DE10355983B4 - Method for soldering ceramic surfaces - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflächen (9) vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen (4) strukturiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (4) einen mittleren Durchmesser größer als 550μm aufweisen.method for producing a solder joint for metal-ceramic compounds or ceramic-ceramic compounds, wherein at least one of the to be soldered ceramic surfaces (9) before soldering by Introduction of holes (4) is structured, characterized that the holes (4) have a mean diameter greater than 550μm have.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten von keramischen Oberflächen, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflächen vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen strukturiert wird.The The present invention relates to a method of soldering ceramic surfaces, in particular a method for producing a solder joint for metal-ceramic compounds or ceramic-ceramic compounds, wherein at least one of the to be soldered ceramic surfaces before soldering through Introduction of drilling is structured.
Aus
Wesentlicher Einflussfaktor auf die Verwendbarkeit von Keramik-Keramik-Verbindungen oder Metall-Keramik-Verbindungen ist eine mechanisch gute, vielfach hochtemperaturbeständige stoffschlüssige Verbindung zwischen den Einzelkomponenten. Da die zu fügenden Werkstoffe häufig stark unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, kommt es sowohl nach dem Fügeprozess als auch bei der Beanspruchung zu induzierten Spannungszuständen, die die Festigkeit der Verbindungszone beeinträchtigen und im Extremfall sogar zerstören.essential Influence factor on the usability of ceramic-ceramic compounds or Metal-ceramic compounds is a mechanically good, often high-temperature resistant cohesive connection between the individual components. Because the materials to be joined are often strong have different thermal expansion coefficients comes it both after the joining process as well as under stress induced stress states, the affect the strength of the connection zone and in extreme cases even to destroy.
Um die Festigkeit einer solchen Fügezone zu optimieren, kann insbesondere die Oberfläche des keramischen Werkstoffes vergrößert werden. Dies kann durch Oberflächenstrukturierung, wie das Einbringen von Rillen oder Riefen durch mechanische Bearbeitung erzielt werden. Diese Maßnahme ist aber nicht immer ausreichend um eine ausreichende Festigkeit der Lötverbindung zu gewährleisten. Auch durch das Einbringen von durchgehenden Bohrungen mit eingebrachten Nuten an der Keramikoberfläche kann aufgrund der geringen Bohrungsanzahl und der Bohrungsabmaße keine signifikante Festigkeitssteigerung durch Vergrößerung der Lötoberfläche beobachtet werden. Ein Einbringen von nicht durchgängigen Bohrungen im Keramikwerkstoff hat sich als vorteilhafter erwiesen und kann insbesondere auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung Anwendung finden.Around the strength of such a joining zone To optimize, in particular, the surface of the ceramic material be enlarged. This can be done by surface structuring, such as the introduction of grooves or grooves by mechanical processing be achieved. This measure but is not always sufficient for a sufficient strength the solder joint to ensure. Also introduced by the introduction of through holes with Grooves on the ceramic surface can not due to the small number of holes and the bore dimensions significant increase in strength observed by enlarging the soldering surface become. An introduction of non-continuous holes in the ceramic material has proved to be more advantageous and can also in particular Framework of the present invention find application.
Nachteilig
an dem Verfahren der
Die
Zum Auflöten einer z. B. aus einem Keramiksubstrat bestehenden elektrischen Schaltungsplatte auf einen Grundkörper mit Hilfe einer Lötfolie ist die Gesamtlötfläche des Grundkörpers durch kapillarartig wirkende Vertiefungen, z. B. parallele Längsnuten, in gleichmäßiger Weise in viele kleine definierte Teillötflächen unter brochen. Die Vertiefungen nehmen eine vorherbestimmbare Menge Lot auf, überschüssiges Lot fließt jedoch in einen Nutengrund ab. Dadurch werden mechanische Schubspannungen, welche Risse bilden und zur Zerstörung der Keramiksubstanz führen können, erheblich verringert. Außerdem wird beim Lötvorgang ein Schwimmen der Schaltungsplatte auf flüssigem Lot und damit eine Veränderung der Position der Schaltungsplatte verhindert. Die Erfindung ist für Lötverbindungen zwischen Schaltungsplatten und deren Träger allgemein, für Lötverbindungen von Keramiksubstraten bei Mikrowellenschaltungen im besonderen geeignet.To the soldering a z. B. ceramic substrate existing electrical circuit board on a basic body with the help of a solder foil is the total surface of the the body by capillary-like depressions, z. B. parallel longitudinal grooves, in a uniform manner broken into many small defined partial areas. The wells receive a predictable amount of solder, excess solder flows However, in a groove bottom. As a result, mechanical shear stresses, which cracks and can lead to the destruction of the ceramic substance, considerably reduced. Furthermore becomes during the soldering process a floating of the circuit board on liquid solder and thus a change prevents the position of the circuit board. The invention is for solder joints between circuit boards and their supports in general, for solder joints of ceramic substrates in microwave circuits in particular.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen bereitzustellen.task The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art Technique to fix and an improved method of manufacture a solder joint in metal-ceramic compounds or ceramic-ceramic compounds provide.
Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung bei Metall-Keramik-Verbindungen oder Keramik-Keramik-Verbindungen, wobei zumindest eine der zu verlötenden keramischen Oberflä chen vor dem Verlöten durch Einbringung von Bohrungen strukturiert wird. Gemäß der Erfindung ist bei diesem ersten Gegenstand vorgesehen, dass die Bohrungen einen mittleren Durchmesser größer als 550μm, bevorzugt größer oder gleich 600μm, aufweisen. Die Bohrungen besitzen also einen deutlich größeren Durchmesser als diejenigen nach dem Stand der Technik. Dadurch können die Nachteile des Strukturierungsaufwandes und der Ausfüllung mit Lotmaterial behoben werden.One The first object of the invention relates to a process for the preparation a solder joint in metal-ceramic compounds or ceramic-ceramic compounds, wherein at least one of the ceramic to be soldered Surfaces before soldering is structured by introducing holes. According to the invention is provided in this first item that the holes a mean diameter greater than 550μm, preferred bigger or equal to 600μm, exhibit. The holes therefore have a much larger diameter as those of the prior art. This allows the Disadvantages of the structuring effort and the filling with Solder material to be corrected.
In einer Kombination mit diesem Gegenstand der Erfindung oder alternativ zu diesem Gegenstand der Erfindung kann vorgesehen werden, dass zumindest zwei Klassen von Bohrungen eingebracht werden, wobei sich die Bohrungen einer Klasse von denen einer anderen Klasse zumindest in Bohrungsgeometrie, Bohrungsdurchmesser oder Bohrungstiefe unterscheiden. Auch dadurch kann die Strukturierung und Ausfüllung zumindest für einen Teil der Bohrungen vereinfacht werden, da zumindest für eine Klasse die entsprechenden Parameter so gewählt werden können, dass die gewünschten Vorteile eintreten. Die weitere Besonderheit dieses Gegenstandes der Erfindung liegt in der Möglichkeit, eine alternierende Bohrungstiefe bereitzustellen, so dass für den speziellen Fall eines zweidimensional faserverstärkten Keramikmaterials eventuell auftretende Spannungen in unterschiedliche Laminatlagen verteilt werden. Dadurch wird die einwirkende Verformungsenergie effektiv dissipiert. Durch diese technische Maßnahme kann also die Ankopplung von oberflächennahen und oberflächenfernen Lagen im faserverstärkten Keramikverbund geschaffen werden.In a combination with this object of the invention or alternatively to this object of the invention can be provided that at least two classes of drill holes are introduced, where the holes of one class from those of another class at least differ in bore geometry, bore diameter or bore depth. Also, the structuring and filling at least for one Part of the drilling will be simplified, as at least for one class the corresponding parameters can be chosen so that the desired Benefits occur. The other special feature of this item The invention resides in the possibility provide an alternate hole depth so that for the particular Case of a two-dimensional fiber-reinforced ceramic material eventually occurring stresses distributed in different laminate layers become. As a result, the acting deformation energy is effective dissipated. By this technical measure so the coupling of near-surface and remove surfaces Layers in fiber reinforced Ceramic composite are created.
Insbesondere kann vorgesehen werden, dass mindestens eine Bohrung einer ersten Klasse und mindestens eine Bohrung einer zweiten Klasse in Form einer geometrischen Gruppe eingebracht werden. Es werden also nicht lediglich Bohrungen gleichverteilt und in einheitlichem Abstand voneinander angeordnet, sondern es erfolgt jeweils eine geometrische Gruppierung einer gewissen Anzahl von Bohrungen, wobei sich dann diese Gruppierungen über die zu strukturierende Oberfläche verteilt wiederholen. Dabei können alle geometrischen Gruppen eine identische geometrische Struktur aufweisen oder es können sich auch mehrere geometrische Gruppen unterschiedlicher geometrischer Struktur über die Oberfläche verteilt wiederholen. Dabei kann insbesondere vorgesehen werden, dass der Abstand der Bohrungen innerhalb einer geometrischen Gruppe geringer ist als der Abstand der geometrischen Mitten zweier geometrischer Gruppen. Als Abstand der Bohrungen wird dabei stets der Abstand der Bohrungsmitten voneinander verstanden.Especially can be provided that at least one bore of a first Class and at least one hole of a second class in shape a geometric group are introduced. So it will not be only holes evenly distributed and at a uniform distance arranged one another, but it is always a geometric Grouping a certain number of holes, then this Groupings over the surface to be structured Repeat distributed. It can all geometric groups have an identical geometric structure can or can also several geometric groups of different geometrical Structure over the surface Repeat distributed. In particular, it may be provided that the spacing of the holes within a geometric group is lower is the distance of the geometrical centers of two geometric ones Groups. The distance between the holes is always the distance the bore centers understood from each other.
Insbesondere kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem Keramikwerkstoff mit Laminatstruktur aus mehreren Schichten verwendet werden. Gemäß der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Bohrungen mit einer Bohrungstiefe eingebracht werden, die größer ist als die Dicke der äußersten Laminatschicht. Damit kann erreicht werden, dass nach dem Verlöten die auftretenden Lasten auf mehr als nur eine Laminatschicht verteilt werden und eine Krafteinleitung in tiefere Schichten des Keramikwerkstoffs erfolgt. Dies ist insbesondere vorteilhaft zum Abfangen von Scherkräften auf den Keramikwerkstoff. Mit einer solchen Methode kann insbesondere eine Delamination der äußersten Laminatschicht durch äußere Kräfte vermieden werden.Especially may be a method according to the invention for producing a solder joint to a ceramic material with laminate structure of several layers be used. According to the invention is provided that the holes with a hole depth be introduced, which is larger as the thickness of the outermost Laminate layer. This can be achieved that after soldering the occurring loads distributed over more than one layer of laminate and an introduction of force into deeper layers of the ceramic material he follows. This is particularly advantageous for absorbing shear forces the ceramic material. In particular, with such a method a delamination of the utmost Laminate layer avoided by external forces become.
Dieses Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem faserverstärkten Keramikwerkstoff verwendet werden, der eine Laminatstruktur aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher, sich periodisch wiederholender Faserorientierung aufweist. Gemäß der Erfindung wird hier vorgesehen, dass die Bohrungen mit einer Bohrungstiefe eingebracht werden, die gleich groß oder größer ist der Abstand von der Oberfläche des Keramikwerkstoffes bis zu derjenigen Schicht der Laminatstruktur, die die gleiche Faserorientierung wie die oberste Schicht der Laminatstruktur aufweist. Da die Fasern gemäß ihrer Orientierung in Faserlängsrichtung eine besonders hohe Fähigkeit zur Kraftaufnahme bzw. Lastaufnahme innerhalb des Keramikwerkstoffs aufweisen, wird durch diese Maßnah me erreicht, dass eine Lastaufnahme in alle Orientierungsrichtungen der Fasern und damit in möglichst weitgehend zweidimensional optimiert erfolgt. Die äußeren Lasten bzw. Kräfte werden dabei wiederum durch die mit Lotmaterial ausgefüllten Bohrungen auf die entsprechenden Laminatschichten übertragen.This Method may, for example, for producing a solder joint to a fiber-reinforced ceramic material used, which is a laminate structure of several layers with different, periodically repeating fiber orientation having. According to the invention is provided here that the holes with a hole depth be introduced, which is equal to or greater than the distance from the surface of the ceramic material up to that layer of the laminate structure, the same fiber orientation as the top layer of the laminate structure having. Since the fibers according to their Orientation in the fiber longitudinal direction a particularly high ability for power absorption or load absorption within the ceramic material have, by this measure me achieved that a load absorption in all orientation directions the fibers and thus in as possible largely optimized in two dimensions. The external loads or forces are in turn by the filled with solder holes transferred to the corresponding laminate layers.
Ein Verfahren nach der Erfindung kann auch derart zur Herstellung einer Lötverbindung zu einem faserverstärkten Keramikwerkstoff verwendet werden, dass der Abstand der Bohrungen mindestens den Bohrungsdurchmesser plus das 5fache, insbesondere plus mindestens das 10fache, bevorzugt plus mindestens das 25fache des Durchmessers einer Faser des faserverstärkten Keramikwerkstoffs beträgt. Hier wird wiederum als Bohrungsabstand der Abstand der Bohrungsmitten verstanden. Der Abstand benachbarter Ränder der Bohrungen beträgt folglich nur das 5fache, 10fache bzw. 25fache des Durchmessers einer Faser. Durch diese Maßnahme wird garantiert, dass stets eine relativ große Zahl von unversehrten Fasern zwischen zwei Bohrungen verbleibt, so dass die Laminatstruktur eine relativ hohe Festigkeit aufgrund der verbleibenden Zahl intakter Fasern aufweist.A method according to the invention can also be used for producing a soldered connection to a fiber-reinforced ceramic material such that the spacing of the holes is at least the bore diameter plus 5 times, in particular plus at least 10 times, preferably plus at least 25 times the diameter of a fiber of the fiber-reinforced ceramic material , Here again, the distance between the bore centers is understood as the distance between holes. The distance between adjacent edges of the holes is therefore only 5 times, 10 times or 25 times the diameter of a fiber. By this measure, it is guaranteed that a relatively large number of intact fibers always remain between two holes, so that the laminate structure has a relatively high strength due to the remaining number intact Has fibers.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Bohrungsanzahl, Bohrungsdurchmesser und Bohrungsgeometrie so gewählt werden, dass durch die Bohrungen der Flächeninhalt der keramischen Oberfläche und/oder jeder Querschnittsfläche durch das keramische Material um maximal 50 %, insbesondere um maximal 25 % gegenüber einem identischen Körper ohne Bohrungen reduziert ist. Die Bohrungen bewirken eine Verringerung des materialgefüllten Volumens des keramischen Materials und damit eine strukturelle Schwächung des Materials. Durch diese Maßnahme kann eine weiterhin gute Stabilität des keramischen Materials garantiert werden.Especially can be provided that the number of holes, bore diameter and Hole geometry selected be that through the holes the surface area of the ceramic Surface and / or each cross-sectional area by the ceramic material by a maximum of 50%, in particular by a maximum 25% compared an identical body is reduced without drilling. The holes cause a reduction of the material-filled Volume of the ceramic material and thus a structural weakening of the Material. By this measure can guarantee a continued good stability of the ceramic material become.
Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Abstand zwischen den Bohrungen zwischen 50 % und 150 %, insbesondere zwischen 75 % und 125 % einer der Bohrungstiefen beträgt. In diesem Fall ist also der Abstand der Bohrungen im Bereich der Größenordnung einer der Bohrungstiefen bzw. im wesentlichen gleich einer der Bohrungstiefen.A especially cheap embodiment The invention provides that the distance between the holes between 50% and 150%, in particular between 75% and 125% of one the hole depths is. In this case, so the distance between the holes in the area of Magnitude one of the bore depths or substantially equal to one of the bore depths.
Grundsätzlich kann
nach der Strukturierung der zu verlötenden Oberfläche ein
Lotmaterial direkt auf die entsprechende Oberfläche nach einem der bekannten
Verfahren aus dem Stand der Technik aufgebracht werden. Eine Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, dass nach der Strukturierung der zu verlötenden Oberfläche ein
flexibler Formkörper,
der zumindest Lotmaterial enthält,
auf die strukturierte Oberfläche
aufgebracht wird. Solche flexiblen Formkörper sind grundsätzlich aus
dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Raketentriebwerkes aus Keramikelementen oder Keramikelementen und Metallelementen, wobei zumindest einige der Elemente nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung verbunden werden. Es können dabei grundsätzlich beliebige Elemente des Raketentriebwerkes nach einem solchen Verfahren verbunden werden, beispielsweise Elemente einer Raketenbrennkammer untereinander, Elemente einer Raketendüse untereinander oder Elemente eines Einspritzkopfes untereinander. Es können auch Verbindungen zwischen Einspritzkopf und Raketenbrennkammer oder Raketenbrennkammer und Raketendüse, bzw. zwischen entsprechenden Elementen dieser Bauteile, nach einem solchen Verfahren geschaffen werden.One Another object of the invention is a process for the preparation a rocket engine made of ceramic elements or ceramic elements and metal elements, wherein at least some of the elements after a method described above for producing a solder joint get connected. It can basically any elements of the rocket engine according to such a method connected, such as elements of a rocket combustion chamber with each other, elements of a rocket nozzle with each other or elements an injection head with each other. There can also be connections between Injection head and rocket combustion chamber or rocket combustion chamber and rocket, or between corresponding elements of these components, after one be created in such proceedings.
Spezielle
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der
Es zeigen:It demonstrate:
Bauteile aus Keramik, insbesondere aus faserverstärkter Keramik, gewinnen aufgrund ihrer herausragenden technischen Eigenschaften zunehmend an Interesse und finden stetig wachsende Anwendungsbereiche. Der Vorteil insbesondere von faserverstärkten Hochleistungskeramiken liegt in ihrer ausgezeichneten Ver schleißfestigkeit, der hohen Temperaturbeständigkeit, in ihrer guten Beständigkeit gegen Korrosion und im geringen spezifischen Gewicht.Ceramic components, in particular of fiber-reinforced ceramic, gain due to their herausra technical properties are becoming increasingly interesting and finding ever-growing areas of application. The advantage, in particular of fiber-reinforced high-performance ceramics, is their excellent wear resistance, high temperature resistance, good resistance to corrosion and low specific weight.
Metall-Keramik-Verbindungen ermöglichen die Kombination der Vorteile metallischer und keramischer Werkstoffe. Das erfordert geeignete Fügeverfahren. Eine Möglichkeit des Fügens von Metall und Keramik stellt das Löten dar. Dieses stoffschlüssige Fügeverfahren ermöglicht vakuumdichte und hochtemperaturbeständige Verbindungen mit hoher Festigkeit. Auch zeichnet es sich durch seine gute Eignung für die Großserienfertigung sowie für Bauteile mit vielen, schwer zugänglichen Fügestellen aus.Metal-ceramic compounds enable the combination of the advantages of metallic and ceramic materials. This requires suitable joining methods. A possibility of joining of metal and ceramics represents soldering dar. This cohesive joining process allows Vacuum-tight and high-temperature resistant connections with high Strength. It is also characterized by its suitability for mass production also for Components with many, difficult to access joints out.
Dabei besteht das Problem, dass Keramiken von konventionellen Loten aufgrund der unterschiedlichen Atombindung von Keramik und Lot nicht benetzt werden. Erst durch den Einsatz aktiver Elemente (z.B. Ti, Hf, Zr) lässt sich über eine Reaktionszone am Grenzflächenübergang Metall/Keramik eine Verbindung realisieren.there There is the problem that ceramics are due to conventional solders the different atomic bond of ceramic and solder not wetted become. Only through the use of active elements (eg Ti, Hf, Zr) can be over a Reaction zone at the interface transition Metal / ceramic realize a connection.
Für das Löten von Metall mit Keramik und Keramik mit Keramik existieren zwei Verfahrensprinzipien
- • Löten metallisierter Keramik und
- • Aktivlöten.
- • Soldering metallized ceramics and
- • Active soldering.
Beim Löten metallisierter monolitischer Keramik wird die Fügefläche des keramischen Bauteils mit einem Metall beschichtet, so dass anschließend im Lötprozeß die Benetzung des keramischen Fügepartners durch konventionelle Lote ermöglicht wird. Damit steht eine große Auswahl von Loten und Lötverfahren zur Verfügung, die dem Einsatzfall angepasst werden können. Dabei lässt sich das Lötgut mit möglichst niedriger Löttemperatur duktil auslegen, um die beim Löten von Metall und Keramik unvermeidlich entstehenden thermischen Eigenspannungen zu minimieren.At the Solder metallized monolithic ceramics will be the joining surface of the ceramic component coated with a metal, so that subsequently in the Soldering the wetting of the ceramic joining partner allows conventional solders becomes. This is a big one Selection of solders and soldering methods to disposal, which can be adapted to the application. It is possible the item to be soldered with as possible low soldering temperature ductile to the soldering of metal and ceramic inevitably resulting thermal stresses to minimize.
Aber auch hochtemperaturbeständige Lötverbindungen sind durch das Löten metallisierter Keramik möglich. Da sich das Aktivelement bereits zu Beginn des Lötprozesses auf der Oberfläche der Keramik befindet, wird die Bildung festigkeitsmindernder Sprödphasen im Lotgefüge reduziert. Im Vergleich zum Aktivlöten besteht ein wesentlich besseres Fließ- und Spaltfüllvermögen.But also high temperature resistant solder connections are by soldering metallized ceramic possible. Since the active element already at the beginning of the soldering process on the surface of the Ceramic is the formation of strength-reducing brittle phases in the soldered structure reduced. Compared to the active soldering is a significant better flow and gap filling capacity.
Das Aktivlöten ist ein Direktlötverfahren, bei dem das Aktivelement direkt dem Lot zugesetzt wird. Der Vorteil gegenüber dem Löten metallisierter Keramik besteht darin, dass auf die aufwendige Metallisierung der Keramik verzichtet wird. Das Lot muss jedoch direkt an der Fügefläche appliziert werden, da Aktivlote nur ein geringes Fließvermögen besitzen. Sowohl das Aktivlöten als auch das Löten metallisierter Keramik können im Vakuum oder Schutzgas erfolgen.The active soldering is a direct soldering process, in which the active element is added directly to the solder. The advantage across from the soldering metallized ceramic is that on the complex metallization the ceramic is dispensed with. However, the solder must be applied directly to the joint surface because active solders have only a low fluidity. Both the active soldering as also the soldering metallized ceramic can done in vacuum or inert gas.
Beim Verlöten von Keramiken mit Metallen besteht grundsätzlich das Problem, dass konventionelle Lote keine Verbindung mit Keramiken aufbauen können. Die Ursache liegt in der unterschiedlichen Atombindung der Keramiken mit ihren überwiegend ionischen bzw. kovalenten Bindungen, die von Loten mit ihrer metallischen Atombindung nicht benetzt werden können.At the Solder of ceramics with metals is basically the problem that conventional solders can not connect to ceramics. The cause lies in the different atomic bond of the ceramics with their predominantly ionic or covalent bonds, those of solders with their metallic ones Atomic bond can not be wetted.
Durch den Einsatz eines aktiven Elementes, wie z.B. Titan ist es möglich, die Keramikoberflächen derart umzuwandeln, dass sie vom Lot benetzt werden können. Die Hauptprobleme bei der Herstellung von Lötverbindungen zwischen Keramik und Metall wie z.B. Stahl bestehen in der Benetzung der Keramik durch das Lot als Grundvoraussetzung zur Erzeugung einer Verbindung und in den Spannungen, die sich in der Lötverbindung aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen der beteiligten Fügepartner ausbilden und damit neben der Sprödphasenbildung die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigen.By the use of an active element, e.g. Titanium is possible, the ceramic surfaces so that they can be wetted by the solder. The Main problems in the production of solder joints between ceramics and metal such as e.g. Steel consists in the wetting of the ceramic through the lot as a basic requirement for creating a connection and in the tensions that arise in the solder joint due to the different thermal expansion the joint partners involved form and thus in addition to the brittle phase the strength interfere with the connection.
Die Ausbildung der Lötverbindung wird im Wesentlichen durch diffusionsgesteuerte Reaktionsmechanismen beeinflusst. Dabei wird einerseits die Oberfläche der Keramik derart umgewandelt, dass sie vom Lot benetzt werden kann, andererseits können sich während des Lötens Sprödphasen ausbilden, die zu einer Verringerung der Festigkeit der Lötverbindung führen.The Formation of the solder joint is essentially due to diffusion-controlled reaction mechanisms affected. On the one hand, the surface of the ceramic is converted in this way, that they can be wetted by the solder, on the other hand, can while of soldering brittle phases form, which leads to a reduction in the strength of the solder joint to lead.
Bei der Herstellung von Verbunden aus Metall und faserverstärkten Keramiken (CMC ceramic matrix composite) stellt der Unterschied der thermischen Dehnungen der verschiedenen Werkstoffe das wesentliche Problem dar. Speziell bei 2D-verstärkten CMC-Bauteilen, also Bauteilen aus einem CMC- Komposit, bei denen eine zweidimensionale Faserstruktur vorliegt, hergestellt beispielsweise über eine Laminiertechnologie, ist die Gefahr groß, dass bei thermischer Beanspruchung die Schubspannungen zu hoch werden und das keramische Bauteil interlaminar, also zwischenlagig an seiner schwächsten Stelle, versagt.In the production of metal-fiber composites and ceramic-reinforced-ceramic (CMC) composites, the difference in thermal expansions of the different materials is the major problem. Especially for 2D-reinforced CMC components, ie components made from a CMC composite two-dimensional fiber structure is present, produced for example via a laminating technology, the danger is great that under thermal stress, the shear stresses are too high and the kerami interlaminar, ie intermediate in its weakest point, fails.
Die vorgenannten Probleme können durch die vorliegende Erfindung behoben werden. Alle vorgenannten technischen Maßnahmen sind grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung anwendbar.The aforementioned problems can be resolved by the present invention. All the above technical measures are basically also applicable in the context of the present invention.
Die
vorliegende Erfindung behebt die genannten Nachteile dadurch, dass
eine ausreichende Vergrößerung der
Interfacefläche
und die Ankopplung von oberflächenfernen
Lagen im keramischen Werkstoff geschaffen wird, insbesondere bei
Anwendungen in faserverstärkten
Werkstoffen. Um dies zu erreichen wird der keramische Werkstoff
an seiner Oberfläche
mit einer definierten Anzahl von Bohrungen strukturiert.
Es
wird nun bevorzugt vorgesehen, dass zwei Klassen A, B von Bohrungen
vorgesehen werden, die zumindest eine alternierende Bohrtiefe aufweisen.
D.h. eine erste Klasse von Bohrungen weist eine – bis auf übliche Fertigungstoleranzen – einheitliche
erste Bohrtiefe auf, eine zweite Klasse von Bohrungen eine zweite Bohrtiefe,
die von der ersten Bohrtiefe verschieden ist (siehe dazu auch
Ein
solches Beispiel ist in
In
einem folgenden Prozessschritt kann entweder vorgesehen werden,
dass die perforierte Oberfläche
Zur
Lötung
von größeren Spalten
zwischen Keramik und Metall und zur Überbrückung von großen Unterschieden
der thermomechanischen Eigenschaften der Materialien (Unterschieden
im Temperaturausdehnungskoeffizienten TAK) der jeweiligen Materialien
können
flexible Formkörper
Wie
In
Die
Bohrungen
Beispiel:Example:
Bei einer Bohrungstiefe L von 1,1 mm für Bohrungen der Klasse A wie bereits vorher beschrieben kann bevorzugt ein Bohrungsabstand x im Bereich von 1,0 bis 1,3 mm gewählt werden.at a hole depth L of 1.1 mm for class A holes such as already described may preferably a bore distance x be chosen in the range of 1.0 to 1.3 mm.
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