DE102008055679A1

DE102008055679A1 - Fügeverfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil und Verbund

Info

Publication number: DE102008055679A1
Application number: DE200810055679
Authority: DE
Inventors: Bernhard Heidenreich; Matthias Scheiffele; Ralph Brun
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: DE102008055679B4

Abstract

Es wird ein Fügeverfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil über mindestens eine Fügestelle bereitgestellt, bei dem an der mindestens einen Fügestelle eine lokale Erwärmung durchgeführt wird und der mindestens einen Fügestelle flüssiger Carbidbildner bereitgestellt wird und/oder an der mindestens einen Fügestelle flüssiger Carbidbildner hergestellt wird, welcher mit Kohlenstoff einer Kohlenstoffphase des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils und/oder mit der Fügestelle bereitgestelltem Kohlenstoff zu Carbid reagiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil über mindestens eine Fügestelle.
Die Erfindung betrifft ferner einen Verbund zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil.
Größere beziehungsweise komplexere Strukturen beispielsweise aus carbidkeramischen Faserverbundwerkstoffen müssen über die Verbindung von einzelnen carbidkeramischen Bauteilen hergestellt werden. Dabei kann es grundsätzlich auftreten, dass herzustellende Strukturen die Ausmaße von verwendeten Prozessanlagen zur Carbidherstellung überschreiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Fügeverfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem sich Bauteile außerhalb einer Ofenanlage verbinden lassen, wobei mindestens der Fügebereich carbidkeramisch ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Fügeverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der mindestens einen Fügestelle eine lokale Erwärmung durchgeführt wird, und der mindestens einen Fügestelle flüssiger Carbidbildner bereitgestellt wird und/oder an der mindestens einen Fügestelle flüssiger Carbidbildner hergestellt wird, welcher mit Kohlenstoff einer Kohlenstoffphase des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils und/oder mit der Fügestelle bereitgestelltem Kohlenstoff zu Carbid reagiert.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden Bauteile dadurch miteinander verbunden, dass an einer Fügestelle eine Reaktion mit Kohlenstoff aus einer Kohlenstoffphase zu Carbid erfolgt und dabei eine verzahnte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil beziehungsweise zwischen dem ersten Bauteil und einem entsprechenden Verbindungselement und einem Verbindungselement und dem zweiten Bauteil entsteht.
Zur Herstellung der Verbindung einer Fügestelle ist eine lokale Erwärmung ausreichend. Es muss nicht die ganze Struktur in einer Ofenanlage untergebracht werden. Die Verbindung wird nicht während der Carbidbildnerinfiltration des gesamten Bauteils durchgeführt, sondern es wird nur eine ”Fügungs”-Carbidbildnerinfiltration an der Fügestelle durchgeführt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es grundsätzlich möglich, Bauteile zu verbinden, die bereits eine Kohlenstoffphase enthalten, wie C/C-Bauteile oder C/C-Carbid-Bauteile. Es ist auch möglich, Bauteile miteinander zu verbinden, welche keine Carbidphase enthalten, wie beispielsweise Bauteile, welche aus porösem Kohlenstoff hergestellt sind. Es ist weiterhin auch möglich, Bauteile miteinander zu verbinden, welche keine interne Kohlenstoffphase enthalten, wie beispielsweise Bauteile aus SiSiC. Dazu wird an der Fügestelle extern Kohlenstoff beispielsweise über eine Kohlenstoffpaste bereitgestellt.
Die lokale Erwärmung lässt sich auf einfache Weise beispielsweise über eine Elektrode, eine Heizwicklung oder eine Induktionsspule zur Induktionsheizung erreichen.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren Fügeverbindungen hoher Qualität erreichen lassen.
Es ist möglich, dass der Carbidbildner extern und/oder über das erste Bauteil und/oder über das zweite Bauteil geliefert wird. Bei der externen Carbidbildnerlieferung wird von außen Carbidbildner beispielsweise in Granulatform bereitgestellt, welches aufgeschmolzen wird und dadurch in die Fügestelle fließen kann. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil ein oder mehrere Depots an Carbidbildner enthalten. Beispielsweise sind dazu in einer oder mehreren Bohrungen Carbidbildner angeordnet. Eine Carbidbildnerbefüllung der Bohrungen lässt sich beispielsweise bei der Herstellung eines carbidkeramischen Bauteils erreichen, indem entsprechend Carbidbildner im Überschuss angeboten wird und nicht mit Kohlenstoff reagierender Carbidbildner sich in den entsprechenden Bohrungen sammeln kann.
Grundsätzlich ist eine externe Carbidbildnerlieferung an ein Bauteil auch dadurch möglich, dass ein Verbindungselement ein oder mehrere Depots aufweist.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der flüssige Carbidbildner über aufgeschmolzenes Granulat bereitgestellt. Beispielsweise wird das Granulat auf eine Fügestelle aufgelegt oder beispielsweise auf ein Verbindungselement aufgelegt und aufgeschmolzen.
Es ist auch möglich, dass flüssiger Carbidbildner über einen Docht in mindestens eine Fügestelle geführt wird. Der Docht ist ein Verteiler für Carbidbildner an einer Fügestelle.
Es ist auch grundsätzlich möglich, dass Carbidbildner über ein oder mehrere Depots in dem ersten Bauteil und/oder in dem zweiten Bauteil und/oder in mindestens einem Verbindungselement bereitgestellt wird. Die Depots sind beispielsweise durch entsprechende Ausnehmungen wie Nuten oder Bohrungen gebildet, in denen Carbidbildner angeordnet ist. Durch entsprechende Erwärmung lässt sich der Carbidbildner aufschmelzen und flüssiger Carbidbildner lässt sich dann einer Fügestelle zuführen. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass ein Verbindungselement beziehungsweise ein oder mehrere Bauteile eine gradierte Struktur aufweisen mit einer Carbidbildnerphase (Phase an reinem Carbidbildner), welche in der Nähe einer Fügestelle beziehungsweise an der unreagierten Fügestelle gegenüber einem sonstigen Bereich des entsprechenden Bauteils beziehungsweise des Verbindungselements erhöht ist. Bei der lokalen Erwärmung kann dann der Carbidbildner einer solchen Carbidbildnerphase aufgeschmolzen und der Fügestelle zugeführt werden.
Es ist möglich, dass der Kohlenstoff in dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Bauteil insbesondere als Kohlenstoffphase enthalten ist und/oder der Kohlenstoff extern bereitgestellt wird. Ein carbidkeramisches Bauteil enthält üblicherweise eine Kohlenstoffphase. Ein C/C-Bauteil oder ein Bauteil aus porösem Kohlenstoff enthält ebenfalls eine Kohlenstoffphase. Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich auch Ausgangs-Bauteile miteinander verbinden, die keine Kohlenstoffphase enthalten, wobei dann bei der Fügung Kohlenstoff extern bereitgestellt wird. Der Fall der externen Bereitstellung schließt dabei ein, dass an den Bauteilen Kohlenstoffdepots angelegt worden sind. Dadurch lassen sich beispielsweise auch carbidkeramische Bauteile ohne Kohlenstoffphase wie SiSiC-Bauteile miteinander verbinden. Insbesondere wird der Kohlenstoff extern als Kohlenstoffpaste bereitgestellt.
Insbesondere erfolgt eine integrale Erwärmung der Fügestelle mit Aufschmelzung des Carbidbildners, das heißt, die Erwärmung der Fügestelle wird auch dazu benutzt, den Carbidbildner aufzuschmelzen. Es ist grundsätzlich aber auch möglich, dass eine getrennte Erwärmung einer Fügestelle und Aufschmelzung des Carbidbildners erfolgt. Insbesondere wird die Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Carbidbildners durchgeführt, sodass Carbidbildner zu einer Fügestelle strömen kann und eine Carbidbildung erfolgen kann.
Grundsätzlich ist es möglich, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil direkt miteinander verbunden werden und/oder das erste Bauteil und das zweite Bauteil über mindestens ein Verbindungselement verbunden werden, welches einen Fügebereich sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem zweiten Bauteil aufweist. Im letzten Falle wird das Verbindungselement vor der keramischen Fügung mit dem ersten Bauteil verbunden und das Verbindungselement wird mit dem zweiten Bauteil verbunden, wodurch eine Verbindung des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils vorliegt.
Das mindestens eine Verbindungselement kann beispielsweise ein Stiftelement oder ein Stopfenelement sein. Über ein Stopfenelement lassen sich beispielsweise Rohrteile miteinander verbinden, um ein längeres Rohr (bezogen auf die einzelnen Rohrteile) herzustellen. Über Stiftelemente lassen sich beispielsweise zwei oder mehr Platten miteinander verbinden.
Insbesondere umfasst das mindestens eine Verbindungselement eine Kohlenstoffphase oder besteht ganz aus Kohlenstoff. Dadurch kann an dem Verbindungselement Carbid gebildet werden, um eine stoffschlüssige Verbindung mit dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Bauteil zu erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Verbindungselement ein carbidkeramisches Element.
Zur Verbesserung der Verbindung kann (zusätzlich zu einer stoffschlüssigen Verbindung) noch eine zusätzliche Verbindung über einen Formschluss und/oder einen Hinterschnitt erfolgen. Durch entsprechende geometrische Ausbildung des Fügebereichs erhält man dadurch eine Erhöhung der Verbindungsfestigkeit.
Es kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Fügeflächen vor dem Fügen mit Fügematerial und insbesondere mit kohlenstoffhaltigem Fügematerial wie beispielsweise kohlenstoffhaltiger Fügepaste versehen werden. Dadurch wird Kohlenstoff für die Carbidbildung bereitgestellt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil und/oder ein Verbindungselement, welches das erste Bauteil und das zweite Bauteil verbindet, aus einem C/C-Carbidmaterial und/oder einem C/C-Material und/oder porösem Kohlenstoff und/oder einem Carbidmaterial ohne Kohlenstoffphase hergestellt sind. Das C/C-Carbidmaterial umfasst eine Kohlenstoff-Matrix mit eingebetteten Kohlenstofffasern und eine Carbidphase. Ein solches C/C-Carbidmaterial wie C/C-SiC weist eine hohe Thermoschockbeständigkeit auf. Dadurch ist es beispielsweise möglich, während der Herstellung der Fügeverbindung mit kurzen Aufheizzeiten beispielsweise unterhalb von 60 s zu arbeiten. Ein C/C-Material enthält keine Carbidphase. Mindestens im Fügebereich wird durch die Carbidbildnerinfiltration eine Carbidphase hergestellt. Ein Material aus porösem Kohlenstoff besteht vollständig aus Kohlenstoff und enthält ebenfalls keine Carbidphase. Diese wird am Fügebereich hergestellt. Ein Carbidmaterial ohne Kohlenstoffphase wie beispielsweise ein SiSiC-Material kann mit einem anderen Bauteil verbunden werden, wenn dem Fügebereich Kohlenstoff zur Bildung von Carbid im Fügebereich bereitgestellt wird.
Insbesondere wird eine stoffschlüssige Verbindung und damit eine Verhakung zwischen zu verbindenden Elementen hergestellt.
Günstig ist es, wenn die Erwärmung und Carbidbildnerbeaufschlagung unter Schutzgas wie Stickstoff oder Argon durchgeführt wird. In einer solchen Schutzgasatmosphäre wird verhindert, dass Sauerstoff an eine Fügestelle treten kann. Luftsauerstoff kann grundsätzlich zur Oxidation von Kohlenstoff (bei Temperaturen oberhalb von ca. 450°C) führen. Ferner kann eine Carbidbildneroxidation wie beispielsweise SiO₂-Bildung erfolgen. Durch die Arbeit unter Schutzgas wird dies verhindert.
Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass eine Aufheizzeit bis zum Überschreiten der Schmelztemperatur des Carbidbildners höchstens 60 s und insbesondere höchstens 35 s beträgt. Vorteilhafterweise enthält diese Aufheizzeit auch eine Haltezeit. Bei einer entsprechend kurzen Aufheizzeit und Haltezeit kann der Einfluss von Luftsauerstoff stark verringert werden. Beispielsweise bei Induktionsheizung lassen sich kürzere Aufheizzeiten realisieren. Es ist grundsätzlich möglich, dass dann auch unter einer Luftatmosphäre und nicht Schutzgasatmosphäre gearbeitet wird und gute Resultate erhalten werden.
Vorteilhaft ist es, wenn eine Spaltbreite einer Fügestelle kleiner 60 μm ist und insbesondere bei 0 bis 20 μm liegt. Dies wird durch entsprechende passgenaue Ausbildung von Fügebereichen erreicht. Dadurch lässt sich erreichen, dass flüssiger Carbidbildner über Kapilarwirkung in entsprechende Bereiche einer Fügestelle gelangen kann.
Insbesondere ist der Carbidbildner Si, W, Ti oder Cu.
Die Erhitzung kann beispielsweise über mindestens eine Elektrode und/oder über Induktionsheizen und/oder einen Brenner erfolgen. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine lokale Erhitzung an einer Fügestelle durchführen.
Insbesondere wird die Erwärmung auf einer Temperatur von mindestens 1420°C durchgeführt. Dies ist die Schmelztemperatur von Silicium.
Ein Verbund zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil lässt sich auf einfache Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen. Es ist dabei möglich, eine lokale Verbindung an einer Fügestelle zu erzeugen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zur Herstellung eines Rohrs;
2 eine schematische Darstellung eines Verbunds eines plattenförmigen ersten Bauteils und eines plattenförmigen zweiten Bauteils in einer Draufsicht;
3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 gemäß 2 während eines Durchführungsschritts eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Schnittansicht während der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fügeverfahrens zur Verbindung eines plattenförmigen ersten Bauteils mit einem plattenförmigen zweiten Bauteil; und
5 ein Mikrostrukturbild eines konkreten Ausführungsbeispiels zum Verbund eines plattenförmigen ersten Bauteils mit einem plattenförmigen zweiten Bauteil gemäß 2 und 3.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Verbindung eines carbidkeramischen ersten Bauteils mit einem carbidkeramischen zweiten Bauteil. Die carbidkeramischen Bauteile sind dabei als Keramikbauteile fertiggestellt. Sie weisen eine carbidkeramische Phase auf. Ferner weisen sie eine Kohlenstoff-Matrix auf. Das Material für solche Bauteile wird auch als C-XC bezeichnet wobei X Silicium, Wolfram, Titan oder Kupfer sein kann. Das am meisten verwendete carbidkeramische Material ist Siliciumcarbid.
Insbesondere ist das Material für das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil C/C-XC. Ein solches Material enthält Kohlenstofffasern. Durch die Fasereinbettung von Kohlenstofffasern erhält man eine hohe Thermoschockbeständigkeit. Die Fasern können bei der Herstellung beispielsweise in Gewebeform, als Endlosrovings oder als Kurzfasern bereitgestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können das erste carbidkeramische Bauteil und das zweite carbidkeramische Bauteil direkt miteinander verbunden oder alternativ oder zusätzlich mit mindestens einem Verbindungselement wie einem Stift oder einen Stopfen verbunden werden. Das Verbindungselement besteht dabei aus Kohlenstoff oder weist eine Kohlenstoffphase auf. Insbesondere ist das Verbindungselement ein C/C-Element oder ein C-XC-Element oder C/C-XC-Element.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird an einer Fügestelle, an welcher eine Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil erfolgen soll, eine lokale Erwärmung durchgeführt. Die Erhitzung erfolgt dabei über die Schmelztemperatur des Carbidbildners X. Der Fügestelle wird flüssiger Carbidbildner bereitgestellt, welcher mit Kohlenstoff aus der Kohlenstoff-Matrix des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils (und gegebenenfalls mit Kohlenstoff aus einem Verbindungselement) zu Carbid (XC) reagiert. Dadurch erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil beziehungsweise zwischen dem Verbindungselement und dem ersten Bauteil und dem Verbindungselement und dem zweiten Bauteil. Bei der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt gewissermaßen eine Verhakung von Carbidbereichen zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil beziehungsweise zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungselement und dem Verbindungselement und dem zweiten Bauteil.
Der Carbidbildner wird insbesondere in Reinform als Schweißlot beziehungsweise Heißlot verwendet. Dabei genügt es, eine Fügestelle örtlich begrenzt, das heißt lokal zu erhitzen. Es muss nicht das komplette erste Bauteil und zweite Bauteil zur Verbindung dieser Bauteile erhitzt werden.
Vorteilhaft ist dabei eine hohe Thermoschockstabilität, wie sie C/C-XC-Materialien aufweisen. Die hohe Thermoschockstabilität verhindert, dass beim Heizen der Fügestelle durch Thermospannungen Risse entstehen.
Der flüssige Carbidbildner kann dabei in einen Fügespalt zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil beziehungsweise zwischen einem Verbindungselement und dem ersten Bauteil und dem Verbindungselement und dem zweiten Bauteil eindringen und auch in das entsprechende Element (das erste Bauteil, das zweite Bauteil und gegebenenfalls das Verbindungselement) eindringen und mit dem dort vorhandenen Kohlenstoff zu Carbid reagieren.
Grundsätzlich günstig ist es, wenn Fügeflächen vor dem Fügen mechanisch bearbeitet werden, um eine hohe Passgenauigkeit zu erreichen.
Es kann dabei vorgesehen werden, dass eine oder mehrere Fügeflächen mit einer Fügepaste versehen werden, welche insbesondere ein kohlenstoffhaltiges Material umfasst. Durch die Fügepaste wird (zusätzlich oder ausschließlich) Kohlenstoff bereitgestellt. Es erfolgt auch eine zusätzliche Verklebung, welche die Herstellung der Fügeverbindung vereinfacht.
An einem heißen Bereich an einer Fügestelle kann, wenn Sauerstoff (insbesondere Luftsauerstoff) dorthin gelangt eine Reaktion mit Restkohlenstoff eine Bauteils beziehungsweise eines Verbindungselements erfolgen und/oder es kann eine Oxid-Bildung mit freiem Carbidbildner erfolgen. Deswegen ist es vorteilhaft, wenn der Zutritt von Luftsauerstoff zu einer heißen Fügestelle unterbunden oder zumindest minimiert wird.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine kurze Aufheizzeit (einschließlich Haltezeit) bis zum Erreichen und Überschreiten der Schmelztemperatur des Carbidbildners verwendet wird. Insbesondere beträgt diese Aufheizzeit höchsten 60 s und vorzugsweise liegt sie unterhalb von 35 s. Bevorzugterweise liegt sie für eine Aufheizung von ca. 450°C (bei dieser Temperatur fängt Kohlenstoff an zu Oxidieren) bis zu einer Temperatur in der Größenordnung der Schmelztemperatur des Carbidbildners (beispielsweise ca. 1450°C für Silicium) zwischen 10 s bis 30 s.
Es ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn das entsprechende Material des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils und gegebenenfalls eines Verbindungselements ein C/C-XC-Material mit entsprechend großer Thermoschockbeständigkeit ist.
Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Fügung unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Entsprechend wird eine Fügestelle mit Schutzgas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon beaufschlagt.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn ein Fügespalt zwischen zu verbindenden Fügeteilen (dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil beziehungsweise einem Verbindungselement und dem ersten Bauteil und einem Verbindungselement und dem zweiten Bauteil) nicht zu groß ist, damit eine Kapilarwirkung für das Eindringen des flüssigen Carbidbildners erreicht ist. Beispielsweise wird die Spaltbreite so groß gewählt, dass keine Carbidbildnerphase an der Fügestelle übrig bleibt. Vorteilhafterweise liegt eine Spaltbreite an einer Fügestelle unterhalb von höchstens 60 μm und insbesondere liegt die Spaltbreite zwischen 0 und kleiner 20 μm. Eine solch kleine Spaltbreite lässt sich insbesondere durch Presspassung beziehungsweise durch Übergangsanpassung erhalten.
Grundsätzlich erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren eine Spaltinfiltration eines Carbidbildner-Grundwerkstoffs, welcher die geeignete Temperatur hat. Es erfolgen dann Oberflächenreaktionen und Diffusionsreaktionen unter Carbidbildung, wodurch wiederum die stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird.
Die Diffusionstiefe von Carbidbildner kann dabei abhängig sein von einer Aufheizzeit beziehungsweise Haltezeit.
Durch das erfindungsgemäße Fügeverfahren können Strukturen aus mehreren carbidkeramischen Bauteilen fernab von Ofenanlagen hergestellt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden fertige carbidkeramische Bauteile verwendet. Eine Positionierung als Ganzes in einem Ofen ist nicht notwendig. Es genügt eine lokale Erwärmung an einer Fügestelle.
Es ist bekannt, Kohlenstoff-Zwischenteile während der Carbidbildnerinfiltrierung in einem Ofen stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Dieses Verfahren wird als in-situ-Fügung bezeichnet. Bei der in-situ-Fügung muss die Fügestruktur vor dem Fügen als Ganzes in einem Ofen positioniert werden und auch als Ganzes aufgeheizt werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird dagegen eine Fügung lokal durchgeführt, welche dann auch nicht innerhalb einer großen Ofenanlage durchgeführt werden muss.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben sich Fügequalitäten vergleichbar der in-situ-Fügung erreichen lassen.
Bei einem Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird, wie in 1 schematisch dargestellt, ein Rohr mit Längsachse 11 hergestellt. Dazu werden ein carbidkeramisches erstes Rohrbauteil 12 und ein carbidkeramisches zweites Rohbauteil 14 bereitgestellt. Diese Rohbauteile 12 und 14 sind beispielsweise aus C/C-SiC hergestellt. Die beiden Bauteile 12 und 14 weisen grundsätzlich die gleichen Querabmessungen mit gleichem Innendurchmesser und Außendurchmesser auf, wobei sie einen hohlzylindrischen Innenraum und eine zylindrische Außenfläche aufweisen.
Zur Verbindung des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 ist ein Stopfen 16 als Verbindungselement (Stopfenelement) vorgesehen. Der Stopfen 16 weist einen Außendurchmesser auf, welcher im Wesentlichen dem Innendurchmesser des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 entspricht. In dem Stopfen 16 ist ein Kanal angeordnet, um einen Durchfluss von Fluid durch das hergestellte Rohr zu ermöglichen.
Der Stopfen 16 ist beispielsweise aus C/C oder C/C-SiC hergestellt.
Das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 werden zunächst an einer Innenseite, an welcher der Stopfen 16 positioniert werden soll, bearbeitet. Der Stopfen 16 wird an einer Außenseite überschliffen, um eine hohe Passgenauigkeit zu erreichen.
Das erste Bauteil 12 und das zweite Bauteil 14 werden jeweils über den Stopfen 16 geschoben.
An einer Innenseite des ersten Bauteils 12 und/oder des zweiten Bauteils 14 wird Carbidbildnergranulat 18 wie beispielsweise Siliciumgranulat bereitgestellt. Es wird dabei vorzugsweise reiner Carbidbildner (ohne Beimischungen) bereitgestellt.
Es erfolgt eine Erwärmung des Carbidbildnergranulats 18 beispielsweise über einen Rohrofen, um das Carbidbildnergranulat 18 zum Schmelzen zu bringen und flüssigen Carbidbildner bereitzustellen.
Weiterhin erfolgt eine Erwärmung einer Fügestelle 20. Die Fügestelle 20 ist dabei gebildet durch eine Außenfläche des Stopfens 16, welche dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 14 zugewandt ist und den jeweiligen Flächen des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14, welches dem Stopfen 16 zugewandt ist. Ferner wird die Fügestelle 20 über den einander zugewandten stirnseitigen Flächen 22 des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils 14 gebildet.
Eine lokale Erwärmung an der Fügestelle 20 erfolgt beispielsweise durch Induktionsheizung. Dazu ist eine entsprechende Induktionsentwicklung 24 vorgesehen. Die Aufheizung erfolgt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Carbidbildners. Wenn beispielsweise als Carbidbildner Silicium eingesetzt wird, dann wird er auf eine Temperatur von mindestens ca. 1450°C aufgeheizt.
Es kann vorgesehen sein, dass Fügeflächen der Fügestelle 20 vorher mit einem kohlenstoffhaltigen oder bei Erhitzung kohlenstoffbereitstellenden Fügematerial bestrichen werden.
Wie oben beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn die Aufheizung schnell erfolgt, um eine Oxidation von Kohlenstoff und von Carbidbildner zu vermeiden.
Flüssiger Carbidbildner dringt in den Spalt an der Fügestelle 20 ein. Die Schmelztemperatur des Carbidbildners ist dabei nach einer gewissen Haltezeit erreicht. Mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoff-Matrix des Stopfens 16 und des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 erfolgt eine Reaktion zu Carbid (wie beispielsweise Siliciumcarbid). Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung sowohl des ersten Bauteils 12 als auch des zweiten Bauteils 14 mit dem Stopfen 16 als Verbindungselement zwischen den Bauteilen 12 und 14 erreicht. Es kann auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Stirnflächen 22 des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 erreicht werden.
Grundsätzlich ist es beispielsweise auch möglich, dass die lokale Erhitzung an dem ersten Bauteil 12 und an dem zweiten Bauteil 14 im Bereich der Fügestelle 20 über eine Elektrode erfolgt.
Zur Verbindung des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 zur Herstellung des Rohrs 10 muss nicht das ganze Rohr 10 erhitzt werden, sondern eine lokale Erhitzung der Fügestelle 20 ist ausreichend, um eine Carbidbildung an der Fügestelle und damit eine stoffschlüssige Verbindung zu bewirken.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden zwei C/C-SiC-Rohre als erstes Bauteil 12 und zweites Bauteil 14 jeweils mit einem Außendurchmesser von 36 mm und einem Innendurchmesser von 30 mm verbunden. Der Stopfen 16 weist eine Länge von 50 mm und einem Durchmesser von 30 mm auf. Als Carbidbildner wurde Siliciumgranulat 18 im Innern des ersten Bauteils 12 und des zweiten Bauteils 14 angeboten und aufgeschmolzen.
Es ist beispielsweise auch möglich, wie in den 2 und 3 schematisch gezeigt, eine erste Platte 26 und eine zweite Platte 28 (als carbidkeramisches erstes Bauteil und carbidkeramisches zweites Bauteil) miteinander zu verbinden. Beispielsweise erfolgt eine direkte Verbindung. Dazu werden gegenüberliegende Fügeflächen vor dem Fügen überschliffen, um eine glatte Fügefläche mit engen Toleranzen zu erreichen.
Es kann dabei grundsätzlich vorgesehen sein, die erste Platte 26 und die zweite Platte 28 alternativ oder zusätzlich über Stiftelemente 30 als Verbindungselement verbunden werden. Die Stiftelemente 30 sind dabei aus C/C oder C/C-XC hergestellt. Die Stiftelemente 30 werden sowohl stoffschlüssig mit der ersten Platte 56 als auch mit der zweiten Platte 28 verbunden (zusätzlich kann, wie oben erwähnt, noch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 vorliegen).
An der ersten Platte 26 und an der zweiten Platte 28 werden fluchtend ausgerichtete Bohrungen beziehungsweise Ausnehmungen angebracht, in denen die Stiftelemente 30 möglichst passgenau sitzen. Entsprechend entspricht ein Außendurchmesser eines Stiftelements 30, welches insbesondere zylindrisch ausgebildet ist, im Wesentlichen einem Innendurchmesser einer solchen Bohrung 32. Die erste Platte 26 und die zweite Platte 28 sind carbidkeramische Platten mit Kohlenstoff-Matrix.
Zur Fügeverbindung wird beispielsweise auf einem entsprechenden Stiftelement 30 Carbidbildnergranulat 34 aufgelegt. Eine Fügestelle 36, an welcher eine Fügeverbindung durchzuführen ist, wird lokal erhitzt. Beispielsweise ist dazu eine Elektrode 38 wie Wolframelektrode vorgesehen. Die Fügestelle wird dabei mit Schutzgas beaufschlagt, was in 3 durch die Pfeile mit dem Bezugszeichen 40 angedeutet ist. Das Schutzgas verhindert einen Zutritt von Luftsauerstoff zu der Fügestelle beziehungsweise verringert diesen Zutritt.
Es wird beispielsweise auf eine Temperatur in der Größenordnung zwischen 1459°C und 1700°C erhitzt. Dieser Carbidbildner kann über einen Fügespalt zwischen dem Stiftelement 30 und einer Bohrungswand der Bohrung 32 eindringen und auch in das Material des Stiftelements und der Platten 26 und 28 um die Bohrung 32 eindringen und dabei mit dem Kohlenstoff zu Carbid reagieren.
Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt und damit die erste Platte 26 mit der zweiten Platte 28 verbunden.
Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, dass flüssiger Carbidbildner in einen Zwischenraum zwischen der ersten Platte 26 und der zweiten Platte 28 eindringen kann und auch dort eine stoffflüssige Verbindung herstellen kann.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden zwei C/C-SiC-Platten in Abmessungen 100 mm × 30 mm × 3 mm verbunden. Es wurden dabei Stifte mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 6 mm verwendet. Es wurde sowohl Stiftelemente aus C/C als auch aus C/C-SiC verwendet. Siliciumgranulat wurde als Carbidbildner auf den Stiftelementen 30 positioniert und mittels der Elektrode 38 über WIG-Schweißen aufgeschmolzen. Es wurde eine Haltezeit von 50 s verwendet.
Es wurden dabei folgende Parameter im WIG-Schweißverfahren eingestellt, die sich als vorteilhaft erwiesen haben: Es wurde ein WIG-Lichtbogenschweißen mit Argon 4.6 als Schutzgas durchgeführt. Eine Wolframnadel der Elektrode 38 hatte einen Durchmesser von 2,4 mm und diente als Lichtbogenträger. Die Zuführung von Argon betrug 8 l/h, der Schweißstrom lag zwischen 150 A und 160 A.
Es wurde eine Haltezeit von ca. 60 s gewählt. Die Korngröße des Siliciums betrug zwischen 5 mm² und 10 mm². Hier ließ sich die beste Verschmelzung erreichen. (Wenn die Korngröße zu klein ist, dann besteht grundsätzlich auch die Gefahr, dass das Schutzgas Körner von der Fügestelle 36 wegbläst.) Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde der flüssige Carbidbildner extern bereitgestellt, indem entsprechendes Carbidbildnergranulat 18 beziehungsweise 34 bereitgestellt wurde und diese aufgeschmolzen wurde.
Ein Mikrostrukturbild einer Fügeverbindung, welche entsprechend hergestellt wurde, ist in 5 gezeigt.
Es ist auch grundsätzlich möglich, wie in 4 angedeutet, dass einer bestimmten Fügestelle 42 flüssiger Carbidbildner über einen Docht 44 bereitgestellt wird. Der Docht 44 ist beispielsweise aus C/C oder C/C-XC hergestellt. Über ihn lässt sich einem definierten Bereich flüssiger Carbidbildner zuführen.
Es ist auch möglich, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil Carbidbildner bereitstellen. Ebenfalls ist es möglich, dass ein Verbindungselement wie ein Stopfen oder ein Stiftelement Carbidbildner bereitstellen. Dazu ist an einem entsprechenden Bauteil beziehungsweise einem Verbindungselement (mindestens) ein Depot 46 für Carbidbildner angeordnet. Ein solches Depot ist beispielsweise durch eine Nut 48 gebildet, welche mit festem Carbidbildner gefüllt ist. Bei der Erhitzung über die Schmelztemperatur verflüssigt sich der Carbidbildner und kann mit Kohlenstoff zu Carbid reagieren.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass ein Bauteil einen gradierten Aufbau aufweist und insbesondere eine freie Carbidbildnerphase 50 aufweist, wobei entsprechend die Carbidbildnerphase 50 im Bereich einer vorgesehenen Fügestelle einen erhöhten prozentualen Anteil im Vergleich zu einem Bereich in einem größeren Abstand zu der Fügestelle aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren wird ein Fügebereich hergestellt, welcher carbidkeramisch ist. Dieser carbidkeramische Fügebereich, welcher für eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil sorgt, kann dabei hergestellt werden, wenn das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil bereits eine Kohlenstoffphase enthält, welche mit Carbidbildner reagieren kann und/oder wenn extern Kohlenstoff bereitgestellt wird.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil, welche miteinander verbunden werden, jeweils carbidkeramisch. Die carbidkeramischen Bauteile enthalten eine Kohlenstoffphase und/oder es wird kohlenstoffhaltiges Fügematerial bereitgestellt.
Bei den miteinander zu verbindenden Bauteilen kann es sich auch um Bauteile handeln, welche a priori keine Carbidphase enthalten. Beispielsweise handelt es sich um C/C-Bauteile oder um Bauteile aus porösem Kohlenstoff.
Es ist grundsätzlich auch möglich, Bauteile miteinander zu verbinden, die a priori überhaupt keinen Kohlenstoff enthalten. Es muss dann bei der Fügung Kohlenstoff extern bereitgestellt werden, beispielsweise in Form einer Kohlenstoffpaste. Dadurch ist es beispielsweise möglich, SiSiC-Bauteile miteinander zu verbinden.
Auch eine Verbindung von zwei Bauteilen, welche aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, ist möglich.
Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass im Fügebereich Carbid hergestellt wird. Wenn der Fügebereich sich entsprechend in das Bauteil ausdehnt, weil in diesem auch Carbid gebildet wird bzw. bereits Carbid vorhanden ist, dann lässt sich eine stoffschlüssige Verzahnung erreichen.

Claims

Fügeverfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil über mindestens eine Fügestelle, bei dem an der mindestens einen Fügestelle eine lokale Erwärmung durchgeführt wird und der mindestens einen Fügestelle flüssiger Carbidbildner bereitgestellt wird und/oder an der mindestens einen Fügestelle flüssiger Carbidbildner hergestellt wird, welcher mit Kohlenstoff einer Kohlenstoffphase des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils und/oder mit der Fügestelle bereitgestelltem Kohlenstoff zu Carbid reagiert.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbidbildner extern und/oder über das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil geliefert wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Carbidbildner über aufgeschmolzenes Granulat bereitgestellt wird.
Fügeverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Carbidbildner über einen Docht der mindestens einen Fügestelle zugeführt wird.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Carbidbildner über ein oder mehrere Depots an dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Bauteil und/oder mindestens einem Verbindungselement bereitgestellt wird.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoff in dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Bauteil enthalten ist und/oder extern bereitgestellt wird.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Carbidbildner bei der Erwärmung der Fügestelle aufgeschmolzen wird.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Carbidbildners durchgeführt wird.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil direkt miteinander verbunden werden.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil über mindestens ein Verbindungselement verbunden werden, welches einen Fügebereich sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem zweiten Bauteil aufweist.
Fügeverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement ein Stiftelement oder ein Stopfenelement ist.
Fügeverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement aus Kohlenstoff besteht oder eine Kohlenstoffphase umfasst.
Fügeverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement ein carbidkeramisches Element ist.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung über einen Formschluss und/oder einen Hinterschnitt erfolgt.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Fügeflächen vor dem Fügen mit Fügematerial versehen werden.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil und/oder ein Verbindungselement, welches das erste Bauteil und das zweite Bauteil verbindet, aus einem C/C-Material und/oder einem C/C-Carbidmaterial und/oder porösem Kohlenstoff und/oder einem Carbidmaterial ohne Kohlenstoffphase hergestellt sind.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine stoffflüssige Verbindung hergestellt wird.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung und Carbidbildnerbeaufschlagung unter Schutzgas durchgeführt wird.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufheizzeit bis zum Überschreiten der Schmelztemperatur des Carbidbildners höchstens 60 s und insbesondere höchstens 35 s beträgt.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spaltbreite an einer Fügestelle kleiner 60 μm ist und insbesondere bei 0 bis 20 μm liegt.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Carbidbildner Si, W, Ti oder Cu ist.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung über mindestens eine Elektrode und/oder über Induktionsheizen und/oder über einen Brenner erfolgt.
Fügeverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung auf eine Temperatur von mindestens 1450°C durchgeführt wird.
Verbund zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, welcher mit dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.