WO2009046699A2

WO2009046699A2 - Füge- und materialauftragsverfahren für ein werkstück mit einem werkstückbereich aus einer titanaluminid-legierung

Info

Publication number: WO2009046699A2
Application number: PCT/DE2008/001636
Authority: WO
Inventors: Ulrike Hecht; Victor Vitusevych; Christian Holzschuh
Original assignee: Access E.V.
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2009-04-16
Also published as: EP2203271A2; DE102007048789A1; WO2009046699A3; KR20100091178A; US20100297468A1; JP2011502786A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken, bei dem ein an einem Werkstück gebildeter Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung und ein an einem anderen Werkstück gebildeter Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung oder einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff in einem Fügebereich unter Verwendung eines Fügezusatzstoffes gefügt werden, wobei der Fügezusatzstoff mindestens eines der Elemente Gallium und Indium enthält. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Materialauftragen auf ein Werkstück, bei dem auf einen Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung ein Auftragsmaterial aufgebracht wird, indem zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird, wobei das Auftragsmaterial mindestens eines der Elemente Gallium und Indium und einen Füllstoff enthält.

Description

Füge- und Materialauftragsverfahren für ein Werkstück mit einem Werkstückbereich aus einer Titanaluminid-Legierung

Die Erfindung betrifft ein Füge- und ein Materialauftragsverfahren für ein Werkstück mit 5 einem Werkstückbereich aus einer Titanaluminid-Legierung.

Hintergrund der Erfindung

Titanaluminide, kurz TiAl-Legierungen genannt, gehören zu den intermetallischen Legierun- 10 gen, die ausgehend von der TiAl- Verbindung aus 50 Atom% Ti und 50 Atom% Al entwickelt wurden. Diese auch als γ-TiAl bekannte Phase hat eine tetragonale Kristallstruktur, in der die Atome Ti und Al bestimmte Plätze in dem Kristallgitter einnehmen. Deshalb wird die Kristallstruktur dieser Phase als geordneter Substitutionsmischkristall bezeichnet. Der Titangehalt diverser TiAl-Legierungen liegt typischerweise zwischen 50 und 60 Gew.%. Beispielhafte 15 Vertreter dieser Legierungsklasse weisen folgende chemische Zusammen-setzung auf (alle Angaben in Atom %): Ti-48Al-2Cr-2Nb, Ti-45Al-5Nb-0.2C-0.2B und Ti-45Al-7Nb-lMo- 0,2B

TiAl-Legierungen werden aufgrund der Phasen und Gefüge, die legierungs- und prozesstech- 10 nisch erzeugt werden können, in Gamma-Legierungen, Duplexlegierungen und lamellare Legierungen unterteilt. Die Duplexlegierung und lamellaren Legierungen enthalten neben dem oben genannten γ-TiAl eine weitere geordnete Phase, die α ₂-Ti₃Al genannt wird.

TiAl-Legierungen werden im Temperaturbereich von etwa 500°C bis etwa 900°C eingesetzt.

>5

Von den TiAl-Legierungen zu unterscheiden sind Titanlegierungen. Als Titanlegierungen wird eine Klasse von metallischen Werkstoffen bezeichnet, deren Hauptbestandteil Titan ist (100 bis 75 Gew.%) und die geringe Anteile (0 bis 25 Gew.%) weiterer Legierungselemente enthalten. Typische Vertreter dieser Legierungsklasse weisen folgende chemische Zusam-

50 mensetzung auf (alle Angaben in Gew.%): Η-6A1-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo und Ti- 15Mo- 2.7Nb-3Al-0,2Si. Titanlegierungen werden aufgrund der Kristallstruktur, die durch Legierungselemente stabilisiert wird, in α-, ß- und α+ß-Legierungen unterteilt. Dass diese Strukturvarianten überhaupt existieren, liegt an dem Polymorphismus des reinen Elementes Titan, das bei Temperaturen oberhalb von 882°C ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter aufweist und in diesem Zustand ß(Ti) genannt wird, während es unterhalb von 882°C ein hexagonal dichtgepacktes Kristallgitter aufweist und α(Ti) heißt.

Titanlegierungen werden bei Temperaturen bis zu 500°C eingesetzt. Oberhalb solcher Temperaturen nimmt ihre Festigkeit rapide ab.

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Wesentliche Unterschiede zwischen Titanlegierungen einerseits und TiAl-Legierungen andererseits lassen sich gemäß Tabelle 1 zusammenfassen.

Tabelle 1

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TiAl-Legierungen einerseits und Titanlegierungen andererseits sind also aus vollkommen unterschiedlichen Materialphasen aufgebaut. Hieraus ergeben sich nicht nur die jeweils spezifischen thermophysikalischen und mechanische Eigenschaften sondern auch sehr unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der verwendeten Fügetechniken. Titanlegierungen sind ge¬

.0 genüber thermischen Spannungen tolerant. Im Unterschied dazu sind TiAl-Legierungen anfällig gegenüber thermischen Spannungen wegen des Spröd-Duktil-Übergangs bei 700°C bis 800°C (Rissneigung), was durch die Eigenschaften des γ-TiAl hervorgerufen wird. Dieser Aspekt ist besonders für fügetechnische Verfahren wichtig, zum Beispiel die Rissbildung beim Schweissen betreffend. Alternative fügetechnische Verfahren, zum Beispiel Löten, sind

>5 für TiAl-Legierungen ebenfalls schwierig umzusetzen, vor allem wegen der Bildung so genannter „Heusler-Phasen", nämlich intermetallische Verbindungen des Typs TiM₂Al (mit M= Ni,Cu, Au, Pd, Co, u. a.), die als spröde Phasen im Fügebereich entstehen und die Qualität der Lötverbindung beeinträchtigen.

Fügen bezeichnet in der Fertigungstechnik das dauerhafte Verbinden von mindestens zwei Werkstücken oder Bauteilen (DIN 8593). Mittels Fügen wird ein Zusammenhalt zwischen den zuvor getrennten Werkstücken lokal, d. h. an Fügestellen, geschaffen und eine Formänderung des neu entstehenden Bauteils herbeigeführt. Die Verbindung kann hierbei von fester oder beweglicher Gestalt sein. Über Wirkflächen der Verbindung werden die auftretenden Betriebskräfte übertragen. Die Verbindungstechnik kennt drei mechanische Verbindungsar- ten: kraftschlüssige, formschlüssige und stoffflüssige Verbindungen. Die vorliegende Anmeldung beschäftigt sich insbesondere mit dem stoffschlüssigen Fügen, also dem stoffschlüssigen Verbinden.

Stoffschlüssige Verbindungen werden Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungs- partner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen. Stoffschlüssige Verbindungen werden kategorisiert in: Lötverbindungen, Schweißverbindungen, Klebverbindungen, Vulkanisierverbindungen und Pressverbindungen. Die vorliegende Anmeldung beschäftigt sich insbesondere mit den stoffschlüssigen Verbin- dungsverfahren Löten und Schweißen.

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht (DIN 8505 „Löten"). Mittels Löten wird eine nichtlösbare, stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Als Verbindungsmaterial dient meist eine leicht schmelzbare Metalllegierung, das Lot. Mit dessen Hilfe wird eine metallische Verbindung von zwei metallischen Werkstücken erzeugt.

Schweißen bezeichnet das unlösbare Verbinden von Bauteilen oder Werkstücken unter Verwendung von Wärme oder Druck mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff(e) (DIN ISO 857-1). Besonders häufig werden Schmelzschweißverfahren für meist metallische Materialien angewendet. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt, beim Reibschweißen auch in einer Fläche. Die Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt.

Titanaluminide (TiAl- Werkstoffe) gewinnen als leichte Hochtemperaturwerkstoffe zuneh- mend an Bedeutung, beispielsweise für den Motoren- und Gasturbinenbau. Mittels ihrer Verwendung kann der Wirkungsgrad konventioneller Verbrennungskraftmaschinen gesteigert werden, indem oszillierende oder rotierende Massen einzelner Baukomponenten reduziert werden. Zu den Titanaluminiden gehören insbesondere die γ-Titanaluminide. Ein TiAl- Werkstoff ist beispielsweise eine Legierung die neben dem Hauptlegierungselement Ti fol- gende Elemente enthält Al (43 bis 49), Nb (2 bis 10), Mo(O bis 3), Cr (2 bis 5), C(O bis 0,3) und B(O bis 0,5).

Um Bauteile aus TiAl-Legierungen in Systemen wie beispielsweise Abgasturboladern anwenden zu können, ist eine zuverlässige und kostengünstige Fügetechnologie erforderlich, zum Beispiel zum Fügen von Rotoren aus TiAl-Legierungen und Wellen aus speziellen Stählen oder anderen Hochtemperaturwerkstoffen wie Stahl 1.4718 (Ventilstahl), Stahl 1,4923 (hochwarmfester Stahl) oder Stahl 1.7227 (Vergütungsstahl) oder Superlegierungen wie Inco- nel (IN718) oder Incoloy 909.

Zum Fügen zwischen TiAl-Legierungen und artgleichen oder artfremden Werkstoffen wurden Verfahren wie Reibschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen vorgeschlagen. So ist zum Beispiel aus den Dokumenten US 6,291,086 und DE 697 18 713 T2 die Nutzung des Reibschweißens in Verbindung mit TiAl-Legierungen bekannt. Die Schweißverfahren sind nur bedingt geeignet, weil in den zu fügenden Werkstoffen relativ hohe thermo- mechanische Spannungen induziert werden, auf die insbesondere die Ti Al- Werkstoffe im Temperaturbereich des sogenannten spröd-duktil Überganges (T_crit ~ 600 bis 800°C) höchst sensibel reagieren. Um die Bildung von Spannungsrissen zu vermeiden, sind die Prozessfenster der oben genannten Verfahren relativ eng, und es bedarf in den meisten Fällen einer aufwendigen Vorrichtung für das Erwärmen und das Abkühlen der zu fügenden Werkstücke oder Bauteile.

Löten ist hingegen ein Fügeverfahren, welches aufgrund der angewendeten Temperaturprofile für geringste thermo-mechanische Spannungen bekannt ist und deshalb für das Fügen von TiAl- Werkstoffen und TiAl-X- Werkstoffpaarungen als besonders interessant bewertet wird. Beim Löten werden die zu fügenden Werkstücke zusammen mit einem geeigneten Lot in einen Ofen gesetzt und auf eine Temperatur erwärmt, die das Lot zum Schmelzen bringt. Die Gefügestruktur der zu fügenden Bauteile oder Werkstücke verändert sich nicht massiv. Das schmelzfähige Lot benetzt die zu fügenden Bauteile und dringt, unterstützt von Kapillarkräf- 5 ten, in den sogenannten Fügespalt ein, um dort aufgrund von Diffusionsprozessen eine chemische Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen zu erzeugen. Beim anschließenden Abkühlvorgang erstarren die noch flüssigen Bestandteile in der Bindezone, der sogenannten Lötnaht.

10 Die Qualität einer Lötverbindung wird maßgeblich durch das verwendete Lot bestimmt, das eine Legierung mit niedrigerem Schmelzpunkt als beide zu fügenden Werkstoffe ist, und in Form von Pulver, Draht oder Folie vorliegen kann. Das Lot muss außerdem im schmelzflüssigen Zustand beide zu fügenden Werkstoffe gut benetzen. Elemente aus dem Lot müssen in beide zu fügende Werkstoffe diffundieren, um eine chemische Verbindung zu erzeugen, ohne

15 allerdings zur Bildung spröder, intermetallischer Phasen zu führen.

Für das Löten von TiAl-Werkstoffen und TiAl-X- Werkstoffpaarungen wurden eine Reihe kommerziell verfügbarer Hartlote und Sonderlote untersucht, deren Schmelztemperatur größer als 900°C ist. Hierzu gehören Lote auf der Basis von Nickel, Kupfer, Titan und Edelme- .0 tallen wie Silber und Gold. Es wurde jedoch gefunden, dass Lote auf Basis von Nickel, Kupfer und Gold mit TiAl-Werkstoffen unter Bildung spröder, intermetallischer Phasen des Typs AlM₂Ti (mit M = Ni, Cu, Au, Pd, Co) reagieren, die auch als Heusler-Phasen bekannt sind.

Aus dem Dokument DE 698 15 011 T2 sind Verbund- und Auftragsdiffusionslötverfahren für £5 Werkstücke aus TiAl-Legierungen bekannt.

Das Dokument DE 697 24 730 T2 bezieht sich auf das Löten eines gießtechnisch hergestellten Turboladerrads aus einer TiAl-Legierung und einer Rotorwelle aus hitzebeständigem Stahl, wobei die Verbindung durch Hochfrequenzinduktionserwärmung erzeugt wird. Als 30 Lote werden pauschal Ag-, Ni-, Cu- und Ti-Basis Legierungen benannt, konkret Ag-33Cu- 4Ti, Ag-35.5Cu-l.7Ti, Cu-lCo-31.5Mn, Ti-15Ni-15Cu und BNi-3 (alle Angaben in Gew.%). Das bekannte Verfahren wird von Noda et al. (Noda et al., „Joining of TiAl and steel by in- duction brazing", Materials Science and Engineering, A239-240, S. 613-618, 1997) in einem Fachartikel ausführlich beschrieben, und die Bildung einzelner Phasen in der Fügezone wird detailliert beschrieben. Das Lot Ag-35.2Cu-l.8Ti wird im Vergleich zum Lot Ti-15Ni-15Cu als besser geeignet bewertet.

Im Dokument EP 0 904 881 Bl werden ein Verbundverfahren und die dafür notwendigen Materialien beschrieben, die das Diffusionslöten von Werkstücken aus TiAl ermöglichen und die dafür geeignet sind, Reparaturen an Werkstücken aus TiAl vorzunehmen. Die für das Diffusionslöten und das Reparaturlöten notwendige Lötmasse wird als homogenes Pulvergemisch, bestehend aus Pulver A, Pulver B und einem organischen Binder charakterisiert. Pulver A aus einer TiAl-Legierung wird mit Pulver B aus einer Ti- oder einer Cu-Legierung ge- mischt und mit dem organischen Binder zu einer streichfähigen Masse verrührt. Diese Masse wird auf die zu fügenden Stellen der Werkstücke aufgetragen und die Gesamtanordnung wird für einige Minuten in einem Vakuumofen bei einer Temperatur vonl000°C bis 1300°C gehalten. Die chemische Zusammensetzung der beiden Pulver A und B werden als A: Ti-Al-Cr-Nb mit 46 bis 50 Atom% Al und B: Ti-Cu-Ni mit 10-15 Gew.% Cu und 10 bis 15 Gew.% Ni spe- zifiziert.

Ein Verfahren zum Diffusionssintern beschreibt EP 1 507 062 A2 für die Verbindung eines Turboladerrades aus TiAl mit einer Welle aus Stahl. Anders als beim Diffusionslöten wird hier nur eine einzige pulverförmige Komponente mit einem geeigneten organischen Binder vermischt, und in den Fügespalt aufgetragen. Es handelt sich dabei um besonders feinkörniges Pulver aus einer TiAl-Legierung. Das Diffusionssintern erfolgt bei Temperaturen von 1200°C bis 1430°C über einen Zeitraum von 45 Minuten bis 2 Stunden.

Im Dokument US 3,702,763 ist eine Reihe von Ag-Pd-Ga Loten für das Löten von Titan- Werkstoffen offenbart, zum Beispiel Ti-6A1-4V, die Zusammensetzung dieser Lote umfasst neben dem Hauptbestandteil Silber (Ag), das Element Palladium (Pd) mit Anteilen von 1 bis 20 Gew.% sowie das Element Gallium (Ga) mit Anteilen von 3 bis 10 Gew.%.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken sowie ein Verfahren zum Materialauftragen auf ein Werkstück zu schaffen, die in besonderer Weise für Werkstückbereiche aus einer TiAl-Legierung geeignet sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Materialauftragen auf ein Werkstück nach dem unabhängigen Anspruch 2 gelöst. Weiterhin ist die Verwendung der Verfahren nach den Ansprüchen 13 und 14 vorgesehen. Darüber hinaus ist ein 5 Werkstückverbund nach dem unabhängigen Anspruch 15 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken geschaffen, bei dem ein an einem Werkstück gebildeter Werkstückbereich aus 10 einer Ti AI-Legierung und ein an einem anderen Werkstück gebildeter Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung oder einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff in einem Fügebereich unter Verwendung eines Fügezusatzstoffes gefügt werden, wobei der Fügezusatzstoff mindestens eines der Elemente Gallium und Indium enthält.

15 Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Materialauftragen auf ein Werkstück geschaffen, bei dem auf einen Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung ein Auftragsmaterial aufgebracht wird, indem zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird, wobei das Auftragsmaterial mindestens eines der Elemente Gallium und Indium und einen Füllstoff enthält.

.0

Es wurde gefunden, dass sich gallium- und indiumhaltige Fügezusatzstoffe, deren Schmelzpunkt bevorzugt im Temperaturbereich von etwa 900°C bis etwa 1300°C liegt, besonders gut für die Erzeugung einer stoffschlüssigen Verbindung von TiAl-Legierungen mit artgleichen oder artfremden Werkstoffen eignen, weil diese Elemente in beide Phasen im Gefüge einer

>5 TiAl-Legierungen, sowohl γ-TiAl als auch OC₂-Ti₃Al, eindringen und dort die AI-Atome substituieren, ohne die kristalline Struktur des Grundwerkstoffes zu verändern. Für die gallium- oder indiumhaltige Fügezusatzstoffe oder Auftragsmaterialien wurde darüber hinaus eine exzellente Benetzung der Werkstückbereiche aus TiAl-Legierungen gefunden.

50 Nachfolgend werden zunächst vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen erläutert.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen sieht vor, dass der ein an einem Werkstück gebildete Werkstückbereich und der an dem anderen Werkstück ge- bildete Werkstückbereich mittels Löten stoffschlüssig gefügt werden, wobei als Fügezusatzstoff ein Lot verwendet wird.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen kann 5 vorgesehen sein, dass der ein an einem Werkstück gebildete Werkstückbereich und der an dem anderen Werkstück gebildete Werkstückbereich mittels Schweißen stoffschlüssig gefügt werden, wobei als Fügezusatzstoff ein Schweißzusatzstoff verwendet wird. Das Schweißen wird bevorzugt in einer Ausgestaltung als Reibschweißen ausgeführt.

10 Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen sieht vor, dass der Fügezusatzstoff in Form einer Zusatzstoffart ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Zusatzstoffarten verwendet wird: Draht, Folie, Band, Pulver, Paste und Beschichtung.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen vor, dass als 15 Fügezusatzstoff eine binäre Silber-Gallium Legierung verwendet wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen kann vorgesehen sein, dass der an dem einen Werkstück gebildete Werkstückbereich aus der TiAl- Legierung mit einem an dem anderen Werkstück gebildeten Werkstückbereich stoffschlüssig >0 gefügt wird, welcher aus einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Hochtemperaturwerkstoffen gebildet ist: Stahl, Superlegierungen, Titanlegierungen und intermetallische Verbindungen.

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Materialauftragen >5 erläutert.

Eine Weiterbildung des Verfahrens zum Materialauftragen kann vorsehen, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich mittels Löten hergestellt wird. Das Löten kann insbesondere als Diffusionslöten ausgeführt werden. iθ

Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens zum Materialauftragen sieht vor, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich mittels Schweißen hergestellt wird. Das Schweißen wird bevorzugt in einer Ausgestaltung als Auftragsschweißen ausgeführt. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens zum Materialauftragen kann vorgesehen sein, dass das Auftragsmaterial in Form eines Pulver oder einer Paste verwendet wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zum Materialauftragen sieht vor, dass der Füllstoff einen pulverförmigen Füllstoff enthält.

Bevorzugt sieht eine Fortbildung des Verfahrens zum Materialauftragen vor, dass als pulver- förmiger Füllstoff ein Pulver aus einer TiAl-Legierung verwendet wird.

Die beschriebenen Verfahren können bevorzugt in bestimmten Anwendungen verwendet werden. Das Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen kann zweckmäßig verwendet werden, um Komponenten eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen stoffschlüssig zu fügen: Turbolader und Turbine. Das Verfahren zum Materialauftragen kann zum Bear- beiten in einem Herstellungsprozess oder zum Reparieren einer Komponente eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen verwendet werden: Turbolader und Turbine.

Mittels des Verfahrens zum stoffschlüssigen Fügen ist bevorzugt ein Werkstückverbund her- stellbar, bei dem zwischen einem an einem Werkstück gebildeten Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung und einen an einem anderen Werkstück gebildeten Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung oder einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff in einem Fügebereich unter Verwendung eines Fügezusatzstoffes, welcher mindestens eines der Elemente Gallium und Indium enthält, eine stoffschlüssige Fügeverbindung gebildet ist. Bei einer Weiterbildung des Werkstückverbundes kann vorgesehen sein, dass das Werkstück und das andere Werkstück Komponenten eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen sind: Turbolader und Turbine.

Mittels des Verfahrens zum Materialauftragen kann bevorzugt ein Werkstück mit einem Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung repariert werden, indem ein Materialauftrag aus einem Auftragsmaterial erfolgt, welches mindestens eines der Elemente Gallium und Indium und einen Füllstoff enthält. Das Werkstück ist in einer zweckmäßigen Weiterbildung ausgeführt als eine Komponente eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen: Turbo lader und Turbine. Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Materialstruktur für einen gefugten Werkstückbereich aus TiAl und Stahl Fig. 2 eine Anordnung mit einem Turboladerrad und einer Turboladerwelle.

Bei einem Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken mit einem Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung ist ein Fügezusatzstoff vorgesehen, welcher mindestens eines der Elemente Gallium und Indium enthält. Für ein Verfahren zum Materialauftragen auf ein Werkstück mit einem Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung ist ein Auftragsmaterial vorgesehen, welches mindestens eines der Elemente Gallium und Indium sowie einen Füll- stoff enthält.

Gallium und Indium können zu diversen Trägerelementen „T" zulegiert werden, wobei die Trägerelemente Ag, Cu, Ni, Ti oder beliebige andere Legierungen sind, deren Schmelzpunkt im Temperaturbereich von etwa 900°C bis etwa 1300°C liegt. In den so erzeugten Legierun- gen „T-Ga", „T-In" oder „T-Ga/In", die als Fügezusatzstoff oder Auftragsmaterial verwendet werden, sind Gallium und / oder Indium für den Aufbau der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Werkstücken aus TiAl oder aus TiAl und anderen Werkstoffen zuständig, insbesondere einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff. Der Auftrag des Materials aus den hier vorgeschlagenen Materialien kann mittels Verfahren erfolgen, die als solche in verschiedenen Ausführungen bekannt sind.

Es wurde gefunden, dass sich Gallium außergewöhnlich gut für diesen Zweck eignet. Die intermetallischen Verbindungen von Ga wie TiGa und Ti₃Ga, Titangallide genannt, sind mit den stöchiometrisch äquivalenten Titanaluminiden TiAl und Ti₃Al isomorph, d. h. sie weisen den gleichen atomaren Aufbau der Kristallgitter und ähnliche Gitterkonstanten auf: TiAl und TiGa - tetragonales Gitter (Pearson Symbol tP4) sowie Ti₃Al und Ti₃Ga - hexagonales Gitter (Pearson Symbol hP8). Auf diese Weise ergibt sich eine kontinuierliche Reihe von Mischkristallen aus TiAl - TiGa und Ti₃Al - Ti₃Ga, die sich als Ti(Al, Ga) und Ti₃(Al, Ga) darstellen lassen. Darüber hinaus substituiert Ga ausschließlich das Al auf den Gitterplätzen der jeweiligen intermetallischen Verbindungen und konkurriert somit nicht mit Niob- Atomen, die ausschließlich das Ti substi- tuieren. Nicht zuletzt deshalb ist Gallium als aktives Element für fügetechnische Aufgaben mit modernen Niob-reichen Ti AI-Legierungen, die bis zu etwa 10 Atom% Niob enthalten, besonders gut geeignet.

Gallium weist außerdem in Eisen und Nickel eine beachtlich hohe Randlöslichkeit auf und gewährleistet dadurch, dass andere Werkstoffe (Stähle und Ni-Basis Superlegierungen), die mit TiAl zu fügen sind, ebenfalls gut durchdrungen werden.

Aufgrund der genannten Eigenschaften des Galliums ergeben sich vorteilhafte Merkmale einer fügetechnischen Verbindung, die mit einem galliumhaltigen Fügezusatzstoff erzeugt wur- de, beispielsweise einer Zwischenschicht oder einem Lot, welche auch als Zusatzwerkstoff bezeichnet wird. Die kristalline Struktur der zu fügenden Werkstoffe wird nicht massiv beeinträchtigt, insbesondere bleibt die lamellare Gefügestruktur der TiAl- Werkstückbereiche erhalten (vgl. Fig. 1).

Nach einem Ausführungsbeispiel wird ein im Feinguss hergestelltes Turboladerrad 1 aus einer TiAl-Legierung mit einer Welle 2 aus einem Vergütungsstahl gelötet (vgl. Fig. 2), wobei als Lot eine binäre Ag-Ga Legierung mit etwa 5 bis etwa 10 Gew. % Gallium zur Anwendung kommt. Das Lot wird in Form eines dünnen Bandes bereitgestellt, dessen Herstellung folgende Schritte umfasst:

a) Eine geeignete Menge Silber wird in einem keramischen Tiegel aufgeschmolzen und um 10 bis 50°C überhitzt. In das schmelzflüssige Silber werden geeignete Mengen festen Galliums eingeführt, so dass das Verhältnis zwischen dem Gewicht des Galliums und dem Gewicht des Silbers bei etwa 5:95 oder etwa 10:90 liegt. Während einer kurzen HaI- tezeit bei einer Temperatur von etwa 950 bis etwa 1050°C löst sich das feste Gallium vollständig in dem flüssigen Silber, und es entsteht eine homogene Ag-Ga Schmelze. b) Die homogene Ag-Ga Schmelze wird in eine kalte metallische Form gegossen, die eineη platten- oder stabförmigen Hohlraum darstellt, und erstarrt dort zu einem platten- oder stabfbrmigen Vormaterial.

c) Dieses Vormaterial wird zu einem Band gewalzt, so dass die Dicke des Bandes im Bereich von etwa 50 bis etwa 100 μm und die Breite des Bandes im Bereich von etwa 1 bis etwa 3 cm liegen. Aus dem im Schritt b) erzeugten Vormaterial können auf diese Weise mehrere Meter Band hergestellt werden. Das Band steht für die weiteren fügetechnischen Schritte als Lotmaterial zur Verfügung.

Die zu lötenden Werkstücke werden wie folgt vorbereitet:

d) Das Turboladerrad 1 wird an seiner Basis mit einem zylindrischen Vorsprung versehen. Die Welle 2 wird mit einer entsprechenden zylindrischen Bohrung versehen, wobei die Maße des Vorsprungs einerseits und der Bohrung andererseits so gestaltet sind, dass eine relativ fest sitzende Steckverbindung gebildeten werden kann. Hierbei erreicht ein radiales Spiel Δr, das sich als Differenz aus dem Radius der Bohrung und dem Radius des Vorsprungs berechnet, Werte von etwa 0,05 bis etwa 0,2 mm. Die Tiefe der Bohrung in der Welle 2 ist um rund etwa 1 bis etwa 3 mm größer als die Höhe des Vorsprungs an der Basis des Turboladerrades 1. Hierdurch entsteht dann beim Zusammenbau ein kleiner

Hohlraum 3 (vgl. Fig. 2), der als Lotreservoir dient. Die so vorbereiteten Werkstücke werden gereinigt.

Die so vorbereiteten Werkstücke werden gereinigt und Stücke des Bandes werden zurechtge- schnitten und in die Bohrung der Welle 2 gelegt. Alternativ dazu können kreisförmige Stücke aus dem Band ausgestanzt und auf eine Stirnseite des Vorsprungs am Turboladerrad 1 gelegt werden. Danach werden Turboladerrad 1 und Welle 2 ineinander gesteckt.

e) Der in Schritt d) entstandene Aufbau wird in einen Vakuumofen gesetzt (10^"3 bis 10^"5 bar) und auf eine Temperatur von etwa 950°C bis etwa 1050°C gebracht. Bei dieser Temperatur schmilzt das Lot und benetzt beide zu fügenden Werkstückbereiche. Aufgrund der Kapillarkräfte dringt das schmelzflüssige Lot in den Spalt ein, der dem radialen Spiel Δr entspricht. Über einen Zeitraum von wenigen Minuten, zum Beispiel 5 bis 10 Minuten, erfolgt der Aufbau der stoffschlüssigen Verbindung in einem Fügebereich 4 (vgl. Fig. 2), indem das aktive Element des Lotes, nämlich Gallium, unter Bildung von Substitutionsmischkristallen in die zu fügenden Werkstoffe eindringt und diese fest miteinander verbindet.

Schließlich wird der Ofen abgekühlt und die nunmehr stoffschlüssig miteinander verbundenen Werkstücke stehen für weitere Fertigungsschritte bereit.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstücken, bei dem ein an einem Werkstück gebildeter Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung und ein an einem anderen 5 Werkstück gebildeter Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung oder einem von der

TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff in einem Fügebereich unter Verwendung eines Fügezusatzstoffes gefügt werden, wobei der Fügezusatzstoff mindestens eines der Elemente Gallium und Indium enthält.

10 2. Verfahren zum Materialauftragen auf ein Werkstück, bei dem auf einen Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung ein Auftragsmaterial aufgebracht wird, indem zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird, wobei das Auftragsmaterial mindestens eines der Elemente Gallium und Indium und einen Füllstoff enthält.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der ein an einem Werkstück gebildete Werkstückbereich und der an dem anderen Werkstück gebildete Werkstückbereich mittels Löten stoffschlüssig gefügt werden, wobei als Fügezusatzstoff ein Lot verwendet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der ein an einem Werkstück gebildete Werkstückbereich und der an dem anderen Werkstück gebildete Werkstückbereich mittels Schweißen stoffschlüssig gefügt werden, wobei als Fügezusatzstoff ein Schweißzusatzstoff verwendet wird.

>5

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 , 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügezusatzstoff in Form einer Zusatzstoffart ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Zusatzstoffarten verwendet wird: Draht, Folie, Band, Pulver, Paste und Beschichtung.

SO 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 sowie 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügezusatzstoff eine binäre Silber-Gallium Legierung verwendet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 sowie 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der an dem einen Werkstück gebildete Werkstückbereich aus der TiAl- Legierung mit einem an dem anderen Werkstück gebildeten Werkstückbereich stoffschlüssig gefügt wird, welcher aus einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hoch-

5 temperaturwerkstoff ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Hochtemperaturwerkstoffen gebildet ist: Stahl, Superlegierungen, Titanlegierungen und intermetallische Verbindungen.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige 10 Verbindung zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich mittels Löten hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Auftragsmaterial und dem Werkstückbereich mittels Schwei-

15 ßen hergestellt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragsmaterial in Form eines Pulver oder einer Paste verwendet wird.

ZO 11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 sowie 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff einen pulverförmigen Füllstoff enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als pul verförmiger Füllstoff ein Pulver aus einer TiAl-Legierung verwendet wird.

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13. Verwendung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 sowie 3 bis 7 zum stoffschlüssigen Fügen von Komponenten eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen: Turbolader und Turbine.

?0 14. Verwendung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 2 sowie 8 bis 12 zum Bearbeiten in einem Herstellungsprozess oder zum Reparieren einer Komponente eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen: Turbolader und Turbine.

15. Werkstückverbund, hergestellt nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 sowie 3 bis 7, bei dem zwischen einem an einem Werkstück gebildeten Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung und einen an einem anderen Werkstück gebildeten Werkstückbereich aus einer TiAl-Legierung oder einem von der TiAl-Legierung verschiedenen Hochtemperaturwerkstoff in einem Fügebereich unter Verwendung eines Fügezusatzstoffes, welcher mindestens eines der Elemente Gallium und Indium enthält, eine stoffschlüssige Fügeverbindung gebildet ist.

16. Werkstückverbund nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Werkstück und das andere Werkstück Komponenten eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen sind: Turbolader und Turbine.

17. Werkstück, welches nach einem Verfahren zum Materialauftragen nach mindestens ei- nem der Ansprüche 2 sowie 8 bis 12 bearbeitet ist, mit einem Werkstückbereich aus einer

TiAl-Legierung, auf dem ein Materialauftrag aus einem Auftragsmaterial gebildet ist, welches mindestens eines der Elemente Gallium und Indium und einen Füllstoff enthält.

18. Werkstück nach Anspruch 17, ausgeführt als eine Komponente eines Systems ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Systemen: Turbolader und Turbine.