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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Gegenstandes durch Diffusionsverschweißung und Heißverformung oder
superplastische Verformung.
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Es
ist bekannt, hohle metallische Gegenstände durch Diffusionsverschweißung und
superplastische Verformung metallischer Werkstücke herzustellen. Diese metallischen
Werkstücke
umfassen elementares Metall, Metalllegierungen, intermetallische
Materialien und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe.
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Das
Verfahren der Diffusionsverschweißung und superplastischen Verformung
kann durchgeführt werden,
um konturierte Gegenstände,
beispielsweise Fan-Laufschaufeln
oder Fan-Kanalauslass-Leitschaufeln für Gasturbinentriebwerke, durch
superplastische oder Wärmeverformung
herzustellen, wobei eine integrale Struktur durch das Diffusionsschweiß-Verfahren
erzeugt wird.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch Diffusionsverschweißung und
superplastische Verformung ist in unserem europäischen Patent EP-B-0568201
beschrieben. In der Patentschrift EP-B-0568201 wird die integrale
Struktur, die durch das Diffusionsschweiß-Verfahren hergestellt wurde,
verdrillt, bevor die integrale Struktur superplastisch verformt
wird. Zusätzlich
wird die integrale Struktur in einem Superplastik-Formgesenk durch Warmfließen geformt.
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Außerdem beschreibt
unser britisches Patent GB-B-2306353 die Herstellung einer Fan-Laufschaufel
durch Diffusionsverschweißung
und superplastische Verformung. In der GB-B-2306353 wird die integrale
Struktur aus zwei metallischen Werkstücken geformt, die nacheinander
das äußere Profil
der Fan-Laufschaufel definieren. Die beiden metallischen Werkstücke werden
durch Einschneiden eines schrägen
Schlitzes durch einen Metallblock in Form eines Parallelepipedes
erzeugt, um zwei sich in Längsrichtung
verjüngende
metallische Werkstücke zu
bilden. Die dickeren Enden der metallischen Werkstücke werden
ausgerichtet, um den Schaufelfuß der
Fan-Laufschaufel zu bilden, und der Rest der metallischen Werkstücke wird
spanabhebend auf die erforderliche Dicke gebracht, um die erforderliche Massenverteilung
zu erreichen.
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Dieser
Herstellungsprozess erfordert, dass die Dicke des ursprünglichen
metallischen Parallelepiped-Blockes etwa halb so groß ist oder
etwas weniger als halb so groß wie
die Dicke des Schaufelfußes der
fertigen Fan-Laufschaufel, damit eine spanabhebende Bearbeitung
zur Erzeugung des Schaufelfußes
möglich
wird. Das Problem bei diesem Verfahren besteht darin, dass Metall
und Arbeitszeit vergeudet werden und dass das Verfahren sehr kostspielig
ist. Außerdem
ist die Mikrostruktur des metallischen Parallelepiped-Blockes wegen
der Dicke des ursprünglichen
metallischen Blockes nicht die optimale Mikrostruktur.
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Dieses
Problem wird teilweise gelöst,
wie dies auch in der GB-B-2306353 beschrieben ist, indem dünnere metallische
Parallelepiped-Blöcke
benutzt werden und indem weitere schmale Blöcke am dickeren Ende der beiden
sich in Längsrichtung
verjüngenden
metallischen Werkstücke
angesetzt werden, um den Schaufelfuß der Fan-Laufschaufel zu bilden.
Auch dieses Verfahren ist immer noch kostspielig, und es wird Metall
und Arbeitszeit vergeudet. Die Mikrostruktur des Parallelepiped-Blockes
wird infolge der geringeren Dicke des Parallelepiped-Blockes verbessert.
Es ergeben sich aber zusätzliche Erfordernisse
im Hinblick auf die Verschweißung
der gesonderten kleinen Blöcke
und im Hinblick auf die Evakuierung der Räume zwischen den metallischen Werkstücken und
den Blöcken,
um zu gewährleisten, dass
eine Diffusionsverschweißung
stattfindet. Die Mikrostruktur der metallischen Werkstücke ist
wegen der Dicke des ursprünglichen
metallischen Parallelepiped-Blockes immer noch nicht die optimale
Mikrostruktur.
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Demgemäß liegt
der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges
Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes durch Diffusionsverschweißung zu
schaffen, bei welchem die oben erwähnten Probleme vermieden werden.
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Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes
mit einem vorbestimmten vollständigen
Profil durch Diffusionsverschweißung und Heißverformung oder
superplastische Verformung von wenigstens zwei metallischen Werkstücken mit
den folgenden Schritten:
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- (a) es wird eine Metallbramme hergestellt,
die erste und zweite Enden und erste und zweite Oberflächen besitzt,
- (b) es wird das erste Ende der Metallbramme geschmiedet, um
einen Bereich mit vergrößerter Dicke
am ersten Ende der Metallbramme zu erzeugen, der sich von der ersten
Oberfläche
der Metallbramme erstreckt, und es wird das zweite Ende der Metallbramme
geschmiedet, um einen Bereich vergrößerter Dicke am zweiten Ende
der Metallbramme zu erzeugen, der sich von der zweiten Oberfläche der
Metallbramme erstreckt,
- s(c) es wird die Metallbramme von der ersten Oberfläche nach
der zweiten Oberfläche
spanabhebend bearbeitet, um zwei metallische Werkstücke zu erzeugen,
wobei jedes metallische Werkstück
wenigstens eine Oberfläche
aufweist,
- (d) es wird ein Trennmaterial aufgetragen, um eine Diffusionsverschweißung an
vorbestimmten Bereichen von wenigstens einer der Oberflächen von
wenigstens einem der beiden metallischen Werkstücke zu verhindern,
- (e) es werden die wenigstens zwei metallischen Werkstücke zu einem
Stapel relativ zueinander derart aufgebaut, dass die Oberflächen in
Passberührung
miteinander stehen,
- (f) es werden Hitze und Druck auf die Dicke der wenigstens zwei
metallischen Werkstücke
ausgeübt,
um eine Diffusionsverschweißung
von wenigstens zwei metallischen Werkstücken miteinander in Bereichen
zu bewirken, die nicht den vorbestimmten Bereichen entsprechen,
um eine integrale Struktur zu schaffen,
- (g) es wird die integrale Struktur erhitzt, und es wird die
integrale Struktur innen unter Druck gesetzt, um zu bewirken, dass
der vorbestimmte Bereich von wenigstens einem der wenigstens zwei metallischen
Werkstücke
heiß verformt
oder superplastisch verformt wird, um einen hohlen Gegenstand vorbestimmter
Form zu erzeugen.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren nach dem Schritt (f) und vor dem Schritt (g)
einen weiteren Schritt, in dem die integrale Struktur in einer Warmfließform eingesetzt
wird und die integrale Struktur erhitzt wird, während sie in der Form verbleibt,
damit die integrale Struktur an der konvexen Oberfläche der
Form durch Warmfließen
verformt wird.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (c) eine spanabhebende Bearbeitung der Metallbramme,
um ein erstes metallisches Werkstück und ein zweites metallisches
Werkstück
zu erzeugen. Vorzugsweise umfasst der Schritt (c) die Erzeugung
eines dritten metallischen Werkstücks, wobei das dritte metallische
Werkstück
zwei flache Oberflächen
besitzt, und der Schritt (e) umfasst den Zusammenbau von drei metallischen
Werkstücken
in dem Stapel relativ zueinander derart, dass das dritte metallische
Werkstück
zwischen dem ersten und zweiten metallischen Werkstück liegt
und die flachen Oberflächen
in Passberührung
miteinander stehen.
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Der
hohle Gegenstand kann eine Fan-Laufschaufel oder eine Kompressor-Laufschaufel sein.
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Der
hohle Gegenstand kann auch eine Fan-Auslass-Leitschaufel, eine Kompressor-Laufschaufel oder
eine Fan-Laufschaufel sein.
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Nach
der Diffusionsverschweißung
des Werkstückstapels
und vor der superplastischen Verformung der integralen Struktur
kann die integrale Struktur erhitzt werden, und es können auf
gegenüberliegende
Enden der integralen Struktur Lasten aufgeprägt werden, um ein Ende relativ
zu dem anderen Ende zu verdrillen und um die integrale Struktur
in eine vorbestimmte Form zu konturieren.
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Nach
Verdrillung der integralen Struktur und vor der superplastischen
Verformung der integralen Struktur kann die konturierte integrale
Struktur innen unter Druck gesetzt werden, um die Klebeverbindung zwischen
dem Trennmaterial und dem wenigstens einen Werkstück in dem
vorbestimmten Bereich aufzuheben.
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Vorzugsweise
wird nach der inneren Druckbeaufschlagung der integralen Struktur
zum Aufbrechen der Klebeverbindung und vor der inneren Druckbeaufschlagung
der integralen Struktur zur superplastischen Verformung wenigstens
eines Werkstücks
das Innere der integralen Struktur aufeinanderfolgend evakuiert,
und es wird ein inertes Gas zugeführt, um Sauerstoff aus dem
Inneren der integralen Struktur abzuführen.
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Vorzugsweise
wird nach der Diffusionsverschweißung des Werkstückstapels
und vor der superplastischen Verformung der integralen Struktur die
integrale Struktur innen unter Druck gesetzt, um die Klebeverbindung
zwischen dem Trennmaterial und dem wenigstens einen Werkstück innerhalb
des vorbestimmten Bereichs zu lösen.
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Vorzugsweise
werden die Ränder
der metallischen Werkstücke
abgedichtet, nachdem die metallischen Werkstücke im Stapel angeordnet sind
und bevor die metallischen Werkstücke einer Diffusionsverschweißung unterworfen
werden, um eine integrale Struktur zu schaffen.
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Vorzugsweise
werden die Ränder
der metallischen Werkstücke
miteinander verschweißt.
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Vorzugsweise
werden die metallischen Werkstücke,
wenn sie aus einer Titanlegierung bestehen, auf eine Temperatur
erhitzt, die gleich 850°C oder
höher ist,
und der Druck, der ausgeübt
wird, ist gleich 20 × 105 Nm–2 oder größer, um
die Werkstücke durch
Diffusionsverschweißung
miteinander zu verbinden und eine integrale Struktur zu schaffen.
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Vorzugsweise
werden die metallischen Werkstücke
auf eine Temperatur zwischen 900°C und
950°C erhitzt,
und der angewandte Druck liegt zwischen 20 × 105 Nm–2 und
30 × 105
Nm–2.
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Vorzugsweise
wird die integrale Struktur auf eine Temperatur erhitzt, die gleich
850°C oder
größer ist,
um die integrale Struktur superplastisch zu formen.
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Vorzugsweise
wird die integrale Struktur auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C erhitzt.
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Vorzugsweise
wird die integrale Struktur einer Formgebung durch Warmfließen bei
einer Temperatur unterworfen, die gleich oder größer als 740°C ist.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (b) ein Stauchschmieden.
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Vorzugsweise
wird der Bereich vergrößerter Dicke
spanabhebend bearbeitet. Vorzugsweise wird der Bereich vergrößerter Dicke
anschließend
bearbeitet, um einen Schwalbenschwanzfuß oder einen Tannenbaumfuß zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt (b) die Erhitzung der integralen
Struktur auf eine vorbestimmte Temperatur, bevor das Schmieden beginnt.
Vorzugsweise wird die integrale Struktur auf eine Temperatur zwischen
900°C und 950°C erhitzt.
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Vorzugsweise
hat im Schritt (a) jedes der wenigstens zwei metallischen Werkstücke wenigstens eine
flache Oberfläche.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (c) die spanabhebende Bearbeitung der Metallbramme,
um zwei sich in Längsrichtung
verjüngende
Metallwerkstücke
zu erzeugen.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt (e) die Anordnung der dickeren Enden der metallischen
Werkstücke
an einem Ende des Stapels.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
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1 zeigt einen Gegenstand,
der durch superplastische Verformung und Diffusionsverschweißung gemäß der Erfindung
hergestellt wurde;
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2 ist eine perspektivische
Ansicht einer Metallbramme vor Durchführung des Stauchschmiedeverfahrens;
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3 ist eine perspektivische
Ansicht einer Metallbramme vor Durchführung des Stauchschmiedeverfahrens;
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4 veranschaulicht die spanabhebende Bearbeitung
der geschmiedeten Metallbramme zwecks Erzeugung zweier Werkstücke;
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5 ist eine auseinandergezogene
perspektivische Darstellung eines Stapels aus zwei Metallwerkstücken gemäß 4 und eines weiteren metallischen
Werkstücks,
die danach superplastisch verformt und diffusionsverschweißt werden,
um einen Gegenstand gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen;
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6 ist eine perspektivische
Ansicht des Stapels aus drei metallischen Werkstücken gemäß 5, wobei die integrale Struktur dargestellt
ist, nachdem die Diffusionsverschweißung durchgeführt wurde;
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7 veranschaulicht eine perspektivische auseinandergezogene
Darstellung eines Stapels von zwei metallischen Werkstücken gemäß 4, die superplastisch verformt
und diffusionsverschweißt sind,
um einen Gegenstand gemäß der Erfindung
zu erzeugen.
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Eine
Fan-Laufschaufel 10 eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks
ist in 1 dargestellt. Sie
besteht aus einem stromlinienförmig
gestalteten Arbeitsteil 12, der eine Vorderkante 14,
eine Hinterkante 16, eine konkave Oberfläche 18,
eine konvexe Oberfläche 20,
einen Schaufelfuß 26 und
eine Schaufelspitze 28 aufweist. Die Fan-Laufschaufel 10 ist
hohl und weist innerhalb des stromlinienförmig gestalteten Arbeitsteils 12 mehrere
Räume 22 auf,
die durch einen Parallelträgeraufbau 24 voneinander
getrennt sind.
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Wie
aus 2 ersichtlich, wird
eine Ausgangsbramme 30 in Form eines Parallelepipedes aus
einer Titanlegierung erzeugt, und die Bramme 30 aus der
Titanlegierung besitzt ein. erstes Ende 32 und ein zweites
Ende 34 und eine erste Oberfläche 36 und eine zweite
Oberfläche 38.
Die Parallelepiped-Bramme 30 aus der Titanlegierung wird
einem Stauchschmiedeverfahren unterworfen, um einen Block 40 aus
Titanlegierung zu erzeugen, wie dieser in 3 dargestellt ist. Im Einzelnen werden
erstes und zweites Ende 32 und 34 der Parallelepiped-Bramme 30 aus
der Titanlegierung einem Stauchschmieden unterworfen, um am ersten
Ende 32 eine Verdickung 42 zu erzeugen und am
zweiten Ende 34 eine Verdickung 44 zu erzeugen,
wie dies in 3 dargestellt
ist. Die Erhöhung
der Dicke 42 erstreckt sich von der ersten Oberfläche 36,
und die Erhöhung
der Dicke 44 erstreckt sich von der zweiten Oberfläche 38.
Die Vergrößerungen
in der Dicke 42 und 44 des Titanlegierungsblocks 40 werden
schließlich
der Schaufelfuß 26 der
Fan-Laufschaufel 10. Das Stauchschmieden umfasst die Plazierung
der Parallelepiped-Bramme 30 aus Titanlegierung in einem Schmiedegesenk
und eine Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°, worauf
die ersten und zweiten Enden 32 und 34 durch Schmieden
gestaucht werden.
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Die
beiden sich in Längsrichtung
verjüngenden
Werkstücke 50 und 52 aus
einer Titanlegierung werden dadurch erzeugt, dass erste und zweite Schlitze 51 und 53 in
der ersten und zweiten Oberfläche 36 bzw. 38 des
Blocks 40 aus der Titanlegierung spanabhebend ausgearbeitet
werden und indem der Block 40 aus der Titanlegierung längs einer
geneigten Ebene X von dem ersten Schlitz 51 in der ersten Oberfläche 36 nach
dem zweiten Schlitz 52 in der zweiten Oberfläche 38 geschnitten
wird, um zwei in Längsrichtung
sich verjüngende
Werkstücke 50 und 52 aus
der Titanlegierung zu erzeugen, wie dies in 4 dargestellt und im Einzelnen in unserem
britischen Patent GB-B-2306353 beschrieben ist. Der erste Schlitz 51 liegt
benachbart zu der Verdickung 42, und der zweite Schlitz 53 liegt
benachbart zu der Verdickung 44. Der Schnitt wird vorzugsweise
durch eine Bandsäge
durchgeführt.
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Die
beiden Werkstücke 50 und 52 aus
der Titanlegierung und ein drittes Werkstück 54 aus der Titanlegierung
werden zu einem Stapel 56 zusammengebaut, wie dies aus 5 ersichtlich ist. Das Werkstück 50 besitzt
eine einzige flache Oberfläche 58, das
Werkstück 52 besitzt
eine einzige flache Oberfläche 60,
und das Werkstück 54 besitzt
zwei flache Oberflächen 62 und 64.
Die flachen Oberflächen 58 und 62 des
Werkstücks 50 bzw. 54 sind
aneinandergefügt,
und die flachen Oberflächen 60 und 64 der Werkstücke 52 bzw. 54 sind
ebenfalls aneinandergefügt.
Die Werkstücke 50 und 52 verjüngen sich,
und ihre Dicke steigt vom Ende 66 nach dem Ende 68 an. Die
Werkstücke 50 und 52 sind
so angeordnet, dass die verdickten Bereiche 42 und 44 der
Werkstücke 50 bzw. 52 sich
am Ende 68 befinden.
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Vor
dem Zusammenbau der Werkstücke 50, 52 und 54 zu
dem Stapel 56 wird das erste Werkstück 50 spanabhebend
in einem Bereich 70 bearbeitet, der zentral in der Oberfläche 72 des
ersten Werkstücks 50 liegt,
und das zweite Werkstück 52 wird
in einem Bereich 74 bearbeitet, der in der Mitte der Oberfläche 76 des
zweiten Werkstücks 52 liegt.
Die zentralen bearbeiteten Bereiche 70 und 74 sind
so konturiert, dass eine Veränderung
der Massenverteilung der Fan-Laufschaufel 10 von der Vorderkante 14 nach
der Hinterkante 16 und vom Schaufelfuß 26 nach der Schaufelspitze 28 dadurch
bewirkt wird, dass die Tiefe der Bearbeitung sich ändert.
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Beispielsweise
kann sich die Dicke von erstem und zweitem Werkstück 50 und 52 über den
bearbeiteten Mittelbereich 70 und 74 in Richtung
zwischen den Rändern 78 und 80 und
in Richtung zwischen den Enden 66 und 68 von erstem
und zweitem Werkstück 50 und 52 ändern.
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Die
spanabhebende Bearbeitung der zentralen bearbeiteten Bereiche 70 und 74 von
erstem und zweitem Werkstück 50 bzw. 52 erfolgt
durch Fräsen, durch
elektrochemische Bearbeitung, durch chemische Bearbeitung, durch
Elektrofunken-Bearbeitung oder
durch andere geeignete spanabhebende Verfahren.
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Die
aneinanderliegenden Oberflächen 58 und 62 der
Werkstücke 50 und 54 und
die aneinanderliegenden Oberflächen 60 und 64 der
Werkstücke 52 bzw. 54 werden
dann für
die Diffusionsverschweißung
durch chemische Reinigung vorbereitet. Eine der aneinanderliegenden
Oberflächen 58 und 62,
in diesem Beispiel die Anlageoberfläche 62, besitzt ein aufgetragenes
Trennmaterial 82. In gleicher Weise besitzt eine der aneinanderliegenden
Oberflächen 60 und 64,
in diesem Fall die Anlageoberfläche 64,
ein aufgetragenes Trennmaterial. Das Trennmaterial kann aus pulverisiertem
Yttriumoxid in einem Binder und Lösungsmittel bestehen, z.B.
kann es ein Material sein, welches unter der Bezeichnung „Stopyt 62A" bekannt ist,
das von einer amerikanischen Gesellschaft mit der Bezeichnung GTE
Service Corporation, 100 Endecott Street, Danvers, MA10923, USA,
vertrieben wird.
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Das
Trennmaterial wird in dem gewünschten Muster
durch einen bekannten Siebdruck oder andere geeignete Verfahren
aufgebracht. Das gewünschte
Muster aus Trennmaterial verhindert eine Diffusionsverschweißung zwischen
vorbestimmten Bereichen der Werkstücke 50, 52 und 54.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das Trennmaterial in geraden Linien auf den Oberflächen 62 und 64 des
Werkstückes 54 außer in Bereichen
aufgetragen, die benachbart zu den Rändern 78 und 80 und
den Enden 66 und 68 genügend weit entfernt liegen,
um eine befriedigende Diffusionsverschweißung durchführen zu können.
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Das
Werkstück 50 besitzt
zwei Passlöcher 84,
die axial auf entsprechende Passlöcher 86 im Werkstück 52 und
Passlöcher 88 im
Werkstück 54 ausgerichtet
sind, um eine genaue Positionsbeziehung zwischen den drei Werkstücken 50, 52 und 54 zu
gewährleisten.
Die Werkstücke 50, 52 und 54 werden
in dieser Lagebeziehung durch zwei nicht dargestellte Passstifte
gehalten, die in die axial ausgerichteten Passlöcher 84, 86 und 88 eingesteckt
werden.
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Die
Werkstücke 50, 52 und 54 des
Stapels 56 werden so zusammengefügt, dass ein Ende eines Rohres 90 aufgenommen
wird. In diesem Fall wird eine Nut 92 in der Oberfläche 58 des
ersten Werkstücks 50 eingearbeitet
und eine Nut 94 wird in der Oberfläche 60 des zweiten
Werkstücks 52 spanabhebend
hergestellt, und es wird ein Schlitz 96 in dem dritten
Werkstück 54 spanabhebend
hergestellt. Das Rohr 90 wird so positioniert, dass es
zwischen die drei Werkstücke 50, 52 und 54 einsteht.
Ein Ende des Rohres 90 ist mit dem Muster von Trennmaterial
zwischen den Werkstücken 50, 52 und 54 verbunden. Bei
Vollendung des Zusammenbaus in der beschriebenen Weise erfolgt eine
Verschweißung
am Umfang, so dass die Ränder
und die Enden der Werkstücke 50, 52 und 54 miteinander
verschweißt
werden. Das Rohr 90 wird ebenfalls über seinen Umfang mit den Werkstücken 50, 52 und 54 verschweißt. Es wird dadurch
ein verschweißter
Aufbau geschaffen, der abgedichtet ist mit Ausnahme des Einlasses,
der durch das Rohr 90 gebildet wird.
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Das
Rohr 90 liegt an einem Ende, und bei diesem Ausführungsbeispiel
an dem Ende, das später
den Schaufelfuß 26 der
Fan-Laufschaufel 10 des abgedichteten Aufbaus bildet, jedoch
ist es zweckmäßig, dass
das Rohr an der Spitze 28 der Fan-Laufschaufel 10 liegt.
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Das
Rohr 90 wird dann an eine Vakuumpumpe angeschlossen, die
benutzt wird, um das Innere des verschweißten Aufbaus zu evakuieren,
und dann wird ein inertes Gas, z.B. Argon, dem Inneren des verschweißten Aufbaus
zugeführt.
Diese Evakuierung und Zuführung
von inertem Gas nach dem Inneren des verschweißten Aufbaus kann mehrfach
wiederholt werden, um zu gewährleisten,
dass Spuren von Sauerstoff, oder im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff,
aus dem Inneren des verschweißten
Aufbaus entfernt werden. Die Zahl von Zyklen, über die das Innere des verschweißten Aufbaus
evakuiert und mit inertem Gas gespült wird, hängt von der Größe der Werkstücke und
der erforderlichen Integrität
des fertigen Bauteils oder Gegenstandes ab. Je kleiner der verbleibende
Sauerstoffrest, desto besser ist die Qualität der folgenden Diffusionsverschweißung. Das
inerte Gas wird zugeführt,
um das Innere des verschweißten
Aufbaus auf atmosphärischen
Druck zu bringen.
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Der
verschweißte
Aufbau wird evakuiert und in einen Ofen eingesetzt. Der verschweißte Aufbau wird
dann auf eine Temperatur zwischen 250°C und 350°C erhitzt, um den Binder des
Trennmaterials zu verdampfen. Während
des Ausbackens des Binders wird der verschweißte Aufbau kontinuierlich evakuiert,
um den Binder zwischen den Werkstücken 50, 52 und 54 zu
entfernen. Nachdem der Binder entfernt ist, was entweder durch Überwachung
der Binderreste im extrahierten Gas aus dem verschweißten Aufbau
oder durch Aufrechterhalten des verschweißten Aufbaus bei einer Temperatur
zwischen 250°C
und 350°C
während
einer vorbestimmten Zeitdauer bestimmt wird, wird der verschweißte Aufbau
aus dem Ofen entfernt, und man lässt
ihn auf Aufgebungstemperatur abkühlen,
während
kontinuierlich eine Evakuierung stattfindet. Der Binder wird aus
dem verschweißten
Aufbau bei einer genügend
niedrigen Temperatur ausgebacken, um die Oxidation der äußeren Oberfläche des
verschweißten
Aufbaus zu vermindern oder zu verhindern.
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Dann
wird das Rohr 90 derart abgedichtet, dass ein Vakuum in
dem verschweißten
Aufbau erzeugt und auf diese Weise ein abgedichteter Aufbau hergestellt
wird. Der abgedichtete Aufbau wird dann vorsichtig nach einem Autoklaven überführt. Die Temperatur
im Autoklaven wird derart erhöht,
dass der abgedichtete Aufbau auf eine Temperatur von mehr als 850°C aufgeheizt
wird. Der Argondruck im Autoklaven wird dann auf einen Druck von
mehr als 20,26 × 105 Nm–2 (20 Atmosphären, 294
Pfund pro Quadratzoll) angehoben und auf jener Temperatur und jenem
Druck eine vorbestimmte Zeit lang gehalten. Vorzugsweise wird der
abgedichtete Aufbau auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C aufgeheizt,
und der Druck liegt zwischen 20,26 × 105 Nm–2 (294
Pfund pro Quadratzoll) und 30,39 × 105 Nm–2 (441
Pfund pro Quadratzoll). Wenn beispielsweise der abgedichtete Aufbau
auf eine Temperatur von 925°C
aufgeheizt wird und der Druck auf 300 Pfund pro Quadratzoll angehoben
wird, dann werden Temperatur und Druck über etwa zwei Stunden lang
konstant gehalten. Dann wird der Druck auf Umgebungsdruck abgesenkt,
und es wurde eine Diffusionsverschweißung innerhalb des abgedichteten
Aufbaus erreicht, der dann zu einer integralen Struktur 100 geworden
ist, und diese Struktur wird aus dem Autoklaven enffernt. Die Diffusionsverschweißung erfolgte
in jenen Bereichen 102, die durch die strichlierten Linien
angedeutet sind, und die Diffusionsverschweißung wurde in anderen Bereichen
verhindert, wie dies in 6 dargestellt
ist.
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Das
Rohr 90 wird aus der integralen Struktur 100 enffernt,
und es wird ein zweites Rohr in die integrale Struktur 100 eingesetzt.
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Die
integrale Struktur 100 wird dann in eine Fließform eingelegt,
und die integrale Struktur 100 wird erhitzt, während sie
in der Form befindlich ist, damit die integrale Struktur 100 durch
Warmfließen verformt
wird, um so eine stromlinienförmige
Gestalt zu erhalten. Während
des Warmfließ-Formprozesses wird
die integrale Struktur 100 auf eine Temperatur von 740°C aufgeheizt.
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Die
durch Warmfließen
erzeugte integrale Struktur 100 wird dann in einem Gesenk
zur superplastischen Verformung eingefügt. Dieses weist eine konkave
Oberfläche
und eine konvexe Oberfläche auf.
Es wird ein inertes Gas, z.B. Argon, in die Bereiche innerhalb der
durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100 eingeführt, die
das Trennmaterial enthält,
um die Klebeverbindung aufzubrechen, die durch den Diffusionsschweißdruck erzeugt
wurde. Das Argon wird vorsichtig in jene Bereiche eingeführt, die
das Trennmaterial enthalten, und das Argon sickert durch das Trennmaterial
ein und erreicht schließlich
das gegenüberliegende
Ende der durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100. Das Argon muss über die
gesamte Länge
im Inneren der durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100 derart strömen, dass
die Klebeverbindung zwischen dem Trennmaterial und den Werkstücken 50, 52 und 54 aufgehoben
wird, die während
des Schrittes der Diffusionsverschweißung erzeugt wurde.
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Dieser
Schritt kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, weil das Metall
bei Raumtemperatur elastisch ist und die minimale Streckung, die dabei
auftritt, geht nicht über
die elastische Deformation hinaus. Infolgedessen hält die durch
Warmfließen
erzeugte integrale Struktur 100 ihre Form aufrecht, wenn
der Druck am Ende des Schrittes aufgehoben wird. Stattdessen kann
der Schritt bei der Temperatur der superplastischen Verformung durchgeführt werden,
jedoch besteht dann eine beträchtliche
Gefahr einer progressiven plastischen Deformation in Längsrichtung
der durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100 anstelle einer gleichmäßigen Deformation über die
gesamte durch Warmfließen
erzeugte integrale Struktur 100. Nichtsdestoweniger wird
der Fachmann in der Lage sein, das Aufbrechen der Klebeverbindung
durch geeignete Steuerung des Argondruckes einzustellen.
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Das
zweite Rohr wird dann mit einer Vakuumpumpe verbunden, die benutzt
wird, um das Innere der durch Warmfließen erzeugten integralen Struktur 100 zu
evakuieren, und dann wird ein inertes Gas, beispielsweise Argon,
dem Inneren der durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100 zugeführt. Dieses Verfahren der Evakuierung
und Zuführung
eines inerten Gases in das Innere der durch Warmfließen erzeugten
integralen Struktur 100 kann mehrfach wiederholt werden,
um zu gewährleisten,
dass die meisten, oder im Wesentlichen alle, Spuren von Sauerstoff
aus dem Inneren der durch Warmfließen erzeugten integralen Struktur 100 entfernt
sind. Die jeweilige Anzahl von Vorgängen, mit denen das Innere
der durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100 evakuiert und mit einem
inerten Gas gespült wird,
hängt von
der Größe des Werkstücks und
von der erforderlichen Integrität
des fertigen Bauteils ab. Das inerte Gas wird zugeführt, um
das Innere der durch Warmfließen
erzeugten integralen Struktur 100 auf atmosphärischen
Druck zu bringen.
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Die
durch Warmfließen
erzeugte integrale Struktur 100 und das Superplastik-Formgesenk werden
dann in einen Autoklaven eingesetzt. Die durch Warmfließen erzeugte
integrale Struktur 100 wird dann auf eine Temperatur von
mehr als 850°C,
vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°, erhitzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden das Gesenk und die durch Warmfließverfahren erzeugte integrale
Struktur 100 auf 925°C
erhitzt. Ein inertes Gas, z.B. Argon, wird in das Innere der durch Warmfließen erzeugten
integralen Struktur 100 zwischen den Werkstücken 50, 52 und 54 derart
eingeführt,
dass die Werkstücke 50 und 54 die
Oberflächen
des Gesenkformkörpers
annehmen. Hierdurch wird superplastisch das Werkstück 54 mit
einer hohlen Innenstruktur erzeugt, die von dem Muster abhängt, mit
dem das Trennmaterial aufgetragen wurde.
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Die
Größe der Bewegung
von wenigstens einem der Bleche während der Deformation ist derart, dass
es erforderlich ist, dass eine superplastische Streckung auftritt.
Der Ausdruck „superplastisch" ist ein üblicher
Ausdruck in der Metallbearbeitungsbranche und wird deshalb nicht
im Einzelnen beschrieben.
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Um
eine superplastische Formgebung ohne Aufreißen der dünnen Metallwände zu gewährleisten,
wird Argon in einer Reihe von Impulsen eingeführt, und zwar mit einer vorberechneten
Rate, wodurch eine gewünschte
Streckungsrate erreicht wird, wie dies auf den Seiten 615-623 des
Buches mit dem folgenden Titel beschrieben ist: „The Science, Technology and
Application of Titanium" ,
welches von R.I. Jaffe und N.E. Promisel editiert und von Pergamon Press
im Jahre 1970 veröffentlicht
wurde. Dieses Verfahren gewährleistet,
dass das Metall einer solchen Beanspruchungsrate unterworfen wird,
dass die maximal mögliche
Geschwindigkeit der Streckung an irgendeinem gegebenen Punkt des
Verfahrens erreicht wird. Die Rate der angewandten Impulse und/oder
das Volumen der Impulse der Gasimpulse kann sich so während der
Ausdehnung der Werkstücke 50, 52 und 54 ändern.
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Bei
Vollendung der Warmformung/Superplastikformung wird die inerte Argonatmosphäre innerhalb
der integralen Struktur aufrecht erhalten, während die Struktur abgekühlt wird.
Die integrale Struktur wird dann spanabhebend bearbeitet und/oder
geschliffen, um überschüssiges Metall
zu entfernen und um die erforderlichen Vorderkantenformen und Hinterkantenformen 14 und 16 der
fertigen Fan-Laufschaufel 10 zu erzeugen und um den verdickten
Bereich 102 spanabhebend zu bearbeiten und den schwalbenschwanzförmigen Schaufelfuß oder den
Tannenbaum-Schaufelfuß 26 zu
erzeugen.
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Der
Vorteil des Stauchschmiedens der integralen Struktur, die durch
Diffusionsverschweißen der
metallischen Werkstücke
erzeugt wird, besteht darin, dass dünnere, ursprünglich parallelepipedisch gestaltete
metallische Brammen benutzt werden können. Dadurch können metallische
Brammen benutzt werden und demgemäß metallische Werkstücke, die eine
verbesserte Mikrostruktur aufweisen.
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Die
Benutzung von dünneren,
parallelepipedisch ausgebildeten metallischen Brammen schafft die
Möglichkeit,
mehrere metallische Werkstücke
von einem einzigen Metallbarren zu erhalten, und demgemäß können mehrere
Fan-Laufschaufeln
aus einem einzigen Metallbarren hergestellt werden. Hierdurch wird
auch die Notwendigkeit vermieden, zusätzliche Metallblöcke zur
Benutzung des Schaufelfußes
heranzuziehen. Der Anteil der erforderlichen spanabhebenden Bearbeitung
der metallischen Werkstücke
vor der gegenseitigen Diffusionsverschweißung wird vermindert, weil
die metallischen Werkstücke
näher der
fertigen Form und Größe angepasst
sind.
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Beispielsweise
können
aus einem einzigen Barren aus Titan dreißig Parallelepiped-Brammen mit einer
Dicke von 21 mm erzeugt werden, die dann ein Zerschneiden erfordern,
um sechzig Metallwerkstücke
herzustellen, aus denen dreißig
Fan-Laufschaufeln
erzeugt werden. Wenn ein einziger Titanbarren fünfundvierzig Parallelepiped-Brammen
erzeugt, die eine Dicke von 14 mm haben, was danach ein Zerschneiden
zur Erzeugung von neunzig Metallwerkstücken erfordert, dann ergeben
sich fünfundvierzig Fan-Laufschaufeln.
Dies ist eine 50%ige Verbesserung der Materialausnutzung.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 7 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden zwei Werkstücke 110 und 112 aus
einer Titanlegierung zu einem Stapel 114 zusammengebaut,
wie dies aus 7 ersichtlich
ist. Das Werkstück 110 besitzt
eine flache Oberfläche 116 und
das Werkstück 112 besitzt
eine flache Oberfläche 120.
Die flachen Oberflächen 116 und 120 der Werkstücke 110 bzw. 112 werden
so angeordnet, dass sie sich aneinanderliegend berühren. Die
Werkstücke 110 und 112 sind
verjüngt
ausgebildet und ihre Dicke vergrößert sich
in Längsrichtung
von dem Ende 122 nach dem Ende 124.
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Die
Werkstücke 110 und 112 aus
der Titanlegierung werden in der gleichen Weise erzeugt wie dies
unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wurde.
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Die
beiden Werkstücke 110 und 112 aus
der Titanlegierung werden in der gleichen Weise verarbeitet wie
die drei Titanlegierungswerkstücke 50, 52 und 54,
die in Verbindung mit den 4 bis 6 beschrieben wurden.
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Nach
Vollendung der Warmformung/Superplastikformung wird die inerte Argonatmosphäre innerhalb
der integralen Struktur aufrecht erhalten, während die Struktur abkühlt. Die
integrale Struktur wird dann spanabhebend bearbeitet und/oder geschliffen,
um überschüssiges Metall
zu entfernen, um die erforderlichen Vorderkantenformen und Hinterkantenformen
der fertigen Fan-Laufschaufel, der Kompressor-Laufschaufel oder
der Fan-Auslass-Leitschaufel zu erzeugen. Der verdickte Bereich der
integralen Struktur wird spanabhebend bearbeitet, um einen Schwalbenschwanzfuß oder einen
Tannenbaumfuß für die Fan-Laufschaufel
oder die Kompressor-Laufschaufel oder um eine geeignete Befestigung
einer Fan-Auslass-Leitschaufel
zu erzeugen.
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Die
Fan-Laufschaufel, die Kompressor-Laufschaufel oder die Fan-Auslass-Leitschaufel, die
aus zwei metallischen Werkstücken
hergestellt sind, haben eine einfache hohle Struktur ohne einen
Parallelträgeraufbau.
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Der
Vorteil des Stauchschmiedens der metallischen Bramme besteht wiederum
darin, dass ursprünglich
dünnere,
metallische Parallelepiped-Brammen benutzt werden können. Hierdurch können Metallblöcke und
demgemäß metallische Werkstücke hergestellt
werden, die eine verbesserte Mikrostruktur aufweisen.
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Die
Benutzung von dünneren,
metallischen Parallelepiped-Brammen schafft die Möglichkeit, eine
größere Zahl
metallischer Werkstücke
aus einem einzigen Metallbarren herzustellen, und demgemäß können mehr
Fan-Laufschaufeln, Kompressor-Laufschaufeln oder Fan-Auslass-Leitschaufeln aus
einem einzigen Metallblock hergestellt werden. Dadurch fällt auch
die Notwendigkeit der Benutzung zusätzlicher Metallblöcke weg,
um den Schaufelfuß oder
Befestigungsanordnungen zu erzeugen. Der Anteil der erforderlichen
spanabhebenden Bearbeitung der metallischen Werkstücke vor
der gegenseitigen Diffusionsverschweißung wird vermindert, weil die
metallischen Werkstücke
bereits eine Form aufweisen, die der Endgestalt und Größe der Schaufel näherkommt.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Fan-Laufschaufeln, Kompressor-Laufschaufeln und Fan-Auslass-Leitschaufeln
beschrieben, jedoch ist die Erfindung in gleicher Weise für andere
Hohlkörper
oder hohle Bauteile anwendbar, die einen Bereich erhöhter Dicke
erfordern, um ein Befestigungsglied zu erzeugen oder die aus anderen
Gründen
an dieser Stelle verdickt sind.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Titanbleche oder Werkstücke aus
Titan beschrieben, jedoch ist die Erfindung auch anwendbar für andere Metallbleche
oder Werkstücke,
die nicht warmverformbar oder superplastisch verformbar sind.
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Die
Beschreibung bezieht sich auf die Diffusionsverschweißung flacher
Oberflächen
von metallischen Werkstücken.
Es ist jedoch auch möglich,
eine Diffusionsverschweißung
konturierter Oberflächen von
metallischen Werkstücken
durchzuführen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit dem Schneiden des
Titanlegierungsblockes in einer geneigten Ebene zwischen zwei Schlitzen benachbart
zu den verdickten Bereichen beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, den
Titanlegierungsblock an jeder anderen geeigneten Stelle zwischen den
Enden des Titanlegierungsblockes zu schneiden, indem beispielsweise
der Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche des Titanlegierungsblockes und
an einer Stelle im gleichen Abstand von den Enden des Titanlegierungsblockes
durchgeführt
wird.