Löten von Keramikwerkstoffen an Luft DFG LU 232/98-1, „RAB ... · INSTITUT OBERFLÄCHENTECHNIK...
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INSTITUT OBERFLÄCHENTECHNIK CuO Ag Mischsilikat (Cu,Al)O Al 2 O 3 mit Lot infiltriert 3YSZ Ag Ag (Fe,Cr,Cu)O Crofer (Fe,Cr)O Löten von Keramikwerkstoffen an Luft DFG LU 232/98-1, „RAB“, 01.01.2008-31.12.2009 Prof. Dr.-Ing. K. Bobzin, T. Schläfer, A. Schlegel, N. Kopp Institut für Oberflächentechnik im Maschinenbau, RWTH Aachen University Kontakt • Dipl.-Ing. Arne Schlegel [email protected] Zielsetzung Steigende Anforderungen an neu entwickelte Bauteilkomponenten setzen in vielen Fällen einen hybriden Aufbau voraus. Daraus ergibt sich ein steigender Bedarf an innovativen Fügetechnologien, um keramische Werkstoffe untereinander oder mit metallischen Werkstoffen zu verbinden. Eine neue, sehr vielversprechende Technik zum Fügen von Keramiken ist das sogenannte Reaktiv Air Brazing (RAB). Gegenüber bisherigen Verfahren ergeben sich durch die einfachere Prozesstechnik wirtschaftliche und durch eine gute Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auch technologische Vorteile. Bislang werden hierbei AgCuO-Lote bei einer Löttem- peratur von ca. 1000 °C genutzt und noch besteht großer Forschungs- und Optimierungsbedarf. Im Rahmen dieses Projektes soll das Konzept des RAB detailliert untersucht werden, um grundlegende Kenntnisse über die Reaktions- und Benetzungsmechanismen zu erwerben und darauf aufbauend neue Lotsysteme zu entwickeln und zu charakterisieren. Methoden • Benetzungsversuche und Fügeversuche • Lote als Pasten aus Elementen (Pulver) hergestellt • Ausgangslot: AgCu(Ti) • In-situ Oxidation des Lotes: AgCuAgCuO • Systematische Variation des Cu- und Ti-Gehaltes • Nutzung weiterer Metalloxide • Grundwerkstoffe: Al 2 O 3 (96%), 3YSZ, 8YSZ, Crofer22APU • Löttemperaturen: 1.150 °C, 1.050 °C und 970 °C • Lötzeit: 20 min • Naberthermofen HT 16/17, Luftatmosphäre • Bestimmung der Benetzungswinkel • Elektronenmikroskopische Analyse des Gefüges der Lötverbindungen Ergebnisse • Analyse des Bentzungsverhaltens von AgCu-Loten auf Al 2 O 3 • Verbesserung durch höhere Cu-Gehalte und niedrigere Löttemperaturen • Erreichen guter Benetzung • Nachweis der Infiltrationsmechanismen von AgCuTi-Loten bei Al 2 O 3 Keramiken: Auflösung von Silikaten der Keramik an den Korngrenzen durch das Lot • Erfolgreiches Fügen von YSZ an Crofer22APU • Untersuchung der Reaktion CuO-Crofer22APU • Entwicklung und Untersuchung neuer Lotsysteme: AgCuNi, AgCuMn, AgNi, AgAl CuO CuO (Cu,Ni,Al)O Ag8Cu8Ti - Al 2 O 3 T Löt =1.050 °C Ag68Cu1Ti - Al 2 O 3 T Löt =1.050 °C Ag4Cu4Ni - Al 2 O 3 T Löt =1.150 °C Ag8Cu - 3YSZ/Crofer T Löt =1.150 °C (Cu,Al,Ti)O 30 μm 30 μm Al 2 O 3 mit Lot infiltriert Ag Al 2 O 3 Al 2 O 3 Al 2 O 3 30 μm 50 μm 50 μm Ag8Cu8 - Al 2 O 3 T Löt =1.050 °C 20 25 30 35 40 45 50 55 0 20 40 60 80 100 CuO-Anteil [mol-%] Benetzungswinkel [°] 970 °C 1.050 °C 1.150 °C Abhängigkeit des Benetzungswinkels von der Löt- temperatur und dem CuO-Anteil: AgCu-Lot auf Al 2 O 3
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INSTITUT OBERFLÄCHENTECHNIK
CuO
Ag
Mischsilikat
(Cu,Al)O
Al2O3 mit Lot in�ltriert
3YSZ
Ag
Ag
(Fe,Cr,Cu)O
Crofer(Fe,Cr)O
Löten von Keramikwerkstoffen an Luft DFG LU 232/98-1, „RAB“, 01.01.2008-31.12.2009
Prof. Dr.-Ing. K. Bobzin, T. Schläfer, A. Schlegel, N. KoppInstitut für Oberflächentechnik im Maschinenbau, RWTH Aachen University
Kontakt• Dipl.-Ing. Arne Schlegel [email protected]
ZielsetzungSteigende Anforderungen an neu entwickelte Bauteilkomponenten setzen in vielen Fällen einen hybriden Aufbau voraus. Daraus
ergibt sich ein steigender Bedarf an innovativen Fügetechnologien, um keramische Werkstoffe untereinander oder mit metallischen
Werkstoffen zu verbinden. Eine neue, sehr vielversprechende Technik zum Fügen von Keramiken ist das sogenannte Reaktiv Air
Brazing (RAB). Gegenüber bisherigen Verfahren ergeben sich durch die einfachere Prozesstechnik wirtschaftliche und durch eine
gute Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auch technologische Vorteile. Bislang werden hierbei AgCuO-Lote bei einer Löttem-
peratur von ca. 1000 °C genutzt und noch besteht großer Forschungs- und Optimierungsbedarf. Im Rahmen dieses Projektes soll das
Konzept des RAB detailliert untersucht werden, um grundlegende Kenntnisse über die Reaktions- und Benetzungsmechanismen zu
erwerben und darauf aufbauend neue Lotsysteme zu entwickeln und zu charakterisieren.
Methoden• Benetzungsversuche und Fügeversuche• Lote als Pasten aus Elementen (Pulver) hergestellt • Ausgangslot: AgCu(Ti) • In-situ Oxidation des Lotes: AgCuAgCuO • Systematische Variation des Cu- und Ti-Gehaltes • Nutzung weiterer Metalloxide • Grundwerkstoffe: Al
2O
3 (96%), 3YSZ, 8YSZ, Crofer22APU
• Löttemperaturen: 1.150 °C, 1.050 °C und 970 °C• Lötzeit: 20 min• Naberthermofen HT 16/17, Luftatmosphäre• Bestimmung der Benetzungswinkel • Elektronenmikroskopische Analyse des Gefüges der Lötverbindungen
Ergebnisse• Analyse des Bentzungsverhaltens von AgCu-Loten auf Al
2O
3
• Verbesserung durch höhere Cu-Gehalte und niedrigere Löttemperaturen • Erreichen guter Benetzung• Nachweis der Infiltrationsmechanismen von AgCuTi-Loten bei Al
2O
3 Keramiken:
Auflösung von Silikaten der Keramik an den Korngrenzen durch das Lot• Erfolgreiches Fügen von YSZ an Crofer22APU• Untersuchung der Reaktion CuO-Crofer22APU• Entwicklung und Untersuchung neuer Lotsysteme: AgCuNi, AgCuMn, AgNi, AgAl
Bildbeschreibung/Picture
CuO
CuO
(Cu,Ni,Al)O
Ag8Cu8Ti - Al2O
3
TLöt
=1.050 °CAg68Cu1Ti - Al
2O
3
TLöt
=1.050 °CAg4Cu4Ni - Al
2O
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TLöt
=1.150 °CAg8Cu - 3YSZ/Crofer
TLöt
=1.150 °C
(Cu,Al,Ti)O
30 µm30 µm
Al2O3 mit Lot in�ltriert
Ag
Al2O3
Al2O3Al2O3
30 µm 50 µm
50 µmAg8Cu8 - Al
2O
3
TLöt
=1.050 °C
2025303540455055
020406080100CuO-Anteil [mol-%]
Bene
tzun
gsw
inke
l [°]
970 °C1.050 °C1.150 °C
Abhängigkeit des Benetzungswinkels von der Löt-temperatur und dem CuO-Anteil: AgCu-Lot auf Al
2O
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