DE2650982A1

DE2650982A1 - Verfahren zur isostatischen warmverdichtung

Info

Publication number: DE2650982A1
Application number: DE19762650982
Authority: DE
Inventors: Peter Alan Hurwitz; Lester Warren Jordan; Joseph Frederick Loersch
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1975-11-06
Filing date: 1976-11-08
Publication date: 1977-05-26
Also published as: CA1093268A; DK503676A; FR2330482B3; US4023966A; BE848100A; NL7612374A; GB1532026A; SE7612413L; FR2330482A1; NO763784L

Description

Verfahren zur isostatischen Warmverdichtung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verdichten von Teilchenmaterial zu dichten Gegenständen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur isostatischen Warmverdichtung von Teilchenmaterial zu dichten Gegenständen von verwickelter Konfiguration.

Bekanntlich beinhalten Verfahren zur isostatischen Verdichtung im allgemeinen folgende Schritte: Einbringen einer Masse teilchenförmigen Materials, gewöhnlich Pulver, in einen Behälter, dessen Innenkonfiguration der geeigneten Vorverdichtungsform des herzustellenden Gegenstands entspricht, Evakuieren und Abdichten .des Behälters und seines Inhalts gegenüber der Atmosphäre, Einbringen des Behälters in ein Druckgefäß, in welchem auf den Behälter Druck ausgeübt wird,

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um das Teilchenmaterial zu einem dichten Gegenstand zu verdichten, und anschließendes Entnehmen des Gegenstands aus dem Behälter. Die Verdichtung kann zwar bei Umgebungstemperaturen ausgeführt werden, im allgemeinen ist jedoch eine Verdichtung bei erhöhten Temperaturen erforderlich, um Gegenstände von verwickelter Konfiguration mit hoher Dichte zu bilden, insbesondere wenn das Teilchenmaterial ein Superlegierungspulver auf Nickel- oder Kobaltbasis ist.

Obwohl das Verfahren zur isostatischen Verdichtung bis zu einem Grad entwickelt worden ist, wo Gegenstände mit hoher Dichte leicht erzielt werden können, ist die Konfiguration solcher Gegenstände auf relativ einfache Formen begrenzt geblieben, wie beispielsweise Barren, Stangen oder dgl., weil es im Stand der Technik unmöglich ist, einen geeigneten Behälter zum Einschließen der Teilchen während der Verdichtung zur Herstellung von komplexeren Formen zu schaffen. Beispielsweise ist der typische Behälter zum Verdichten von Pulvern zu Gegenständen von einfacher Konfiguration ein Behälter aus Metall, beispielsweise aus Stahl. Diese sogenannten Metallbüchsen werden in der gewünschten Form durch Zusammenschweißen von Metallblechen oder Metallplatten hergestellt. Metallbüchsen mit komplizierter Konfiguration, wie beispielsweise diejenigen, die einer Schaufel, einer Scheibe und dgl. eines Gasturbinentriebwerks ähneln, sind jedoch auf diese Weise praktisch unmöglich herstellbar. Die einzige praktische vorhandene Maßnahme, durch welche Gegenstände von solcher Konfiguration unter Verwendung von Metallbüchsen erhalten werden können, besteht darin, den verdichteten Gegenstand von einfacher Konfiguration einer umfangreichen maschinellen Bearbeitung zu unterziehen. In dem Fall von Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis ist eine maschinelle Bearbeitung schwierig und zeitaufwendig.

Durch die Verwendung von Metallbüchsen ergibt sich der wei-

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tere Nachteil, daß das Teilchenmaterial eine Vorverdichtung auf eine Zwischendichte erfordern kann, beispielsweise von 70 bis 80%, bevor die Endverdichtung stattfindet. Die Vorverdichtung ist manchmal erforderlich, weil es unmöglich ist, die hergestellte Metallbüchse in einem Ausmaß schrumpfen zu lassen, das während der Verdichtung des losen Pulvers (mit einer Dichte von etwa 50%) zu seiner vollen Dichte (etwa 100%) erforderlich ist. Wenn der Vorverdichtungsschritt weggelassen wird, kann selbst ein Gegenstand von einfacher Konfiguration nach der Verdichtung an der Oberfläche unerwünschte Falten aufweisen.

Die Unzulänglichkeiten, die sich bei der isostatischen Verdichtung mit Hilfe von durch maschinelle Bearbeitung hergestellten Metallbüchsen ergeben, führten zu dem in der US-PS 3 622 313 beschriebenen Verfahren. Dieses bekannte Verfahren beinhaltet das Einschließen einer Pulvermasse in einem glasartigen Behälter, dessen Innenkonfiguration der Gesamtform der herzustellenden Gegenstände entspricht, und das isostatische Warmverdichten dieses Behälters. Die Verwendung des glasartigen Behälters beseitigt die erforderliche Vorverdichtung des Pulvers zu einer Zwischendichte vor der Endverdichtung und ermöglicht die Herstellung von Gegenständen von verwickelter Konfiguration. Dieses bekannte Verfahren weist jedoch mehrere Nachteile auf. Der glasartige Behälter ist nämlich zerbrechlich und muß während der bei der isostatischen Verdichtung vorkommenden Arbeitsvorgänge mit Sorgfalt behandelt werden. Eine Vakuumdichtheit der Behälter ist bei dünnwandigen Behältern schwierig erzielbar. Deshalb sind dickere Wände und zeitaufwendige und arbeitsaufwendige Herstellungsverfahren erforderlich. Die Oberfläche des innerhalb des glasartigen Behälters verdichteten Gegenstands ist häufig rauh, weil das Pulver während der Verdichtung bei hohen Temperaturen an dem Glas anhaftet. Außerdem besteht bei dem glasartigen Behälter eine Tendenz zur Durchbiegung bei

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hohen Temperaturen und es kommt zu einer Formänderung der darin verdichteten Gegenstände.

In der US-Patentanmeldung 474 878
ist ein Verfahren zur isostatischen Verdichtung eines pulverförmigen Materials, beispielsweise eines Superlegierungspulvers, zu unregelmäßigen Formen vorgeschlagen. Grundsätzlich umfaßt dieses Verfahren folgende Schritte: Bilden eines dünnen (0,051 mm bis 0,076 mm), galvanisch abgeschiedenen Mantels mit der geeigneten Vorverdichtungsform des herzustellenden Gegenstands, Umschließen des Mantels mit einem Druckübertragungs- und Stützmedium, Pressen und Sintern des Stützmediums, Füllen des Mantels mit zu verdichtendem Pulver, Einbringen des gefüllten Mantels mit dem umgebenden Stützmedium in eine dicht verschließbare Metallbüchse, Evakuieren und Verschließen der Metallbüchse gegenüber der Atmosphäre, Verdichten der Metallbüchse und des darin befindlichen Pulvers innerhalb eines Heizdruckgefäße^, in welchem ein isostatischer Druck ausgeübt wird, und Entfernen der Metallbüchse, des Stützmediums und des Mantels von dem verdichteten Gegenstand. Mit diesem Verfahren können zwar verdichtete Gegenstände von verwickelter Konfiguration und mit hoher Dichte wirksam hergestellt werden, die auszuführenden Schritte sind jedoch so zahlreich und zeitaufwendig, daß eine Anwendung des Verfahrens bei der kommerziellen Massenfertigung von komplizierten Gegenständen ausgeschlossen ist. Beispielsweise ist ein Druckübertragungs- und Stützmedium, wie beispielsweise Eisenpulver, erforderlich, um den dünnen (0,051 mm bis 0,076 mm), galvanisch abgeschiedenen Mantel zu umschließen und abzustützen, nachdem das Gußwodell daraus entfernt worden ist. Das Stützmedium muß zu einer Dichte gepreßt werden, die ungefähr gleich der des zu verdichtenden Pulvers ist, und anschließend gesintert werden. Nachdem

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der galvanisch abgeschiedene Mantel mit Pulver gefüllt ist, müssen anschließend der gefüllte Mantel und das umgebende gesinterte Stützmediuiti in eine dicht verschließbare Metallbüchse eingeschlossen werden, damit ein Vakuum während der Verdichtung bei hohen Temperaturen in dem Pulver und um dieses herum aufrechterhalten werden kann. Diese Schritte machen ebenso wie die zahlreichen anderen in dieser Anmeldung genannten Schritte das vorgeschlagene Verfahren unter dem Gesichtspunkt einer kommerziellen Fertigung unpraktisch.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur isostatischen Warmverdichtung zu schaffen, das benutzt werden kann, um Gegenstände von verwickelter Konfiguration, wie beispielsweise Teile von Gasturbinentriebwerken, wie Schaufeln, Scheiben und dgl., mit hohen Dichten und engen Toleranzen herzustellen und dabei die oben aufgeführten Nachteile zu vermeiden.

In ihrem Grundprinzip beinhaltet die Erfindung die Schaffung eines entfernbaren Modells in der geeigneten Vorverdichtungskonfiguration des herzustellenden Gegenstands; überziehen des Musters mit einer ersten Schicht leitenden Materials, wobei die Dicke der Schicht ausreicht, um eine im wesentlichen kontinuierliche leitende Oberfläche für ein anschließendes überziehen zu schaffen; Überziehen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht aus metallischem Material, wobei die Dicke der zweiten Schicht in Verbindung mit der Dicke der ersten Schicht ausreicht, um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantel um das Modell zu schaffen; und Entfernen des Modells aus dem Mantel, um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen .Behälter zu schaffen, dessen Innenkonfiguration der geeigneten Vorverdichtungsform des herzustellenden Gegenstands entspricht. Der Behälter wird dann mit Teilchenmaterial gefüllt, evakuiert und gegenüber der Atmosphäre verschlossen und anschließend in einem Druckgefäß bei hoher Temperatur isosta-

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tisch verdichtet, bis das Teilchenmaterial zu einem dichten Gegenstand von komplexer Form verdichtet worden ist. Der verdichtete Gegenstand wird erhalten, indem der Behälter von ihm entfernt wird. Bei Bedarf kann ein verdichteter Gegenstand hergestellt werden, der, wenn überhaupt, sehr wenig maschinelle Bearbeitung erfordert, um die für den endgültigen Gegenstand gewünschten Toleranzen zu erzielen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Verfahren das Schaffen eines entfernbaren Modells aus mehreren Abschnitten und das Ausführen der vorgenannten Schritte des Verfahrens an jedem Modellabschnitt. Nach dem Entfernen der Modellabschnitte aus den um sie herum gebildeten Mantelabschnitten werden die Mantelabschnitte durch herkömmliche Maßnahmen miteinander verbunden, um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälter zu schaffen, der eine Innenkonfiguration hat, die der geeigneten Vorverdichtungsform des herzustellenden Gegenstands entspricht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verfahren sämtliche vorgenannten Schritte des Grundprinzips und folgenden zusätzlichen Schritt: Behandeln des Modells vor dem überziehen mit der ersten Schicht aus leitendem Material, um die Oberflächenunebenheit zu verringern und um eine saubere, durchgehende Oberfläche für den Überzug zu schaffen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung.

Das hier beschriebene Verfahren zur isostatischen Verdichtung kann benutzt werden, um dichte Gegenstände von verwickelter Konfiguration aus vielen Arten von Teilchenmaterial herzustellen, zu welchen, ohne daß darunter eine Ein-

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schränkung zu verstehen ist, gehören: Metalle und ihre Legierungen, intermetallische Verbindungen, nichtmetallische Verbindungen und Gemische derselben. Das Verfahren eignet sich besonders zur kommerziellen Massenfertigung von Teilen, die in oder in Verbindung mit Gasturbinentriebwerken verwendbar sind, wie beispielsweise Schaufeln, Scheiben und dgl., aus Superlegierungspulvern auf Nickel- und Kobaltbasis.

Bei der Durchführung der Erfindung kann das Modell des herzustellenden Gegenstands durch herkömmliche und bekannte Maßnahmen geschaffen werden, beispielsweise durch Spritzen, durch Gießen in eine geeignete Form, oder dgl. Das Spritzen des Modells wird zur Schaffung einer großen Anzahl von reproduzierbaren Modellen mit verwickelter Konfiguration mit minimalen Kosten bevorzugt. Das Modell wird aus einem entfernbaren Material hergestellt, welches entweder elektrisch nichtleitend sein kann, wie beispielsweise Wachs, Kunststoff oder dgl.,oder welches leitend sein kann, wie beispielsweise Metalle, Legierungen oder dgl., die einen niedrigen Schmelzpunkt haben oder lösbar sind. Beispiele dieser Kategorien sind Standardgießwachse, die unter dem Warenzeichen Cerita 921 vertrieben und von der Fa. Argueso Corporation hergestellt werden, und Kunststoff, der unter dem Warenzeichen Lexan vertrieben und von der Fa. General Electric Company hergestellt wird sowie Zink, Aluminium bzw. Blei-Zinn-Legierungen. Diese Liste ist lediglich ein Beispiel und schließt keineswegs andere Materialien aus, denen eine komplizierte Konfiguration gegeben werden kann und die aus dem Mantel entfernbar sind, der um sie herum gebildet wird. Standardgießwachs ist das bevorzugte Modellmaterial, da es leicht zu komplizierten Formen gegossen werden kann, da es billig ist und aus dem Mantel durch Schmelzen leicht entfernbar ist.

Es ist manchmal erwünscht und vorzuziehen, das Modell aus mehreren Abschnitten herzustellen. Beispielsweise für große,

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sperrige Gegenstände, wie beispielsweise große Gasturbinentriebwerksteile, können zwei oder mehr Modellabschnitte hergestellt werden, von denen jeder einen Teil des anzufertigenden Gegenstands darstellt. Diese Modellabschnitte werden dann überzogen, um darauf selbsttragende und gasundurchlässige Mantelabschnitte zu sahaffen, wie im folgenden beschrieben. Nachdem die Modellabschnitte aus den Mantelabschnitten entfernt worden sind, werden letztere durch herkömmliche Maßnahmen zusammengefügt, beispielsweise durch Schweißen oder dgl., um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälter zu schaffen, der eine Innenkonfiguration hat, die der geeigneten Vorverdichtungsform des herzustellenden Gegenstands entspricht. Diese bevorzugte Ausführungsform kann benutzt werden, wenn ein Modell des herzustellenden Gesamtgegenstands mit vorhandenen Überzugs- oder anderen Anlagen aufgrund seiner Größe oder dgl. nicht kompatibel ist.

Es ist außerdem .aanchmal erwünscht und vorzuziehen, das Modell zu behandeln, um die Oberflächenrauhigkeit zu verringern und um eine saubere, durchgehende Oberfläche für das anschließende überziehen zu schaffen. Beispielsweise ist diese Behandlung erwünscht, wenn ein Trennmittel aus dem Spritzvorgang auf der Oberfläche des Modells zurückbleibt oder wenn die Oberfläche des Modells eine unerwünschte Rauhigkeit zeigt. Herkömmliche Behandlungsverfahren, wie beispielsweise Bearbeitung mit Glaspulver, Sandstrahlen, Elektropolieren oder dgl. stehen für diesen Zweck zur Verfügung. Durch die Behandlung des Modells zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit und zum Entfernen von Fremdmaterial wird einerseits eire optimale Oberfläche für das anschließende überziehen geschaffen und andererseits eine optimale Oberfläche auf dem fertigen verdichteten Gegenstand erzielt. Durch solche Behandlungen kann der Charakter der Oberfläche des verdichteten Gegenstands variiert werden.

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Das überziehen der äußeren Oberfläche des Modells zur Bildung eines Mantels, der eine Innenoberfläche von gleicher Konfiguration hat, wird in zwei Stufen ausgeführt. Die Modelloberfläche wird mit einer ersten Schicht aus leitendem Material bis zu einer ausreichenden Dicke überzogen, um eine im wesentlichen ununterbrochene leitende Oberfläche für das anschließende überziehen zu schaffen. Die leitende Schicht kann durch herkömmliche Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Niederschlagen im Vakuum, Sprühen, stromloses Aufbringen oder dgl., und es kann sich um einen leitenden Anstrich, einen metallischen Niederschlag oder dgl. handeln. Das stromlose Aufbringen eines metallischen Niederschlags erzeugt eine optimale leitende Schicht und wird bevorzugt. Wenn eine Verunreinigung des zu verdichtenden Pulvers vermieden werden soll, sollte die leitende Schicht im wesentlichen mit einem solchen Pulver nicht reagieren. Beispielsweise wird bei dem Verdichten von Superlegierungspulver auf Nickelbasis eine leitende Schicht aus Nickel oder Stahl bevorzugt. Unter gewissen Umständen kann jedoch eine reagierende leitende Schicht erwünscht sein, beispielsweise wenn eine gehärtete Umhüllung auf dem verdichteten Gegenstand erwünscht ist.

Die erste Schicht aus leitendem Material wird anschließend mit einer zweiten Schicht aus metallischem Material überzogen. Die Dicke der metallischen Schicht muß in Verbindung mit der Dicke der leitenden Schicht ausreichend sein, um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantel um das Modell zu schaffen. Mit "selbsttragend" ist gemeint, daß, nachdem das Modell aus dem Mantel entfernt worden ist, der so gebildete oder anschließend durch Miteinanderverbinden der Mantelabschnitte gebildete Behälter ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt und mit dem Teilchenmaterial gefüllt werden kann, das er in der gewünschten Konfiguration

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während des gesamten isostatischen Verdichtungsprozesses bei hoher Temperatur einschließt, ohne eine äußere Abstützung zu haben und ohne sich zu verziehen, und daß er darüberhinaus eine genügende Plastizität bei der Verdichtungstemperatur besitzt, um den ausgeübten Druck wirksam auf das in ihm enthaltene Teilchenmaterial zu übertragen. Somit erfolgt keine Formänderung des verdichteten Gegenstands und es ist nicht erforderlich, den Behälter mit einem Druckübertragungs- und Stützmedium zu umgeben.

Mit "gasundurchlässig" ist gemeint/ daß der Behälter auf einen verringerten Innendruck evakuiert und verschlossen werden kann und daß der Behälter in diesem Zustand während des gesamten isostatischen Verdichtungsprozesses gehalten werden kann. Somit ist es nicht erforderlich, den Behälter in eine Metallbüchse oder dgl. einzuschließen, um eine Atmosphäre verringerten Druckes in und um das zu verdichtende Teilchenmaterial aufrechtzuerhalten. Es sei betont, daß es die Dicke der metallischen Schicht in Verbindung mit der Dicke der leitenden Schicht ist, die die bislang nicht zur Verfügung stehende Kombination von erwünschten Eigenschaften ergibt, die der Mantel und anschließend der gebildete Behälter aufweist. Die Zusammenwirkung zwischen den beiden übereinander angeordneten Schichten ist für die Erfindung wesentlich.

Die metallische Schicht kann durch herkömmliche Maßnahmen aufgebracht werden, beispielsweise durch Tauchen, Niederschlagen im Vakuum,- Sprühen, galvanisches überziehen oder dgl. Da das galvanische überziehen eine gleichmäßige, unporöse metallische Schicht erzeugt, wird es zum Aufbringen des Überzugs bevorzugt. Die metallische Schicht muß mit der Sqhicht aus leitendem Material kompatibel sein, d.h. die übereinander angeordneten Schichten müssen eine Art von unlösbarer Verbindung ergeben, um einen unitären Mantel zu bilden. Aufgrund der schnellen Diffusion der überzugsbestand-

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teile bei erhöhten Temperaturen sollte die metallische Schicht im wesentlichen mit dem zu verdichtenden Pulver nicht reagieren, wenn eine Verunreinigung desselben während der isostatischen Warmverdichtung vermieden werden soll. Beispielsweise wird bei dem Verdichten von Superlegierungspulver auf Nickelbasis eine metallische Schicht aus Nickel, Eisen oder Stahl bevorzugt.

Obwohl es für das Verfahren nach der Erfindung nicht erforderlich ist, können zusätzliche gasundurchlässige Schichten über der metallischen Schicht aufgebracht werden. Diese Schichten können metallisch oder nichtmetallisch sein, beispielsweise Metalle oder Legierungen, Keramik oder dgl., und können zur Reparatur eines Mantels benutzt werden, der durchlöchert oder beschädigt worden ist.

Nachdem das Modell mit der Schicht aus leitendem Material und der Schicht aus metallischem Material überzogen worden ist, um um es herum einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantel zu bilden, wird das Modell entfernt, um einen Behälter zu schaffen, dessen Innenkonfiguration der geeigneten Vorverdichtungsform des herzustellenden Gegenstands entspricht. Der Behälter ist selbsttragend und gasundurchlässig, wie oben angegeben. Wenn das Modell aus mehreren Abschnitten gebildet worden ist, werden die Modellabschnitte aus den selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantelabschnitten, die sie umgeben, entfernt und die Mantelabschnitte werden dann durch herkömmliche Maßnahmen zusammengefügt, um den selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälter zu bilden. Das Entfernen des Modells aus dem Mantel kann durch herkömmliche Maßnahmen erfolgen, beispielsweise durch Schmelzen, Auflösen, Auslaugen oder Verbrennen des Modells.

Teilchenmaterial, beispielsweise Superlegierungspulver auf Nickel- oder Kobaltbasis, wird dann in der vorgeschriebenen

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Menge über eine geeignet angeordnete öffnung, über einen an dem Behälter angebrachten hohlen Dorn oder dgl. in den Behälter eingefüllt. Während des Füllens sollte der Behälter in Vibration versetzt werden, um eine gleichmäßige Pulververteilung in dem gesamten Behälter sicherzustellen. Einrichtungen zum Einfüllen des Teilchenmaterials in den Behälter und zum Rütteln des Behälters sind Stand der Technik.

Das Innere des Behälters muß auf einen reduzierten Druck evakuiert werden, beispielsweise auf 4x10 mm Hg, um eine Reaktion des Teilchenmaterials mit Gasen auszuschliessen und um die Bildung von Hohlräumen während der isostatischen Warmverdichtung zu minimieren. Die Evakuierung kann gleichzeitig mit der Einleitung des Pulvers erfolgen, beispielsweise durch Füllen des Behälters in einer Vakuumkammer, oder kann ausgeführt werden, nachdem der Behälter die vorgeschriebene Menge an Teilchenmaterial aufgenommen hat, wozu beispielsweise nach dem Füllen in Luft eine Vakuumpumpe in geeigneter Weise mit dem Behälter verbunden und dessen Inneres auf den reduzierten Druck gebracht werden kann. In jedem Fall wird der Behälter nach dem Füllen gegenüber der Atmosphäre verschlossen. Wenn ein hohler Dorn an dem Behälter befestigt worden ist, um das Füllen zu erleichtern, kann der Behälter verschlossen werden, indem der Dorn zusammengedrückt und in dem Zusammendrückbereich verschweißt wird. Es können jedoch auch andere Verfahren zum Verschließen angewandt werden.

Es sei betont, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung eine Vorverdichtung des Teilchenmaterials bis zu einer Zwischendichte vor der endgültigen isostatischeri Verdichtung nicht erforderlich ist, um das Auftreten von Falten an der Oberfläche des verdichteten Gegenstands zu verhindern. Darüberhinaus ist es nicht erforderlich, den Behälter abzustützen, indem er mit einem Stützmedium umgeben wird, oder den Behälter in eine verschließbare Metallbüchse

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einzuschließen, um darin ein Vakuum aufrechtzuerhalten,, da der Behälter selbst während des gesamten isostatischen Verdichtungsprozesses selbsttragend und gasundurchlässig ist.

Der gefüllte und verschlossene Behälter wird in ein Druckgefäß eingebracht und ein Gas, wie beispielsweise Argon, Helium oder dgl,, wird in das Gefäß eingeleitet, bis der

richtige Verdichtungsdruck von beispielsweise 703 kp/cm

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bis 1758 kp/cm erreicht ist- Das Erwärmen auf die gewünsch— ,te Verdichtungstemperatur von beispielsweise 1092 °C bis 1370 C kann vor, während oder nach der Gaseinleitung erfolgen- Durch die Kombination aus der Beaufschlagung mit isostatischem Druck und der Temperatur wird der Behälter und das darin .befindliehe Teilchenmatierial zu dem gewünschten Gegenstand von hoher Dichte und verwickelter Konfiguration verdichtet« Während der Verdichtung gemäß dem Verfahren nach der Erfindung behält der Behälter die gewünschte Imneakonf iguration und verzieht sich nicht, so daß es zu Ifceisaer änderung der Form des hergestellten Gegenstands kommt, ©er Behälter ist jedoch hei den erhöhten Verdichtungstemperaturen ausreichend plastisch, um den ausgeübten Druck wirksam auf das darin enthaltene Teilehenmaterial zu Übertragen»

Uach der Verdichtung wird der Behälter ans dem Druc&gefäS entnommen und anschließend von dem verdichteten Eegenstamd entfernt, Das Entfernen des Behälters von dem Gegenstand kamt <clurch maschinelle Bearbeitung^ Auflösung ({Beizen,) ©der jede andere geeignete herkömmliche Maßnahme ex-folgeiu DiLn dichter Segenstand mit der gewünschten komplizierten F©asm and mit den (gewünschten engen Toleranzen wird «daflurclh !geschaffen» !Der Dichtegrad der durch die £rfüjndnng exareiLchbar ist, ändert sich mit der Art des verdichtetem Teilchenmaterials, denn einige Materialien werden lei-ehtex

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als andere. Infolgedessen handelt es sich bei dem hier benutzten Ausdruck "dichter Gegenstand" um einen Gegenstand, dessen Dichte wenigstens 70% der theoretischen Dichte des benutzten Teilchenmaterials beträgt.

Nachdem die Erfindung vorstehend beschrieben worden ist, wird zu ihrer ausführlicheren Erläuterung im folgenden als ein Beispiel die Bildung einer Gasturbinentriebwerksschaufel aus einem Superlegierungspulver auf Nickelbasis angegeben.

BEISPIEL

Ein entfernbares Modell, das die geeignete Vorverdichtungskonfiguration einer Turbinenschaufel hat, wurde geschaffen, indem ein Standardgießwachs in eine geeignete Form gespritzt wurde. Das Modell wurde anschließend sehr leicht mit feinem,

2 pulverförmigen Glas bei einem Druck von 1,1 kp/cm bis 1,4 kp/cm bearbeitet, um das bei dem Spritzformen verwendete Trennmittel zu entfernen und um jede vorhandene Oberflächenrauhigkeit zu verringern. Zur Bildung des Mantels wurde das behandelte Modell in eine Lösung zur stromlosen Vernickelung eingetaucht, die unter dem Warenzeichen Cuposit PM 980 vertrieben und von der Fa. Shipley Company, Inc., Newton, Massachusetts, V.St.A-, hergestellt wird. Nach 10 Minuten wurde das behandelte Modell aus der Lösung entnommen und es wies einen Nickelniederschlag mit einer Dicke von O,25 . 1O mm bis O,38 . 10 mm auf. Das behandelte und überzogene Modell wurde anschließend in eine galvanische Nickelsulfamatlösung eingetaucht, die 283,5 ρ bis 340,2 ρ Nickelmetall pro 3,8 1 (1 Gallone) Lösung enthielt. Eine galvanische Nickelschicht wurde dann bis zu einer Dicke zwischen 1 mm bis 1,5 mm aufgebracht, indem für 50 Stunden

2 ein Strom von 30 bis 40 A pro 0,093 m angewandt wurde. Das Modell mit dem auf ihm angeordneten selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantel wurde dann auf 93 ⁰C erwärmt, wodurch das Wachs geschmolzen .und aus dem Mantel entfernt wurde. Um

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eine im wesentlichen vollständige Entfernung des Wachses sicherzustellen, wurde das Innere des Mantels weiter mit Trichloräthylen-Lösungsmittel gereinigt und anschließend bei 954 ⁰C gebrannt. Ein hohler Dorn aus rostfreiem Stahl wurde dann durch Schweißen an dem Behälter befestigt. Superlegierungspulver auf Nickelbasis, das allgemein unter der Bezeichnung IN-100 bekannt ist und eine Nennzusammensetzung von 9,5% Cr, 15% Co, 4,8% Ti, 5,5% Al, 3,0% Mo, 0,17% C und dem Rest Ni und eine Teilchengröße von 0,044 mm (325 mesh) oder weniger hat, wurde dann in den Behälter eingeleitet, indem ein Trichter auf den Dorn aufgesetzt und das Pulver hineingegossen wurde. Während des Füllens wurde der Behälter stark gerüttelt. Nachdem die gewünschte Pulvermenge eingefüllt war, wurde der Dorn des Behälters an eine Vakuumpumpe angeschlossen und der Druck wurde innerhalb des Behälters auf etwa 4 χ 10 mm Hg reduziert. Unmittelbar vor dem Verschließen des Behälters wurde dieser abschließend stark gerüttelt. Der Behälter wurde verschlossen, indem der Dorn örtlich erwärmt und mechanisch umgebogen wurde. Der ümbiegungsbereich wurde dann zugeschweißt, um einen vakuumdichten Verschluß sicherzustellen. Der gefüllte und verschlossene Behälter wurde dann in ein Druckgefäß eingebracht. Argon wurde in das Gefäß eingeleitet, bis ein

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Druck von 1055 kp/cm erreicht war. Gleichzeitig wurde das Gefäß auf 1231 ⁰C erhitzt. Der Behälter blieb für 180 Minuten auf diesem Druck und dieser Temperatur. Nach der Verdichtung wurde der Behälter aus dem Gefäß entnommen und durch chemisches Auflösen von der verdichteten Turbinenschaufel entfernt. Die Schaufel zeigte eine gute Oberflächenglätte und hatte die gewünschte verwickelte Konfiguration. Es wurde ermittelt, daß die Dichte der Schaufel etwa 100 % betrug.

Das oben angegebene Beispiel dient lediglich zur Veranschaulichung und es ist klar, daß im Rahmen der Erfindung Änderungsmöglichkeiten gegeben sind. s

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Claims

Patentansprüche :

1.) Verfahren zur isostatischen Warmverdichtung von Teilchenmaterial zu einem Gegenstand von verwickelter Konfiguration, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

ä) Herstellen eines entfernbaren Modells in der geeigneten Vorverdichtungskondiguration des herzustellenden Gegenstands;

b) überziehen des Modells mit einer ersten Schicht aus leitendem Material, die eine ausreichende Dicke hat, um eine im wesentlichen durchgehende leitende Oberfläche zum anschließenden überziehen zu schaffen;

c) überziehen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht aus metallischem Material, wobei die Dicke der zweiten Schicht in Verbindung mit der Dicke der ersten Schicht ausreicht, um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantel um das Modell zu schaffen;

d) Entfernen des Modells aus dem Mantel und dadurch Sehe-fen eines selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälters zum Aufnehmen und Einschließen des Teilchenmaterials in der geeigneten Vorverdichtungskonfiguration des herzustellenden Gegenstands;

e) Füllen des Behälters mit Teilchenmaterial und Herstellen eines Vakuums darin;

f) Abschließen des Behälters gegenüber der Atmosphäre;

g) Verdichten des Behälters und des Teilchenmaterials bei erhöhter Temperatur durch isostatischen Druck, so daß ein dichter Gegenstand der gewünschten Konfiguration aus dem Teilchenmaterial gebildet wird; und

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h) Entfernen des Behälters von dem verdichteten Gegenstand.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernbare Modell vor dem überziehen mit der ersten Schicht aus leitendem Material behandelt wird, um die Oberflächenrauhigkeit zu verringern und um eine saubere, durchgehende Oberfläche zu schaffen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß das Modell in einem Formhohlraum gebildet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell in der Gestalt eines Gasturbinentriebwerksteils geschaffen wird.

5. Verfahren zur isostatischen Warmverdichtung von Teilchenmaterial zu einem Gegenstand von verwickelter Konfiguration, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Schaffen eines entfernbaren Modells aus mehreren Abschnitten in der geeigneten Vorverdichtungskonfiguration des herzustellenden Gegenstands;

b) überziehen der Modellabschnitte mit einer ersten Schicht aus leitendem Material, deren Dicke ausreicht, um eine im wesentlichen durchgehende leitende Oberfläche zum anschliessenden überziehen zu schaffen;

c) überziehen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht aus metallischem Material, wobei die Dicke der zweiten Schicht in Verbindung mit der Dicke der ersten Schicht ausreicht, um selbsttragende und gasundurchlässige Mantelabschnitte um die Modellabschnitte zu schaffen;

d) Entfernen der Modellabschnitte aus den Mantelabschnitten;

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e) Zusammenfügen der Mantelabschnitte und dadurch Schaffen eines selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälters zum Aufnehmen und Einschließen des Teilchenmaterials in der geeigneten Vorverdichtungskonfiguration des herzustellenden Gegenstands;

f) Füllen des Behälters mit Teilchenmaterial und Herstellen eines Vakuums darin;

g) Abschließen des Behälters gegenüber der Atmosphäre;

h) Verdichten des Behälters und des Teilchenmaterials bei erhöhter Temperatur durch isostatischen Druck, so daß ein dichter Gegenstand der gewünschten Konfiguration aus dem Tei.lchenmaterial gebildet wird; und .

i) Entfernen des Behälters von dem verdichteten Gegenstand.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem überziehen mit der ersten Schicht aus leitendem Material jeder Modellabschnitt behandelt'wird, um die Oberflächenrauhigkeit zu verringern und eine saubere, durchgehende Oberfläche zu schaffen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell aus einem nichtleitenden Material hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modellabschnitt in einem Formhohlraum gebildet wird.

9. Verfahren nach einem derAnsprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus leitendem Material durch stromlose Abscheidung aufgebracht wird.

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10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus metallischem Material durch Galvanisieren aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10/ dadurch gekennzeichnet/ daß die zweite Schicht aus metallischem Material mit wenigstens einer gasundurchlässigen Schicht überzogen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11/ dadurch gekennzeichnet/ daß die Mantelabschnitte durch Schweißen miteinander verbunden werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell aus mehreren Abschnitten in der Gestalt eines Gasturbinentriebwerksteils hergestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchenmaterial ein Superlegierungspulver ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet/ daß in "dem Schritt (g) aus dem Teilchenmaterial ein Teil mit einer Dichte von nahezu 100% hergestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15_f dadurch gekennzeichnet _r daß das Modell durch Spritzformen hergestellt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell aus Gießwachs hergestellt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell vor dem überziehen mit der ersten Schicht aus leitendem Material mit Glas bearbeitet wird, um die Oberflächen-

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rauhigkeit zu verringern und um eine saubere, durchgehende Oberfläche zu schaffen.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus leitendem Material ein metallischer Niederschlag ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Niederschlag Nickel ist.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Niederschlag Eisen oder Stahl ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite metallische Schicht aus Nickel gebildet wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite metallische Schicht aus Eisen oder Stahl gebildet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell in der Gestalt einer Gasturbinentriebwerksscheibe hergestellt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus leitendem Material mit einer Dicke von wenigstens 0,25 . 10 mm hergestellt wird. i

26. Verfahren nach einem derAnsprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Schicht in Verbindung mit der Dicke der ersten Schicht wenigstens 1 mm beträgt.

27. Gasturbinentriebwerksteil, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26 hergestellt ist.

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28. Verfahren zum Herstellen eines selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälters zur Verwendung bei der isostatischen Warmverdichtung von Teilchenmaterial zu einem Gegenstand von verwickelter Konfiguration, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Schaffen eines entfernbaren Modells in der geeigneten Vorverdichtungskonfiguration des herzustellenden Gegenstands;

b) überziehen des Modells mit einer ersten Schicht aus leitendem Material, deren Dicke ausreicht, um eine im wesentlichen durchgehende leitende Oberfläche zum anschliessenden Überziehen zu schaffen;

c) überziehen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht aus metallischem Material, wobei die Dicke der zweiten Schicht in Verbindung mit der Dicke der ersten Schicht ausreicht, um einen selbsttragenden und gasundurchlässigen Mantel um das Modell zu. schaffen; und

d) Entfernen des Modells aus dem Mantel.

29. Verfahren zum Herstellen eines selbsttragenden und gasundurchlässigen Behälters zur Verwendung bei der isostatischen Warmverdichtung von Teilchenmaterial zu einem Gegenstand von verwickelter Konfiguration, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

b) überziehen der Modellabschnitte mit einer ersten Schicht aus leitendem· Material, deren Dicke ausreicht, um eine im

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wesentlichen durchgehende leitende Oberfläche zum anschließenden überziehen zu schaffen;

d) Entfernen der Modellabschnitte aus den Mantelabschnitten; und

e) Miteinanderverbinden der Mantelabschnitte.

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