DE2848185C2 - Verfahren zum Verbinden eines vielschichtigen, verschleißbaren Keramik-Metall-Teiles - Google Patents

Verfahren zum Verbinden eines vielschichtigen, verschleißbaren Keramik-Metall-Teiles

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Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt c) das metallische Substrat zuerst mit einem Lötpulver überzogen wird, bevor das Keramik-Metall-Teil darauf gelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik-Metall-Teil und das Substrat während der Verfahrensschritte d) und e) zusammengepreßt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Veifahrensschrittes d) der Druck wenigstens 0,345 bar beträgt und wenigstens 0,345 bar während des Veifahrensschrittes e).
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz im Verfahrensschritt e) wenigstens 200° C beträgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines vielschichtigen, verschleißbaren Keramik-Metall-Teiles gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solches Verfahren ist aus »Schweißen und Schneiden«, Jahrgang 25 (1973), Heft 2, Seiten 52 bis 55
35 bekannt. Nach diesem Verfahren werden Lötverbindungen beispielsweise zwischen Nickellegierungen einerseits und metallischen Keramikoberflächen andererseits hergestellt.
Weiterhin ist aus der DE-OS 1752650 ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metall-Verschweißung j bekannt, bei dem mit einer sogenannten »Zwinge« gearbeitet wird, einem Element, das die natürliche Ausdehnung mindestens eines der zusammengesetzten Teile begrenzt.
Aus der US-PS 39 75165 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer abgestuften Metall-Keramik-Struktur bekannt, die als verschleißbarer Verschluß bei hohen Temperaturen eingesetzt wird. Die nach diesem Verfahren hergestellten Verschlüsse enthalten entsprechend zusammengesetzte Mischungen aus Metall und Keramik zwischen der Keramikoberfläche des Kompositverschlußgliedes und dem Substrat, mit dem es verschmolzen wird, wodurch Unterschiede bezüglich der thermischen Ausdehnung verringert werden. Infolge der abgestuften Konstruktion werden Schubbeanspruchungen, die eventuell zu einem Versagen des Verschlusses führen, beträchtlich verringert.
Trotz der Verringerung der Schubbeanspruchung verbleiben jedoch große Spannungen. Beispielsweise kann eine Nickel/Chrom-ZrOj-Struktur, die isotherm von den Bindungstemperaturen abgekühlt wird, verbleibende Druckbeanspruchungen und Zugbeanspruchungen in den Keramik- und metallreichen Schichten entwickeln. Bei der Verbindung der abgestuften Kompositstruktur mit dem steifen oder starren Substrat treten solche Spannungen auf, die darüber hinaus rasch entstehen können. Die dimensionsmäßig stabile Struktur, die für die meisten Anwendungen erforderlich ist, entwickelt sicherlich nach dem Verarbeiten große verbleibende Spannungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung einer fehlerfreien Keramik/Metallkompositstruktur zu entwickeln, die verschleißbar ist und unempfindlich gegen einen Wärmestoß, und zwar durch Verwendung eines Prinzips des Sinterns und/oder des Abkühlens der Struktur in einem thermischen Gradienten, das zu einer Entspannung während des Verfahrens führt.
Diese Aufgabe wild erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Durch das Verfahren werden verschleißbare Metall/Keramikverschlüsse, die beispielsweise bei Düsenflugzeugen verwendet werden, verbessert, indem ein Temperaturdiflerential zwischen dem Metall/Keramikkompositstoff und dem kühleren Substrat während des Abkühlens von der Löttemperatur aufrechterhalten wird.
Der abgestufte Metall/KeramikkompositstofT wird hierzu auf das Substrat gelegt, das vorzugsweise einen Lötstreifen oder eine geschmolzene Beschichtung aus Lötpulver aufweist, und wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die metallreiche Oberfläche des Kompositstofles mit dem Substrat zu verschmelzen. Eine Temperatur von ungefähr 1200° C wird für diesen Schmelzvorgang bevorzugt, wobei die Temperatur für eine genügend lange Zeit aufrechterhalten wird (ungefähr eine Stunde) - der Verfahrensschritt des Erhitzens kann isotherm
sein -, oder es wird ein schwacher Temperaturgradient aufrechterhalten, wobei das Substrat bis zu 450° C kälter ist, als die Keramikoberfläcne des Kompositstoffes. Dieses Erhitzen wird vorzugsweise im Vakuum durchgeführt oder in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff. Bevorzugt werden auch mäßige Drücke angewendet, um den Kompositstoffund das Substr?! zusammenzubringen, wobei sich ein Druck von ungefähr 0,345 bar als zufriedenstellend erwies.
Wenn die Temperaturen dieser Strukturen nahe der Schmelztemperatur von ungefähr 1200° C liegen, wird der Druck vorzugsweise von 0,345 bar auf 15,513 bar erhöht, um den Kontakt an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Kompositstoff zu erhöhen und geringfügige Strukturfehler zu beseitigen. Nach dem Beenden des Verschmelzens des graduierten Kompositstoffes mit dem Substrat, was üblicherweise nach ungeiahr einer Stunde erfolgt, wird auf Umgebungstemperatur abgekühlt Während dieser Abkühlphase wird die für die Erfindung kritische Temperaturdifferenz oder Δ ^eingestellt. Δ 7Tcannbei deformierbaren Materialien geringer sein, es beträgt aber vorzugsweise wenigstens 200° C. Es ist wichtig, daß die Temperaturdifferenz zu der Zeit hergestellt wird, bei der die Temperatur des Substrates ungefähr 850° C erreicht. Unterhalb dieser Temperatur werden elastische Spannungen vorherrschend und müssen durch die Temperaturdifferenz Δ Fbeseitigt werden.
Die Art, in der die Temperaturdifferenz Δ ^eingestellt und aufrecht erhalten wird, ist unkritisch; hierfür sind J5 verschiedene Verfahren vorhanden. Als vorteilhaft erwies sich, die graduierte Komposit/Substrat-Struktur bis zum Schmelzen zu erhitzen, indem ein Graphit-Suszeptor gegen die Kompositstruktur gedruckt wird und anschließend der Suszeptor mit einer Induktionsheizspule umgeben wird, um den Suszeptor und den anliegenden Kompositstoff zu erhitzen. Es kann auch eine andere Heizvorrichtung verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens anhand von in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sowie anhand von verschiedenen verfahrensgemäßen Beispielen.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Graphit-Suszeptor kleineren Ausmaßes zum Erhitzen und anschließenden Beschichten, während ein Δ raufrecht erhalten wird, und zwar unter Verwendung eines Abstandsstückes aus Metall und einer Kühlvorrichtung mit Wasser als Kühlmittel,
Fig. 2 einen weiteren Graphit-Suszeptor, bei dem ein faserartiger Isolierstoff und eine Kühlvorrichtung mit Wasser als Kühlmittel verwendet wird,
F i g. 3 einen Graphit-Suszeptor, bei dem ein Kühlgas verwendet wird und
Fig. 4 eine Teil-Seitenansicht des in Fig. 3 gezeigten Apparates.
Während des Abkühlens wird eine TemperaturdiiTerenz/i /"dadurch eingestellt, daß in entsprechenderweise Wärme dem Substrat entzogen wird. Fig. 1 zeigt einen Apparat zum Erhitzen und Abkühlen kleiner Proben gemäß der Erfindung. Eine Kupferbasis 10 ist auf einem Graphitblock 12 montiert und wird durch Wasser gekühlt, das in den Block 10 durch die Kühlleitung 14 eintritt und den Block über die Austrittsleitung 16 verläßt. Auf dem oberen Teil der Kupferbasis 10 befinden sich Ausgleichsscheiben 18, welche das Substrat 20 von der Kupferbasis 10 trennen und als Kühlvorrichtung dienen. Nahe dem Substrat 20 befindet sich ein Metall/Keramikkompositstoff 22, wobei sich ejne Schicht aus einem Lötpulver oder Lötstreifen dazwischen befindet. Oberhalb des Kompositstoffes 22 befindet sich ein Graphit-Suszeptor 24, der durch eine wassergekühlte, elektrische Spule 26 erhitzt wird, die den Suszeptor 24 umgibt und die mit Energie gespeist werden kann, um einen Strom in dem Suszeptor 24 zu induzieren und ihn auf diese Weise zu erhitzen. Der Suszeptor 24 dient auch als Kolben, der dazu verwendet werden kann, einen Druck auf das Substrat 20 und den Kompositstoff 22 auszuüben. Der gesamte Apparat befindet sich innerhalb eines Vakuumgefäßes, das nicht gezeigt ist, um während des Erhitzens und/oder Abkühlens ein Vakuum oder eine Atmosphäre aus einem inerten Gas aufrechtzuerhalten.
Die Spule 26 erhitzt den Suszeptor 24 und dadurch den Kompositstoff 22 und das Substrat 20, wobei sich ein Lötstreifen oder Lötpulver zwischen ihnen befindet, wobei die Temperatur so hoch ist, daß geschmolzen wird und ein Druck von mindestens 0,345 bar aufrechterhalten wird, und zwar durch einen Kolben, der auf den Suszeptor 24 wirkt. Nach dem Lötvorgang beginnt das Abkühlen auf Umgebungstemperatur. Die Metallscheiben 18 wirken als Kühlvorrichtung, und infolge der Wasserkühlung der Kupferbasis 10 kühlt das Substrat 20 schneller ab als der Kompositstoff 22, wodurch ein Δ 7Oder Temperaturdifferential zwischen beiden während des Abkühlens aufrechterhalten wird. Die gezeigten Scheiben 18 sind flache Metallstreifen; es können aber auch gefaltete oder gewellte Streifen während des Erhitzens verwendet werden. Für den Verfahrensschritt des Abkühlens können sie durch Druck zusammengepreßt werden, wodurch sie zu Kühlvorrichtungen werden. In einer abgeänderten Ausführungsform wurde ein faserartiger Isolator oder ein Keramikstück 28 anstatt der Scheibe 18 (Fig. 2) verwendet .
Die F i g. 3 und 4 zeigen einen abgeänderten Apparat, der ebenfalls verwendet wurde, um das Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen. In dieser Auführungsform ist sowohl das Substrat 30 als auch der Metall/Keramikkompositstoff 32 gebogen, wie die veFschleißbaren Verschlüsse in Düsenflugmaschinen. Der Kompositstoff 32 ruht auf einem gebogenen Trageblock 34 aus Graphit, der auf dem Graphit-Suszeptor 36 ruht und eine Verlängerung des Suszeptors bildet. Eine wassergekühlte, elektrische Spule 38 erhitzt den Suszeptor 36 und den Trageblock 34. Das Substrat 30 befindet sich am oberen Ende des Kompositstoffes 32, wobei sich eine Schicht aus Lotpulver oder ein Lötstreifen dazwischen befindet. Ein abwärts gerichteter Druck wird auf das Substrat 30 und den Kompositstoff32 durch zwei Stangen 30 ausgeübt, die auf dem Substrat 30 ruhen und mit der Druckplatte 42 verbunden sind. Ein Druckblock 44 aus Graphit ruht auf der Druckplatte 42 unter dem Grapbitzylinder 46.
Hydraulische Kolben, die nicht gezeigt sind, wirken auf den Zylinder 46 und den Suszeptor 36, um einen Druck auf das Substrat und auf den Kompositstoff auszuüben. Die gesamte Apparatur befindet sich innerhalb eines Vakuumgefäßes (das nicht gezeigt ist), um ein Vakuum oder eine inerte Gasatmosphäre während des Erhitzens und/oder Abkühlens herzustellen. Das Abkühlen des Substrates 30 wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß ein Gas gegen das Substrat 30 durch die Löcher 48 in den Röhren 50 geleitet wird, die mit einem
Verteiler 52 verbunden sind, der seinerseits mit einem Vorrat an Kühlgas (nicht gezeigt) verbunden ist, und zwar durch die Zuführleitung 54. In einigen Experimenten mit diesem Apparat erwies es sich als vorteilhaft, die äußere Oberfläche des Suszeptors 36 mit einer Graphit-Filzmatte zu isolieren, mit der der Suszeptor umwunden wurde. Dieses Umwinden, das nicht gezeigt ist, diente nur dazu, um die Wirksamkeit der Induktionsheizung zu erhöhen.
Die Erfindung eignet sich auch für graduierte Kompositstoffe, die aus verschiedenen Metallen und Keramikstoffen hergestellt sind. Zu den geeigneten Keramikstoffen oder temperaturbeständigen Stoffen gehören Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Ceriumdioxid, Yttriumoxid, Siliciumdioxid und Magnesiumoxid. Geeignete Metallegierungen sind Nickel/Chrom, Kobalt/Chrom, Eisen/Chrom u. dgl., zu denen Aluminium oder Titan hinzugefugt werden können. Eine vollständige Beschreibung eines verschleißbaren Kompositgliedes, das mit einem Substrat gemäß der Erfindung verbunden werden kann, wird in der US-PS 39 75165 beschrieben.
Die Beispiele I, II und III erläutern die Erfindung und zeigen, wie auf verschiedene Art und Weise ein Temperaturdifferential hergestellt und aufrechterhalten werden kann. Auf die Beispiele folgt ein Kontrollexperiment, das die Schwierigkeiten zeigt, die auftreten, wenn die Temperaturdifferenz nicht aufrechterhalten wird.
Beispiel I
Ein aus fünf Schichten bestehender, abgestufter Kompositstoff wurde aus den folgenden Materialien hergestellt:
A. ZrCb-Agglomerat (0,417/0,246 mm)
B. ZrO2-Agglomerat (0,147/0,068 mm)
C. ZrO2-Pulver (0,044 mm)
D. 75 Gew.-% 0,147/0,068 mm und 25 Gew.-% 0,105/0,053 mm 80 % Ni 20% Cr Pulver
E. kolloidale Siliciumdioxidlösung.
(Die Größen Teilchengrößenangaben in mm geben an, durch welches Sieb mit der entsprechenden Maschenweite die Teilchen hindurchgehen.)
Die Zusammensetzung jeder der fünf Schichten war folgende:
Schicht Nr. Dicke in cm Gewichtsprozent
ABC
Prozent der Summe aus A,B,C und D E
1 0,33 45 45 10 — 12,5
2 0,062 10 30 30 30 15
3 0,062 - 10 40 50 15
4 0,062 - 5 25 70 15
5 0,062 - 5 25 70 15
Die Schichten 1 bis 5 wurden je mit genügend Wasser und der kolloidalen SiCh-Lösung vermischt, um eine feuchte Mischung zu bilden. Die Schicht 5 wurde zuerst in einer Form ausgebreitet, um ein Quadrat mit den Abmessungen 6,8 Χ 6,87 cm zu bilden; die Dicke betrug 0,062 cm. Die Schichten 4, 3, 2 und 1 wurden nacheinander auf den oberen Teil der Schicht 5 gestapelt, dann wurde die Schichtstruktur unter einem Druck von 6894.72 bar zusammengepreßt Das Substrat, das verwendet wurde, war eine Platte aus einer Nickel/Chrom-Legierung mit den Abmessungen 6,80 x 6,87 cm; die Dicke betrug 0,3i cm. Es wurde gleichmäßig mit Lötpulver beschichtet, das mit der Oberfläche verschmolz, nachdem 15 Minuten lang in einer Wasseratmosphäre auf eine Temperatur von 1125° C erhitzt worden war. Der in Fig. 2 gezeigte Apparat wurde hierzu verwendet Eine wassergekühlte Basisplatte aus Kupfer innerhalb einer Vakuumpresse wurde verwendet, um die Anordnung zu tragen. Auf der Kupferbasis war eine 0,05 cm dicke Folie aus einer faserartigen hochtemperaturbeständigen Isolierung gestapelt, dann folgte die Ni-Cr-Platte mit der geschmolzenen Beschichtung aus Lötpulver, dann folgte der abgestufte Kompositstoff und ein Blocksuszeptor aus Graphit Die mit dem Lötpulver beschichtete Oberfläche der Ni-Cr-Platte befand sich gegenüber der metallreichen Oberfläche des abgestuften Kompositstoffes, und die keramikreiche Oberfläche war mit dem Suszeptor aus Graphit in Kontakt Die Induktionsspule wurde symmetrisch um den Suszeptor gelegt Temperaturmessungen wurden mit einem optischen Pyrometer vorgenommen, indem Löcher beobachtet wurden, die in das Substrat und den Suszeptor gebohrt wurden (schwarzer Körper). Das Loch im Suszeptor befand sich 0,25 cm von der Suszeptor/Keramikgrenzfläche.
Nachdem ein Vakuum von 0,0133 Pa erreicht worden war, wurde eine Stunde lang der Suszeptor durch die Induktionsspule auf eine Maximaltemperatur von 1390° C erhitzt. Das Inconel-Substrat erreichte 1200° C. Nach einer Halteperiode von 15 Minuten bei dieser Temperatur begann das Abkühlen. Nach Ablauf von einer Stunde hatten der Suszeptor und das Substrat eine Temperatur von 980° C bzw. 860° C, wobei die Temperaturdifferenz Δ Tnur 120° C betrag. Ein Druck von ungefähr 0,345 bar wurde während des Erhitzens auf die Werkstücke mittels eines hydraulischen Kolbens ausgeübt
Nachdem vollständig auf Umgebungstemperatur abgekühlt worden war, erwies sich der abgestufte Kompositstoff als gut gesintert und mit dem Substrat verbunden. Eine meßbare Schrumpfung hatte nicht stattgefunden. Der Metall/Keramikkompositstoff und das Substrat hatten sich jedoch gekrümmt und eine Krümmung entsprechend einem Radius von 125 cm angenommen. Diese große Deformierung könnte auf die kleine Temperaturdifferenz zurückgeführt werden.
Beispiel II
Ein abgestufter Kompositstoff aus fünf Schichten wurde aus den folgenden Materialien hergestellt:
A. ZrO2-Agglomerat (0,417/0,246 mm)
B. ZrO2-Agglomerat (0,147/0,068 mm)
C. ZrO2-Pulver (0,044 mm)
D. 75% 0,147/0,068 mm und 25% 0,105/0,053 mm 80 % Ni 20% Chrompulver
E. SiO2 · aq.
Die Zusammensetzung jeder der fünf Schichten war folgende:
Schicht Nr. Dicke in cm Gewichtsprozent B C D Prozent der Summe
45 10 - aus A,B,C und D
A 30 30 30 E
1 0,33 45 10 40 50 12,5
2 0,062 10 5 25 70 15
3 0,062 - 15
4 0,062 - 15
0,062
90
15
Die Schichten 1 bis 5 wurden jede für sich mit genügend Wasser und SiO2 · aq vermischt, um eine Paste zu bilden. Die Schicht 5 wurde zuerst als eine flache Oberfläche ausgebreitet, um ein Quadrat mit den Abmessungen 6,87 X 6,S7 cm zu bilden; die Dicke betrug 0,25 cm. Die übrigen vier Schichten wurden nacheinander auf den oberen Teil der Schicht 5 gestapelt, und die Schichtstruktur wurde rnit 6894,72 bar zusammengepreßt. Das Substrat war eine Ni-Cr-Platte, welche die Abmessungen 6,87 X 6,87 cm hatte; die Dicke betrug 0,31 cm. Sie wurde gleichförmig mit Lötpulver beschichtet, das dann in einer Wasseratmosphäre durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1125° C15 Minuten lang mit der Oberfläche verschmolzen wurde. Die verwendete Apparatur ist in Fig. 1 gezeigt. Eine wassergekühlte Basisplatte aus Kupfer wurde innerhalb einer Vakuumheißpresse verwendet, um die Anordnung zu tragen. Auf die Kupferbasis war gestapelt: Eine Scheibe aus einer Tantalfolie mit der Dicke 0,03 cm, die Ni-Cr-Platte mit der Beschichtung aus geschmolzenem Lötpulver, der abgestufte Kompositstoff und der blockförmige Suszeptor aus Graphit. Die mit dem Lötpulver beschichtete Oberfläche der Ni-Cr-Platte befand sich gegenüber der metallreichen Oberfläche des abgestuften Kompositstoffes, und die keramikreiche Oberfläche stand mit dem Graphit-Suszeptor in Kontakt. Die Induktionsspule wurde symmetrisch um den Suszeptor angeordnet. Temperaturmessungen wurden mit einem optischen Pyrometer vorgenommen, indem Löcher beobachtet wurden, die in das Substrat und den Suszeptor gebohrt waren (schwarzer Körper). Das Loch in dem Suszeptor befand sich 0,25 cm von der Suszeptor/Keramikgrenzfläche.
Nachdem ein Vakuum von 0,0133 Pa erreicht worden war, wurde der Suszeptor durch die Induktionsspule auf eine Maximaltemperatur von 1610° C innerhalb einer Stunde erhitzt. Das Inconel-Substrat erreichte eine Temperatur von 1112° C. Nach einer Halteperiode von 15 Minuten bei dieser Temperatur begann das Abkühlen. Nach Ablauf einer Stunde hatten der Suszeptor und das Substrat eine Temperatur von 1150° C, wobei die Temperaturdifferenz 290° C betrug. Ein Druck von ungefähr 0,345 bar (Überdruck) wurde auf die Werkstücke während der Behandlung im öfen ausgeübt, und zwar mittels sines Hydraulischen Kolbens.
Nachdem auf Umgebungstemperatur abgekühlt worden war, erwies sich der graduierte Kompositstoff als gut gesintert und mit dem Substrat verbunden. Eine meßbare Schrumpfung hatte nicht stattgefunden. Der Metall/ Keramikkompositstoff und das Substrat hatten sich jedoch bis zu einem gewissen Ausmaß gekrümmt und eine Krümmung entsprechend 250 cm angenommen. Diese Deformierung, die kleiner ist als im Beispiel I, könnte auf die größere Temperaturdifferenz zurückgeführt werden, das durch die Verwendung einer Scheibe aus einer Tantalfolie erreicht wurde anstatt der faserartigen hochtemperaturbeständigen Isolierung. Die Tantal-Scheibe hat eine wesentlich höhere thermische Leitfähigkeit als die faserartige hochtemperaturbeständige Isolierung, was zu einem größeren Δ Tführt.
Beispiel III
Der abgestufte Kompositstoff aus fünf Schichten wurde aus folgenden Materialien hergestellt:
A. ZrO2-Agglomerat (0,417/0,246 mm)
B. ZrO2-Agglomerat (0,147/0,068 mm)
C. ZrO2-Pulver (0,044 mm)
20 25 30 35 40 45 50 55
60
65
D. Lötpulver
E. 0,147/0,068 mm 80% Nickel 20% Chrompulver
F. SiO2 · aq.
1 5 Die Zusammensetzung jeder der fünf Schichten war folgende:
I
y 10
Schicht Nr. Dicke in cm Gewichtsprozent Prozent der Summe
von A,B,C,D und E
A B CDEF
2 0,062 10 20 40
3 0,062 10 15 25
4 0,062 25 - -
5 0,062 poröse Folie aus8(
0,25 45 35 20 - 10
30 7,5
50 7,5
4 0,062 25 - - 10 65 7,5
Die Schichten 1 bis 4 wurden mit genügend Wasser und SiO2 · aq vermischt, um eine Paste zu bilden. Die Schicht 1 wurde zuerst in einer Form ausgebreitet, um eine Schicht mit den Abmessungen 5,6 X 8,1 cm zu bilden; die Dicke betrug 0,24 cm. Die übrigen Schichten wurden sukzessive auf den oberen Teil der ersten Schicht gestapelt, und der gesamte Aufbau wurde mit einem Druck von 6894,72 bar zusammengepreßt. Das verwendete Substrat war eine gekrümmte Platte aus einer Kobalt/Chrom-Legierung mit den Abmessungen 5,6 x 8,1 cm; die Dicke betrug 0,62 cm und der Radius der Krümmung 47,5 cm. Die konkave Oberfläche der Platte wurde gleichförmig mit Lötpulver beschichtet, das dann mit der Oberfläche verschmolzen wurde, und zwar durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1125° C in einer Wasserstoffatmosphäre für 15 Minuten. Di«, verwendete Apparatur ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt.
Eine konvex geformte Basisplatte des Graphit-Suszeptors, die auf einer Graphitblockbasis rulite, wurde verwendet, um die Anordnung innerhalb der Vakuumpresse zu tragen. Auf den konvexen Suszeptor wurde gestapelt: der abgestufte Kompositstoff, die Co-Cr-Legierungsplatte mit der Beschichtung aus geschmolzenem Lötpulver und konkav geformte Druckplatten aus Graphit und Stäbe. Die mit dem Lötpulver beschichtete Oberfläche der Co-Cr-Legierungsplatte lag der metallreichen Oberfläche des abgestuften Kompositstoffes gegenüber, und die keramikreiche Oberfläche stand mit dem konkaven Graphit-Suszeptor in Kontakt. Die konkaven Druckstäbe hatten Zwischenräume für Röhren mit Kühlgas. Die Induktionsspule wurde um den Graphitblock angeordnet, welcher den konkaven Graphit-Suszeptor trug. Temperaturmessungen wurden mit einem optischen Pyrometer vorgenommen, indem Löcher beobachtet wurden, welche in den konkaven Graphit-Suszeptor und das Substrat gebohrt wurden (schwarzer Körper).
Nachdem ein Vakuum von 0,0133 Pa erreicht worden war, wurde die Induktionsspule verwendet, um die Werkstücke zu erhitzen, auf die ein Druck von 0,345 bar (Überdruck) ausgeübt wurde, und zwar mittels eines hydraulischen Kolbens. Als die Löttemperatur von 1170° C erreicht worden war, wurde der Kolbendruck auf 10,342 bar (Überdruck) erhöht, und bei diesem Wert während der ganzen Behandlung im Ofen beibehalten. Als die Schmelztemperatur erreicht war und der Kolbendruck erhöht war, wurde das Gefäß wieder mit Argon gefüllt und eine Stunde lang wurde langsam gespült. Während dieser Periode hatte das Substrat und der konvexe Graphit-Suszeptor eine Temperatur von 1090° C bzw. 1500° C, was einer Temperaturdifferenz von 410° C ent-
spricht. Nach Ablauf dieser einstündigen Periode wurde schnellströmendes Argongas (4,137 bar Überdruck) gegen die Substrathalterung geleitet, wodurch Δ T auf 475° C anstieg. Unter denselben Gasströmungsbedingungen wurde dann abgekühlt. Als das Substrat auf 860° C abgekühlt war, betrug die Temperatur des konkaven Graphit-Suszeptors 1180° C, was einem Δ 7* von 320° C entspricht, während die tatsächliche Temperatur dieser Keramikfläche 1150° C betrug, was einem Δ Γ von 290° C entspricht.
Eine fehlerfreie Struktur mit einem graduierten Kompositstoff wurde erhalten, der gut mit dem gekrümmten Substrat verbunden war Bei der Prüfung mit Röntgenstrahlen konnten keine Defekte gefunden werden, und Messungen zeigten keine Verwerfung oder Deformation. Die Probe, die in diesem Beispiel hergestellt worden war, wurde unter simulierten Bedingungen, wie sie in einer Turbinenmaschine herrschen, 50mal einem thermischen Zyklus unterworfen. Der Zyklus bestand darin, daß die Keramikoberfläche in 15 Sekunden von 600° C auf 1400° C erhitzt wurde, 120 Sekunden lang die Maximaltemperatur aufrechterhalten -wurde, die Oberfläche innerhalb von ungefähr 15 Sekunden auf 600° C abgekühlt wurde, und anschließende Wiederholung.
Kontrollexperiment
Ein graduierter Kompositstoff aus fünf Schichten wurde aus folgenden Materialien hergestellt:
A. ZrO2-Agglomerat (0,417/0,246 mm)
B. ZrO2-Agglomerat (0,147/0,068 mm)
C. ZrO2-Pulver (0,044 mm) 65 D. Lötpulver
E. 80% Nickel 20% Chrompulver (0,147/0,068 mm)
F. SiO2 · aq.
Jede der fünf Schichten hatte folgende Zusammensetzung:
Schicht Nr. Dicke in cm Gewichtsprozent Prozentsatz der Sum-
A B C D E me von A,B,C,D,E
und F
1 0,25 45 34 20 - - 7,5
2 0,062 10 20 40 - 30 7,5
3 0,062 - 25 25 - 50 7,5
4 0,062 - 25 5 7 63 7,5
5 0,062 poröse Folie aus 80% Ni und 20% Cr-Pulver
Die Schichter. 1 bis 4 wurden mit genügend Wasser und SiO: · aq vermischt, um eine Paste zu bilden. Die Schicht 1 wurde zuerst in einer Form ausgebreitet, wobei sich ein Quadrat mit den Abmessungen 6,87 x 6,87 cm bildete; die Dicke betrug 0,25 cm. Die folgenden Schichten wurden zuerst auf die erste Schicht gelegt, und die gesamte Anordnung wurde einem Druck von 6894,72 bar unterworfen. Das verwendete Substrat bestand aus einer flachen Platte aus Co-Cr-Legierung mit den Abmessungen 6,87 x 6,87 cm; die Dicke betrug 0,62 cm. Sie wurde gleichförmig mit Lötpulver beschichtet, das dann mit der Oberfläche verschmolzen wurde, nachdem in einer Wasseratmosphäre 15 Minuten lang auf 1125° C erhitzt worden war. Die verwendete Apparatur glich der in Fig. 1 dargestellten; der Unterschied bestand jedoch darin, daß unterhalb des Substrates keine Metall-Scheibe 0>>-r Kühlblock war, sondern ein zweiter Graphit-Suszeptor. Die elektrische Heizspule erstreckte sich über beide Suszeptoren, um den Kompositstoff von beiden Seiten zu erhitzen. Eine Suszeptor-Basisplatte aus Graphit wurde verwendet, um die Anordnung innerhalb der Vakuum-Heißpresse zu stützen. Auf den unteren Graphitsuszeptor war eine Platte aus der Co-Cr-Legierung gestapelt, und zwar mit einer Beschichtung aus geschmolzenem Lötpulver. Dann folgte der abgestufte Kompositstoff und der obere Graphit-Suszeptor. Die mit dem Lötpulver beschichtete Oberfläche der Platte aus der Co-Cr-Legierung befand sich der metallreichen Oberfläche des graduierten KompositstofTes gegenüber, und die keramikreiche Oberfläche stand mit dem Graphit-Suszeptor in Kontakt. Die Induktionsspule wurde symmetrisch um die Suszeptoren angeordnet. Temperaturmessungen wurden mit einem optischen Pyrometer vorgenommen, in dem Löcher (schwarzer Körper) beobachtet wurden, die in das Substrat und den Suszeptor gebohrt waren. Das Loch in dem oberen Suszeptor befand sich 0,25 cm von der Suszeptor/Keramikgrenzfläche.
Nachdem ein Vakuum von 0,0133 Pa erreicht war, wurde der obere Suszeptor durch die Induktionsspule auf eine Maximaltemperatur von 1215° C in einer Stunde erhitzt. Das Substrat aus der Co-Cr-Legierung erreichte 1215° C. Nach einer Halteperiode von 15 Minuten bei dieser Temperatur wurde abgekühlt. Nach Ablauf einer Stunde hatten der Suszeptor und das Substrat eine Temperatur von 970° C bzw. 960° C, wobei die Temperaturdifferenz 10° C betrug. Ein Druck von ungefähr 0,345 bar wurde auf die Werkstücke ausgeübt, bis die Schmelztemperatur von 1200° C erreicht war. Der Druck wurde auf 689,472 bar gesteigert, und bei diesem Wert während der abschließenden Vorgänge im Ofen beibehalten, und zwar mittels eines hydraulischen Kolbens.
Nachdem auf Umgebungstemperatur abgekühlt worden war, zeigte der abgestufte Kompositstoff eine beträchtliche planare Aufspaltung in der Keramikschicht. Die aufgespaltene Struktur war das Resultat des starren Substrates und der kleineu TemperaturdifFerenz.
Verschleißbare Metall/Keramikverschlüsse der Art, wie sie in Düsenflugzeugen verwendet werden, werden dadurch verbessert, daß eine Temperaturdifferenz zwischen dem Metall/Keramik-KompositstofT und dem kühleren Substrat aufrechterhalten wird, und zwar während des Abkühlens von der Schmelztemperatur.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verbinden eines vielschichtigen, verschleißbaren Keramik-Metall-Teils durch Fügen von Keramik und Metall durch Löten im Vakuum oder unter Schutzgas unter Verwendung von Aktivlotverbindungen, dadurch gekennzeichnet, daß
a) das Keramik-Metall-Teil, das eine Oberschicht, die im wesentlichen vollständig aus keramischem Material besteht, wenigstens eine Zwischenschicht aus einer Mischung von keramischem Material und eine Bodenschicht aus Metall enthält,
ίο b) in einer geeigneten Fixierung unter Druck gehalten wird und dann langsam bis zur Trockenheit erhitzt wird,
c) das getrocknete Keramik-Metall-Teil auf ein metallisches Substrat plaziert wird, wobei die metallische Bodenschicht des Keramik-Metall-Teils mit dem Substrat in Kontakt steht,
d) das in Kontakt mit dem Substrat stehende Keramik-Metall-Teil auf eine Sintertemperatur erhitzt wird, die ausreicht, um das Keramik-Metall-Teil mit dem Substrat zu verbinden, und
e) die im Verfahrensschritt d) gebildetes Struktur so auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, daß vor Erreichen der Temperatur, bei der Spannungen in der Struktur durch das Abkühlen einsetzen, eine Temperaturdifferenz über die Struktur hinweg errichtet wird, so daß die Temperatur des Substrates ständig niedriger gehalten wird als die Temperatur der oberen Schicht des Keramik-Metall-Teils.
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