de revestimiento;
- e)
- mantener la presión de gas en dicho lateral de la lámina central alejado de la lámina de revestimiento, formando de ese modo una unión por difusión entre la lámina de revestimiento y la lámina central; y
- f)
- mantener una presión regulada de un gas en la cavidad entre la lámina de revestimiento y la lámina central durante al menos parte de la etapa d);
en el que el gas usado en la etapa
f) para mantener la presión de gas en la cavidad entre la lámina de
revestimiento y la lámina central es helio, que puede difundir a
través de la lámina
central.
Una aleación usada a menudo en SPF es la
aleación Ti-4% Al-4% V en fase
alfa-beta equiaxial finamente granulada, la fase
alfa de la cual tiene un cuerpo de estructura cúbica centrada y la
fase beta de la cual tiene una estructura hexagonal empaquetada
cerrada. Puede calcularse que un átomo que tenga 41% del radio de
los átomos de titanio difundirá rápidamente a través de la
estructura empaquetada cerrada hexagonal. Obviamente, debido a la
vibración de los átomos metálicos y la presencia de defectos dentro
del entramado, difundirán también a través átomos más grandes. El
helio tiene un radio atómico eficaz que es el 55% del de titanio y
permitirá una velocidad relativamente alta de difusión de helio a
través de titanio. Los valores correspondientes para neón y argón
son 110% y 132% respectivamente. El argón no difundirá a través de
titanio a una velocidad apreciable.
Sin embargo, del mismo modo que el helio podría
difundir en o a través de la lámina central de titanio en caso de
que se forme una bolsa de atrapamiento entre las láminas central y
de revestimiento, el helio podría difundir hacia la bolsa si se
usara para inflar las partes centrales. De hecho, aunque la presión
dentro de las celdas centrales que se formen sea mayor que la
contrapresión en las bolsas de atrapamiento, se espera que, si se
usa helio para inflar las partes centrales, la velocidad de
difusión de helio hacia la cavidad entre las láminas central y de
revestimiento podría ser mayor que la velocidad de difusión en la
otra dirección.
El problema anterior puede resolverse usando un
gas diferente dentro de la cavidad entre las láminas central y de
revestimiento en comparación con el gas usado para inflar las
partes centrales. Cuanto más pesado sea el gas, menor será su
velocidad de difusión a través de la lámina central. De este modo,
usando un gas de peso molecular menor dentro de la cavidad que el
usado para inflar las láminas centrales, la difusión hacia el
exterior de la bolsa de atrapamiento será mayor que cualquier
difusión de gas en la bolsa de atrapamiento. En otras palabras, si
se usa helio para formar la contrapresión dentro de la cavidad
central/de revestimiento, podrían usarse neón o argón para inflar
las celdas centrales.
Otro problema potencial es el de asegurar que el
gas helio pueda cruzar la superficie de contacto
gas-metal. Los gases no inertes (por ejemplo,
hidrógeno, nitrógeno y oxígeno) entran en metales por disociación a
partir de la forma molecular o atómica y quimiosorción en la
superficie de contacto. El gas se disuelve después localmente y
difunde hacia abajo del gradiente de concentración, es decir, de la
concentración alta a la baja. En gases inertes, no tiene lugar el
procedimiento de quimiosorción. Por lo tanto, para que el helio
difunda a través del titanio, primero debe encontrarse una manera
de satisfacer la energía de activación requerida para permitir que
el gas se transfiera a través del metal. La manera más fácil de
promover la transferencia a través de la superficie de contacto
gas-metal en el caso particular del gas atrapado
durante el procedimiento SPF/DB es proporcionar un diferencial de
presión adecuado a través de la lámina central reduciendo la
presión dentro de la parte central 22 y manteniendo la presión
dentro de las celdas centrales a un nivel bajo tal como para
efectuar un flujo de gas helio de alta presión desde dentro de la
bolsa de atrapamiento en las láminas central o de revestimiento o
las celdas centrales. Tendrá lugar después la difusión de gas en
dirección hacia debajo de gradiente de concentración, es decir,
hacia el lado opuesto de la bolsa. Disminuirá entonces la presión
del gas en la bolsa de atrapamiento. La velocidad de la reducción
de presión en la bolsa de atrapamiento disminuirá según se reduzca
el diferencial de presión y eventualmente, cesará el flujo. Por lo
tanto, la presión en la parte central debería aumentar,
generalmente una vez que la velocidad de flujo de gas desde dentro
de la cavidad de atrapamiento se haya reducido a una velocidad
inaceptablemente baja. Este incremento de presión provocará después
que la lámina central se mueva hacia la lámina de revestimiento
reduciendo por lo tanto el tamaño de la bolsa y aumentando así la
presión del gas remanente dentro de la bolsa. El procedimiento
continuará hasta la presión del gas atrapado dentro de la bolsa una
vez se aproxima de nuevo la presión del gas dentro de la parte
central. Para facilitar además reducciones en el tamaño de las
bolsas de atrapamiento de gas, pueden aplicarse ciclos de presión
baja/alta adicionales.
la fig. 1 es una ilustración esquemática de un
procedimiento de unión por difusión conocido;
la fig. 2 es un ciclo
presión-tiempo (PTC) esquemático que muestra la
presión que prevalece en diferentes etapas de un procedimiento
SPF/DB conocido, tal como aquel descrito junto con la figura
1;
la fig. 3 es una micrografía a través de la
unión por difusión de un procedimiento SPF/DB conocido, tal como
aquel descrito junto con la figura 1; y
la fig. 4 es un ciclo
presión-tiempo (PTC) esquemático ejemplar que
muestra la presión absoluta que prevalece en diferentes etapas de
un procedimiento SPF/DB según la presente invención.
La invención se lleva a cabo preferentemente
como se describe junto a la figura 1 usando argón para inflar las
láminas de revestimiento 16, 18 y para inflar las láminas centrales
10, 12. Sin embargo, según la presente invención, tras conformarse
superplásticamente las láminas de revestimiento 16, 18, el argón en
las cavidades 30 entre las láminas de revestimiento 16, 18 y sus
respectivas láminas centrales 10, 12 se reemplaza por helio. La
contrapresión de helio en estas cavidades 30 se mantiene de manera
controlada, de forma bien conocida por la técnica anterior. Sin
embargo, en una forma de realización preferida, se introducen uno o
más puntos en la etapa de unión por difusión (etapa 4) en la que la
presión de argón dentro de las celdas centrales 22 está disminuida
como se describirá a continuación.
En la figura 4 se muestra un PTC esquemático
típico para un régimen según la presente invención, que es una
línea de presión absoluta P (kPa) frente al tiempo t durante parte
del conformado de la parte central de la etapa 3 y durante la unión
por difusión de la etapa 4 del procedimiento descrito junto a la
figura 1 pero modificado según la presente invención como se
especifica más abajo. La etapa de conformado de la parte central,
indicada por la flecha "3" en el eje x de la figura 4, tiene
lugar con una contrapresión en la cavidad 30 (mostrada por línea
discontinua (- - - - - ) "a" en
la figura 4) y una presión en las celdas centrales 22 que forma las
partes centrales (mostradas por línea mixta (-.-.-.)"b" en la
figura 4), dando como resultado una presión neta a través de las
láminas centrales 10, 12 mostrada por una línea continua (____)
"c" en la figura 4). Durante la etapa de unión por difusión,
indicada por la flecha "4" en el eje x de la figura 4, ya no
se mantiene la contrapresión (línea discontinua "a") y así la
presión neta (línea continua "c") es la presión que prevalece
en las celdas 22 ocasionando la unión por difusión. Se mantiene una
presión alta de 3.550 kPa para la primera parte de la etapa 4 de
unión por difusión en la figura 4, introduciendo seguidamente
cuatro periodos de presión baja/alta "d" durante el periodo de
unión por difusión, siendo 3.550 kPa la presión alta y siendo
aproximadamente de 135 kPa la presión baja. Los valores de las
líneas de presión de la figura 4 indican la duración (en minutos)
de las distintas partes del ciclo de presión.
La identificación de las condiciones del ciclo
óptimas, en términos del número de ciclos de presión baja/alta
dentro de las celdas centrales 30 y la longitud de cada uno de los
distintos periodos de presión baja dependerá de lo siguiente, entre
otros factores:
- 1)
- Presión de unión aplicada máxima. Cuanto más alta sea la presión de unión aplicada en la parte central, menos probable es que cualquier bolsa de atrapamiento de gas prevenga el contacto estrecho entre las láminas que se están uniendo por difusión. Sin embargo, la presión requerida para eliminar por completo la necesidad de periodos de baja presión sería del orden de las presiones usadas en el prensado isostático en caliente (HIP), que es mayor de 100 MPa. En la práctica, la presión máxima que es probable se aplique durante un procedimiento SPF/DB es 10 MPa y sería más comúnmente de aproximadamente 5 MPa. Por lo tanto, usando la disposición que se acaba de describir, el número y longitud de cualquiera de los periodos de presión baja se reducirá incrementando la presión aplicada.
- 2)
- Tiempo de unión inicial antes de los ciclos de pulsos de presión.
- 3)
- El nivel de deformación del SPF, la velocidad de deformación y el tamaño de grano. Estos factores juntos determinarán el grado de deformación-rugosidad inducida y de ese modo influirán en la propensión para formar bolsas de atrapamiento de gas.
- 4)
- El espesor de las láminas central/de revestimiento. La velocidad de impregnación de gas helio a través de una lámina central/de revestimiento será inversamente proporcional al espesor de la lámina. De este modo, se requiere un intervalo de tiempo mayor si se usa una lámina central relativamente gruesa.
- 5)
- El nivel de la contrapresión. Se usa típicamente una contrapresión de 0,3 MPa. Contrapresiones más altas o más bajas influirán significativamente en el nivel de gas atrapado y por lo tanto influirán en las condiciones óptimas para su eliminación.
- 6)
- La temperatura del procedimiento DB. Una temperatura típica para SPF/DB es 1.170 a 1.200°K (897 a 927°C). Según la ley de difusión de Fick, cuanto más alta sea la temperatura, más alta la velocidad de difusión.
- 7)
- La velocidad de difusión/penetración. Cuanto más alta sea la velocidad de difusión/penetración del gas helio a través de las láminas centrales y/o las láminas de revestimiento, mayor número de ciclos se requieren para eliminar gas de dentro de una bolsa de atrapamiento en una extensión tal que, en el reestabelcimiento de la presión alta dentro de una celda tras un periodo de presión baja tendrá lugar el contacto estrecho entre las láminas centrales y de revestimiento, permitiendo por lo tanto que tenga lugar la unión por difusión.
- 8)
- Otros factores que afectan al procedimiento incluyen:
- \bullet
- Presión mínima durante el ciclo de pulsos de presión
- \bullet
- Intervalo de tiempo a presión máxima durante el ciclo
- \bullet
- Intervalo de tiempo a presión mínima durante el ciclo
- \bullet
- Velocidad de presurización y despresurización
- \bullet
- Número de ciclos de pulsos de presión repetidos.
Las pruebas llevadas a cabo para estudiar el
efecto de los parámetros anteriores en la calidad de lámina para
uniones de láminas en estructuras de celdas, formadas a partir de
lámina con espesor de 2 mm en
Ti-6A1-4V con tamaño de grano de
aproximadamente 4-6 \mum, revelaron los
siguientes criterios con respecto al conformado con una calidad
buena de unión revestimiento-revestimiento:
- \bullet
- Es suficiente una temperatura de conformado de 927°C a una presión de inflado de 500 psi (3.450 kPa) para permitir el conformado superplástico del material laminado. Una velocidad de deformación típica para conformado superplástico de Ti-6A1-4V granulada fina es 2x10^{-4}.
- \bullet
- Fue suficiente un intervalo de tiempo inicial de 45 minutos a presión máxima dentro de las celdas centrales 22 tras eliminar la contrapresión y antes del ciclo de pulsos de presión para provocar una unión preliminar entre las láminas centrales y de revestimiento.
- \bullet
- Una presión de conformado superplástico de 3.550 kPa produce mejor calidad de lámina para uniones a lámina que una de 2.170 kPa.
- \bullet
- 4 ciclos de pulsos reducen el tamaño de las cavidades despegadas entre las láminas centrales 10, 12 y la pared de las láminas 16, 18 más eficazmente que 2 ciclos de pulsos.
- \bullet
- Un intervalo de tiempo de 25 minutos a presión máxima, entre ciclos, ayuda al colapso de cualquiera de las cavidades despegadas pero un intervalo de tiempo de 15 minutos a presión máxima, entre ciclos, se vio que era suficiente para colapsar la cavidad despegada.
- \bullet
- Un intervalo de tiempo de 15 minutos a presión mínima es suficiente para permitir que el helio atrapado en las cavidades despegadas difunda en la matriz de aleación de Ti. Intervalos de tiempo más largos a presión mínima pueden proporcionar difusión mejorada del helio en el titanio.
Preferentemente, las condiciones usadas son
tales que el número de periodos de intervalos de presión baja se
minimiza logrando buenas uniones entre las láminas de la cara y
centrales.
Es bien conocido que el helio puede, en ciertas
circunstancias, hacer los metales más frágiles; esto está bien
reconocido en la industria de energía nuclear. Si se usa helio para
conformado superplástico de láminas y partes centrales, podría
esperarse un flujo básico de helio a través de las láminas central
y de revestimiento en particular en las regiones que requieren
presión máxima para formar las láminas contra la superficie de la
herramienta. Por esta razón además de por prevenir la difusión de
helio desde la parte central a las bolsas, se prefiere restringir
el uso de helio para proporcionar la contrapresión entre las
láminas central y de revestimiento; el gas usado para conformado
superplástico de las láminas de revestimiento para conformar la
configuración interna del molde e inflar las láminas centrales para
formar las celdas será con un gas tradicional, en particular argón.
Como la presión de helio dentro de las cavidades
central-de revestimiento 30 será relativamente baja
comparada con la presión de argón que prevalece en las celdas
centrales 22 (véase figura 4), la cantidad de helio que entra en la
lámina central y difunde a través de la lámina central durante la
formación de la parte central se espera que sea baja. De manera
similar, podría esperarse que difunda muy poco helio en las láminas
de revestimiento durante el conformado de la parte central. Se
estima que la concentración de helio residual adyacente a una bolsa
de atrapamiento anterior que se ha colapsado como resultado de la
penetración de helio podría ser del orden de 1-2
partes por millón, lo que está bastante por debajo de un nivel que
puede ser preocupante por provocar fragilidad.
Se apreciará que podrían usarse uno o ambos
procedimientos anteriores para llevar sobre un flujo neto de gas a
partir de las bolsas de atrapamiento, es decir usando periodos de
baja presión durante la unión por difusión y limitando el uso de
helio para formar la contrapresión en las cavidades central/de
revestimiento.
La naturaleza actual del producto hecho por
conformado superplástico no es relevante para la presente invención
siempre que se use al menos una lámina de revestimiento y se use al
menos una lámina central. En este contexto, una lámina de
revestimiento se una lámina que se conforma superplásticamente
según la configuración interna de un molde. Una lámina central es
una lámina que se conforma superplásticamente tras la lámina de
revestimiento y así, mientras que se conforma superplásticamente,
existe una cavidad entre la lámina central y su lámina de
revestimiento asociada. Posteriormente, la lámina central y la
lámina de revestimiento se unen por difusión. Es posible tener sólo
una lámina de revestimiento en la estructura; por ejemplo, podrían
proporcionarse dos láminas centrales, una de las cuales se presiona
contra la lámina de revestimiento y se une por difusión a la misma
y la otra se presiona contra la superficie interna del molde,
proporcionando de ese modo una superficie hacia el exterior en la
que son visibles los tímpanos.
Una lámina central única puede estar provista de
dos láminas de revestimiento de forma que las láminas centrales
hagan zigzag entre las dos láminas de revestimiento; tal
disposición es bien conocida.
La estructura preferida de la presente invención
tiene dos láminas centrales y dos láminas de revestimiento. Sin
embargo, pueden proporcionarse un gran número de láminas centrales,
si se requiere.
Las técnicas usadas para conformado
superplástico/unión por difusión y en particular el manejo del gas
dentro del molde SPF/DB son bien conocidas y aplicables de manera
directa a la presente invención, con las modificaciones descritas
anteriormente.
Claims (8)
1. Un procedimiento de formación de una
estructura mediante unión por difusión y conformado superplástico
de al menos una lámina de revestimiento (16, 18) y al menos una
lámina central (10, 12), comprendiendo el procedimiento:
- a)
- formar un paquete de al menos una lámina de revestimiento (16,18) y al menos una lámina central (10, 12);
- b)
- situar el paquete en un molde (20) y calentar el paquete a una temperatura a la cual las láminas sean capaces de deformación superplástica;
- c)
- inyectar un gas entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12) para empujar la lámina de revestimiento contra una cara interna del molde (20) para de ese modo formar una cavidad entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10,12);
- d)
- inyectar gas en el lateral de la lámina central (10, 12) alejado de la lámina de revestimiento (16, 18) para empujar la lámina central (10,12) contra la lámina de revestimiento (16, 18);
- e)
- mantener la presión de gas en dicho lateral de la lámina central (10,12) alejado de la lámina de revestimiento (16, 18), formando de ese modo una unión por difusión entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10, 12); y
- f)
- mantener una presión regulada de un gas en la cavidad (30) entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10,12) durante al menos parte de la etapa d);
caracterizado porque el gas
usado en la etapa f) para mantener la presión de gas en la cavidad
entre la lámina de revestimiento (16, 18) y la lámina central (10,
12) es
helio.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
en el que el gas usado en la etapa c) es argón o neón.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o
la reivindicación 2, en el que el gas usado en las etapas d) y e)
es argón o neón.
4. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que, durante la etapa e), la presión
en el lateral de la lámina central (10, 12) alejado de la lámina de
revestimiento (16, 18) se reduce durante al menos un periodo para
permitir que difunda gas remanente en cualquier parte de dicha
cavidad (30) a través de la lámina central (10, 12).
5. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que, durante la etapa e), la presión
en el lateral de la lámina central (10, 12) alejado de la lámina de
revestimiento (16, 18) se reduce durante al menos un periodo para
permitir que difunda gas remanente en cualquier parte de dicha
cavidad (30) hacia la lámina central
(10, 12).
(10, 12).
6. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que al menos se usan dos láminas
centrales (10, 12) que se han juntado en áreas seleccionadas y el
gas inyectado en la etapa d) se inyecta entre al menos dos láminas
centrales (10, 12).
7. Un procedimiento según la reivindicación 6,
en el que dos láminas de revestimiento (16, 18) y al menos dos
láminas centrales (10, 12) se usan para formar la estructura, en la
que las láminas centrales (10, 12) se han juntado en áreas
seleccionadas, el paquete en la etapa a) se formó intercalando las
láminas centrales (10, 12) entre las láminas de revestimiento (16,
18), el gas se inyecta en la etapa c) entre cada lámina de
revestimiento (16, 18) y su lámina central adyacente (10, 12), el
gas inyectado en la etapa d) se inyecta entre las láminas
centrales (10, 12) y, en la etapa f), se mantiene la presión en la
cavidad (30) entre cada lámina de revestimiento (16, 18) y su
lámina central adyacente
(10, 12).
(10, 12).
8. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que se usan dos láminas de
revestimiento (16, 18) y el gas se inyecta en la etapa d) entre
cada lámina de revestimiento (16, 18) y su lámina central adyacente
(10, 12).
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