DE3003186A1

DE3003186A1 - Verfahren zur verbindung von bauteilen aus siliziumverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE3003186A1
Application number: DE19803003186
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. Reinhard 7758 Meersburg Röttenbacher; Dipl.-Phys. Dr. Rainer Schmidberger; Dipl.-Phys. Dr. Gerd 7790 Friedrichshafen Willmann; Rainer 7778 Markdorf Willneff
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1980-01-30
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1981-08-06
Also published as: DE3003186C2

Description

Verfahren zur Verbindung von Bauteilen aus Silizium-
verbundwerkstoffen Die Erfindung betrifft eine Technik für die Verbindung von Bauteilen aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid oder reaktionsgebundenem Siliziumcarbid.
Infiltriertes bzw. reaktionsgebundenes Siliziumcarbid ist ein keramischer Verbundwerkstoff aus Siliziumcarbid (SiC) und metallischem Silizium (Si). Der Anteil an metallischem Si beträgt bis zu 30 Volumenprozent.
Keramik-Keramikverbindungen sind aus technologischen und ökonomischen Gründen erforderlich. Der Grösse von keramischen Bauteilen sind durch die Herstellungsverfahren Grenzen gesetzt, so dass kompliziert aufgebaute bzw. sehr grosse Teile aus mehreren kleineren Teilen gefügt werden müssen. Werden Bauteilverbindungen in Ofen hergestellt, DE-OS Nr. 26 27 993, so werden die Abmessungen des Werkstücks durch die nicht beliebig erweiterbare Ofengeometrie begrenzt. Technologische Verfahren, die sehr gute Materialeigenschaften liefern, z.B.
Heißpressen, sind auf relativ einfache Formen begrenzt.
Kompliziert geformte Teile erfordern umfangreiche und aufwendige Nacharbeiten, so dass es ökonomisch sinnvoller ist, ein kompliziertes Bauteil aus einfacher geformten Komponenten zusammenzufügen.
Die Anforderungen an die Verbindungsstelle sind mechanische Festigkeit, Porenfreiheit, Gasdichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit, insbesondere Oxidationsbeständigkeit. Die Gesamtfestigkeit eines gefügten Bauteils hängt von der schwächsten Stelle ab, so dass die Verbindungsstelle annähernd die gleiche Festigkeit erreichen sollte wie das zu verbindende Material.
Die Festigkeit von Keramik hängt stark von der Porosität ab, so dass die Verbindungsstelle möglichst porenfrei sein sollte.
Neben der Festigkeit hängt auch die Gasdichtigkeit der Verbindungsstelle von ihrer Porosität ab, so dass bei gasdichten Verbindungen weitgehende Porenfreiheit erreicht werden muss.
Um ein gefügtes Bauteil den Vorzügen des Materials gemäss einsetzen zu können, ist es auch erforderlich, dass das Material an der Verbindungsstelle die gleiche Korrosionsbeständigkeit wie das Grundmaterial aufweist.
Die Herstellung von Keramik-Keramikverbindungen wirft Probleme auf, die in spezifisch keramischen Eigenschaften begründet sind. Keramik ist ein sprödes Material, das auch bei hohen Temperaturen praktisch keine plastische Verformbarkeit besitzt.
Infolgedessen muss der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials sorgfältig an den der zu verbindenden Keramik angepasst werden, da sonst die Verbindungsstelle bei Temperaturänderungen zerstört wird.
Keramische Werkstoffe haben häufig sehr hohe Schmelzpunkte oder zersetzen sich vor Erreichen des Schmelzpunktes, wie z.B. Siliziumcarbid, so dass eine Verbindung über die Schmelzphase meist ausscheidet.
Die Thermoschockbeständigkeit von Keramiken ist geringer als die von Metallen, so dass Verbindungstechniken, bei denen starke örtliche Materialerwärmungen auftreten, ausscheiden.
Keramikverbindungen mit organischen und anorganischen Klebern erreichen nur relativ geringe Festigkeiten und sind bei hohen Einsatztemperaturen nicht beständig.
Hochtemperaturkleber auf keramischer Basis behalten ihre Festigkeit auch bei hohen Temperaturen, sind aber im thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht beliebig und unabhängig von anderen Eigenschaften variierbar und zudem meist porös.
Wegen dieser Eigenschaften sind sie aus oben genannten Gründen nur sehr bedingt anwendbar.
Schmelzschweissverfahren sind aufgrund der dabei entstehenden thermischen Belastungen und der notwendigen hohen Temperaturen aus oben erläuterten Gründen nicht anwendbar.
In der Elektrokeramik wurden verschiedene Keramik-Metall-Verbindungen entwickelt, die jedoch meist dem Ziel der elektrischen Kontaktierung dienen. Beispiele sind die Molybdän/ Mangan-Metallisierung von Aluminiumoxidkeramik, die Edelmetallisierung von Zirkonoxid mit Platin bei Sauerstoffmeßsonden oder die elektrische Kontaktierung von Keramikkondensatoren mit silberhaltigen Einbrennpasten. Bei diesen Verfahren wird eine gut haftende, lötbare Metallschicht auf der Keramik erzeugt.
Eine auf diesem Prinzip basierende Keramik-Keramik-Verbindung würde über ein metallisches Lot hergestellt, das jedoch den oben angeführten Anforderungen entsprechen müsste.
Alle aufgeführten Verfahren eignen sich nicht, um hochtemperaturbeständige, gas dichte und oxidationsbeständige Verbindungen von SiC-Keramikteilen herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbindungen von Teilen aus Siliziumcarbid zu schaffen, die mechanisch stabil und temperaturbeständig bis 14000 C, gasdicht, temperaturwechselbeständig und korrosions-, insbesondere oxidationsbeständig sind.
Die Aufgabenstellung verlangt ein kostengünstiges, möglichst einfach anwendbares Verfahren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Diffusionsschweissverfahren ohne Zwischenschicht.
Die Oberflächen der zu verbindenden Teile werden poliert, aufeinandergelegt und senkrecht zur Verbindungsfläche unter Druck gebracht. Durch Anwendung hoher Temperaturen (max.
13000 C) über längere Zeit (max. 5 h) werden die Werkstücke diffusionsverschweisst. Siliziumcarbid oxidiert an Luft bei hohen Temperaturen. Dabei bildet sich oberflächlich eine SiO2-Schicht, in der Diffusionsvorgänge nur extrem langsam ablaufen. Da solche diffusionshemmenden Schichten das Verfahren unmöglich machen, muss es unter Vakuum oder Schutzgas ausgeführt werden.
Da bei diesem Verfahren ohne irgendwelche Zwischenschichten gearbeitet wird, bleiben die Eigenschaften des SiC-Werkstoffs vollständig erhalten. Allerdings ist eine sehr gute Oberflächenbeschaffenheit notwendig, die eine aufwendige Bearbeitung der Werkstücke erfordert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss auch gelöst durch ein kombiniertes Diffusions-Reaktionsverfahren mit Zwischenschicht.
Die Durchführung erfolgt ebenfalls unter Druck bei hoher Temperatur wie oben beschrieben. Durch die Zwischenschicht wird die Oberflächenrauhigkeit der zu verbindenden Flächen ausgeglichen, so dass die Oberflächengüte nicht so hoch sein muss wie beim reinen Diffusionsschweissverfahren ohne Zwischenschicht.
Da die Zwischenschicht nicht beliebig dünn gemacht werden kann, beeinflussen die Eigenschaften des Zwischenschichtmaterials die Gesamteigenschaften des gefügten Bauteils.
Nicht jedes Metall ist als Zwischenschicht verwendbar, da z.B. Titan, Vanadium, Eisen, Kobalt oder Nickel Siliziumcarbid angreifen und zu einer Zerstörung des Werkstoffs führen. Zudem muss das Zwischenschichtmaterial bei der Einsatztemperatur fest sein.
Als Zwischenschicht kann metallisches Siliziumpulver mit Zusätzen von Bor und Aluminium verwendet werden. Ebenfalls möglich ist die Verwendung einer Mischung aus Siliziumpulver und kolloidalem Kohlenstoff.
Für das Aufbringen der Zwischenschicht sind erfindungsgemäss mehrere Möglichkeiten durchführbar.
- das Pulver der oben beschriebenen Zusammensetzung wird in einem organischen Lösungsmittel und einer öligen Substanz aufgeschlämmt und die Suspension mit einem Farbspritzverfahren aufgebracht.
- die zu verbindenden Teile werden in eine Siliziumlösung bzw. eine Siliziumlösung, in der kolloidaler Kohlenstoff aufgeschlämmt ist, getaucht. Nach demTrocknenwird die Siliziumverbindung thermisch unter Sauerstoffausschluss zersetzt, wodurch sehr fein verteiltes metallisches Silizium entsteht.
- Siliziumschichten können aufgedampft werden - Siliziumschichten können aufgesputtert werden - Siliziumschichten können elektrolytisch abgeschieden werden.
Die Erzeugung der für die Verbindung notwendigen Wärme ist auf verschiedene Weisen möglich.
- Die Heizung der Verbindungsstelle erfolgt induktiv mit einer HF-Spule, deren Geometrie so gewählt wird, dass sich die Wärmeeinkopplung auf die Verbindungsstelle konzentriert. Unter Ausnutzung ihrer elektrischen Leitfähigkeit können die SiC-Bauteile als Suszeptor wirken, oder es wird ein Graphitsuszeptor verwendet.
- Die Heizung der Verbindungsstelle erfolgt durch einen widerstandsbeheizten Ofen.
- Die Heizung der Verbindungsstelle erfolgt über heisses Schutzgas.
- Die Heizung erfolgt direkt durch Widerstandsheizung.
Über Manschetten wird die Spannung an die zu verbindenden Teile angelegt. Der Stromfluss und damit die Erwärmung findet nur an den Kontaktstellen der Verbindungsflächen statt.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens liegen - in der einfachen Durchführbarkeit - und in den guten Eigenschaften der Verbindungsstelle.
Das Verfahren liefert mechanisch sehr stabile, heliumdichte Verbindungen. Die maximale Anwendungstemperatur des gefügten Bauteils ist die gleiche wie die des Grundmaterials und wird nicht durch die Verbindungsstelle begrenzt. Die Verbindungsstelle zeigt die gleiche gute Temperaturwechselbeständigkeit wie das Grundmaterial. Die Verbindungsstelle hat das gleiche Oxidationsverhalten wie das Grundmateriai.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Diffusionsschweissanlage für das Verbinden von Bauteilen aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid oder reaktionsgebundenem Siliziumcarbid; Fig. 2 einen Verbund von Rohren aus reaktionsgebundenem Siliziumcarbid und Fig. 3 ein Schliffbild einer erfindungsgemässen Verbindungsstelle.
Fig. 1 zeigt eine Diffusionsschweissanlage 2 zur Verbindung von zwei Rohren 4 aus reaktionsgebundenem Siliziumcarbid, die aus einem Gerüst 6, Bodenplatte 7, Deckplatte 8, einem Hydraulikzylinder 10 mit Kolbenstange 11, einem Quarzrohr 12 und einer HF-Heizung 14 besteht. Das Quarzrohr umgibt die Rohre 4 zylindrisch und weist an seinem Mantel die Wicklungen der HF-Heizung 14 auf. Der Raum 16, in dem sich die Rohre 4 auf einem mit der Kolbenstange 11 verbundenem Stempel 17 befinden, ist gasdicht abgeschlossen und wird mittels einer bei 18 angeordneten, nicht gezeigten Vakuumpumpe leergepumpt.
Fig. 2 zeigt einen Verbund aus reaktionsgebundenen Siliziumcarbidrohren 4.
Fig. 3 zeigt in verschiedenen Vergrösserungen ein Schliffbild der Verbindungsstelle. Die dunkle Phase ist Siliziumcarbid, die helle Phase Silizium. Die Verbindung wird über Silizium hergestellt und die Nahtstelle ist vollkommen porenfrei.
Beipiel 1: Die zu verbindenden Rohrflächen 20, 22 zweier Rohre 4 (Aussendurchmesser 50 mm, Innendurchmesser 40 mm) aus reaktionsgesintertem Siliziumcarbid werden geschliffen und geläppt. Dann werden sie aufeinandergelegt und mit Hilfe des Stempels 17 2 mit einem axialen Druck von 400 kg/cm belastet. Die Rohre 4 werden induktiv aufgeheizt, wobei die Versuchstemperatur 13000 C beträgt und die Versuchsdauer 6 Stunden beträgt.
Das Diffusionsschweissen erfolgt bei einem Vakuum von 6-10 Torr.
Beispiel 2: Verbindung von Rohren aus reaktionsgebundenem Siliziumcarbid mit einem Aussendurchmesser von 42,6 mm und einem Innendurchmesser von 29,7 mm.
Die zu verbindenden Rohrflächen wurden mit Diamantschleifscheiben der Körnungen 65 und 20 /um geschliffen und mit Diamantpaste der Körnungsstufen 15, 7, 3 und 1 /um geläppt.
Mit dem Perthometer wurde die Rauhtiefe gemessen Ra = 0,10 g , Rt 1,32 /um und Rp = 0,28 Die Rohre wurden mit den bearbeiteten Stirnflächen aufeinandergelegt und mit einem axialen Druck von 400 kg/cm2 belastet. Die Probe wurde induktiv aufgeheizt und die Versuchstemperatur betrug 12000 C während einer Versuchsdauer von 2 h. Der Vorgang fand unter einem Vakuum von 6 10 10 5 Torr statt.
Der Rohrverbund war mechanisch stabil und heliumdicht.
Leerseite

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Verfahren zur Herstellung gasdichter, bis ca. 14000 C mechanisch stabiler, temperaturwechselbeständiger und korrosions-, insbesondere oxidationsbeständiger Verbindungen von Bauteilen aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid oder reaktionsgebundenem Siliziumcarbid, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile mittels Diffusionsschweissen im Vakuum oder unter Schutzgas miteinander verbunden werden.
2. Verfahren zur Herstellung von Verbindungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein kombiniertes Diffusions-Reaktionsschweissverfahren angewandt wird und eine Zwischenschicht zwischen den Bauteilen vorhanden ist.
3. Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Silizium bzw. einer metallischen Legierung besteht, die Silizium enthält.
4. Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus Silizium mit Beimengungen von Bor oder Aluminium besteht.
5. Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ein Gemisch aus Silizium und kolloidalem Kohlenstoff ist.
6. Verbindung nach Ansprüchen 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht in Pulverform aufgespritzt wird.
7. Verbindung nach Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch thermische Zersetzung einer gelösten Silizium-Verbindung aufgebracht wird.
8. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch Sputtern aufgebracht wird.
9. Verbindung nach Anspruch 3; dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch Aufdampfen aufgebracht wird.
10. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht wird.
11. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verbindung notwendige Wärme durch Stromdurchgang durch die Verbindungsstelle, also durch Widerstandsheizung, erzeugt wird.