ES2306460T3 - Enlace por difusion de metales. - Google Patents
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Abstract
Método de fabricación de una estructura enlazada por difusión formada superplásticamente usando al menos dos láminas (10, 12) de aleaciones metálicas superplásticas y enlazables por difusión, que comprende las etapas de: (a) limpiar las láminas metálicas (10, 12); (b) alinear las láminas (10, 12) para proporcionar el contacto íntimo entre las láminas (10, 12) en localizaciones seleccionadas; (c) soldar las láminas (10, 12) para formar un paquete (30) para preparar un sellado hermético a gas mientras que se proporcionan entradas de gas de formación (54) en una cavidad entre las láminas (10, 12); (d) situar un molde (52) que tiene un patrón de enlace por difusión por compresión deseado que corresponde a las localizaciones de contacto íntimo entre las láminas (10, 12) en el exterior del paquete (30), en una prensa entre troqueles opuestos (58, 60); (e) opcionalmente, proporcionar orificios dentro del molde (52) entre las almohadillas de comprensión para las aleaciones para formar y, de esta manera, establecer una definición de pieza; (f) purgar la cavidad de contaminantes evacuando la cavidad o introduciendo un gas inerte a la cavidad. (g) calentar el paquete (30) a una temperatura de enlace por difusión para aleación; (h) comprimir las láminas (10, 12) juntas a través del molde (52) para llevar las láminas (10, 12) a un contacto íntimo en las localizaciones para formar enlaces por difusión (44) mientras que se aplica presión de gas a la cavidad para inflar el paquete (30) para evitar el enlace por difusión en áreas del paquete (30) que registran los orificios en el molde (52), caracterizado por la etapa adicional de usar un espaciador de titanio (56) entre el paquete (30) y troqueles opuestos (58, 60) para anular las deformidades entre los troqueles (58, 60) y asegurar una presión de enlace por difusión suficiente a través del molde (52).
Description
Enlace por difusión de metales.
La presente invención se refiere a un método
para enlace por difusión de metales, particularmente a enlace
difusión por compresión de aleaciones superplásticas en operaciones
de formación superplástica (SPF).
El proceso de formación superplástica (SPF) y de
enlace por difusión (DB) está bien documentado y se ha usado en la
industria aeroespacial durante muchos años. Muchas clases de paneles
SPF/BD se preparan usando diversos números, tamaños o espesores de
láminas; técnicas de soldadura; técnicas de enlace; configuraciones
de limitador; u otras variables. La presente invención se refiere a
una mejora en el enlace por difusión por compresión para fabricar
piezas SPF/BD reforzadas integralmente. El enlace por difusión por
compresión convencional usa la fuerza de reacción entre las
superficies de troquel opuestas de la prensa de formación a
temperatura elevada para conseguir contacto íntimo y presión entre
dos o más láminas de ajuste de metal, especialmente titanio o sus
aleaciones SPF. Los procesos SPF/BD convencionales se describen, por
ejemplo, en las Patentes de Estados Unidos 5.141.146; 5.115.963;
5.055.143; 4.304.821; 3.924.793; 3.927.817; 4.530.197; 5.330.093;
4.882.823; y 4.292.375, que se incorporan por referencia.
El enlace por difusión por compresión
actualmente requiere troqueles metálicos caros, que también
requieren tiempo de espera para fabricarlo. El proceso SPF/BD, por
ejemplo para una aleación Ti-6Al-4V
requiere temperaturas de aproximadamente 900-950ºC
(1.650-1.750ºF) con una presión de gas diferencial
de 200 x 10^{4} Pa (300 psi) aplicada usando gas argón de calidad
para soldadura durante tres horas o más con una purga de gas
continua con contacto íntimo entre superficies limpias, sin
residuos que tienen un tamaño de grano estable fino.
El método del estado de la técnica para enlace
por difusión por compresión usa placas o troqueles de acero
resistente a corrosión (CRES) de ajuste mecanizados con precisión
que tienen un patrón de rejilla interfacial. El material de titanio
SPF se intercala entre los troqueles y se comprime localmente en la
rejilla para crear un enlace por difusión. La formación de los
troqueles con el patrón de rejilla es un proceso lento y caro
debido a las limitaciones en el mecanizado que imponen las
aleaciones CRES. Este método convencional es demasiado caro para
justificar su uso para producción de prototipos a baja velocidad, o
producción en cantidad limitada porque la fabricación de los
troqueles es casi imposible. Por lo tanto, los diseñadores han
evitado los diseños SPF/DB porque no han sido capaces de verificar
su integridad a costes razonables.
Incluso cuando se implementa, el proceso CRES
convencional también está plagado por la distorsión rápida de las
superficies del troquel debido a la exposición prolongada tanto a
altas temperaturas 900-950ºC
(1.600-1.750ºF) como a grandes cargas requeridas
para conseguir el enlace por difusión. Las superficies opuestas del
troquel se desvían de la forma. Una vez que las superficies del
troquel ya no se ajustan entre sí de forma próxima, las fuerzas de
compresión entre las láminas de titanio se pierden y ya no ocurre
más el enlace por difusión. Este deterioro de los troqueles es un
perjuicio particular debido al desenlace localizado provocará la
ruptura del núcleo del paquete durante su uso pretendido,
especialmente en aplicaciones aeroespaciales donde la pieza se
someterá a situaciones cerca de su límite de diseño en un esfuerzo
para reducir el peso global del vehículo. En las piezas completas
los enlaces por difusión a menudo se sellan dentro de la pieza y no
pueden inspeccionarse. El desenlace supone un fallo potencialmente
catastrófico, y la inspección es difícil si no imposible. Los
diseñadores se asustan de depender de los diseños SPF/DB donde no
puede asegurarse la integridad del enlace.
Aunque la incapacidad para asegurar la calidad
de los enlaces por difusión ha limitado en gran medida la adopción
de piezas SPF/DB en aplicaciones aeroespaciales, preparar las piezas
por procesos alternativos, sin embargo, es caro. Las alternativas
normalmente requieren un mecanizado complicado de las partes
detalladas individuales y su ensamblaje en el subensamblaje
completado. Se requiere un trabajo e inspección considerables y la
variabilidad de la pieza produce variación en el subensamblaje
final. Los cierres a un coste de ensamblaje significativo. La
fabricación aeroespacial moderna necesita ahorrar costes asociados
para fabricación de SPF/DB, con la condición de que pueda
garantizarse la integridad de los enlaces por difusión.
Otro problema al que se enfrentan los
diseñadores con procesos de enlace por difusión convencional es que
no hay una sola manera de soldadura por láser o formas complejas de
soldadura de resistencia de configuraciones de núcleo en las
láminas de núcleo internas de paneles SPF/DB. Con soldadura por
resistencia, el diseñador se limita fundamentalmente a líneas
rectas de los núcleos soldados. En algunos casos, un soldador
extremadamente competente puede hacer arcos suaves, aunque las
piezas están sometidas a altas tasas de rechazo. El proceso de
soldadura con láser es mejor en este aspecto, aunque la distorsión
del calor de soldadura provocada por el láser puede provocar un
doblado grave y abombado de las láminas de ajuste dejando áreas en
las que se pierde el contacto íntimo entre las láminas.
La industria necesita un método de compresión DB
fiable que permita la rápida fabricación de paneles SPF/DB usando
unas herramientas baratas. Necesita también un método que elimine
los problemas de desenlace localizado asegurando el contacto íntimo
entre las láminas a través del ciclo DB. Las herramientas de
fabricación baratas de la presente invención permiten la
construcción de numerosos conjuntos de herramientas solo a una
fracción del coste de las herramientas SPF/DB convencionales. Por
lo tanto, un suministro de compresión de herramientas de seguridad
DB puede fabricarse y mantenerse en reserva en caso de que las que
se están usando queden dañadas o se distorsionen. Las herramientas
de reserva facilitan las ejecuciones de producción y garantizan el
suministro a tiempo. La fabricación de SPF/DB promete un recuento
de pieza total reducido y un coste del avión reducido.
Las compañías que han intentado usar el método
DB de compresión convencional para producir piezas DB han tenido
dificultades para mantener las superficies del troquel ajustadas de
forma próxima. En el caso de piezas F-15E, el
deterioro final y distorsión de sus troqueles SPF/DB conducen a
McDonnell Douglas a ensayar cuñas soldadas por puntos en las áreas
donde está ocurriendo el desenlace. Las cuñas aumentaban el espesor
de apilamiento de material aplicando de esta manera, aplicando
teóricamente más fuerza en aquellas áreas donde el troquel se había
doblado. Desafortunadamente, las cuñas simplemente agravaron el
doblado del troquel, provocando un desalineamiento y distorsión aún
mayor, y produciendo un número mayor de desenlaces de las
piezas.
Como se ha mencionado anteriormente, un problema
principal con el uso de troqueles CRES con patrón son sus gastos.
Los troqueles típicamente se ajustan a su forma neta desde el
material CRES, tal como ESCO 49C, IN100, HN, o
22-4-9 CRES. Las superficies de
troquel se amolan después con precisión y se mecanizan para obtener
un ajuste próximo, especialmente cuando la pieza tenga enlaces por
difusión por compresión. Los troqueles de 15-60 cm
(6-24 pulgadas) de espesor y generalmente 6 dm x 6
dm a 18 dm x 36 dm (2 pies x 2 pies a 6 pies x 12 pies) de
aleaciones CRES son caros y su mecanizado consume tiempo. Un troquel
CRES de 9 dm x 6 dm (3 pies x 2 pies) puede tardarse hasta nueve
meses en construirlo. El diseño de troquel debe definirse
numéricamente para permitir el mecanizado NC de las superficies. El
moldeo puede tardar hasta 16 semanas. El mecanizado, trabajado a
mano, inspección, y ensamblaje pueden, pueden tardar otras 20
semanas. Si se necesita el retrabajado del troquel (soldadura y
mecanizado), el plazo de entrega y gasto se hacen extraordinarios.
Incluso un pequeño cambio en el diseño del troquel puede tardar
meses en realizarse debido al necesario retrabajado de los
troqueles.
Por consiguiente, el método actual para fabricar
piezas DB por compresión para aplicaciones tanto experimentales
como de producción es inadecuado.
Para conseguir compresión DB de láminas de
titanio, un ajuste de herramienta aprieta las láminas juntas en las
áreas donde se necesitan enlaces por difusión. La herramienta
requerida para enlazar dos láminas de titanio consiste, en una
realización preferida ilustrativa de la invención, en dos bloques
gruesos de acero inoxidable de una lámina de corte láser (es decir,
un molde) de aproximadamente 0,38 cm (0,150 pulgadas) de espesor de
acero inoxidable CRES (304). La lámina CRES se corta con láser con
un patrón de rejilla deseado correspondiente a la localización de
los enlaces en el producto. Las dos láminas de titanio (el repuesto
de láminas de la producción de la pieza) se limpian, se sueldan
juntas alrededor de su periferia para formar un paquete, y se
configuran para que tengan tubos de gas soldados por fusión para
permitir que el gas argón entre en el paquete. El paquete se
intercala después entre placas de acero inoxidable y el molde CRES
entre placas de la prensa SPF. Se calienta todo el apilamiento. Se
aplica a fuerza de compresión usando el ariete hidráulico de la
prensa. Los enlaces por difusión forman en un patrón de rejilla
correspondiente el patrón del molde CRES. La presión de gas infla
el paquete durante el ciclo de enlace para evitar el enlazado de las
áreas dentro del paquete donde el enlace no se desea y las mantiene
sin tocar.
El documento
US-A-3.927.817 describe un método de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 para fabricación de
estructuras intercaladas metálicas en las que blancos metálicos,
preferiblemente de aleación de titanio, se unen en áreas
seleccionadas y se expanden superplásticamente para formar una
estructura intercalada deseada.
El documento
US-A-4.304.821 describe una
estructura y proceso para fabricar una estructura intercalada
metálica en la que láminas de trabajo metálicas, preferiblemente
hechas a partir de aleación de titanio, se unen en un patrón
preseleccionado por una soldadura intermitente o discontinua.
El documento
US-A-4.882.823 describe un método de
formación de una estructura hueca que tiene una distribución de
masa variable. Dos láminas de un material que puede unirse,
enlazarse por difusión y formarse de forma superplástica se forman
con una superficie plana en una superficie opuesta rodeada para que
tenga una distribución de masa seleccionada.
El documento
US-A-5.467.626 describe un
ensamblaje de troquel, de formación de cerámico superplástico de
autosoporte, que tiene una configuración que proporciona suficiente
resistencia para resistir una carga comprensiva ejercida por una
prensa para mantener una etapa de troquel en un cuerpo de troquel
contra una fuerza dirigida opuesta generada por gas a presiones por
formación superplásticas dentro del troquel.
El molde permite aplicar presiones
significativamente mayores a la línea de enlace lo que reduce el
tiempo requerido para enlazar y mejora la calidad del enlace. Las
partes construidas usando un solo molde CRES difieren de aquellas
que están hechas usando dos moldes. Un solo molde CRES proporciona
piezas que tienen una superficie plana y una superficie que está
formada. Las piezas preparadas usando dos moldes CRES (uno a cada
lado del paquete) tendrán dos superficies en forma de almohada en
la parte superior e inferior de la pieza.
El método produce núcleos para
multi-lámina, piezas DB complicadas y está diseñado
especialmente para la fabricación de núcleos para paquetes DB de 4
láminas.
Los paquetes de dos láminas pueden enlazarse por
difusión por compresión en una hora o menos. Por lo tanto, este
proceso puede ser más económico que los métodos para fabricar
núcleos soldados por resistencia o láser que se usan generalmente
hoy en día. El método de la presente invención evita el ciclo de
enlace de tres horas que se usa mediante el método DB convencional,
debido a las mayores fuerzas de compresión.
El molde CRES que puede cortarse prácticamente a
cualquier ángulo de inclinación lateral, que permite obtener la
pieza a enlazar por difusión en forma de rejilla de casi cualquier
altura y ángulo. Una pieza complicada puede enlazarse por difusión
por compresión y formarse con la forma necesaria en un ciclo.
La Figura 1 es una vista de sección ampliada de
una interfaz típica entre dos láminas antes del enlace por difusión
por compresión.
La Figura 2 es otra vista de sección ampliada,
similar a la Figura 1, de la interfaz de dos láminas enlazadas por
difusión satisfactoriamente.
La Figura 3 es una vista de sección esquemática
de un paquete de dos láminas preparado para enlace por difusión.
La Figura 4 es una vista de sección que muestra
el paquete de la Figura 3 en un proceso SPF durante el enlace por
difusión de compresión convencional.
La Figura 5 es una vista de sección de un
apilamiento de enlace por difusión por compresión de la presente
invención.
La Figura 6 es otra vista de sección que muestra
un apilamiento alternativo usando dos moldes CRES.
La Figura 7 es otra vista de sección que muestra
otro paquete alternativo usando una junta adicional para asegurar
la compresión.
La Figura 8 es otra vista de sección que muestra
una disposición de apilamiento alternativa para la junta.
La Figura 9 es una vista en planta típica de un
molde CRES de la presente invención.
La Figura 10 es una sección de muestra de un
enlace por difusión de compresión que se forma de acuerdo con el
método de la presente invención.
La Figura 11 es una pieza típica formada con el
método de enlace por difusión por compresión de molde mostrado en
la Figura 10.
La Figura 12 es otra sección de muestra de un
enlace por difusión por compresión que se forma con dos
disposiciones de molde de acuerdo con un método alternativo de la
presente invención.
La Figura 13 es una vista de sección que muestra
un núcleo enlazado por difusión por compresión formado de acuerdo
con el método de la Figura 12 incorporado en una pieza SPF/DB de 4
láminas.
La Figura 14 es una vista de sección que muestra
una pieza completada usando el núcleo como se muestra en la Figura
13.
El método convencional más versátil, para
producir piezas SPF/DB de 2 láminas y los núcleos para piezas SPF/DB
de 4 o más láminas ha sido la técnica de limitador, en la que un
nitruro de boro o una mezcla de itria se aplica usando serigrafía a
las áreas del paquete donde no se desea el enlace. El patrón del
limitador puede ser flexible para permitir muchas formas diferentes
de "núcleo de punto", "núcleo de celosía", y otras
configuraciones de multi-láminas SPF/DB. En el
método de limitador, sin embargo, el proceso de serigrafía es
difícil de controlar. La repetibilidad del proceso es un asunto
principal. El método de la presente invención es útil para preparar
cualquiera de estas configuraciones de la técnica anterior.
El método de soldadura por resistencia de la
técnica anterior no es tan flexible como el método de limitador
para producir núcleos. Para soldadura por resistencia, puede
producirse una soldadura en línea recta o solo una línea de
soldadura ligeramente curva, limitando de esta manera al diseñador
en términos de complejidad del diseño. "El núcleo de punto",
por ejemplo, no puede hacerse usando el enfoque de soldadura por
resistencia. La soldadura láser está limitada también cuando se
compara con el método de limitador, ya que el proceso crea
distorsión del material debido a las altas temperaturas de
fusión/soldadura.
El sistema de enlace por difusión por compresión
de la presente invención es sustancialmente tan flexible como el
método de limitador en términos la complejidad del panel SPF/DB que
puede producir. Prácticamente cualquier geometría de núcleo puede
cortarse en los moldes CRES. Los enlaces circulares se usarán para
"núcleo de punto". Los enlaces lineales con saltos se usarán
para la compresión de "paneles reforzados" de 2 láminas
enlazadas/formadas. Son posibles otras muchas variaciones.
Como se muestra en la Figura 3, un paquete de
dos láminas 30 incluye una lámina superior 10, tal como una
aleación Ti-6Al-4V, una lámina
inferior 12 del mismo material, y una soldadura de borde 14 (sellado
hermético a fluido, o equivalente) para crear una cavidad entre las
láminas.
El paquete 30 se sitúa entre las superficies de
troquel opuestas 16 y 18 y en una prensa de formación superplástica.
Las superficies del troquel se comprimen juntas si el paquete se
calienta hasta el intervalo de formación superplástico de las
láminas. La formación de gas se introduce a la cavidad o cavidades
42 entre las láminas a través de entradas de gas de formación
adecuadas (54, Figura 5) para formar el paquete en la configuración
de troquel complementaria de la parte acabada aquí, una sección de
sombrero totalmente formada, mientras que los enlaces por difusión
44 se forman en las áreas donde las láminas 10 y 12 están en
contacto íntimo entre las superficies mecanizadas con precisión del
troquel.
La mejora al método de compresión DB usando el
molde CRES 52 se muestra en diversas realizaciones alternativas en
las Figuras 5-8. Un molde CRES 52 se localiza en un
lado (Figura 5) o ambos lados (Figura 6) del paquete. El molde es
un patrón de rejilla (Figura 9) y corresponde al patrón hecho a los
troqueles CRES en el proceso convencional, pero con mayor
flexibilidad en la configuración del troquel y a costes reducidos
para los fabricantes. Las diferentes configuraciones de la pieza
pueden hacerse simplemente cambiando los moldes en lugar de
cambiando los troqueles. Las Figuras 7 y 8 muestran el uso del
molde CRES 52 junto con un espaciador de titanio 56. Las nulas
deformaciones de espaciado entre las superficies enfrentadas de los
troqueles 58 y 60 que de otra manera podría conducir a desenlaces
experimentados por McDonnel Douglas. El espaciador 56 se ablanda a
la temperatura de formación y llena cualquier torcedura, doblez o
valle que pueda desarrollarse en los troqueles CRES 58 y 60. Los
moldes permiten también la conversión del proceso de enlace por
difusión a uno que capitaliza la inducción eficiente de calor,
reduciendo de esta manera en gran medida el consumo de energía. La
temperatura de enlace por difusión puede controlarse fácilmente en
una operación de calentamiento por inducción seleccionando una
aleación "elegante" adecuada con una temperatura Curie
apropiada en el intervalo de 840-950ºC
(1.550-1.750ºF) para enlace por difusión de titanio
o aleaciones de titanio. La temperatura Curie, por supuesto, será
menor para enlace por difusión de otros materiales a menores
temperaturas. Los susceptores "elegantes" y las aleaciones
adecuadas se describen con mayor detalle en la Solicitud de Patente
de Estados Unidos 08/469.604 que se incorpora por referencia.
Los troqueles 58 y 60 se montan en los rodillos
de la prensa SPF. Sólo se muestra el rodillo inferior en las
Figuras 5-8 por simplicidad de ilustración. Una
prensa SPF típica se describe en las patentes ya analizadas o las
Patentes de Estados Unidos 5.467.626 que se incorporan por
referencia. Los rodillos 63 en una prensa de calentamiento de
resistencia convencional suministran el calor necesario y presión
para la formación como se muestra esquemáticamente con la flecha
65. Las entradas de gas de formación 54 para la pieza de trabajo
SPF en la que los enlaces por difusión se formarán antes de la
expansión permite que el gas argón presurizado 67 u otro gas inerte
adecuado infle la cavidad 42 (Figura 4) para conseguir el enlace
deseado y posterior formación. El gas suministrado se gestiona a la
prensa usando un sistema de gestión de las generalmente del tipo
descrito en la Patente de Estados Unidos 5.419.170, que se incorpora
por referencia.
Se puede usar también una prensa de
calentamiento por inducción Boeing como se describe en la Patente de
Estados Unidos 5.530.227, por ejemplo. Una prensa de calentamiento
por inducción usa un campo magnético oscilante para inducir
corrientes de remolino en el susceptor, que en este caso sería
principalmente el molde o moldes. Para calentamiento por inducción,
los troqueles generalmente serían cerámicos e incluirían una bobina
de inducción embebida. Los moldes pueden orientarse con otra lámina
de susceptor para envolver el paquete de la pieza. De otra manera,
el campo magnético probablemente calentaría inductivamente las
láminas del paquete al mismo tiempo que calienta los moldes. La
formación después del enlazado puede realizarse en una operación
diferente, aunque la eficacia global en ahorro de tiempo y energía
aún favorecerá a la operación de calentamiento por inducción.
Un molde CRES típico 52 se muestra en vista en
planta de la Figura 9. El molde es de una disposición de cristal de
ventana o junta que tiene bandas estrechas de metal CRES para
definir regiones para las líneas de enlace por difusión en el
paquete y grandes áreas abiertas. Aunque se muestra con aberturas
rectangulares y lados rectos, el molde puede cortarse en una gran
variedad de patrones según sea apropiado para las piezas fabricadas.
El molde es fácil de fabricar a un coste relativamente bajo incluso
a partir de aleaciones CRES. Generalmente es de aproximadamente
0,5-37,5 mm de espesor (típicamente
1-10 mm). Se corta con un láser de
800-3.000 W, de CO_{2} o YAG a cualquier ángulo
de inclinación lateral adecuado o se prepara de cualquier otra
manera adecuada. El molde 52 transfiere presiones desde las placas
a las líneas de enlace por difusión y, de hecho, intensifica la
presión a aproximadamente 2-8 MPa
(300-1.200 psi) reduciendo el área a través de la
que actúa la fuerza dinámica hidráulica de la prensa. Usar el molde
permite las configuraciones faciales más sencillas para los
troqueles de la prensa ya que el molde sustituye el patrón del molde
usado convencionalmente.
Si se usan dos moldes (Figura 6), pueden crearse
formación complicada y patrones de enlace del producto. Si los
moldes son idénticos en vista en planta (Figura 12) de manera que
las bandas solapan en todas las localizaciones, las bandas de
ajuste de los moldes crean la presión de 2-8 MPa
(300-1.200 psi) necesaria para formar rápidamente
un enlace por difusión entre las láminas 10 y 12 en el área de
solapamiento. Puede reducirse el tiempo de enlace por difusión de
las tres horas que requiere el proceso convencional a una hora o
menos con ahorros resultantes en consumo de energía y trabajo. Sin
embargo, si las bandas de los moldes no se registran, los moldes no
crearán una presión suficiente para formar un enlace por difusión.
Por lo tanto, las bandas definirán una configuración de producto
expandida muy similar a una característica molida en una superficie
troquel. Las bandas desplazadas crearán patrones de almohada únicos
ajustados típicamente al 5-15% de espesor de metal
de lámina de titanio cuando la presión de inflado 67 forma las
láminas.
Mientras los troqueles en las Figuras
5-8, 10 y 12 se muestran con superficies planas,
generalmente estos troqueles tendrán cavidades de formación 75
tales como aquellas mostradas en la Figura 4. El paquete de dos
láminas en la Figura 4 se forma en una sección de sombrero de panel
reforzado. En la realización preferida, se usa un molde 52 para
fabricar un núcleo 100 (Figura 13) para un producto
multi-lámina tal como el núcleo de una paleta de
ventilador de turbina. El núcleo 100 se intercala entre las láminas
superficiales 102 y 104, que pueden ser compuestos de matriz de
metal de repuesto de lámina (MMC) o un laminado de
MMC-repuesto de lámina. Las piezas SPF
multi-lámina típicas y núcleos que son el asunto de
la presente invención se describen, por ejemplo, en las Patentes de
Estados Unidos 5.330.092 y 5.534.354, que se incorporan por
referencia.
El núcleo 100 de la operación de enlace de
difusión inicial que se acaba de describir típicamente se alinea
con láminas superficiales intercaladas 102 y 104. El nuevo paquete
de piezas se suelda 106 alrededor de la periferia de las láminas
superficiales o se sella de otra manera para formar un paquete de
4-láminas análogo al paquete de
2-láminas mostrado en la Figura 3. Este paquete de
4-láminas se carga a una prensa SPF, se enlaza y se
expande, y se forma a la configuración final deseada mostrada, por
ejemplo, en la Figura 14. Durante esta segunda operación de
formación, la presión de gas de formación se suministra según sea
apropiado a las cavidades 108 ó 110 entre el núcleo 100 y las
láminas superficiales 102 y 104 o dentro del propio núcleo
respectivamente. Las láminas superficiales del enlace al núcleo y
las paredes de celosía internas se completan alrededor de cada
enlace por difusión 115 que se forman en el núcleo durante la
operación de enlace inicial. El producto es una pieza
multi-lámina de alta calidad y con
desenlaces.
desenlaces.
Una sola lámina de material puede formarse sobre
sí misma, aplanarse para crear una sola línea de doblado en la
punta, y doblarla en una región de contacto íntimo entre las
superficies solapantes para formar un producto de lágrima útil como
superficie de control, borde conductor, o paleta de rotor.
Si se usan dos moldes, cada corte en el mismo
patrón de rejilla, con moldes de diferentes espesores, los paquetes
formado y enlazado tienen una profundidad diferente, y las células
formadas (es decir el "almohadillado") tendrán una forma
diferente.
Si se usan moldes, cada uno con un patrón de
rejilla diferente, de manera que algunas superficies comunes se
comparten, la parte resultante tiene cavidades de diferente tamaño,
forma, ángulo de inclinación lateral y otras configuraciones. Las
células formadas y enlazadas pueden hacerse de diferentes
formas.
Una lámina metálica (generalmente titanio) puede
usarse como espaciador o junta (Figura 7 u 8) entre el molde y el
bloque plano para anular cualquier discontinuidad que no sea plana o
distorsiones entre el paquete y las superficies del troquel. En
efecto, el espaciador es una lámina de metal desechable que funciona
más como una goma para corregir herramientas no polares (que es un
problema común) que para llenar valles en las superficies del
troquel. Los picos se acomodan con las aberturas en el molde. Por
consiguiente, en molde es generalmente más grueso que el
espacia-
dor.
dor.
Por supuesto, pueden apilarse múltiples moldes
en uno o ambos lados del paquete de la pieza para obtener la
configuración de producto deseada.
Durante el funcionamiento, todos los elementos
de la herramienta se recubren o tratan adecuadamente para permitir
el desmontaje de los troqueles, espaciadores, y moldes. Es decir,
los agentes de liberación adecuados deben usarse en las interfaces
entre estas herramientas.
Pueden usarse también troqueles ajustados de
precisión que están curvados o incluso que tienen un contorno
compuesto en lugar de los troqueles planos que se han elegido para
mostrar en el dibujo. Los troqueles pueden ser de metal, carbono,
cerámico, o cualquier otro material adecuado. Los moldes pueden
incluir la curvatura para simplificar la fabricación de los
troqueles. Es decir, aunque se ha ilustrado que los moldes tienen
caras planas, podrían fabricarse caras curvas de ajuste en los
moldes para formar ondas en el paquete de la pieza cuando el
paquete se carga a la prensa. Los moldes de este equipo, sin
embargo, típicamente serían más gruesos. Se prefiere usar un
apilamiento de elementos de molde en dicho caso para reducir el
coste total.
Si el material compuesto de la matriz metálica
(MMC), tal como titanio reforzado con fibra de carburo de silicio,
se pone en un paquete multi-lámina para la segunda
operación de formación, todo el apilamiento puede procesarse SPF/DB
para formar el núcleo en contacto íntimo con el MMC y enlazar las
láminas de metal encaradas al MMC para formar un solo panel SPF/DB
multi-lámina reforzado por MMC.
El proceso conduce también así mismo al uso de
láminas de metal SPF/DB que se han molido preferiblemente
químicamente antes del procesado para obtener un espesor de
almohadillado particular o requerido en la pieza acabada con
espesor localizado.
El molde debe permanecer fuerte (aproximadamente
15 ksi) a las temperaturas de enlace por difusión para titanio en
el intervalo de aproximadamente 850-950ºC
(1.550-1.750ºF), ser resistente a deformación
permanente, resistente a oxidación y ser inerte con la pieza de
trabajo. Se prefieren aleaciones metálicas que puedan cortarse
fácilmente con láser, tales como Inconel 625, Inconel 718, CRES
304, CRES 321, acero (especialmente aleaciones de níquel),
aleaciones de titanio, u otros materiales de alta temperatura y alta
resistencia. Puede usarse un cerámico orientado hacia el molde como
una junta o refuerzo entre el metal del molde y la superficie del
troquel.
Claims (6)
1. Método de fabricación de una estructura
enlazada por difusión formada superplásticamente usando al menos
dos láminas (10, 12) de aleaciones metálicas superplásticas y
enlazables por difusión, que comprende las etapas de:
(a) limpiar las láminas metálicas (10, 12);
(b) alinear las láminas (10, 12) para
proporcionar el contacto íntimo entre las láminas (10, 12) en
localizaciones seleccionadas;
(c) soldar las láminas (10, 12) para formar un
paquete (30) para preparar un sellado hermético a gas mientras que
se proporcionan entradas de gas de formación (54) en una cavidad
entre las láminas (10, 12);
(d) situar un molde (52) que tiene un patrón de
enlace por difusión por compresión deseado que corresponde a las
localizaciones de contacto íntimo entre las láminas (10, 12) en el
exterior del paquete (30), en una prensa entre troqueles opuestos
(58, 60);
(e) opcionalmente, proporcionar orificios dentro
del molde (52) entre las almohadillas de comprensión para las
aleaciones para formar y, de esta manera, establecer una definición
de pieza;
(f) purgar la cavidad de contaminantes evacuando
la cavidad o introduciendo un gas inerte a la cavidad.
(g) calentar el paquete (30) a una temperatura
de enlace por difusión para aleación;
(h) comprimir las láminas (10, 12) juntas a
través del molde (52) para llevar las láminas (10, 12) a un contacto
íntimo en las localizaciones para formar enlaces por difusión (44)
mientras que se aplica presión de gas a la cavidad para inflar el
paquete (30) para evitar el enlace por difusión en áreas del paquete
(30) que registran los orificios en el molde (52),
caracterizado por la etapa adicional de usar un espaciador de
titanio (56) entre el paquete (30) y troqueles opuestos (58, 60)
para anular las deformidades entre los troqueles (58, 60) y
asegurar una presión de enlace por difusión suficiente a través del
molde (52).
2. Método de la reivindicación 1, que comprende
adicionalmente las etapas de:
(a) intercalar el núcleo conseguido después de
la etapa (h) entre láminas superficiales para definir un paquete
multi-lámina; y
(b) expandir un paquete
multi-lámina (30) para enlazar el núcleo a las
láminas superficiales para completar la estructura.
3. Método de la reivindicación 1 ó 2, en el que
el molde (52) es acero inoxidable resistente a corrosión.
4. Método de cualquiera de las reivindicaciones
1-3, en el que las fuerzas crean una presión de
enlace por difusión en el área de contacto íntimo de al menos 200 x
10^{4} Pa (300 psi).
5. Método de la reivindicación 4, en el que la
presión es 200 x 800 x 10^{4} Pa (300-1.200
psi).
6. Método de cualquiera de las reivindicaciones
1-6, en el que el calentamiento ocurre
inductivamente en el molde (52) y en el que el molde (52) es una
aleación que tiene una temperatura de Curie en el intervalo de
aproximadamente de 850-950ºC
(1.550-1.750ºF).
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