DE2156440A1

DE2156440A1 - Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften

Info

Publication number: DE2156440A1
Application number: DE19712156440
Authority: DE
Inventors: Roy Lee North Palm Beach; Moore Joseph Burton Jupiter Tequesta; Fla. Athey (V.StA.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-11-13
Publication date: 1972-07-20
Also published as: FR2120721A5; GB1356838A; IL38269A; CH587919A5; IT944421B; US3711936A; IL38269A0; CA963211A

Description

Neuanmeldung

Anmelderin: UNITED AIRCRAFT CORPORATION

meine Akte 740/71

Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften

Priorität: 28. Dezember 1970, V.St.A., Ser.-No. 101,742

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften, sogenannten Komposit-Werkstücken oder Sandwich-Material, wie es durch Wärme- und Diffusionsverschweissen erhalten werden und insbesondere für die Herstellung von faserverstärkten bzw. Hohlräume aufweisenden Metallteilen für Gasturbinentriebwerke verwendet werden kann.

Man hat sich schon immer bemüht, Gasturbinentriebwerke so zu bauen, dass sie möglichst optimal, mit hohem Wirkungsgrad arbeiten; dies ist insbesondere in jüngster Zeit aus wirt-

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schaftlichen Gründen äusserst dringend geworden. Tatsächlich sind jedoch in der Mehrzahl der Fälle dem Konstrukteur bei der Konstruktion der Triebwerke durch die physikalischen Eigenschaften des ihm zur Verfügung stehenden Materials Grenzen gesetzt. Pur besonders fortschrittliche Triebwerk-Konstruktionen hat man sich in letzter Zeit damit beholfen, dass man Austrittsschaufeln und Flügel sowie Metallteile für die inneren gekühlten Durchgänge aus faserverstärktem Material gefertigt hat. Zwar hat man dadurch einen verbesserten Wirkungsgrad der modernen Turbinentriebwerke erreichen können, jedoch haben sich infolge der dadurch bedingten erhöhten Komplexizität der Bauteile für die Fabrikation ganz erhebliche Schwierigkeiten ergeben.

Für die Fertigung von faserverstärkten Metallteilen gibt es eine Anzahl von Herstellungstechniken. Die meistbenutzte Arbeitsweise besteht darin, dass die Verstärkungsfasern in der gewünschten Anordnung bzw. Orientierung in eine Form eingelegt und dann ein geeignetes Matrix-Material aufgegossen, eingepresst oder um die Fasern herumgesintert und so das aus verschiedenem Werkstoff bestehende Werkstück gefertigt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass hohe Drücke und hohe Temperaturen erforderlich sind und damit die Gefahr besteht, dass die Verstärkungsfasern brechen oder chemische Beeinflussungen und Reaktionen zwischen Fasern und Matrix-Material auftreten und im Ergebnis in dem fertigen Werkstück nicht die hohen Featigkeitswerte erreicht werden, die man benötigt und erwartet hat, wenigstens nicht gleichförmig innerhalb des gesamten Werkstück-Materials.

Wenn dünnwandige hohle Metallteile gefertigt werden müssen, geschieht dies üblicherweise dadurch, dass Legierungsmaterial um in geeigneter Weise ausgeformte aualaugbare Kernmaterialien herumgegossen werden und aus dem fertigen Ousa-Stüok anschliessend das Kernmaterial ausgelaugt bzw. ausgelöst wird. Dabei ist es nachteilig, dass praktisch alle solche Hohl teile als Einzelteile gefertigt werden müssen, und man hat schon über-

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legt, dass es eine grosse Vereinfachung für die Herstellung solcher Hohlteile bedeuten würde, wenn man die Teile durch Vereinigung von mehreren verschiedenen Einzelstücken, Verbindung solcher Einzelstücke zu einem Oesamt-Meta 11 teil und Behandlung dieses Gesamt-Metallteils in geeigneter Weise, z.B. durch Diffusionsverschweissen, fertigen könnte.

Die Maschinenarbeit für die Fertigung der jeweiligen Einzelteile würde normalerweise weniger schwierig sein als die Arbeit, die aufgewendet werden muss, wenn man ein zusammengesetztes Teil im Ganzen einstückig fertigt. Dies gilt besonders dann, wenn hohle Metallteile herzustellen sind, denn dann können die maschinellen Schwierigkeiten, die für die Fertigung von innen gelegenen Gängen relativ komplexer Konfiguration bestehen, eliminiert werden.

Diffusionsverschweissung ist eine bekannte Arbeitsweise, beispielsweise der amerikanischen Patentschrift Nr. 5,527,382 zu entnehmen. Darin ist die Verbindung der Metalle auch erwähnt, gewöhnlich unterhalb deren Schmelzpunkt, und diese Verbindungstechnik wird häufig gewählt, und zwar bevorzugt vor der Schare 1 ζschweissung und der Verbindung durch Hartlöten, weil sich damit eine hervorragende Reproduzierbarkeit erreichen lässt und weil, was noch wichtiger ist, die Homogenität des Materials an der Verbindungsstelle grosser ist. Tatsächlich lässt sich, wenn die Diffusionsverbindung sauber ausgeführt worden ist, die Verbindungsfläche praktisch von dem Grundmaterial nicht unterscheiden, selbst nicht bei mikroskopischer metallurgischer Prüfung. Allerdings benötigt man bei den üblichen Diffusions-Verbindungsverfahren hohe Temperaturen und hohe Drücke, wenn man so ausgezeichnete Verbindungsausbildung erzielen will. Das wiederum hat den Nachteil, dass die Teile so konstruiert sein müssen, dass die erforderliche schnelle Wärmeableitung möglich ist; es müssen also dünnwandige bzw. mit Durchbrochen versehene Sektionen eingeplant sein, und diese sind anfällig gegen Deformation und Bruch.

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In der amerikanischen Patentschrift Nr. 3,519,503 ist ein Verfahren zum Umformen bei höheren Temperaturen, eine Schmiedemethode, beschrieben, mit der verschiedene Legierungen, auch hochfeste Legierungen, die besonders geeignet sind zur Fertigung von Teilen für Gasturbinentriebwerke, in geeigneter Weise zu sehr komplexen Konfigurationen in Leichtpressen bei sehr geringen Drücken umgeformt werden können. Bei diesem Verfahren ist es für ein ordentliches Verarbeiten der umzuformenden Legierung unbedingt erforderlich, dass das Material in einem temporären, also nicht beständigen Zustand geringer Festigkeit und hoher Duktilität des Materials während der Verarbeitung gehalten wird. Es ist kürzlich in der Literatur davon berichtet worden, dass Materialien die Fähigkeit haben, in einem als Superplastizität bezeichneten Zustand eine über das übliche hinausgehende starke Dehnung auszuhalten, ohne dass Bruch erfolgt. Dabei darf jedoch nicht übersehen werden, dass in der zuvor erwähnten Patentschrift und auch in dem nachfolgend beschriebenen erfindungsgemässen Verfahren keineswegs Materialien benutzt werden, die ganz allgemein für an sich superplastisch gehalten werden. Ein solcher Materialzustand würde selbstverständlich für die Eigenschaften, die man für Gasturbinentriebwerk-Teile oder Werkstücke ähnlicher Art erwartet, extrem nachteilig sein, und demzufolge muss ein solcher Zustand unbedingt temporärer, also vorübergehender Natur sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstücke aus Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften auf Basis von Legierungen zu schaffen, wobei die nicht beständige Zustandsform niedriger Festigkeit und hoher Duktilität ausgenutzt, jedoch das fertige Werkstück im Endzustand mit den für die genannten Zwecke der Verwendung in Gasturbinentriebwerken und für ähnliche Beanspruchungen erforderlichen hochfesten Eigenschaften geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens der eingangs

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beschriebenen Art zur Herstellung von Werkstücken aus Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften, welches erfindungsgeraäss dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer ersten Verfahrensstufe eine Legierung, die als Einbettungsmaterial eingesetzt wird, in ihre nicht beständige Zustandsform von Superplastizität gebracht wird, in einer zweiten Verfahrensstufe ein mit dem Legierungsmaterial verträgliches aber diesem in dessen nicht beständiger Zustandsforra von Superplastizität gegenüber besser formbeständiges Stützmaterial in gewünschter Orientierung zwischen zwei Flächen des vorbereiteten Legierungseinbettungsmaterials geschichtet wird, in einer drit- | ten Verfahrensatufe das Legierungseinbettungsmaterial unter Aufrechterhaltung des Zustande von Superplastizität um dieses Stützmaterial herum verpreast wird, und in einer vierten Verfahrensatufe die sich gegenüber liegenden Fläohen des Legierung smaterials duroh Diffusion miteinander verbunden werden.

Beim erfindungegemässen Verfahren bedient man sich also der temporären Zustandsform niedriger Festigkeit und hoher Duktilität, um das Legierungan»terial mit dem Stützmaterial allseitig zu verschweiasen und dann die Diffusionsverbindung vorzunehmen, ffan kann das erfindungsgemäss hergestellte Material in diesem Zustand verwenden, in welohem die Stutzmaterialien innerhalb dea Materials verbleiben und dann als Verstärkung { dienen. Jedoch kann es für bestimmte Anwendungszwecke auch vorteilhaft sein* das Stützmaterial aus dem Legierungaeinbet-, tungsmaterial selektiv zu entfernen, vorzugsweise auszulaugen· Dies iat besondere dann vorteilhaft, wenn Teile gefertigt werden aollen, die innere Durchgänge oder Hohlräume enthalten.

Ea kann weiterhin zweokmäaaig sein, beim erfindungagemäaaen Verfahren «in« nachgeaohaltete fünfte Verfahrensatufe vorzuaehen, in der da* aua dem verschiedenen Werkstoff beatehende Werketüok wKrnegehKrtet und dabei da β Legierung aimterial einer Auaaoheidungahärtung untersogen wird. Man kann darüber hinaus

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das Legierungsmaterial wärmebehandeln und dabei die Erstarrungsphase einer Ausscheidungshärtung unterziehen.

Anhand der nachstehenden Zeichnungen wird das erfindungsgemäsee Verfahren nachfolgend beispielsweise noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Anordnung einer Vielzahl von Drahtstücken, die zwischen zwei Legierungsplatten bereitgestellt sind,

Fig. 2 die Anordnung der Fig. 1 nach dem Verschweissen der Legierungeplatten um die Drahtstlicke und ansohliessender Diffusionsverbindung der Platten untereinander, und

Fig. 3 ein Gefiigemikrobild eines aus durch Verschweissung und Diffusionebindung einer Titanlegierung um EdeIstahldrahtstücke herum gebildeten Werkstücks.

In Fig. 1 sind eine Vielzahl von 304 Edelstahl-Drahtstücken parallel zwischen zwei darüber und darunter angeordneten Platten einer Titanlegierung aus 6 Gew. % Aluminium, 4 Qew. % Molybdän, Rest Titan angeordnet. Die Orösse der Legierungsplatten betragt etwa 6,35 cm im Durchmessen die Platten sind etwa 0,63 cm dick. In dieser in Flg. 1 dargestellten Anordnung wurde das Material unter Druck bei 927⁰C gewalzt· Ss wurden die nachfolgend angegebenen Eigenschaften erzielt. Diese wurden durch Zerreiss-Prüfungen ermittelt:

Probe FlieSspaunung % Dehnung % R.A. Dehnungsgesehwin-(k/äF) digkeit (»n.)

1	662,8	99	97,8	O,5O
S	38ß,4	164	99,5	0,15
3	3*5,0	I69	99,5	0,€5
4	98,5	400	99,2	0,02

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Die Proben hatten das in den Figuren 2 und J5 veranschaulichte Aussehen. Die Druckbehandlung wurde in einer kleinen Laboratoriumspresse (etwa l800 bis 2800 kg) bei 927⁰C im Vakuum mit so viel Druck durchgeführt, dass die Titanlegierung um die Drahtstücke herumgepresst wurde. Die Drahtstücke wurden durch das Pressen in ihrer radialen Konfiguration nicht beeinträchtigt; es wurde ein fertiges Werkstück mit einer Dicke von 0,95 cm gewonnen. In Pig. 3 erkennt man, dass durch die nachfolgende Diffusions-Verbindung Homogenität an den Verbindungsstellen erreicht wurde.

Anschliessend an die Verformung wurden die Edelstahl-Drahtstücke aus dem Komposit-Werkstück durch Herauslösen mit warmer 50 #iger Salpetersäure selektiv ausgelaugt.

Anschliessende metallurgische Untersuchung ergab, dass die Legierung um die Verstärkungsdrähte herumgeflossen war und so ein Fertiggebilde hergestellt worden war, das frei von Hohlräumen war. Darüberhinaus war durch die Diffusions-Verbindung eine vollständige Bindung zwischen den Legierungsteilen an der Zwischenfläche zwischen den Titanlegierungsscheiben erfolgt, und die Verbindungszonen, die sich dabei ausgebildet hatten, waren vollständig gleichförmig und praktisch nicht unterscheidbar von dem Grundmetall. Dies ist, wie bereits erwähnt, aus dem in Fig. 3 veranschaulichten Gefügemikrobild, in dem die Verbindungslinie horizontal in der Abbildung verläuft, deutlich ersichtlich.

Wie in den meisten Diffusions-Verbindungsverfahren 1st es auch beim erfindungsgemässen Verfahren empfehlenswert, die Flächen, die verbunden werden sollen, sorgfältig zu säubern. Insbesondere sollten die zu verbindenden Flächen während der Bearbeitung von verunreinigenden Teilchen, die den Verbindungsvorgang stören bzw. zu Heterogenität an den Verbindungsflächen führen könnten, freigehalten werden. Im speziellen Fall der

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Titan-Legierung wird das Verbinden zweckmässig im Vakuum und unter Inertgasschutz vorgenommen. Da Titanoxyde bei den zuvor beschriebenen Bedingungen, unter denen die Verbindung vorgenommen wird, löslich sind, beeinflussen solche Oxyde die Verbindungsbildung nicht nachteilig, es sei denn, sie sind in besonders grossen Mengen vorhanden.

Andererseits kann es vorkommen, dass Oxyde anderer Elemente, beispielsweise solche, die sich an.Legierungen auf Nickel-Basis bilden, im Verlauf der Verbindungsbildung nicht verflüchtigen, sich sogar auf gesäuberten Flächen unter Vakuum- und üiertgas-Bedingungen, wie sie bei solchen Verfahren üblicherweise benutzt werden, in solchen Mengen ausbilden, dass sie das Verfahren nachteilig zu beeinflussen vermögen. Es ist demzufolge häufig nicht ausreichend beim Arbeiten mit solchen Legierungen, nur eine anfänglich gesäuberte Oberfläche vorzusehen und diese unter einer Schutzatmosphäre zu halten, vielmehr sollte vorteilhaft unter Verwendung einer Schutzsubstanz zur Verbindungsbildung gearbeitet werden, wie dies beispielsweise in den amerikanischen Patentschriften Nr. 5,262,719 und Nr. 3,5^9,465 beschrieben ist.

Dabei kann als Schutzsubstanz zur Verbindungsbildung beispielsweise eine dünne Schicht von Nickel oder einer Nickel/Kobalt-Legierung benutzt werden, wenn die neuesten Nickel-Basis-Superlegierungen des 7-7*-Typs, insbesondere solche Superlegierungen mit hohem Aluminium- und hohem Titan-Gehalt verarbeitet werden. Durch solche dünnen Schichten von Nickel oder einer Nickel/Kobalt-Legierung erreicht man die gewünschte Homogenität an der Verbindung, wie dies in der amerikanischen Patentschrift Nr. 5i550j568 besehrieben ist. Es wurde, wie dort ausgeführt, gefunden, dass Diffusions-Verschweissungen, die zwischen Superlegierungen mit hohem Nickel-Gehalt angebracht werden, eine mit Ausscheidungen angereicherte planare Zone in der Verbindungs-area enthalten können, was zur Folge hat, dass die me-

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chanischen Eigenschaften schlechter sind. Ferner wurde gefunden, dass Verbindungen, die unterhalb der 7¹-Löslichkeit slinie hergestellt werden, zur Bildung einer groben 7*-Schicht an der Verbindungsstelle mit angrenzenden Bereichen, die an Aluminium und Titan verarmt sind, führen, was wiederum das Absinken der mechanischen Eigenschaften zur Folge hat. Wenn man dagegen eine dünne Nickelauflage einer Nickel/Kobalt-Legierung an der Verbindungsinneηschicht verwendet, dann lassen sich Verbindungen herstellen, die in ihrer MikroStruktur von dem Grundmetall praktisch nicht unter scheidbar sind.

Weiterhin ist es bei den üblichen Diffusions-Verbindungs-Verfahren erforderlich, dass die zu verbindenden Oberflächen engen Kontakt miteinander haben, gut gegeneinander passen, denn beim Diffusionsverbinden erfolgt normalerweise ein Diffusionsvorgang im festen Zustand an den zu verbindenden Oberflächen. Dies ist einer der Gründe, warum zweckmässigerweise beim Diffusionsverbinden relativ hohe Drücke angewendet werden. Überraschend wurde jedoch gefunden, dass beim erfindungsgemässen Verfahren das Aufeinanderpassen der Oberflächen bzw. gut abgeflachte Oberflächen nicht sonderlich kritisch sind und dass ein inniger Kontakt schon bei relativ niedrigen Drücken ausreichend erzielt wird. Dies lässt sich möglicherweise dadurch erklären, dass beim erfindungsgemässen Verfahren infolge des Vorhandenseins der verstärkenden Drahteinlagen bzw. sonstigen Stützmaterials eine Diffusionsbindung wenigstens an einigen Stellen der Oberflächen so ausreichend stattfindet, dass der Vorgang eingeleitet werden kann, und insoweit stellt das erfindungsgemässe Verfahren eine neue Erkenntnis gegenüber den üblichen Theorien der Diffusionsbindung dar.

Es versteht siah, dass das beim erfindungagemässen Verfahren zur Verwendung kommende Stützmaterial mit dem Legierungeeinbettung ematerial unter den Verarbeitungsbedingungen "ver-

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träglich sein muss. Darüberhinaus sollte das Stützmaterial unter diesen Bedingungen relativ wenig verformbar, wenigstens im Vergleich zu dem Einbettungsmaterial geringer verformbar sein. Ausserdem muss, wenn hohle Metallteile erfindungsgemäss gefertigt werden sollen, das Stützmaterial selektiv aus dem Einbettungsmaterial entfernbar, beispielsweise auslaugbar sein. Daraus ergibt sich, dass man üblicherweise als Stützmaterial ein von dem als Einbettungsmaterial eingesetzten Qrundlegierungssystem verschiedenes ffeterial verwendet. Jedoch ist dies nicht zwingend notwendig, wenn das Stützmaterial im dem fertigen Komposit-Werkstück verbleiben soll. Es lässt sich mit Erfolg nach dem erfindungsgemässen Verfahren auch so arbeiten, dass man das Einbettungslegierungsmaterial im Zustand von geringer Festigkeit und hoher Duktilität um ein Legierungsmaterial der gleichen chemischen Zusammensetzung, die sich jedoch in einem Zustand hoher Festigkeit und hoher Härte befindet, herumformt bzw. -schmiedet und diffusionsverbindet.

Es ist demzufolge ersichtlich, dass die Einbettungslegierungen in eine» nicht beständigen, temporären Zustand von Superplastizität eingesetzt und unter solchen Bedingungen um ein Stützmaterial herumgeschmiedet oder sonstwie verformt werden, unter denen es möglich ist, sowohl den Zustand der Superplastizität aufrecht zu erhalten, als auch die Ausbildung einer Diffusionsbindung zu bewirken. Dabei bedeutet Superplastizität ganz einfach die Fähigkeit eines Materials, unüblioh lange Deformationen ausauhalten, ohne dass Bruch erfolgt. Ein nioht beständiger, temporärer Zustand von Superplastizität setzt dabei voraus, dass sich dieser Zustand durch nachf olgende Behandlung der Einbettungslegierungen, beispielsweise durch Wärmebehandlung, wieder rückgängig machen lässt.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Werkstoffen mit verschiedenen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Verfahrens stufe eine Legierung, die als Einbettungsmaterial eingesetzt wird, in ihre nicht beständige Zustandsforin von Superplastizitat gebracht wird, in einer zweiten Ve rf ahrens stufe ein mit dem Legierungsmaterial verträgliches aber diesem in dessen nicht beständiger Zustandsform von Superplastizitat gegenüber besser formbeständige« Stützmaterial in gewünschter Orientierung zwischen zwei Flächen des vorbereiteten Legierungseinbettungsmaterials geschichtet wird, in einer dritten Verfahrensstufe das Legierungseinbettungsmaterial unter Aufrechterhaltung dessen Zustande von Superplafetizität um dieses Stützmaterial herum verpresst wird, und in einer vierten Verfahrensstufe die sich gegenüber liegenden Flächen des Legierungsmaterials durch Diffusion miteinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer nachgeschalteten fünften Verfahrensstufe das aus dem verschiedenen Werkstoff bestehende Werkstück wärmegehärtet und dabei das Legierungsmaterial einer Ausscheidungshärtung unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützmaterial aus dem Legierungseinbettungsmaterial selektiv entfernt, vorzugsweise ausgelaugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 - ~$₃ dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungsmaterial wärmebehandelt und dabei die Erstarrung spha se einer Ausscheidungshärtung unterzogen wird.

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