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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen.
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Körper aus einer Keramik können in der Regel nicht in jedem Fall in beliebiger Größe und Form hergestellt werden. Um komplexere oder größere Körper aus Keramik herzustellen, bedarf es in der Regel einer geeigneten Fügetechnik, um mehrere Keramikkörper miteinander zu verbinden. Häufig sind Keramiken auch an andere Materialien wie beispielsweise Metalle anzubinden, wozu ebenfalls geeignete Verbindungstechniken bzw. Fügetechniken erforderlich sind.
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Für spezielle Anwendungen müssen die gefügten Teile in der Regel hochtemperaturfest sein, d.h. über längere Zeit stabil sein bei Temperaturen größer als 800°C oder auch bei deutlich höheren Temperaturen wie beispielsweise größer als 2000°C.
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Es ist bekannt, dass bereits gesinterte Keramiken mittels Löt- oder Klebverfahren miteinander verbunden werden. Diese Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Verbindung nicht hochtemperaturfest ist.
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Ferner ist bekannt, dass gesinterte Keramiken gegebenenfalls mit anderen Keramiken oder Metallen verbunden werden können, indem ein Fügespalt zwischen den Keramiken mit einem geeigneten keramischen Material oder einer Mischung aus keramischem Pulver und Metallpulver, auch Cermet genannt, gefüllt wird, wobei der Verbund einem neuerlichen Sinterprozess unterworfen wird. Dabei schmilzt das Pulver zumindest teilweise auf und versintert die zu fügenden Teile miteinander. Diese Art des Fügens erfordert – soll sie auch bei hohen Temperaturen stabil sein – entsprechend hohe Sintertemperaturen. Nachteilig daran ist insbesondere, dass zur Erreichung von solchen hohen Sintertemperaturen ein erheblich technischer Aufwand erforderlich ist, wobei insbesondere ein hoher Energiebedarf besteht.
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In dem Artikel von Jun Akedo in Journal of Thermal Spray Technology 17 (2008)2, 181–198 wird beschrieben, wie ein keramisches Pulver in einer evakuierten Kammer auf ein Substrat aufgedüst wird, wobei es während des Aufpralls versintert wird, so dass sich eine dichte keramische Schicht mit geringer mittlerer Korngröße auf dem Substrat bildet.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen anzugeben, welches die bekannten Nachteile überwindet, wobei die gefügten Bauteile hochtemperaturstabil sind.
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Die Aufgabe wird mittels des Gegenstands nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen bereitgestellt. Das Verfahren kann insbesondere auch als ein Fügeverfahren bezeichnet werden. Hierbei wird in einen Fügespalt zwischen den beiden Bauteilen ein Fügeaerosol eingebracht, beispielsweise eingedüst. Das Fügeaerosol umfasst Fügepartikel und ein Trägergas. Hierbei werden die eingebrachten Fügepartikel gesintert, so dass sich zwischen den beiden Bauteilen eine gesinterte Verbindung bildet.
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Die Erfindung umfasst also den Gedanken, dass zwei zu fügende Bauteile derart angeordnet werden, dass sich zwischen den beiden Bauteilen ein Fügespalt bildet. Die den Fügespalt begrenzenden Oberflächen der beiden Bauteile können auch als Fügeoberflächen bezeichnet werden. Insbesondere wird zwischen den beiden Fügeoberflächen die gesinterte Verbindung gebildet.
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In diesen Fügespalt wird dann ein Fügeaerosol umfassend Fügepartikel und ein Trägergas eingebracht, insbesondere eingedüst. Gleichzeitig mit dem Einbringen der Fügepartikel in den Fügespalt werden die Fügepartikel gesintert, sie werden also einem Sinterprozess unterworfen, so dass sich eine gesinterte Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ausbildet. Die Fügepartikel werden sozusagen in die Fügeoberflächen eingesintert und/oder auf die Fügeoberflächen aufgesintert, wobei die Fügepartikel insbesondere auch untereinander versintern. Die beiden Bauteile werden insofern insbesondere stoffschlüssig gefügt.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in vorteilhafter Weise eine besonders hochtemperaturfeste und stabile Verbindung zwischen zwei Bauteilen ermöglicht. Der Sinterprozess wird vorzugsweise bei Raumtemperatur, beispielsweise etwa 20° C durchgeführt. Der Prozess kann aber auch bei einer Temperatur zwischen 4°C und 30°C durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der Prozess bei Temperaturen bis zu 600°C durchgeführt, um bei Bedarf in vorteilhafter Weise eine Dichte der gebildeten gesinterten Verbindung zu erhöhen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise deutlich weniger Energie als bei den bekannten Fügeverfahren verbraucht, welche üblicherweise bei Temperaturen weit über 600° C ablaufen. Darüber hinaus lassen sich in vorteilhafter Weise Bauteile stoffschlüssig fügen, bei denen höhere Prozesstemperaturen zu Verlust ihrer Funktionalität oder Form führen würden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von bekannten Verfahren, insbesondere Sprühverfahren, darin, dass hiermit in vorteilhafter Weise auch rein keramische Pulver eingesetzt werden können, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits bei niedrigen Temperaturen, zum Beispiel Raumtemperatur, zu dichten keramischen Schichten versintern.
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Fügen im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere ein Verbinden, vorzugsweise ein dauerhaftes Verbinden, von mindestens zwei Bauteilen.
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Bei einem Sinterprozess im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt eine Prozesstemperatur insbesondere unterhalb einer Schmelztemperatur des zu sinternden Stoffes, also insbesondere den Fügepartikeln. Vorzugsweise findet der Sinterprozess bei niedrigeren Temperaturen (T ~ RT) oder bei wenig erhöhten Temperaturen (T ≤ 600°C) statt.
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Ein Fügeaerosol im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassend Fügepartikel und ein Trägergas ist insbesondere ein Gemisch aus den Fügepartikeln und dem Trägergas.
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Nach einer Ausführungsform können die Bauteile ein keramisches Material und/oder ein metallisches Material umfassen. Insbesondere können die Bauteile aus einem keramischen oder einem metallischen Material gebildet sein. Die Bauteile können insbesondere gleich oder unterschiedlich gebildet sein. Beispielsweise können auch mehr als zwei Bauteile vorgesehen sein, welche miteinander verfügt werden. Die Bauteile können vorzugsweise bereits aus einer Mischung aus einem metallischen und einem keramischen Material gebildet sein. Ein metallisches Material kann beispielsweise Wolfram oder Molybdän sein.
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Nach einer anderen Ausführungsform können die Fügepartikel aus einem weiteren keramischen Material und/oder einem weiteren metallischen Material gebildet sein. Die Fügepartikel können beispielsweise gleich oder unterschiedlich gebildet sein. Ein weiteres metallisches Material kann beispielsweise Wolfram oder Molybdän sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Trägergas Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, ein Edelgas, beispielsweise Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon oder eine Kombination hiervon umfassen. Das Trägergas weist so in vorteilhafter Weise sowohl eine Trägerfunktion als auch eine Schutzfunktion auf. Das Trägergas wirkt insofern insbesondere als ein Schutzgas, insbesondere wenn das Trägergas ein Inertgas ist oder umfasst.
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Nach einer weiteren Ausführungsform wird das Fügeaerosol gebildet, indem die Fügepartikel, welche insbesondere allgemein als ein Pulver bzw. Fügepulver vorliegen können, in das strömende Trägergas eingebracht werden, wodurch sie in dem Trägergasstrom beschleunigt werden und so insbesondere auf die Fügeoberflächen aufgedüst werden können.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weisen die beiden Bauteile eine Fügegeometrie auf, welche derart gebildet ist, dass die auf die Fügeoberflächen abgeschiedenen bzw. aufgebrachten Fügepartikel eine Verbindungsschicht zwischen den beiden Bauteilen bilden. Die Fügegeometrie ist insofern insbesondere dergestalt, dass diese Verbindungsschicht auch aufgrund einer vorgegebenen Zugänglichkeit erzeugbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Fügespalt verengt, so dass sich auf den Oberflächen die Fügepartikel abscheiden können. D.h. insbesondere, dass ein Abstand zwischen den beiden Bauteilen in zumindest einem Bereich verringert wird, insbesondere in einem Endbereich des Fügespalts. Beispielsweise kann eine V-förmige Verengung vorgesehen sein. Beide Bauteile können beispielsweise eine Schräge aufweisen, wobei die beiden Schrägen dann ein V bilden, wenn die beiden Bauteile aneinandergefügt werden. Aufgrund der Verengung ist es insbesondere in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass der verengte Fügespalt für die auf die Fügeoberflächen auftreffenden Fügepartikel ein Substrat bildet, an dem sie sich als Fügepartikelschicht abscheiden können, die die beiden Bauteile miteinander verbindet.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Fügespalt an einem Ende abgedichtet werden. Diese Abdichtung bildet dann ebenfalls in vorteilhafter Weise für die auftreffenden Fügepartikel ein Substrat, auf dem sie sich als Fügepartikelschicht abscheiden können. Vorzugsweise kann zum Abdichten des Fügespalts eine Dichtfolie aus einem Metall oder aus einem Polymer verwendet werden. Insbesondere bei Verwendung einer Metallfolie kann diese, falls erforderlich, mittels eines Ätzprozesses nach dem Fügen wieder entfernt werden. Insbesondere bei Verwendung eines Polymers kann, falls erforderlich, die Dichtfolie nach dem Fügen thermisch ausgebrannt werden, so dass die beiden gefügten Bauteile nach dem Fügeverfahren keine Dichtfolie mehr aufweisen.
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Mittels der Verengung und/oder der Abdichtung wird somit in vorteilhafter Weise eine entsprechende Fügegeometrie der beiden Bauteile gebildet, um in vorteilhafter Weise ein Ausbilden einer Verbindungsschicht bzw. einer Fügepartikelschicht zwischen den beiden Bauteilen zu ermöglichen.
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Nach einer anderen Ausführungsform wird das Fügeaerosol mittels einer Düse in den Fügespalt gedüst. Vorzugsweise können auch mehrere Düsen vorgesehen sein. Die Verwendung einer Düse bietet insbesondere den Vorteil, dass eine Ausrichtung des Fügeaerosolstroms auf den Fügespalt besonders einfach möglich ist, so dass die Fügepartikel genau in den Fügespalt und somit auf die Fügeoberflächen treffen. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der Düse und einer sich in dem Fügespalt gebildeten Fügepartikelschicht während des Düsens eingestellt bzw. nachjustiert wird. D. h. also insbesondere, dass ein Abstand zwischen der Fügepartikelschicht und der Düse während des Eindüsens verändert wird. Somit ist es in vorteilhafter Weise auch bei tieferen Fügespalten möglich, ein auf jede Höhe des Fügespalts optimales Abscheiden von Fügepartikeln zu ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Einbringen, insbesondere das Eindüsen, und das Sintern in einer Vakuumatmosphäre durchgeführt. Somit können in vorteilhafter Weise Verunreinigungen auf den Fügeoberflächen vermieden werden. Zum Bilden der Vakuumatmosphäre ist vorzugsweise eine Vakuumkammer vorgesehen, in welcher die beiden Bauteile angeordnet werden.
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Für eine besonders zuverlässige Haftung auch unter thermischen Schwankungen kann es insbesondere vorgesehen sein, dass ein thermischer Ausdehnungskoeffizient der Fügepartikel an die zu fügenden Bauteile angepasst wird. Das kann zum einen insbesondere erfolgen durch die Auswahl eines Fügematerials mit geeignetem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder beispielsweise einer entsprechend geeigneten Mischung von Fügepartikeln aus verschiedenen Materialien.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Fügen von zwei Bauteilen,
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2 ein weiteres Verfahren zum Fügen von zwei Bauteilen,
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3, 4, 5 zwei Bauteile zu verschiedenen Zeitpunkten eines Fügeverfahrens und
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6, 7 und 8 zwei weitere Bauteile zu verschiedenen Zeitpunkten eines Fügeverfahrens.
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Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Fügen von zwei Bauteilen. In einem Schritt 101 wird in einen Fügespalt zwischen den beiden Bauteilen ein Fügeaerosol umfassend Fügepartikel und ein Trägergas eingebracht. In einem Schritt 103 werden die eingebrachten Fügepartikel zum Bilden einer gesinterten Verbindung zwischen den beiden Bauteilen gesintert. Die beiden Schritte 101 und 103 werden insofern zeitgleich durchgeführt als dass das Sintern beim Auftreffen der Fügepartikel auf jeweilige Fügeoberflächen der beiden Bauteile und/oder auf bereits eingesintertes Fügematerial infolge des Aufpralls erfolgt.
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Dadurch, dass zeitgleich mit dem Einbringen der Fügepartikel in den Fügespalt die Fügepartikel an die Fügeoberflächen angesintert werden, bildet sich in vorteilhafter Weise eine hochtemperaturfeste gesinterte Verbindung zwischen den beiden Bauteilen aus.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Fügen von zwei Bauteilen. Hierbei wird in einem Schritt 201 ein Fügespalt mit einer Verengung zwischen den beiden Bauteilen gebildet. Vorzugsweise kann die Verengung eine V-Form aufweisen. In einem Schritt 203 wird dann ein Fügeaerosol umfassend Fügepartikel und ein Trägergas in den V-förmigen Fügespalt eingebracht. Aufgrund der V-förmigen Verengung des Fügespalts können sich in vorteilhafter Weise die Fügepartikel als Fügepartikelschichten in dem Fügespalt abscheiden und verbinden somit die beiden Bauteile. In einem Schritt 205 werden diese Fügepartikelschichten gesintert, so dass sich zwischen den beiden Bauteilen eine gesinterte Verbindung bildet. Hierbei erfolgt analog zu 1 der Schritt 205 insofern zeitgleich mit dem Schritt 203, dem Einbringen, als dass das Sintern beim Auftreffen der Fügepartikel auf jeweilige Fügeoberflächen der beiden Bauteile infolge des Aufpralls erfolgt.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass anstelle oder zusätzlich zu der V-förmigen Verengung des Fügespalts der Fügespalt an einem Ende abgedichtet wird, insbesondere an dem V-förmigen Verengungsende, wobei vorzugsweise auch eine Abweichung von einer idealen V-Form vorgesehen sein kann, so dass diese Abdichtung für die Fügepartikel wie ein Substrat wirkt, auf das sich die Fügepartikel abscheiden können. Beispielsweise kann der Fügespalt mittels einer Dichtfolie abgedichtet werden. Vorzugsweise umfasst die Dichtfolie ein Metall und/oder ein Polymer.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Fügeaerosol mittels einer Düse in den Fügespalt gedüst wird. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass ein Abstand zwischen der Düse und einer sich in dem Fügespalt gebildeten Fügepartikelschicht während des Düsens eingestellt bzw. nachjustiert wird. Somit ist es in vorteilhafter Weise auch bei tieferen Fügespalten möglich, ein auf jede Höhe des Fügespalts optimales Abscheiden von Fügepartikeln zu ermöglichen.
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3 bis 5 zeigen jeweils zwei Bauteile 301 und 303 zu nacheinander folgenden Zeitpunkten eines Fügeverfahrens. Die beiden Bauteile 301 und 303 weisen eine Schräge 301a respektive 303a auf. Wenn diese beiden Schrägen 301a und 303a aneinandergebracht werden, bilden sie jeweils eine Seite eines V. Insofern weist ein Fügespalt 305 zwischen den beiden Bauteilen 301 und 303 eine V-förmige Verengung bzw. eine V-Geometrie auf. Die Schrägen 301a und 303a können insbesondere auch als Fügeoberflächen bezeichnet werden.
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3 zeigt die beiden so vorbereiteten Bauteile 301 und 303 vor dem Einbringen eines Fügeaerosols. Dieses wird gemäß 4 von oben in ein offenes Ende des V des Fügespalts 305 eingebracht, wobei das Fügeaerosol Fügepartikel 307 und ein Trägergas umfasst. Das Trägergas ist hier symbolisch mit mehreren Pfeilen mit dem Bezugszeichen 309 gekennzeichnet. Die Fügepartikel 307 scheiden sich nun als Fügepartikelschichten 311 in dem V-förmigen Fügespalt 305 ab.
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Zeitgleich mit dem Abscheiden werden die Fügepartikel beim Auftreffen der Fügepartikel 307 auf die beiden Schrägen 301a und 303a infolge des Aufpralls gesintert, so dass sich eine gesinterte Verbindung 313 zwischen den beiden Bauteilen 301 und 303 bildet (vgl. 5).
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6, 7 und 8 zeigen analog zu 3 bis 5 zwei Bauteile 401 und 403 zu nacheinander folgenden Zeitpunkten eines Fügeverfahrens. Auch hier weisen die Bauteile 401 und 403 jeweils eine Schräge 401a respektive 403a auf, welche insbesondere auch als Fügeoberflächen bezeichnet werden können. Im Gegensatz zu den Bauteilen 301 und 303 werden die beiden Bauteile 401 und 403 aber nicht soweit aneinandergeschoben, dass mittels der beiden Schrägen 401a und 403a ein V-förmiger Fügungsspalt gebildet ist. Hier weist der Fügespalt 305 lediglich aufgrund der Schrägen 401a und 403a eine Verengung auf. An einem Ende der Verengung, hier an dem engeren Ende der Verengung, wird eine Dichtfolie gebildet, welche den Fügespalt 305 abdichtet. Der Fügespalt 305 ist insofern an einem Ende geschlossen. Diese Abdichtung 405 kann beispielsweise eine Metall- oder eine Polymerfolie sein.
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Dadurch, dass eine solche Dichtfolie 405 vorgesehen ist, können sich auf dieser die Fügepartikel 307 wie auf einem Substrat als Fügepartikelschichten 311 abscheiden (vgl. 7).
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Zeitgleich mit dem Abscheiden der Fügepartikel 307 werden diese beim Auftreffen der Fügepartikel 307 auf die Schrägen 401a und 403a infolge des Aufpralls gesintert, so dass sich zwischen den beiden Bauteilen 401 und 403 eine gesinterte Verbindung 313 bildet.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Dichtfolie 405 nach dem Bilden der gesinterten Verbindung 313 entfernt wird. Bei einer Metallfolie kann beispielsweise vorgesehen sein, dass diese mittels eines Ätzprozesses entfernt wird. Bei einer Polymerfolie kann insbesondere vorgesehen sein, dass diese thermisch ausgebrannt wird.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform können die Bauteile 301 und 303 bzw. 401 und 403 auch keine Schrägen aufweisen. Sie weisen insofern eine gerade Oberfläche auf bzw. sind schrägenlos gebildet. Eine Abdichtung des Fügespalts wird dann insbesondere mittels der Dichtfolie bewirkt, auf welche sich die Fügepartikel wie auf einem Substrat abscheiden können.
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Zusammenfassend werden also insbesondere gesinterte Keramiken miteinander oder mit Metallen, beispielsweise Wolfram oder Molybdän, verbunden, indem vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen (T ~ RT) oder wenig erhöhten Temperaturen (T ≤ 600°C) keramisches und/oder metallisches Material, also die Fügepartikel, mittels eines Trägergases in den Fügespalt eingebracht und gleichzeitig eingesintert werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jun Akedo in Journal of Thermal Spray Technology 17 (2008)2, 181–198 [0006]
