Investigation of Properties and Thermochemical Mechanisms of the Aging of RAB-Ceramic-to-Metal-Joints
Final Report Abstract
Ziel der zweiten Projektphase war es, das Alterungsverhalten mittels RAB gefügter Keramik-Metall-Verbunde zu untersuchen, zu verstehen und zu beeinflussen, wobei der Fokus auf den Alterungsprozessen der Mischoxidschicht an der Grenzfläche zwischen Stahl und Lot lag. Insbesondere sollten die neu entwickelten Lotvarianten, Ag4Cu4Ni, Ag2Fe2Si2Al und Ag0.5Al0.5Ti, weitergehend untersucht werden. Bei den Untersuchungen zum Alterungsverhalten zeigte sich, dass bei allen Lot/Grundwerkstoffkombinationen die Mischoxidschicht am Interface während der Auslagerung bei erhöhten Temperaturen in oxidierender Atmosphäre deutlich wuchs und insbesondere bei den Cu-freien Loten durch die Entstehung weiterer Ag/Cr-basierter Schichten komplexer wurde. Als wichtigster Einflussfaktor auf die Bildung sowie das Wachstum der Schichten konnten die Wechselwirkungen zwischen den oxidbildenden Elementen im Lot und dem Stahl identifiziert werden. Als günstig erwies sich hier der Einsatz von Cu-freien Loten mit möglichst geringen Anteilen an zusätzlichen Elementen, wie z.B. das Lot Ag0.5Al. Um auch eine weitere Diffusion von oxidbildenden Elementen zur Stahl und von Stahlelementen wie Cr ins Lögut während der Auslagerung zu unterbinden, ist die Applikation dünner, dichter Schichten als Diffusionsbarriere aussichtsreich. Der Einfluss der einzelnen Schichten auf das Alterungsverhalten ergibt sich insbesondere durch die Reduktion der Sauerstoffverfügbarkeit am Stahlinterface, die z.B. durch einen oberen keramischen Fügepartner reduziert werden kann. In diesem Fall ist die Reaktionsschicht weniger stark ausgeprägt und das Wachstum während der Auslagerung ist begrenzt. Eine Reduktion der Sauerstoffverfügbarkeit in der Fügenaht, z.B. durch eine dichte PVD-Beschichtung, ist damit auch einer der erfolgversprechendsten Ansätze, um das Wachstum der Mischoxidschichten während der Alterung zu begrenzen. Weiterhin haben sich die neu entwickelten Lote hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften den konventionellen AgCu-Loten als ebenbürtig gezeigt und auch beim Fügen von Grundwerkstoffen mit unangepasstem thermischen Ausdehnungsverhalten gezeigt, dass die Ag-Matrix trotz der zusätzlichen Oxide im Lötgut die auftretenden thermisch induzierten Spannungen durch Kriechprozesse abbauen kann, so dass die Verbunde erfolgreich gefügt werden können. Durch die Zusammenarbeit mit den Projektpartnern konnten verschiedene Fragestellungen, die innerhalb der Laufzeit auftraten, beantwortet und aus verschiedenen Perspektiven beleuchtet werden. So konnten die Ziele des Projektes erfolgreich erreicht werden. Durch das gemeinsame Auftreten der Projektpartner bei Konferenzen und auch durch die gemeinsame Veröffentlichung des Special Issues von Advanced Engineering Materials konnte die gewonnene breite Wissensbasis für das Alterungsverhalten mittels RAB gefügter Keramik-Metall-Verbunde präsentiert und, durch das Feedback aus Forschung und Industrie, zusätzlich erweitert werden. Die Ergebnisse dieses Projektes können so als Grundlage für weitere, auch industrielle Anwendungen des wirtschaftlich günstigen Reactive Air Brazings zum Fügen von Keramik-Metall-Verbindungen für hochtechnologisierte Anwendungen dienen.
Publications
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(2011). Entwicklung neuer Lote und Prozesse zum Fügen von Keramik-Metall-Verbunden mittels Reactive Air Brazing, 14. Werkstofftechnisches Kolloquium, 01.-02.09.2011, Chemnitz; Tagungsband: Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen Band 043, S.237-244
Bobzin K, Bagcivan N, Kopp N, Li C, Kuhn B, Beck T
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(2011). Thermochemistry of brazing ceramics and metals in air. International Journal of Materials Research, 102, 8, S. 972-976
Bobzin K, Schläfer T, Kopp N
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(2011). Thermodynamisch gestützte Lot- und Prozessentwicklung zum Löten von Keramik-Metall-Verbunden an Luft, 2. W3-Kolloquium des DVS: Fügen von Metall, Keramik und Glas, 29.11.2011, Hanau
Bobzin K, Bagcivan N, Weiler C, Kopp N
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(2012) Reactive Air Brazing Löten von Keramik-Keramik- und Keramik-Metall-Verbunden an Luft. Dissertation, RWTH Aachen
Kopp N
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(2012). Development of New Brazing Fillers and Process Variants for Reactive Air Brazing (RAB) of Electrochemical Devices, IBSC - 5th International Brazing and Soldering Conference, 22.-25.04.2012, Las Vegas, Proceedings, S. 75-78
Bobzin K, Bagcivan N, Kopp N, Weiler C
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(2012). Improving Contour Accuracy and Strength of Reactive Air Brazed (RAB) Ceramic / Metal Joints by Controlling Interface Microstructure. Advanced Engineering Materials, 14, S. 394-399
Li C, Kuhn B, Brandenberg J, Beck T, Singheiser, L, Bobzin K, Bagcivan N, Kopp N
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(2013). Untersuchung des Aufschmelz-, Reaktions- und Benetzungsverhaltens von neuen Loten für das Reactive Air Brazing. 16. Werkstofftechnisches Kolloquium, 05.-06.09.2013, Chemnitz; Tagungsband: Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen Band 050, S. 161-169
Bobzin K, Kopp N, Wiesner S
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(2014). Characterization of Reactive Air Brazed Ceramic-Metal-Joints with Unadapted Thermal Expansion Behavior. Advanced Engineering Materials, Special Issue: Reactive Air Brazing, 16, 12, S. 1490-1497
Bobzin K, Öte M, Wiesner S, Kaletsch A, Broeckmann C
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(2015). Aging of Reactive Air Brazed Ceramic/Metal Joints in Dependence of the Filler Metal, IBSC - 6th International Brazing and Soldering Conference, 19.-23.04.2015, Long Beach, Kalifornien, USA, Proceedings
Bobzin K, Öte M, Wiesner S
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(2015). Influence of Filler and Base Material on Aging of Reactive Air Brazed Ceramic/Metal Joints, 68th IIW Annual Assembly and International Conference, 28.06.-03.07.2015, Helsinki, Finnland
Bobzin K, Öte M, Wiesner S
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(2016). Development of the Reaction Zone at the Steel Interface during Aging of Reactive Air Brazed Ceramic/Metal Joints. Posterbeitrag für die LÖT 2016, 07.-09.06.2016, Aachen
Bobzin K, Öte M, Wiesner S
