Entwicklung des aktiven Breitspaltlötens zur Spannungsreduzierung in Keramik-Metall-Verbunden für den Hochtemperatureinsatz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufbauend auf den bekannten Technologien des Aktivlötens zum direkten Fügen von Keramiken und des Breitspaltlötens zum Fügen von metallischen Werkstoffen mit Nickelbasisloten bei größeren Lötspaltbreiten wurde ein neuartiges Verfahren zum Löten von Keramik-Metall-Verbunden entwickelt, das aufgrund der nickelbasierten Lotwerkstoffe höhere mögliche Einsatztemperaturen und Warmfestigkeiten als konventionelle Lötverfahren verspricht. Der Einsatz von im Wärmeausdehnungsverhalten angepassten Additiven soll dabei die aufgrund der hohen Löttemperaturen von 1200 °C und der hohen Festigkeit der Lotwerkstoffe entstehenden Spannungen verringern. Durch Benetzungs- und Fügeversuche, Gefügeuntersuchungen und thermoanalytische Tests konnten die drei Lotsysteme Ni650 + 10Ti30Ni + 30 Vol.-% W, Ni650 + 10Zr30Ni + 30 Vol.-% WC, Ni650 + 5TiH + 30 Vol.-% Al2O3 als am vielversprechendsten identifiziert werden. Die zunächst noch unzureichend hohe Porosität von bis zu 75% konnte aufbauend auf einer Analyse der Ursachen durch eine Anpassung der Additivkornfraktionierung, eine Minimierung des Binderanteils und ein Aufbringen eines Anpressdrucks im Lötprozess auf deutlich unter 5 % reduziert werden. Hierdurch konnte zudem die Beständigkeit hinsichtlich Hochtemperaturoxidation signifikant reduziert werden. Durch die Analyse des Wärmeausdehnungsverhaltens des Lötgutes, vergleichende Rissanalysen an mit reinem Nickelbasisaktivlot gefügten Keramik-Metall-Verbunden sowie eine gute Beständigkeit bei Thermowechselbelastung konnte die Wirksamkeit des Breitspaltaktivlötkonzeptes, d.h. der Additivzugabe, nachgewiesen werden. Als am geeignetsten erwies sich insgesamt das Lot Ni650 + 5TiH + 30 Vol.-% Al2O3. Wenngleich die Festigkeit gelöteter Keramik- Metall-Verbunde noch eher gering war, ist insgesamt somit das Potential des Breitspaltaktivlötens zu erkennen, da aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen zu Grundlagen und Mechanismen eine zukünftige zielgerichtete Optimierung, z.B. durch Zwischenschichten erfolgen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Aktivlotentwicklung auf Basis kommerzieller Nickellote mit Titan oder Zirkon als Aktivelement zum Fügen von Keramik-Metall-Verbunden, 12. Werkstofftechnisches Kolloquium in Chemnitz , 01.-02.2009, Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, Band 35, Eigenverlag Chemnitz, 2009, S. 161-168, ISBN: 978-3-00-09007-7
Bobzin, K.; Schläfer, T.; Kopp, N.; Schlegel, A.
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Aktivlotentwicklung mit verschiedenen Refraktärmetallen auf Basis kommerzieller Nickellote zum Fügen von Keramik-Metall-Verbunden, LÖT 2010, 9. Internationales Kolloquium Hart- und Hochtemperaturlöten und Diffusionsschweißen, Aachen 15.-17.06.2010, Tagungsband: DVS Berichte Band 263, 2010
Bobzin, K.; Schläfer, T.; Kopp, N.; Schlegel, A.
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Entwicklung von neuen Aktivlotpulvern auf Basis kommerzieller Nickellote mit Zirkon als Aktivelement zum Fügen von Keramik-Metall-Verbunden, Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Vol. 41, No. 6, S. 455- 463, WILEY-VCH Verlag, 2010
Bobzin, K.; Schläfer, T.; Kopp, N.; Schlegel, A.
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Die Entwicklung des Breitspaltaktivlötens als neue Fügetechnologie für Keramik-Metall- Mischverbunde mit Einsatztemperaturen oberhalb 500 °C, Keramische Zeitschrift 05/2011, S. 329-333
Bobzin, K. Bagcivan, N., Kopp, N. Schlegel, A.
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Wide Gap Active Brazing of Ceramic-to-Metal-Joints for High Temperature Application, Frontiers of Mechanical Engineering, No. 3, Vol. 8, 2013
Bobzin, K.; Zhao, L.; Kopp, N.; Samadian Anavar, S.
