DE3307000C2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers, bei dem ein Metallpulver in einen zwischen mehreren Metallteilen aus demselben Metall oder aus unterschiedlichen Metallen oder einen zwischen diesen Metallteilen und einer Form oder einem Kern(stab) festgelegten Hohlraum eingefüllt und anschließend das Metallpulver mit der Schmelze eines Metalls, das einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt als Metallteil(e), Form, Kern(zapfen) und Metallpulver, durchtränkt (impregnated) wird. Vorzugsweise werden dabei nach dem Durchtränken das Metallpulver und die Metallschmelze in einem erwärmten Zustand gehalten, um sie gegenseitig ineinander diffundieren zu lassen und dabei in diesem Bereich eine gleichmäßige Legierungsschicht auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers aus mehreren Metallschichten und mit einem komplexen Profil oder mit öffnungen und Nuten in seinem Innenbereich.

Die Verbindung mehrerer Metallelemente aus gleichen oder verschiedenen Metallen erfolgt üblicherweise durch Löten, Diffusionsverbindung und dgl. Beim Löten muß jedoch ein vorbesti.nmter abstand von im allgemeinen 0,02—0,08 mm zwischen den Metallelementen aufrechterhalten werden. Dieses Verfahren ist daher bei Bauteilen, bei denen die Einhaltung dieses Abstands schwierig ist, nicht anwendbar, z. B. bei großen Teilen, Teilen mit einer gekrümmten oder gewölbten Verbin-.*■? dungsfläche oder bei der Verbindung eines Metallblechs

H einerseits mit einem maschinell bearbeiteten Teil ande-

8 rerseits. Beim Diffusionsverbinden müssen normaler-

P weise die Teile während der Beaufschlagung mit Druck

?| auf einer hohen Temperatur gehalten werden; demzu-

P folge ist die Form der zu verbindenden Teile Beschrän-

Il kungen unterworfen. Da zudem der Druck bei hoher

• Temperatur aufgebracht wird, entsteht in den Teilen _if eine Verformung von mehr als einigen wenigen Prozen-

1| ten; dieses Verfahren ist daher nicht für Teile brauchbar,

für die eine große Fertigungsgenauigkeit gefordert I₁- wird.

?! Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die

y Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Ver-

Ü bundmetalikörpers der eingangs angegebenen Art, bei

,;'.: dem eine Verformung bzw. ein Verziehen der Metallbauteile vermieden werden soll.

,.? Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Metall- oder Legierungspulver aus kugelförmigen Teilchen in einen zwischen mehreren ,.; Metallteilen aus demselben Metall oder aus unter-

* schiedlichen Metallen oder einen zwischen diesen Me- ; tallteilen und einer Form festgelegten Hohlraum einge-

• ; füllt und das Ganze unter Vakuum oder in reduzieren-

; der Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb des

Schmelzpunktes des Metall- oder Legierungspulvers zu dessen Sinterung erhitzt wird, wobei ein Metall oder

;: eine eutektische Legierung mit einem niederen

' Schmelzpunkt als dem der Metallteile, der Form und des

; Metallpulvers aufgeschmolzen und zur Durchtränkung

Fig.9 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt längs der Linie IX-IX in F i g. 8,

F i g. 10 einen Längsschnitt durch einen unter denselben Bedingungen wie in F i g. 8 und 9 hergestellten Prüfling.

F i g. 11 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung der Herstellung eines Aufnahmekonus für ein Starttriebwerk nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XII-XII in F i g. 11 und

Fig. 13 einen Längsschnitt durch einen aus einer innen- und einer Außenschicht bestehenden Metallkörper, auf den das erfindungsgemäße Verfahren angewandt ist

Die F i g. 1 und 2 veranschaulichen ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sind kegelstumpfförmige hohle Metallteile 1 und 2, ein reines, aus kugelförmiger Teilchen bestehendes Metallpulver 3, ein Tränkmetall 4, Formen 5 und 6 sowie Kerne 7 dargestellt. Die beiden Metallteile 1 und 2 sowie eine große Zahl von Kernen 7 werden auf die in F i g. I und 2 gezeigte Weise zwischen die Formen 5 und 6 unter Bildung eines Hohlraums zwischen den Metallteilen 1 und 2 eingesetzt. Sodann wird der Hohlraum mit dem aus den kugelförmigen Teilchen bestehenden Metallpulver 3 gefüllt, das anschließend unter Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des aus kugelförmigen Teilchen bestehenden Metallpulvers zu dessen Sinterung erhitzt wird, und danach werden ein Tränkmetall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem des Metallteils 1, des Metallpulvers 3 und der Form 5 sowie die gesamte beschriebene Materialstruktur unter Vakuum oder einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt, so daß das Tränkmetall 4 eindringt.

Auf diese Weise wird ein Verbundmetallkörper aus den Metallteilen 1 und 2 sowie einer Metallschicht 3, 4 hergestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Tränkmetall 4 normalerweise unter seinem Eigengewicht sowie aufgrund einer Kapillarwirkung zwischen den Teilchen des Metallpulvers 3 hindurchdringt. Falls jedoch die Innenflächen der Metallteile 1 und 2 eine komplexe Form besitzen oder die Gefahr besteht, daß eine mangelhafte Durchtränkung oder Schrumpflunkerbildung im Metalles pulver 3 auftreten könnte, kann das Tränkmetall auch unter Druck durch die Anordnung eingetränkt werden.

Gemäß den Fig. 3 und 4 wird bei einem anderen Ausführiingsbeisnic! der Erfindung ein zylindrisches

Metallteil 1 so auf eine Form 5 aufgesetzt, daß zwischen beiden ein Hohlraum entsteht Sodann wird ein reines, aus kugelförmigen Teilchen bestehendes Metallpulver 3 in den Hohlraum eingefüllt und anschließend wie vorher beschrieben verfahren.

Im folgenden ist die Erfindung anhand praktischer Beispiele beschrieben, und zwar in Anwendung auf eine regenerativ gekühlte Brennkammer eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks in einer komplexen Konfiguration bzw. Form, wobei ein an die Brennkammer anschließender Abschnitt aus sauerstofffreiem Kupfer und ein AuPenabschnitt aus rostfreiem Stahl (Typ SUS 347) bestehen, während weiterhin ein Innenschichtabschnitt mit KühlmitteldurchgängeK versehen ist, die von flüssigem Wasserstoff oder Sauerstoff durchstimmbar sind. Bei der Herstellung dieses Verbundmetallkörpers nach dem erfindungs|?<:mäßen Verfahren wird gemäß den F i g. 5 bis 7 ein an seiner Außenumfangsfläche mit einer großen Zahl vor» Nuten Xa versehenes Element Γ aus sauerstofffreiem Kupfer vorgesehen. Ein aus rostfreiem Stahl bestehend?⁵ Element 2 (F i g. 8 und 9) besitzt eine dem Element I angepaßte Form. Die Nuten 1? des ersten Elements 1 Werden mit einem aufgeschlämmten Füllstoff 8 aus Ke^ramikpulver, wasserlöslichem S'alz und Wasser ausgefüllt- Der Füllstoff 8 wird durch zweistündiges Erwärmen 4nd Trocknen bei 400⁰C ausgehärtet, worauf die beide" Elemente 1 und 2 unter Festlegung eines Hohlraums Zwischen ihnen auf eine Platte 5 gemäß F i g. 8 aufgesetzt werden. Hierauf wird ein kugelförmiges Metallpulver 3 einer Teilchengröße von etwa 0,175 bis 0,124 mni in den Hohlraum eingefüllt Anschließend wird das Metallpulver 3 unter Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb eines Schmelzpunktes des kugelföimigen Metallpulvers 3 zu dessen Sinterung erhitzt Sodann wird eine aus 583% Ag, 313% Cu und 10% Pd bestehende Legierung 4 (Solidustemperatur etwa 825°C und Liquidustemperatur etwa 850⁰C) auf das Metallpulver 3 aufgesetzt und durch Erwärmung des Ganzen bis auf 880⁰C im VJcuum aufgeschmolzen. Das Tränkmetall 4 durchdringt dabei unter Legierungsbüdung das Metallpulver 3 vollkommen, so daß die betreffenden Teile einwandfrei miteinander verbunden werden. Anschließend wird der Keramik-Füllstoff 8 durch Auswaschen mit heißem Wasser entfernt, so daß Kühlkanäle gebildet werden.

Fig. 10 veranschaulicht einen Prüfling, der durch Verbinden eines aus sauerstoffreiem Kupfer bestehenden Metallstück 1 und eines Metallstücks 2 aus rostfreiem Stahl unter den voi flehend beschriebenen Bedingungen hergestellt wurde. Bei einem Zugversuch brach zwar das uis Kupfer besiehende Metallstück 1, während weder die Grenzfläche zwischen Metallstück 1 und der Legierungsschicht 3,4, noch die anderen Abschnitte Bruch noch Rißbiidung zeigten. Hierdurch wird bestätigt, daß die Festigkeit dieser Bereiche größer ist als diejenige des Kupfer-Metallstücks 1.

Im folgenden ist anhand der Fig. 11 und 12 die versuchsweise Herstellung eines Modells eines Aufnehmerkonus eines Starttriebwerks beschrieben. Ein 0,5 mm dickes Blech 1 aus lnconel625(Nennzusammenselzung: 220/0 Cr. 9% Mo. 4«rti Nb, 3% Fe, 0,2% Ti. 0.2% Al, Rest Ni) sowie Rohre 2 9us demselben Werkstoff werden zu einer Konstruktion zusammengeschweißt. Sodann wird reines Kupferpulv«^:r 3 einer Teilchengröße von etwa 0,175 bis 0.124 ifinrn in dichter Füllung in den zwischen dem Blech 1 und den fahren 2 gebildeten Hohlraum eingefüllt. Darauf *Vird das reine Kupferpulver 3 unter Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des reinen Kupfer pulvere 3 zu dessen Sinterung erhitzt Danach wird eine eutektische Ag-Cu-Legierung 4 (eutektisehe Temperatur: 779°C) auf die Anordnung aufgelegt und im Vakuum auf 810⁰C erwärmt und gehalten. Dabei wird ein Verbundmetallkörper mit einer Anzahl von Rohren 2 und einem Außenmantel aus Inconel 625 erhalten. In diesem Fall wurde durch die Untersuchung

ίο des metallurgischen Mikrogefüges eines Querschnitts festgestellt, daß das Eindringen der eutektischen Ag-Cu-Legierung in das Kupferpulver so vollkommen ist daß die Grenzflächen zwischen Tränkmetall einerseits sowie Rohren und Außenmantel andererseits vollkommen verbunden und die Elemente der Anordnung zu einer Einheit integriert sind.

Im folgenden ist anhand von Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Ein aus reinem Kupferblech einer Dicke von 1 mm bestehender zylindrischer Behälter 1 wird mit einem aus reinem Aluminium bestehenden körnigen Pulve; 'i einer Teilchengröße von etwa 0,147 bis 0,074 mm getüTi, worauf das körnige Pulver 3 unter Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur unterha'b des Schmelzpunktes des körnigen Pulvers 3 zu dessen Sinterung eri.-itzt wird und dann eine Tränkmetall-Form 6 und eine eutektische Al-Si-Legierung 4 (eutektische Temperatur: 557° C) mit einem auf letzterer aufliegenden Druckwerkzeug 9 auf den Behälter 1 aufgesetzt werden. Anschließend wird die Anordnung zum Aufschmelzen der eutektischen Al-Si-Legierung 4 auf 600⁰C erwärmt, und letztere unter Druck gehalten. Dabei wird ein einwandfreier Verbundmetallkörper erhalten, der einen Außenmantel aus Kupfer und einen Innenbereich aus Aluminiumlegierung aufweist Der hergestellte Verbundmetallkörper besitzt niedriges Gewicht und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Kerne 7, die Form der Metallteile 1 und 2, ihre Werkstoffe, das MeUillpulver 3 und das Tränkmetall 4 von Form und Funktion des herzustellenden Verbundmetallkörpers abhängen und nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt sind. Wenn für den Metallteil 1 beispielsweise eine Titanlegierung, als Metallpulver 3 ein Aluminiumlcgierungspulver und als Tränkmetall 4 ein Metall n3it. einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem des Metallteils 1 und des Metallpulvers 3 verwendet werden, wird ein Verbundmetallkörper mit einer Außenschale aus Titanlegierung und einem Innenbereich aus Aluminiumlegierung erhalten. Bei Verwendung von rostfreiem Stahl für den Metallteil 1, Eisenpulver als Metallpulver 3 und Gußeisen als Tränkmetall 4 erhält man einen Verbundmetallkörpcr mit einer Außenschüle aus rostfreiem Stahl, dessen liincnbereich aus niedrig legiertem Stahl besteht. Wenn in diesem Fall die Anordnung so erwärmt wird, daß das geschmolzene Gubeisen in das Eisenpulver eindringt, diffundiert der im Gußeisen enthaltene Kohlenstoff in das Eisenpulver, so daß eine durch Senkung des Kohlenstofigehalts im Gi^p(teisen hervorgerufene isotherme Er-

W) starrung auftritt und infolge der gegenseitigen Diffusion der Bestandteile beider Werkstoffe der Innenbereich des Verbundmetallkörpers gleichmäßig in niednglegierten Stahl überführt wird. Eine gute Benetzbarkeit des Metallpulvers durch das Tränkmetall ist für den tadellosen Verbund eine dt r Voraussetzungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß
   ein Metall- oder Legierungspulver aus kugelförmigen Teilchen in einen zwischen mehreren Metallteilen aus demselben Metall oder aus unterschiedlichen Metallen oder einen zwischen diesen Metallteilen und einer Form festgelegten Hohlraum eingefüllt und das Ganze unter Vakuum oder in reduzierender Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metall- oder Legierungspulvers zu dessen Sinterung erhitzt wird, wobei ein Metall oder eine eutektische Legierung mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der Metallteile, der Form und des Metallpulvers aufgeschmolzen und zur Durchtränkung des Metallpulvers und zur Legierungsbildia g mit demselben eindringen gelassen des Metallpulvers und zur Legierungsbildung mit demselben eindringen gelassen wird.

   im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

   F i g. 1 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der F.rfindung.

   F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II in Fi g. 1.

   Fig.3 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung eines anderen Ausführungsbeispiels,

   F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3,

   F i g. 5 eine schematische Seitenansicht eines Innenabschnitts einer Regenerativkühlung-Brennkammer eines Flüssigkeitstreibstoff-Raketentriebwerks,
   F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in F i g. 5,

   Fig.7 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Ausschnitt aus dem Bereich VII in F i g. 6,

   F i g. 8 einen Längsschnitt zur Darstellung der Herstellung einer Brennkammer gemäß F i g. 5 nach dem