DE3049424A1

DE3049424A1 - Vorrichtung und verfahren zum heissisostatischen pressen geometrisch komplizierter, pulvermetallurgischer pressstuecke

Info

Publication number: DE3049424A1
Application number: DE19803049424
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(grad.) Keinath; Martin 8011 Höhenkirchen Pöttinger; Thomas 8014 Neubiberg Sikora
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-12-30
Filing date: 1980-12-30
Publication date: 1982-07-22

Description

Vorrichtung und Verfahren zum heißisostatischen Pressen
geometrisch komplizierter, pulvermetallurgischer Preßstticke Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum heißisostatischen Pressen (oft abgekürzt HIP) geometrie n komplizierter, pulvermetallurgischer Preßstücke nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 11 sowie die so hergesto en Preßstücke selbst.
Das heißisostatische Pressen ist bereits seit längerer Zeit bekannt (vgl. z. B. DE-AS 23 63 141 mit weiteren Schrifttumsnachweisen): Eine dünnwandige Preß-Kapsel, hergestellt z. B. durch Aufgalvanisieren von Nickel auf einen Kern aus Wachs (oder niedrigschmelzender Legierung) und anschließendes Ausschmelzen des Kerns, wird huber ein Einlaufrohr mit Metallpulver gefüllt, danach evakuiert und verschlossen, woran sich das heißisostatische Pressen des Metallpulvers in der Preß-Kapsel anschließt, um das gewünschte Werkstück als Preßstück herzustellen.
Das als die Preß-Kapsel verwendete Metall sollte möglichst dünnwandig sein (z. B. für Nickel nur ca. 1 mm stark), um die dann entsprechend am fertigen Preßstück anhaftende Metallschicht mit möglichst geringem Aufwand zu entfernen, z. B. durch Zerspanen, Sandstrahlen oder chemisch.
Weitere Anforderungen an die Preß-Kapsel sind: - Gleichmäßigkeit der Wandstärke über die gesamte Oberfläche, - Vakuumdichtigkeit und - Duktilität bei hohem Druck und hoher Temperatur.
Diesen Anforderungen kann in der Praxis insbesondere dann nicht genügt werden, wenn das Preßstück geometrisch kompliziert ist, da dann die Preß-Kapsel ebenfalls geometrisch kompliziert ist.
Insbesondere kommt es durch Versprödung der Preß-Kapsel zu Undichtigkeiten, die eine Verdichtung des Metall-Pulvers in der Preß-Kapsel verhindern.
Derartige geometrisch komplizierte Preßstücke kommen insbesondere als Bauteile von Luft- und Raumfahrt-Geräten vor. Sie können deshalb bisher-nicht durch heißisostatisches Pressen hergestellt werden, sondern nur in herkömmlicher Weise durch Schmieden und anschließende allseitige zerspanende Bearbeitung, die Verluste von größenordnungsmäßig 50 % des geschmiedeten Rohlings verursacht, was umso nachteilger ist, als es sich meist um außerordentlich teuere Legierungen handelt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum heißisostatischen Pressen der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit wesentlich geringeren Anforderungen an die Preß-Kapsel auskommen, ohne daß die Güte des fertigen Preßstücks beeinträchtigt ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre. nach dem Kennzeichen der Ansprüche 1 bzw. 11.
Die erfindungsgemäßen Mittel sind ersichtlich außerordentlich einfach: - eine leicht zu bauende Hilfs-Kapsel und - ein passives Druckübertragungsmittel, das den von außen zugeführten Druck nur weiterleitet, also nicht selbständig Druck erzeugen muß.
Die Erfindung gestattet die Verwendung von metallischen Preß-Kapseln, die gegenüber den bisher bekannten vorteilhaf Xind durch Zulässigkeit von: - unterschiedlicher Wandstärke, - überhaupt geringerer Wandstärke, - Vakuumundichtigkeiten.
Die praktische Erprobung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat Verdichtungen des Metallpulvers in der metallischen Preß-Kapsel auf 100 % ergeben.
An erfindungsgemäß hergestellten Preßstücken vorgenommene Materialuntersuchungen haben gezeigt, daß die statischen Eigenschaftswerte die Mindestwerte von Schmiedematerial übertreffen und die dynamischen Eigenschaftswerte zumindest im Streubereich für Schmiedematerial liegen.
Demgegenüber ist zwar gerade in jüngster Zeit eine Hilfs-Kapsel zum (angeblich) heißisostatischen Pressen von hochbeanspruchten und kompliziert geformten Werkstücken für Turbomaschinen bekanntgeworden (vgl. DE-AS 30 10 299), - jedoch wird dort bewußt keine Preß-Kapsel vorgesehen, weil die mit einer durch galvanische Abscheidung hergestellten Preß-Kapsel gepreßten Werkstücke immer wieder einer Nacharbeit bedurft hätten, was im Hinblick auf die Materialeigenschaften heißisostatisch gepreßter Werkstücke wiederum sehr aufwendig gewesen wäre (vgl. dort Sp. 1, Z. 39 - 52); - statt dessen wird dort ein einseitig offener Keramikkern mit der Negativkontur des Werkstücks von einer Blechaußenhaut als Hilfs-Kapsel umschlossen, die zwar an der offenen Seite des Keramikkerns von diesem Abstand hält, am Boden und an den Seiten des Keramikkerns jedoch anliegt; dabei muß dieser Abstand (nachteiligerweise) auf die zu erwartende Verdichtung genau abgestimmt werden (vgl. dort Sp. 2, Z. 63 - 67); - schließlich wird dort vom (wirklichen) i s o statischen Pressen abgegangen, da die Druckbeaufschlagung des metallurgischen Pulvers von der Hifs-Kapsel aus anisotrop erfolgt, nämlich durch den Keramikkern eine größere Anisotropie bedingt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lehre des Anspruchs 11 ist von besonderem Interesse der Verfahrensschritt f), da auf diese Weise insbesondere eine Entfernung von mehr molekularen Waserschichten im Druckübertragungsmittel erfolgt, die sich vorher bei Lagerung des Druckübertragungsmittels wie Keramik-Pulver an Luft angelagert haben; diese mehr-molekularen Wasserschichten würden nämlich beim eigentlichen heißisostatischen Pressen in Wasserdampf mit vielfach vergrößertem Volumen übergehen, was zu einem außerordentlich hohen Überdruck in der dann vakuumdicht verschlossenen Hilfs-Kapsel mit allen unerwünschten Folgen führen würde.
Der Vollständigkeit halber sei noch vermerkt, daß bei der erstellung der Hilfs-Kapsel zunächst im allgemeinen die Deckfläche freigelassen wird, um die Preß-Kapsel und das Druckübertragungsmittel einführen zu können, wonach erst die Hilfs-Kapsel mit einem Deckel verschlossen wird, der gleichzeitig einen äußeren Stutzen zum Evakuieren der Hilfs- und der Preß-Kapsel trägt (vgl. dazu auch den Anspruch 7).
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 - 9 sowie 12 ff. angegeben, die sich insbesondere durch eine Steigerung von Einfachheit und geringem Aufwand auszeichnen.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Die einzige Figur zeigt: schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgeinäßen Vorrichtung, wobei die abgebildete Preß-Kapsel eine eometrisch komplizierte (nicht drehsymmetrische) Form entsprechend dem herzustellenden Preßstück aufweist.
Die abgebildete Vorrichtung besitzt, wie ohne weiteres ersichtlich ist, eine metallische Preß-Kapsel 10, die mit einem Metallpulver 12 gefüllt wird, eine äußere Hilfs-Kapsel 14, die mit einem Druckübertragungsmittel 16 wie Keramik-Pulver gefüllt wird, und einen Stutzen 18 zum Evakuieren im Rahmen des Entgasens insbesondere des Druckübertragunosmittels 16 unmittelbar vor dem bekannten heißisostatischen Pressen.
Nach erfolgtem Entgasen bzw. Evakuieren wird der Stutzen 18 abgekrempt und vakuumdicht verschweißt.
Ansonsten wird wegen der einzelnen Verfahrensschritte vor dem eigentlichen heißisostatischen Pressen auf die in den Ansprüchen 11 ff. gegebene Lehre verwiesen.
Das für sich bekannte eigentliche heißisostatische Pressen läuft anschließend wie folgt ab: - Evakuieren und Selen eines (nicht gezeigten) die erfindungsgemße Vorrichtung aufnehmenden Autoklaven, - Erzeugung von Vordruck mittels Verdichter bei Raumtemperatur, - Aufheizen und weitere Drucksteigerung, - Halten bei vorgegebenen Daten, - Abkühlen und Dekomprimieren.
Leerseite

Claims

Ansprüche 1. Vorrichtung zum heißisostatischen Pressen (HIP) geometrisch komplizierter, insbesondere nicht drehsymmetrischer, pulvermetallurgischer.Preßstücke, - mit einer pulver-aufnehmenden -metallischen Preß-Kapsel entsprechend der Preßstück-Kontur, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h - eine Hilfs-Kapsel (14), die - die Preß-Kapsel (10) allseitig vakuumdicht umgibt und - mit dem Preßdruck beaufschlagbar ist, und - ein warmfestes, verdichtungsfähiges, homogenes Druckübertragungsmittel (16) - im gesamten Zwischenraum zwischen der Hilfs-Kapsel (14) und der Preß-Kapsel (10).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die Hilfs-Kapsel (14) - eine einfache geometrische Form besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - daß die geometrische Form - ein Parallelepiped (14) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - daß die geometrische Form - ein Kreiszylinder ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - daß die Hilfs-Kapsel (14) - aus Stahlblech besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - daß die Hilfs-Kapsel (14) - unter Vakuum für 1 h bei 1000 "C geglüht worden ist - zum Entgasen (Entfernen von Oxid und Verunreinigungen (z. B. Fett)) an ihrer Innenoberfläche.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - daß die Hilfs-Kapsel (14) aufweist: - einen äußeren Stutzen (18) zum Evakuieren der Hilfs(14)-und der Preß-Kapsel (10), - der nach dem Evakuieren vakuumdicht verschließbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - daß das Druckübertragungsmittel - ein lose geschüttetes Pulver (16) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - daß das Pulver (16) - ein Keramik-Pulver ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, - daß das Keramik-Pulver - Al 203 ist.
11. Verfahren zum heißisostatischen Pressen geometrisch komplizierter, insbesondere nicht drehsymmetrischer, pulvermetallurgischer Preß-Stücke, - unter Anwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - die folgenden Verfahrensschritte: a) Herstellen der Hilfs-Kapsel (14), b) Entgasen der Hilfs-Kapsel durch Glühen unter Vakuum, c) teilweises Füllen der Hilfs-Kapsel mit dem Druck'ertragungsmittel (16), d) Einführen der entgasten pulver-gefüllten metallischen Preß-Kapsel (10) in die Hilfs-Kapsel (14), e) restliches Hinterfüllen der Zwischenräume zwischen der Preß-Kapsel (10) und der Hilfs-Kapsel (14) mit dem Druck tbertragungsmittel (16) f) Entgasen der Hilfs-Kapsel (14) und der metallischen Preß-Kapsel (10) durch Ausheizen unter Vakuum, g) vakuumdichtes Abschließen der Hi3fs-Kapsel (14) und der ,etallischen Preß-Kapsel (10) und h) Durchführung des eigentlichen heißisostatischen Pressens.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - daß der Verfahrens schritt b) - bei 1000 OC für 1 h durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, - daß der Verfahrensschritt f) - bei ca. 350 - 450 OC für > ca. 10 h durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, - daß der Verfahrensschritt h) - bei >1000 Rar, >-900 OC, > 1 h durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 14, dadurch gekennzeichnet, - daß der Verfahrensschritt h) - mit Argon als Druckmedium durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 15, - unter Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i chn e t - daß der äußere Stutzen (18) nach dem Evakuieren - abgekrempt unA vakuumdicht verschweißt wird.
17. Preß-Stück, hergestellt mit - der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 10 und/oder - dem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 16, - insbesondere für Luft- und Raumfahrt-Gerät.