DE10355983B4

DE10355983B4 - Verfahren zum Verlöten von keramischen Oberflächen

Info

Publication number: DE10355983B4
Application number: DE10355983A
Authority: DE
Inventors: Steffen Beyer; Stephan Schmidt; Jan Hauptmann; Gunter Dr. Kirchhoff; Erich Prof.-Dr. Lugscheider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; EADS Space Transportation GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; ArianeGroup GmbH
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: ITTO20040707A1; DE10355983A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflächen (9) vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen (4) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (4) einen mittleren Durchmesser größer als 550μm aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von keramischen Oberflächen, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflächen vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen strukturiert wird.

Aus EP 0 476 772 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen oder Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffen bekannt, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflächen vor dem Verlöten durch Einbringung von kegelförmigen Bohrungen mit einheitlichem Durchmesser, einheitlicher Tiefe und mit einheitlichen Abständen zwischen den Bohrungen mit Hilfe eines Lasers strukturiert wird. Die Bohrungen weisen dabei einen mittleren Durchmesser im Bereich von 50 μm bis 500 μm auf und eine Tiefe im Bereich von 100 μm bis 2 mm. Dieses Verfahren weist jedoch gewisse Nachteile auf, auf die noch im folgenden eingegangen wird.

Wesentlicher Einflussfaktor auf die Verwendbarkeit von Keramik-Keramik-Verbindungen oder Metall-Keramik-Verbindungen ist eine mechanisch gute, vielfach hochtemperaturbeständige stoffschlüssige Verbindung zwischen den Einzelkomponenten. Da die zu fügenden Werkstoffe häufig stark unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, kommt es sowohl nach dem Fügeprozess als auch bei der Beanspruchung zu induzierten Spannungszuständen, die die Festigkeit der Verbindungszone beeinträchtigen und im Extremfall sogar zerstören.

Um die Festigkeit einer solchen Fügezone zu optimieren, kann insbesondere die Oberfläche des keramischen Werkstoffes vergrößert werden. Dies kann durch Oberflächenstrukturierung, wie das Einbringen von Rillen oder Riefen durch mechanische Bearbeitung erzielt werden. Diese Maßnahme ist aber nicht immer ausreichend um eine ausreichende Festigkeit der Lötverbindung zu gewährleisten. Auch durch das Einbringen von durchgehenden Bohrungen mit eingebrachten Nuten an der Keramikoberfläche kann aufgrund der geringen Bohrungsanzahl und der Bohrungsabmaße keine signifikante Festigkeitssteigerung durch Vergrößerung der Lötoberfläche beobachtet werden. Ein Einbringen von nicht durchgängigen Bohrungen im Keramikwerkstoff hat sich als vorteilhafter erwiesen und kann insbesondere auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anwendung finden.

Nachteilig an dem Verfahren der EP 0 476 772 ist einerseits, dass der Strukturierungsaufwand bei den dort angegebenen Dimensionen sehr hoch ist und die Gefahr besteht, dass aufgrund der gewählten Dimensionen ein ausreichendes Ausfüllen der Bohrungen mit Lotmaterial nicht immer garantiert werden kann. Speziell für faserverstärkte Keramiken mit einem zweidimensionalen Lagenaufbau der Fasern, also mit typischem Laminataufbau, ergibt sich das weitere Problem, dass bei Beanspruchung die Schubspannungen im Laminat zu hoch werden und das faserverstärkte keramische Bauteil interlaminar versagt. Dies kann durch die in EP 0 476 772 angegebene Auslegung der Bohrungen nur bedingt verhindert werden.

Die DE 33 23 830 A1 beschreibt eine Anordnung zum Auflöten einer elektrischen Schaltungsplatte auf einen Grundkörper.

Zum Auflöten einer z. B. aus einem Keramiksubstrat bestehenden elektrischen Schaltungsplatte auf einen Grundkörper mit Hilfe einer Lötfolie ist die Gesamtlötfläche des Grundkörpers durch kapillarartig wirkende Vertiefungen, z. B. parallele Längsnuten, in gleichmäßiger Weise in viele kleine definierte Teillötflächen unter brochen. Die Vertiefungen nehmen eine vorherbestimmbare Menge Lot auf, überschüssiges Lot fließt jedoch in einen Nutengrund ab. Dadurch werden mechanische Schubspannungen, welche Risse bilden und zur Zerstörung der Keramiksubstanz führen können, erheblich verringert. Außerdem wird beim Lötvorgang ein Schwimmen der Schaltungsplatte auf flüssigem Lot und damit eine Veränderung der Position der Schaltungsplatte verhindert. Die Erfindung ist für Lötverbindungen zwischen Schaltungsplatten und deren Träger allgemein, für Lötverbindungen von Keramiksubstraten bei Mikrowellenschaltungen im besonderen geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen bereitzustellen.

Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflä chen vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen strukturiert wird. Gemäß der Erfindung ist bei diesem ersten Gegenstand vorgesehen, dass die Bohrungen einen mittleren Durchmesser größer als 550μm, bevorzugt größer oder gleich 600μm, aufweisen. Die Bohrungen besitzen also einen deutlich größeren Durchmesser als diejenigen nach dem Stand der Technik. Dadurch können die Nachteile des Strukturierungsaufwandes und der Ausfüllung mit Lotmaterial behoben werden.

In einer Kombination mit diesem Gegenstand der Erfindung oder alternativ zu diesem Gegenstand der Erfindung kann vorgesehen werden, dass zumindest zwei Klassen von Bohrungen eingebracht werden, wobei sich die Bohrungen einer Klasse von denen einer anderen Klasse zumindest in Bohrungsgeometrie, Bohrungsdurchmesser oder Bohrungstiefe unterscheiden. Auch dadurch kann die Strukturierung und Ausfüllung zumindest für einen Teil der Bohrungen vereinfacht werden, da zumindest für eine Klasse die entsprechenden Parameter so gewählt werden können, dass die gewünschten Vorteile eintreten. Die weitere Besonderheit dieses Gegenstandes der Erfindung liegt in der Möglichkeit, eine alternierende Bohrungstiefe bereitzustellen, so dass für den speziellen Fall eines zweidimensional faserverstärkten Keramikmaterials eventuell auftretende Spannungen in unterschiedliche Laminatlagen verteilt werden. Dadurch wird die einwirkende Verformungsenergie effektiv dissipiert. Durch diese technische Maßnahme kann also die Ankopplung von oberflächennahen und oberflächenfernen Lagen im faserverstärkten Keramikverbund geschaffen werden.

Insbesondere kann vorgesehen werden, dass mindestens eine Bohrung einer ersten Klasse und mindestens eine Bohrung einer zweiten Klasse in Form einer geometrischen Gruppe eingebracht werden. Es werden also nicht lediglich Bohrungen gleichverteilt und in einheitlichem Abstand voneinander angeordnet, sondern es erfolgt jeweils eine geometrische Gruppierung einer gewissen Anzahl von Bohrungen, wobei sich dann diese Gruppierungen über die zu strukturierende Oberfläche verteilt wiederholen. Dabei können alle geometrischen Gruppen eine identische geometrische Struktur aufweisen oder es können sich auch mehrere geometrische Gruppen unterschiedlicher geometrischer Struktur über die Oberfläche verteilt wiederholen. Dabei kann insbesondere vorgesehen werden, dass der Abstand der Bohrungen innerhalb einer geometrischen Gruppe geringer ist als der Abstand der geometrischen Mitten zweier geometrischer Gruppen. Als Abstand der Bohrungen wird dabei stets der Abstand der Bohrungsmitten voneinander verstanden.

Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem Keramikwerkstoff mit Laminatstruktur aus mehreren Schichten verwendet werden. Gemäß der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Bohrungen mit einer Bohrungstiefe eingebracht werden, die größer ist als die Dicke der äußersten Laminatschicht. Damit kann erreicht werden, dass nach dem Verlöten die auftretenden Lasten auf mehr als nur eine Laminatschicht verteilt werden und eine Krafteinleitung in tiefere Schichten des Keramikwerkstoffs erfolgt. Dies ist insbesondere vorteilhaft zum Abfangen von Scherkräften auf den Keramikwerkstoff. Mit einer solchen Methode kann insbesondere eine Delamination der äußersten Laminatschicht durch äußere Kräfte vermieden werden.

Dieses Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem faserverstärkten Keramikwerkstoff verwendet werden, der eine Laminatstruktur aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher, sich periodisch wiederholender Faserorientierung aufweist. Gemäß der Erfindung wird hier vorgesehen, dass die Bohrungen mit einer Bohrungstiefe eingebracht werden, die gleich groß oder größer ist der Abstand von der Oberfläche des Keramikwerkstoffes bis zu derjenigen Schicht der Laminatstruktur, die die gleiche Faserorientierung wie die oberste Schicht der Laminatstruktur aufweist. Da die Fasern gemäß ihrer Orientierung in Faserlängsrichtung eine besonders hohe Fähigkeit zur Kraftaufnahme bzw. Lastaufnahme innerhalb des Keramikwerkstoffs aufweisen, wird durch diese Maßnah me erreicht, dass eine Lastaufnahme in alle Orientierungsrichtungen der Fasern und damit in möglichst weitgehend zweidimensional optimiert erfolgt. Die äußeren Lasten bzw. Kräfte werden dabei wiederum durch die mit Lotmaterial ausgefüllten Bohrungen auf die entsprechenden Laminatschichten übertragen.

Ein Verfahren nach der Erfindung kann auch derart zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem faserverstärkten Keramikwerkstoff verwendet werden, dass der Abstand der Bohrungen mindestens den Bohrungsdurchmesser plus das 5fache, insbesondere plus mindestens das 10fache, bevorzugt plus mindestens das 25fache des Durchmessers einer Faser des faserverstärkten Keramikwerkstoffs beträgt. Hier wird wiederum als Bohrungsabstand der Abstand der Bohrungsmitten verstanden. Der Abstand benachbarter Ränder der Bohrungen beträgt folglich nur das 5fache, 10fache bzw. 25fache des Durchmessers einer Faser. Durch diese Maßnahme wird garantiert, dass stets eine relativ große Zahl von unversehrten Fasern zwischen zwei Bohrungen verbleibt, so dass die Laminatstruktur eine relativ hohe Festigkeit aufgrund der verbleibenden Zahl intakter Fasern aufweist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Bohrungsanzahl, Bohrungsdurchmesser und Bohrungsgeometrie so gewählt werden, dass durch die Bohrungen der Flächeninhalt der keramischen Oberfläche und/oder jeder Querschnittsfläche durch das keramische Material um maximal 50 %, insbesondere um maximal 25 % gegenüber einem identischen Körper ohne Bohrungen reduziert ist. Die Bohrungen bewirken eine Verringerung des materialgefüllten Volumens des keramischen Materials und damit eine strukturelle Schwächung des Materials. Durch diese Maßnahme kann eine weiterhin gute Stabilität des keramischen Materials garantiert werden.

Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Abstand zwischen den Bohrungen zwischen 50 % und 150 %, insbesondere zwischen 75 % und 125 % einer der Bohrungstiefen beträgt. In diesem Fall ist also der Abstand der Bohrungen im Bereich der Größenordnung einer der Bohrungstiefen bzw. im wesentlichen gleich einer der Bohrungstiefen.

Grundsätzlich kann nach der Strukturierung der zu verlötenden Oberfläche ein Lotmaterial direkt auf die entsprechende Oberfläche nach einem der bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik aufgebracht werden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nach der Strukturierung der zu verlötenden Oberfläche ein flexibler Formkörper, der zumindest Lotmaterial enthält, auf die strukturierte Oberfläche aufgebracht wird. Solche flexiblen Formkörper sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus DE 38 01 958 . Mit solchen Formkörpern können einerseits größere bauliche Distanzen zwischen den zu verlötenden Elementen überbrückt werden, andererseits bewirkt der Formkörper nach dem Verlöten auch einen gewissen Ausgleich unterschiedlicher thermomechanischer Eigenschaften der verlöteten Materialien.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Raketentriebwerkes aus Keramikelementen oder Keramikelementen und Metallelementen, wobei zumindest einige der Elemente nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung verbunden werden. Es können dabei grundsätzlich beliebige Elemente des Raketentriebwerkes nach einem solchen Verfahren verbunden werden, beispielsweise Elemente einer Raketenbrennkammer untereinander, Elemente einer Raketendüse untereinander oder Elemente eines Einspritzkopfes untereinander. Es können auch Verbindungen zwischen Einspritzkopf und Raketenbrennkammer oder Raketenbrennkammer und Raketendüse, bzw. zwischen entsprechenden Elementen dieser Bauteile, nach einem solchen Verfahren geschaffen werden.

Spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 8 beschrieben.
Es zeigen:
1: Strukturierte Keramikoberfläche mit zwei Klassen von Bohrungen
2: Strukturierte Keramikoberfläche mit einer geometrischen Gruppe von Bohrungen
3: Strukturierte Keramikoberfläche mit einer ersten alternativen geometrischen Gruppe von Bohrungen
4: Strukturierte Keramikoberfläche mit einer zweiten alternativen geometrischen Gruppe von Bohrungen
5: Schematische Darstellung der Herstellung einer Lötverbindung mit Hilfe einer Lötmatte
6: Schematische Darstellung des Einbringens der Bohrungen mittels Laser
7 Schematischer Querschnitt durch eine faserverstärkte Keramik mit Laminatstruktur und Bohrungen
8 wie 7, wobei der Abstand der Bohrungen im wesentlichen gleich der Bohrungstiefe ist.
Bauteile aus Keramik, insbesondere aus faserverstärkter Keramik, gewinnen aufgrund ihrer herausragenden technischen Eigenschaften zunehmend an Interesse und finden stetig wachsende Anwendungsbereiche. Der Vorteil insbesondere von faserverstärkten Hochleistungskeramiken liegt in ihrer ausgezeichneten Ver schleißfestigkeit, der hohen Temperaturbeständigkeit, in ihrer guten Beständigkeit gegen Korrosion und im geringen spezifischen Gewicht.
Metall-Keramik-Verbindungen ermöglichen die Kombination der Vorteile metallischer und keramischer Werkstoffe. Das erfordert geeignete Fügeverfahren. Eine Möglichkeit des Fügens von Metall und Keramik stellt das Löten dar. Dieses stoffschlüssige Fügeverfahren ermöglicht vakuumdichte und hochtemperaturbeständige Verbindungen mit hoher Festigkeit. Auch zeichnet es sich durch seine gute Eignung für die Großserienfertigung sowie für Bauteile mit vielen, schwer zugänglichen Fügestellen aus.
Dabei besteht das Problem, dass Keramiken von konventionellen Loten aufgrund der unterschiedlichen Atombindung von Keramik und Lot nicht benetzt werden. Erst durch den Einsatz aktiver Elemente (z.B. Ti, Hf, Zr) lässt sich über eine Reaktionszone am Grenzflächenübergang Metall/Keramik eine Verbindung realisieren.
Für das Löten von Metall mit Keramik und Keramik mit Keramik existieren zwei Verfahrensprinzipien

• Löten metallisierter Keramik und
• Aktivlöten.

Beim Löten metallisierter monolitischer Keramik wird die Fügefläche des keramischen Bauteils mit einem Metall beschichtet, so dass anschließend im Lötprozeß die Benetzung des keramischen Fügepartners durch konventionelle Lote ermöglicht wird. Damit steht eine große Auswahl von Loten und Lötverfahren zur Verfügung, die dem Einsatzfall angepasst werden können. Dabei lässt sich das Lötgut mit möglichst niedriger Löttemperatur duktil auslegen, um die beim Löten von Metall und Keramik unvermeidlich entstehenden thermischen Eigenspannungen zu minimieren.
Aber auch hochtemperaturbeständige Lötverbindungen sind durch das Löten metallisierter Keramik möglich. Da sich das Aktivelement bereits zu Beginn des Lötprozesses auf der Oberfläche der Keramik befindet, wird die Bildung festigkeitsmindernder Sprödphasen im Lotgefüge reduziert. Im Vergleich zum Aktivlöten besteht ein wesentlich besseres Fließ- und Spaltfüllvermögen.
Das Aktivlöten ist ein Direktlötverfahren, bei dem das Aktivelement direkt dem Lot zugesetzt wird. Der Vorteil gegenüber dem Löten metallisierter Keramik besteht darin, dass auf die aufwendige Metallisierung der Keramik verzichtet wird. Das Lot muss jedoch direkt an der Fügefläche appliziert werden, da Aktivlote nur ein geringes Fließvermögen besitzen. Sowohl das Aktivlöten als auch das Löten metallisierter Keramik können im Vakuum oder Schutzgas erfolgen.
Beim Verlöten von Keramiken mit Metallen besteht grundsätzlich das Problem, dass konventionelle Lote keine Verbindung mit Keramiken aufbauen können. Die Ursache liegt in der unterschiedlichen Atombindung der Keramiken mit ihren überwiegend ionischen bzw. kovalenten Bindungen, die von Loten mit ihrer metallischen Atombindung nicht benetzt werden können.
Durch den Einsatz eines aktiven Elementes, wie z.B. Titan ist es möglich, die Keramikoberflächen derart umzuwandeln, dass sie vom Lot benetzt werden können. Die Hauptprobleme bei der Herstellung von Lötverbindungen zwischen Keramik und Metall wie z.B. Stahl bestehen in der Benetzung der Keramik durch das Lot als Grundvoraussetzung zur Erzeugung einer Verbindung und in den Spannungen, die sich in der Lötverbindung aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen der beteiligten Fügepartner ausbilden und damit neben der Sprödphasenbildung die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen.
Die Ausbildung der Lötverbindung wird im Wesentlichen durch diffusionsgesteuerte Reaktionsmechanismen beeinflusst. Dabei wird einerseits die Oberfläche der Keramik derart umgewandelt, dass sie vom Lot benetzt werden kann, andererseits können sich während des Lötens Sprödphasen ausbilden, die zu einer Verringerung der Festigkeit der Lötverbindung führen.
Bei der Herstellung von Verbunden aus Metall und faserverstärkten Keramiken (CMC ceramic matrix composite) stellt der Unterschied der thermischen Dehnungen der verschiedenen Werkstoffe das wesentliche Problem dar. Speziell bei 2D-verstärkten CMC-Bauteilen, also Bauteilen aus einem CMC- Komposit, bei denen eine zweidimensionale Faserstruktur vorliegt, hergestellt beispielsweise über eine Laminiertechnologie, ist die Gefahr groß, dass bei thermischer Beanspruchung die Schubspannungen zu hoch werden und das keramische Bauteil interlaminar, also zwischenlagig an seiner schwächsten Stelle, versagt.
Die vorgenannten Probleme können durch die vorliegende Erfindung behoben werden. Alle vorgenannten technischen Maßnahmen sind grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung anwendbar.
Die vorliegende Erfindung behebt die genannten Nachteile dadurch, dass eine ausreichende Vergrößerung der Interfacefläche und die Ankopplung von oberflächenfernen Lagen im keramischen Werkstoff geschaffen wird, insbesondere bei Anwendungen in faserverstärkten Werkstoffen. Um dies zu erreichen wird der keramische Werkstoff an seiner Oberfläche mit einer definierten Anzahl von Bohrungen strukturiert. 6 zeigt ein Beispiel für die Herstellung von Bohrungen 4 in einem keramischen Werkstoff 2. Dafür kann beispielsweise ein Laser 5, z.B. ein Nd:YAG-Laser, verwendet werden. Es können aber grundsätzlich auch geeignete mechanische oder andere Bohrmittel verwendet werden wie z.B. Funkenerosionsmittel. Der mit einem Laser 5 erzeugte Laserstrahl 9 kann über einen X-Scanner 6 und einen Y-Scanner 7 in zwei Raumrichtungen X, Y abgelenkt werden und mit einer geeigneten Optik 8, z.B. einer Planfeldoptik, auf die zu strukturierende Oberfläche des keramischen Werkstoffs 2 fokussiert werden. Dabei zeigt der Laser den Vorteil, dass er geometrieunabhängig, wirtschaftlich und automatisiert einsetzbar ist.
Es wird nun bevorzugt vorgesehen, dass zwei Klassen A, B von Bohrungen vorgesehen werden, die zumindest eine alternierende Bohrtiefe aufweisen. D.h. eine erste Klasse von Bohrungen weist eine – bis auf übliche Fertigungstoleranzen – einheitliche erste Bohrtiefe auf, eine zweite Klasse von Bohrungen eine zweite Bohrtiefe, die von der ersten Bohrtiefe verschieden ist (siehe dazu auch 5). Bevorzugt weisen die beiden Klassen A, B auch jeweils einen unterschiedlichen Bohrungsdurchmesser a, b auf, wobei der Bohrungsdurchmesser innerhalb der Klasse – bis auf übliche Fertigungstoleranzen – einheitlich ist. Durch diese Maßnahme können speziell bei keramischen Werkstoffen mit laminarem Aufbau eventuell auftretende Spannungen in unterschiedliche Laminatlagen verteilt werden, so dass die einwirkende Energie dissipiert wird. Beispiel:
Ein solches Beispiel ist in 1 dargestellt. Dabei liegt also der mittlere Bohrungsdurchmesser deutlich über 550 μm. In diesem Beispiel sind die Bohrungen der Klasse A und die Bohrungen der Klasse B jeweils alternierend in die Oberfläche 9 eines keramischen Werkstoffs strukturiert. Die Geometrie der Bohrungen der Klasse A und B ist in diesem Beispiel identisch: Die Bohrungen besitzen eine Querschnittsfläche, die einem Quadrat mit abgerundeten Ecken entspricht, und die Bohrungen verjüngen sich in den Werkstoff hinein, sind also kegelförmig ausgebildet (siehe dazu auch 5 und 6). Es sind aber auch grundsätzlich andere Bohrungsgeometrien möglich. Die oben genannten Werte können für die folgenden Ausführungsbeispiele verwendet werden.
2 zeigt als alternatives Ausführungsbeispiel eine strukturierte Keramikoberfläche 9, die ebenso wie das Beispiel nach 1 zwei Klassen A, B von Bohrungen mit mittleren Durchmessern a, b aufweist. Jeweils eine Bohrung der Klasse A und eine Bohrung der Klasse B bilden dabei eine geometrische Gruppe 10, nämlich ein Bohrungspaar als einfachste Möglichkeit einer geometrischen Gruppe. Diese geometrische Gruppe 10 wiederholt sich über die Keramikoberfläche 9 hinweg. Der Abstand der Bohrungen x innerhalb der geometrischen Gruppe 10 ist geringer als der Abstand d der geometrischen Mitten zweier benachbarter geometrischer Gruppen 10.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer alternativen geometrischen Gruppenform 11, wobei jeweils 5 Bohrungen der Klasse A und 4 Bohrungen der Klasse B zu einer quadratischen geometrischen Gruppe 11 zusammengefasst sind, die sich wiederum über die Oberfläche 9 hinweg wiederholt. Auch hier ist der Abstand der Bohrungen x innerhalb der geometrischen Gruppe 11 geringer als der Abstand d der geometrischen Mitten zweier benachbarter geometrischer Gruppen 11.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer weiteren alternativen geometrischen Gruppenform 12, wobei jeweils eine Bohrung der Klasse A und 8 Bohrungen der Klasse B ringförmigen um die Bohrung der Klasse A zu einer geometrischen Gruppe 12 zusammengefasst sind, die sich wiederum über die Oberfläche 9 hinweg wiederholt. Der Abstand der Bohrungen x innerhalb der geometrischen Gruppe ist in 4 aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt, ist aber ersichtlich geringer als der Abstand d der geometrischen Mitten zweier benachbarter geometrischer Gruppen 12.
In einem folgenden Prozessschritt kann entweder vorgesehen werden, dass die perforierte Oberfläche 9 mittels Aktivlöten metallisiert wird. Hierbei wird die Metallbeschichtung auch in den Bohrungen 4 abgeschieden. Es entsteht ein Interface zwischen dem Keramikmaterial, beispielsweise C/SiC, und Metall, indem metallische Nadeln mit definierter Tiefe in das keramische Material eindringen. Zur Verlötung mit dem zu verbindenden Metallelement können z.B. Lötfolien eingesetzt werden.
Zur Lötung von größeren Spalten zwischen Keramik und Metall und zur Überbrückung von großen Unterschieden der thermomechanischen Eigenschaften der Materialien (Unterschieden im Temperaturausdehnungskoeffizienten TAK) der jeweiligen Materialien können flexible Formkörper 3 verwendet werden, die zumindest ein Lotmaterial enthalten, wie in 5 dargestellt. Die Formkörper können beispielsweise als Lotmatten ausgebildet sein. Solche flexiblen Lotmatten können zusätzlich zum Lot auch Materialien zur Aktivierung der keramischen Oberfläche – wie insbesondere die o.g. aktiven Elemente – enthalten. Somit bieten solche Lotmatten eine vorteilhafte Kombination aus Ausgleich thermomechanischer Unterschiede, Oberflächenaktivierung und einer einfachen und kostengünstigen Lotaufbringung.
Wie 5a) zeigt, wird zunächst eine Lotmatte 3 auf eine strukturierte Oberfläche 9 eines Keramikelements 2 aufgebracht. Die Keramikoberfläche 9 weist dabei kegelförmige Bohrungen 4 mit alternierender Bohrungstiefe auf. Anschließend wird ein metallisches Element 1 auf die Lotmatte 3 aufgebracht und es werden die beiden Elemente 1, 2 mit Hilfe der Lotmatte 3 verlötet. Nach dem Verlöten verbleibt die Lotmatte 3 mit einer gewissen Flexibilität zwischen den verlöteten Elementen 1, 2, wobei die Bohrungen 4 mit Lotmaterial ausgefüllt sind, wie in 5b) dargestellt.
7 zeigt einen Schematischer Querschnitt durch ein faserverstärktes Keramikelement 2 mit einer Laminatstruktur aus mehreren Schichten 21, 22, 23, 24, wobei die Schichten eine jeweils unterschiedliche, sich periodisch wiederholender Faserorientierung aufweisen. In Schicht 21 und 23 liegen die Fasern in der Zeichnungsebene, in Schicht 22 und 24 liegen die Fasern senkrecht zur Zeichnungsebene, wie schematisch in 7 dargestellt. Die Dicke der Laminatschicht 21 ist mit d_S bezeichnet, der Abstand von der Oberfläche 9 des Keramikwerkstoffes bis zu der Schicht 23 der Laminatstruktur, die die gleiche Faserorientierung wie die oberste Schicht 21 der Laminatstruktur aufweist, ist mit d_P bezeichnet. Der Durchmesser der Fasern beträgt typischerweise einige Mikrometer, beispielsweise zwischen 1 und 5 μm, insbesondere zwischen 2 und 4 μm.
In 7 ist aus Gründen der Einfachheit ein Querschnitt durch das keramische Material 2 dargestellt, in dem nur gleich große Bohrungen liegen. Die Bohrungen 4 weisen einen Abstand x (Abstand der Bohrungsmitten) auf und einen Durchmesser a. Dabei ist der Abstand x größer als der Bohrungsdurchmesser a plus das 5fache des Durchmessers einer Faser, wie insbesondere anhand der Schicht 22 erkennbar ist. Es liegen in der Schicht 22 also zumindest fünf intakte Fasern zwischen zwei Bohrungen 4.
Die Bohrungen 4 in 7 weisen eine Bohrungstiefe L auf, die größer ist als die Dicke d_S der äußersten Laminatschicht 21, nämlich eine Tiefe L, die gleich dem Abstand d_P von der Oberfläche 9 ist. Die entsprechenden Vorteile wurden bereits eingangs beschrieben.
8 zeigt im wesentlichen die gleiche Anordnung wie 7, wobei der Abstand x der Bohrungen im wesentlichen gleich der Bohrungstiefe L ist. Die Bohrungstiefe L ist diesmal geringer als der Abstand d_P von der Oberfläche 9, aber weiterhin größer als die Dicke d_S der äußersten Laminatschicht 21. Auch hierfür wurden die entsprechenden Vorteile bereits eingangs beschrieben.
Beispiel:
Bei einer Bohrungstiefe L von 1,1 mm für Bohrungen der Klasse A wie bereits vorher beschrieben kann bevorzugt ein Bohrungsabstand x im Bereich von 1,0 bis 1,3 mm gewählt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflächen (9) vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen (4) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (4) einen mittleren Durchmesser größer als 550μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Klassen (A, B) von Bohrungen (4) eingebracht werden, wobei sich die Bohrungen (4) einer Klasse (A) von denen einer anderen Klasse (B) zumindest in Bohrungsgeometrie, Bohrungsdurchmesser (a, b) oder Bohrungstiefe (L) unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Bohrung (4) einer ersten Klasse (A) und mindestens eine Bohrung (4) einer zweiten Klasse (b) in Form einer geometrischen Gruppe (10, 11, 12) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x) der Bohrungen (4) innerhalb einer geometrischen Gruppe (10, 11, 12) geringer ist als der Abstand (d) der geometrischen Mitten zweier geometrischer Gruppen (10, 11, 12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem Keramikwerkstoff (2) mit Laminatstruktur aus mehreren Schichten (2i, 22, 23, 24), dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (4) mit einer Bohrungstiefe (L) eingebracht werden, die größer ist als die Dicke (d_S) der äußersten Laminatschicht (21).
Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem faserverstärkten Keramikwerkstoff (2) mit Laminatstruktur aus mehreren Schichten (21, 22, 23, 24) mit unterschiedlicher, sich periodisch wiederholender Faserorientierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (4) mit einer Bohrungstiefe (L) eingebracht werden, die gleich groß oder größer ist als der Abstand (d_P) von der Oberfläche (9) des Keramikwerkstoffes (2) bis zu derjenigen Schicht (23) der Laminatstruktur, die die gleiche Faserorientierung wie die oberste Schicht (21) der Laminatstruktur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem faserverstärkten Keramikwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x) zwischen den Bohrungen mindestens den Bohrungsdurchmesser (a, b) plus das 5fache, insbesondere plus mindestens das 10fache, bevorzugt plus mindestens das 25fache des Durchmessers einer Faser des faserverstärkten Keramikwerkstoffs beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bohrungsanzahl, Bohrungsdurchmesser (a, b) und Bohrungsgeometrie so gewählt werden, dass durch die Bohrungen (4) der Flächeninhalt der ke ramischen Oberfläche (9) und/oder jeder Querschnittsfläche durch das keramische Material (2) um maximal 50 % gegenüber einem identischen Körper ohne Bohrungen reduziert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x) zwischen den Bohrungen (4) zwischen 50 % und 150 %, insbesondere zwischen 75 % und 125 % einer der Bohrungstiefen (L) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Strukturierung der zu verlötenden Oberfläche (9) ein flexibler Formkörper 3, der zumindest Lotmaterial enthält, auf die strukturierte Oberfläche (9) aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Raketentriebwerkes aus Keramikelementen oder Keramikelementen (2) und Metallelementen (1), wobei zumindest einige der Elemente nach einem Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10 verbunden werden.