NO144427B - Fremgangsmaate og apparat for fremstilling av legeringsmaterial - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av legeringsmaterial (bulk alloys), hvor legeringen fremstilles ved avsetting av legeringskomponentene fra dampfasen, og oppfinnelsen går også ut på et apparat for utførelse av denne fremgangsmåte.

Det er f.eks. fra britisk patentskrift 1.206.586 kjent

en fremgangsmåte for fremstilling av legeringsmaterial ved avsetting av legeringskomponentene fra dampfasen på

en samleflate hvis temperatur kan reguleres.

Legeringer som fremstilles ved dampfase-avsetting har vanligvis søylestruktur, idet vekstretningen søker mot dampkilden, og har en porøsitet som er forbundet med søylestrukturen, spesiet hvis temperaturen på samleflaten er lav. Porøsiteten i disse legeringer kan være ødeleggende for deres egenskaper og fjernes ofte ved pressing eller valsing av den fremstilte legering. Det er uønsket å utsette legeringen for et ekstra produksjons-trinn og det har også vist seg at når en legering inneholder metaller med stabile oksyder, f.eks. aluminium eller magnesium, vil atmosfærisk oksygen, når legeringen utsettes for atmos-færiske forhold forut for pressingen eller valsingen, kunne trenge gjennom legeringen slik at det dannes en oksydfilm på den indre overflate av porene og slik at det derved inn-føres en ytterligere, og i noen tilfeller uønsket, bestanddel i legeringsmassen. Pressing eller valsing av en legering med høy porøsitet kan også være vanskelig idet porene kan virke som kjerner for sprekkdannelser.

Det er kjent fremgangsmåter for dampavsetting av tynne filmer ved avvekslende avsetting og mekanisk bearbeiding.

Et eksempel på en slik fremgangsmåte er beskrevet i US patentskrift 3.632.406. Den der beskrevne fremgangsmåte vil imidlertid ikke fremskaffe en legeringsmengde som vil kunne utnyttes som konstruksjonsmaterial, som følge av den foran omtalte porøsitet. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å overvinne problemet med "intercolumnar" porøsitet.

Det har vært gjort forsøk på å redusere porøsiteten i av-leirede legeringer. Eksempelvis er det i britisk patentskrift 1.269.965 beskrevet en innføring av tynne lag av mindre legeringskomponenter under avsettingen for periodisk å danne overflate-omstrukturering (renucleation) slik at størrelsen av søyleveksten og dermed av porøsiteten blir begrenset. Fremgangsmåten har den potensielle ulempe at det innføres en separat mikrostrukturen bestanddel og at det apparat som benyttes og graden av den nødvendige prosess-styring blir tilsvarende kompleks.

Oppfinnelsen består i en fremgangsmåte av den innlednings-vis nevnte art, for fremstilling av legeringsmaterial ved avsetning av legeringskomponentene fra dampfasen på en samleflate hvis temperatur kan reguleres, hvilken samleflate er anordnet inne i et vakuum-avsettingskammer, idet overflaten av legeringen bearbeides mekanisk i løpet av avsettingen i vakuumkammeret, og overflaten av den avsatte legering utsettes avvekslende for avsetting og mekanisk bearbeidelse i vakuumkammeret i løpet av avsettingen til full avsettingstykkelse hvor det særegne består i at den mekaniske bearbeiding består i uthamring.

Den mekaniske bearbeiding kan gjennomføres periodisk in situ under avsettingen, eller alternativt kan overflaten bli avvekslende utsatt for avsetting og mekanisk bearbeiding. Uavbrutt mekanisk bearbeiding av overflaten av legeringen in situ under avsettingen har vist seg å være ikke. gjennomførbart idet apparatet som kreves for å gjennomføre den mekaniske bearbeiding hindrer tilgangen for dampen til overflaten.

Det har vist seg at ved å utsette overflaten av legeringen for mekanisk bearbeiding i løpet av avsettingprosessen vil graden av porøsitet i legeringen bli betydelig redu-sert. Intensiteten i den mekaniske bearbeiding må være tilstrekkelig til å bevirke en avflating av ujevnheter dannet under avsettingen, dog ikke slik at det dannes ytterligere ujevnheter. Hensiktsmessig har den mekaniske bearbeiding også en sådan intensitet at porøsitet i nærheten av legeringsoVerflaten fjernes.

Fremgangsmåte i henhold til foreliggende oppfinnelse be-virker en jevntykk avsetting av en massiv legering og unngår porøsiteten som følge av søylestrukturen i den avsatte legering. Uthamringen som utgjør den mekaniske bearbeiding av legeringen har den fordel at den er tilstrekkelig til å flate ut ujevnheter oppstått under avsettingen men ikke tilstrekkelig til å bevirke ytterligere trinn eller ujevnheter. Overflaten blir med andre ord ikke brutt eller skadet, i motsetning til det som skjer ved den abrasjonsbehandling som foretas ifølge US patentskrift 3.632.406 hvorved material fjernes eller forskyves sideveis.

Oppfinnelsen angår også, som nevnt, et apparat for fremstilling av legeringsmaterial ved avsetting av legeringskomponentene fra dampfasen. Dette apparat omfatter et vakuumavsetningskammer med en metalldamp-kilde, en samleflate hvis temperatur kan reguleres og hvorpå metall som fordamper fra metalldampkilden kan avsettes, og en mekanisk bearbeidingsanordning hvormed overflaten av legeringen som er avsatt kan bearbeides mekanisk i løpet av avsetningen, hvor metalldamp-kilden og den mekaniske bearbeidingsanordning er fast montert i vakuumavsetningskammeret og den temperaturregulerbare samleflate er bevegelig anordnet og innrettet til å føres tilbake til forut bestemte posisjoner slik at den kan avvekslende utsettes for avsetting og tillater mekanisk bearbeiding av det avsatte legeringsmaterial, og det særegne består i at den mekaniske bearbeidingsanordning er innrettet til å meddele en uthamring.

Hensiktsmessig omfatter apparatet hvormed overflaten av legeringen blir mekanisk bearbeidet et antall hammere som er anordnet med sine hoder på linje med hverandre, mens den temperatur-regulerbare samleflate er innrettet for bevegelse på tvers av hammerhode-linjen, idet hodene på hamrene er innrettet til å slå svakt mot overflaten på legeringen. Fortrinnsvis har disse hamrene avrundede wolfram-hoder.

Fortrinnsvis blir samleflaten eller hamrene sideveis for-skjøvet en liten avstand for hver passering slik at overflaten av legeringen utsettes for likeartet mekanisk bearbeiding, og slik at det ikke dannes spor som ellers ville oppstå hvis slik forskyvning ikke ble foretatt. Muligheten for å bevege samleflaten kan også gjøre det mulig å fremskaffe en mer jevn avsetting av legeringen.

I en annen utførelse for oppfinnelsen omfatter den mekaniske "TDearbeidingsanordning en aksel, en hylse som er dreibart lagret på akselen, et antall metallstenger som er festet rundt omkretsen av hylsen -med sine akser parallelle med aksen for akslen, et antall sliuler som er ført inn på stengene, hvilke sliuler er sideveis fast anordnet men dreibart anordnet på de respektive stenger, samt en drivanordning innrettet til å rotere hylsen, idet den mekaniske bearbeidingsanordning er anordnet inne i apparatet slik at den temperatur-regulerbare samleflate kan beveges forbi aksen for hylsen innenfor banen for sliulene når hylsen roterer. «

Ved drift vil samleflaten beveges forbi sliulene i en retning på tvers av og i rett vinkel til aksen for hylsen slik at sliulene vil slå mot overflaten og dermed bevirke mekanisk bearbeiding av legerings-overflaten. Hensiktsmessig er den sideveis faste anordning av sliulene på stengene bevirket av avstandselementer som er ført inn på stengene,

og videre er det hensiktsmessig at sliulene på de respektive stenger er innbyrdes forsatt. Det er videre fordelaktig at de kantflater hvormed sliulene slår mot overflaten av legeringen er avrundet slik at det ved hvert omslag av en sliul mot legeringsoverflaten dannes et glatt båtformet inntrykk. Vekten av sliulene og deres hastighet velges slik at hver sliul danner et grunnt inntrykk i legeringen.

Intensiteten for den mekaniske bearbeiding av legeringen

skal hensiktsmessig være tilstrekkelig til at det oppnås en avflating av ujevnheter dannet under avsettingen, men ikke slik at det dannes ytterligere ujevnheter. Fortrinnsvis skal intensiteten også være tilstrekkelig til at por-øsitet i nærheten av legeringsoverflaten fjernes.

Oppfinnelsen skal nå beskrives, under henvisning til ved-.føyde tegning som viser en eksempelvis utførelsesform. Fig. 1 viser skjematisk et apparat for fremstilling av legeringsmaterial ved avsetting av legeringskomponentene fra dampfasen. Fig. 2 viser skjematisk en del av apparatet i fig. 1, for mekanisk bearbeiding av overflaten av den legering som er avsatt under avsettingsprosessen. Fig. 3 er et sideriss som viser omrisset av sliuler som egner seg for bruk i apparatet i fig. 2.

i

Som det fremgår av fig. 1 omfatter apparatet for avsetting av en legering fra dampfasen et vakuumkammer 1 som kan evakueres ved hjelp av et vanlig vakuum-pumpeanlegg 2. Inne i vakuumkammeret 1 er det anordnet en fordampnings-kilde 3 utstyrt med en metalltilførselsanordning 4, en bevegelig samleanordning eller kollektor 5, en innretning 6 for mekanisk bearbeiding av overflaten av den legering som har avsatt seg på undersiden av den bevegelige samleflate 5, samt en bevegelig sperreanordning 7.

Fordampingskilden 3 har et parti 9 for smelting av metall og et parti 8 for fordampning, og disse partier 8 og 9 er innbyrdes forbundet ved hjelp av en kanal 10 under metall-overflaten. Partiene 8 og 9 er oppvarmet ved hjelp av elektronkanoner 11 og 12 og i drift er partiene 8 og 9 samt kanalen 10 fyllt med smeltet metall.

Samleanordningen 5 omfatter et ikke vist vann-sirkulasjons-system samt ikke viste elektriske varmeanordninger slik at temperaturen på den nedre overflate kan reguleres.

Den konstruktive utførelse av samleanordningen skal ikke beskrives nærmere her da den ikke utgjør gjenstand for foreliggende oppfinnelse. Samleanordningen 5 bæres på en arm 13 festet til et hengsel 14 hvis ende strekker seg ut av vakuumkammeret 1 for at samleanordningen 5 skal kunne beveges i horisontalplanet og plasseres over innretningen 6 for mekanisk bearbeiding av legeringsoverflaten, henhv. over fordampingspartiet 8, etter ønske. Den bevegelige stengeanordning 7 er konstruert slik at den kan anbringes mellom samleanordningen 5 og fordampings-partiet 8 eller fjernes fra denne stilling etter ønske.

En ytterligere stengeanordning 15 er anordnet permanent mellom smeltepartiet 9 og samelanordningene 5 for å be-skytte samleanordningen fra metalldamp som kommer ut fra

dette parti når apparatet er i bruk.

Innretningen 6 for mekanisk bearbeiding av overflaten av legeringen skal nå beskrives nærmere under henvisning til fig. 2 som viser en ikke-dreibar aksel 21 festet ved begge ender til vakuumkammeret 1. En hylse 22 er dreibart lagret på akslen 21 på kulelageret 32 og 33 og en bøssing 34 av polytetrafluoretylen. Fire stenger 26 med innbyrdes konstant avstand er anordnet mellom flenser 23 og 24 på hylsen 22 ved hjelp av.bolter 27, og aksene for stengene 26 er anordnet parallelt med og i konstant avstand fra aksen for akslen 21. Sliuler 28 som er innbyrdes adskilt ved hjelp av avstandselementer 29 er anordnet på stengene 26. Avstands-elementene 29 bestemmer den sideveis plassering av sliulene 28 mens disse fritt kan svinges på vedkommende stang 26.Hylsen

22 er innrettet til å dreies ved hjelp av et tannhjul 30 anordnet på en flens 25 og en kjede 31 som er i inngrep med et tannhjul på en ikke vist elektromotor. Når apparatet er i drift i varme uhdertrykks-omgivelser benyttes et indre vannkjølingssystem hvor akslen 21 er dannet av to rørlengder 35 og 36 hvis ender er innbyrdes forbundet for å danne en eneste aksel under anvendelse av et koplingselement 37 som ligger mellom kulelagrene 32 og 33. Hull 38 og 39 i rørene 35 og 36 fullstendiggjør vann-sirkulasjonsssystemet. Ved bruk sirkuleres vann ned-gjennom røret 35 og gjennom hullet 38 inn i mellom rommet mellom hylsen 22 og akslen 21 melllom kulelagrene 32 og 33, videre gjennom hullet 39 og inn i røret 36 hvorfra vannet forlater apparatet. Pakninger 40 hindrer at vann lekker inn i vakuumkammeret og pakninger 41 virker • som sikkerhet for pakningene 40. I tillegg til å virke som sikkerhet for pakningene 40 hindrer pakningene 41 også forurensning av kulelagrene 32 og 3 3 med f.eks. metalldamp og hindrer at smøremidler som benyttes i kulelagrene skal kunne forurense deler av vakuumkammeret .

Det vil legges merke til at hylsen 22 er utført i et antall deler for derved å lette fremstilling og vedlikehold.

Ved drift av apparatet anbringes samleanordningen 5 over. fordampingspartiet 8 idet stengeanordningen 7 er anbragt over fordampingspartiet. Kammeret 1 blir så satt under undertrykk og metallet i partiene 8 og 9 oppvarmes ved hjelp av elektronkanonene 11 og 12 til driftstemperatur og holdes på denne temperatur. Når partiene 8 og 9 har nådd driftstemperaturen blir stengeanordningen 7 fjernet slik at metall som fordamper fra fordampingspartiet 8 kan avsettes på den nedre overflate av samleanordningen 5. Etter en kort tid blir samleanordningen 5 beveget langsomt over den mekaniske bearbeidingsanordning 6 slik av avsettingen på den nedre, overflate utsettes for mekanisk bearbeiding. Samleanordningen 5 blir så bragt tilbake over fordampningspartiet 8 og prosessen blir gjentatt inntil legeringen som er avsatt på den nedre overflate av samleanordningen 5 for nådd den ønskede tykkelse.

Sammensetningen av legeringen som er avsatt bestemmes av sammensetningen av metalldampene som fordamper fra for-dampingskammeret 8, og er igjen avhengig av. sammensetningen og driftstemperaturen i vakuumkammeret. Det vil være klart at sammensetningen av metallet i kammeret 8 kan variere fra det i den legering som avsettes på samleflaten 8 som følge av varierende flyktighet for legeringskomponentene ved driftstemperaturen i fordampingspartiet 8. Driftstemperaturen og sammmensetningen for metallet i fordampings-partiet 8 bør velges slik at den avsatte legering får den ønskede sammensetning.

Sammensetningen av metallet i smeltepartiet 9 velges å

være den samme for fordampingspartiet 8, og tap fra kammerene 8 og 9 erstattes ved tilførsel av metall, i barreform, fra metall-tilførselsanordningen 4, og dette tilleggsmetall velges igjen å ha den samme sammensetting som for metallet i smeltepartiet 9.

Da metall som fordamper fra fordampingspartiet 8 erstattes

av metall med dem samme sammensetning via kanalen 10, som igjen etterfylles med metall fra metalltilførselsanordningen 4 med den"samme sammensetning, vil sammensetningen av metallet i de to partier 8 og 9 og dermed sammensetningen av den legering som avsettes forbli stort sett konstant under hele avsetningsprosessen.

Mengden av metall som avsettes på overflaten av samleanordningen 5 i hvert trinn av prosessen er i det vesentlige bestemt av den porøsitetsgrad som kan tåles. Hvis tykkelsen av legeringen som avsettes i hvert trinn er for stor kan det dannes porøsitet i legeringen i en slik grad som ikke kan fjernes ved mekanisk bearbeiding. Hvis på den annen side avsetningen av legering er for tynn .vil prosessen, til.

tross for at man oppnår en legering med lav porøsitet, være meget tidkrevende. Balanse mellom de to forhold er derfor nødvendig. I alminnelighet skal frekvensen og utstrekningen av den mekaniske bearbeiding være tilstrekkelig til bare å begrense porøsiteten i legeringen til et aksep-tabelt nivå.

Den kraft som utøves av sliulene ved anslag mot overflaten

av legerings-avsetningen bestemmes av deres bevegelses-mengde, som igjen er avhengig av dreiningshastigheten for hylsen 22. Både dreiningshastigheten for hylsen og ut-formningne av sliulene bør være slik at det oppnås en ønsket mekanisk bearbeidelse, under hensyntagen til egen-skapene for den avsatte legering.

En av sliulene 28 er vist i omriss i fig. 3. Sliulen er utført av metall-platematerial i den viste utformning og kan bli ført inn på en av stengene 26 med hullet 42. Den ledende kant 43 på sliulen, dvs. den kantflaten som slår mot legeringsoverflaten er avrundet slik at det, når sliulen slår mot legeringsoverflaten, dannes et stort sett båtformet inntrykk.

Den mekaniske bearbeidelse må være tilstrekkelig til å av-flate eventuelle ujevnheter, men ikke så intens at det for-årsakes grov forvrengning av overflaten hvorved det vil oppstå sprekkdannelser eller skarpe fremspring som igjen kan bevirke ytterligere porøsitet.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av legeringsmaterial (bulk alloys) ved avsetning av legeringskomponentene fra dampfasen på en samleflate hvis temperatur kan reguleres, hvilken samleflate er anordnet inne i et vakuum-avsettingskammer, idet overflaten av legeringen bearbeides mekanisk i løpet av avsettingen i vakuumkammeret, og overflaten av den avsatte legering utsettes avvekslende for avsetting og mekanisk bearbeidelse i vakuumkammeret i løpet av avsettingen til full avsettingstykkelse, karakterisert ved at den mekaniske bearbeiding består i uthamring.

2. Apparat for fremstilling av legeringsmaterial (bulk alloys) ved avsetning av legeringskomponentene fra dampfasen, ved en fremgangsmåte som angitt i krav 1, omfattende et vakuumavsetningskammer (1) med en metalldamp-kilde (3), en samleflate (5) hvis temperatur kan reguleres og hvorpå metall som fordamper fra metalldampkilden kan avsettes, og en mekanisk bearbeidingsanordning (6) hvormed overflaten av legeringen som er- avsatt kan bearbeides mekanisk i løpet av avsetningen, hvor metalldamp-kilden (3) og den mekaniske bearbeidingsanordning (6) er fast montert i vakuumavsetningskammeret (1) og den temperaturregulerbare samleflate (5) er bevegelig anordnet og innrettet til å føres tilbake til forut bestemte posisjoner slik at den kan avvekslende utsettes for avsetting og tillater mekanisk bearbeiding av det avsatte legeringsmaterial, karakterisert ved at den mekaniske. bearbeidingsanordning (6) er innrettet til å meddele en uthamring av det avsatte legeringsmaterial.

3. Apparat som angitt i krav 2, karakterisert ved at den mekaniske bearbeidingsanordning (6) omfatter et antall hammere som er anordnet på linje med hverandre og at den temperatur-regulerbare samleflate (5) er innrettet for bevegelse på tvers av hammerhodelinjen, idet hodene på hamrene er innrettet til å slå svakt mot overflaten på legeringen.

4. Apparat som angitt i krav 3, karakterisert ved at hamrene eller den. temperatur-regulerbare samleflate er innrettet til sideveis forskyvning med en liten avstand for hver passering slik at overflaten av legeringen utsettes for likeartet mekanisk bearbeiding.

5. Apparat som angitt i krav 6, karakterisert ved at den mekaniske bearbeidingsanordning (6) omfatter en aksel (21), en hylse (22) som er dreibart lagret på akslen, et antall metallstenger (26) som er festet rundt omkretsen av hylsen med sine akser parallelle med aksen for akslen, et antall sliuler (28) som er ført inn på stengene (26), hvilke sliuler er sideveis fast anordnet men dreibart anordnet på de respektive stenger, samt en drivanordning (31) innrettet til å rotere hylsen (22), idet den mekaniske bearbeidingsanordning (6) er anordnet inne i apparatet slik at den temperatur-regulerbare samleflate (5) kan beveges forbi aksen for hylsen (22) innenfor banen for sliulene (28) når hylsen (22) roterer.

6. Apparat som angitt i krav 5, karakterisert ved at den sideveis faste anordning av sliulene (28) på stengene (26) er bevirket av avstandselementer (29) som er ført inn på stengene (26) og at sliulene (28) på de respektive stenger (26) er innbyrdes forsatt.

7. Apparat som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at de kantflater (43) hvormed sliulene (28) slå mot overflaten av legeringen er avrundet slik at det ved hvert anslag av en sliul mot legeringsoverflaten dannes et glatt båtformet inntrykk.