DE1558883B2

DE1558883B2 - Hartlot zum loeten von titanlegierungen

Info

Publication number: DE1558883B2
Application number: DE19671558883
Authority: DE
Inventors: Thomas Kennedy Cincinnati Ohio Reeden (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-10-14
Filing date: 1967-07-14
Publication date: 1973-06-28
Also published as: DE1558883A1; BE700083A; DE1558883C3; GB1141247A

Description

Es ist bekannt (britische Patentschrift 869 198), zum Hartlöten von aus Titan bestehenden Bauteilen eutektische oder nahezu eutektische Titanlegierungen einzusetzen, insbesondere Titanlegierungen, die aus 20 bis 35% Nickel, 0 bis 10% Kupfer, Rest Titan, bestehen. Die bisher bekannten Hartlote aus Titanlegierungen, die sich wegen ihrer niedrigen Schmelztemperatur zum Hartlöten von a-Titanlegierungen und (α + /?)-Titanlegierungen eignen würden, sind jedoch verhältnismäßig spröde und brüchig, d.h. weisen eine unzulängliche Verformbarkeit bzw. Dehnbarkeit auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hartlot zum Hartlöten von Titanlegierungen zu schaffen, das eine unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur von Titanlegierungen liegende Schmelz- und Arbeitstemperatur aufweist und eine Lötverbindung mit guter Dehnbarkeit und Korrosionsbeständigkeit ergibt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Hartlot zum Löten von Titanlegierungen, bestehend aus 15 Gewichtsprozent Kupfer, 15 Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Das Hartlot nach der Erfindung besitzt eine Schmelztemperatur von 954° C und läßt sich also bei Temperaturen unter 980° C verarbeiten. Weiterhin zeichnet sich das Hartlot nach der Erfindung durch gute mechanische Festigkeitseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit sowie durch gutes Fließ- und Benetzungsverhalten aus. Eine mit dem Hartlot nach der Erfindung hergestellte Lötverbindung begünstigt eine Spannungskorrosion der verlöteten Bauteile nicht, da sie keine Chlorid-Getter-Wirkung zeigt.

Zum Nachweis der vorteilhaften Eigenschaften des Hartlots nach der Erfindung wurden eine Reihe von Untersuchungen angestellt, die nachstehend an Hand von Tabellen näher erläutert werden, in denen das Hartlot nach der Erfindung stets als Beispiel 1 angeführt ist.

Aus der folgenden Tabelle I ist ersichtlich, daß das Hartlot nach der Erfindung im Vergleich zu anderen Hartloten eine verhältnismäßig niedrige Schmelztemperatur aufweist und trotzdem nicht so spröde ist wie die in den Beispielen 2 bis 14 angeführten anderen Hartlote.

Tabelle I

	Ti	Zusammensetzung	Cu	Ni	Be	andere	Schmelz	Verformbarkeit
Beispiel	70	in Gewichtsprozent	15	15			punkt
	72	15	10	3		(⁰C)	sehr gut
1	70	10			10Fe	954	schlecht
2	70	10			10 Co	900	gut
3	71		29			1066	gut
4	87		10	3		1066	schlecht
5	70		12		18Mn	982	mittelmäßig
6	61		15	4	20Zr	1066	—
7	70		15		15Co	1066	schlecht
8	45		15		40Zr	843	schlecht
9	81		15	4		1066	gut
10	70		15		15Fe	1066	schlecht
11	28	72				954	gut
12	60	40				1066	gut
13		1066	mittelmäßig
14		1066

Das Hartlot nach der Erfindung sollte im Vakuum oder in einem inerten Gas in einem elektrischen Lichtbogen geschmolzen werden, und zwar in wassergekühlten Kupfertiegeln, um die Reinheit sicherzustellen und das Hartlot von gasförmigen Verunreinigungen freizuhalten. Das Hartlot kann durch geeignete Heiß- und Kaltbearbeitungsverfahren in Form von Folien, Draht oder Pulver hergestellt werden.

Die in Tabelle I angegebenen Hartlote wurden im Lichtbogen in Kupfertiegeln und in einer Inertgasatmosphäre erschmolzen. Die Hartlote wurden nach dem Schmelzen durch Kaltschlagschmieden gepulvert. Dieses Pulver wurde dann dazu verwendet, den Schmelzpunkt, die Hartlot- und Benetzungseigenschaften, die Hartlöttemperatur und die relative Verformbarkeit der Hartlote zu bestimmen. Es konnte festgestellt werden, daß die Verformbarkeit des Hartlots in direkter Beziehung steht mit der Verformbarkeit der daraus hergestellten Hartlötverbindung. Die Verformbarkeit oder Zusammendrückbarkeit bzw. Brechbarkeit wurde mit einem großen Hammer festgestellt. Die in Tabelle I angeführten Hartlote, die eine schlechte Verformbarkeit besitzen, konnten mit einem leichten Schlag mit dem Hammer, die Hartlote mit einer mittelmäßigen Verformbarkeit mit einem mittleren Schlag mit dem Hammer, die Hartlote mit einer

guten Verformbarkeit mit einem harten Schlag mit dem Hammer und die Hartlote mit einer sehr guten Verformbarkeit mit mehreren starken Schlägen mit dem Hammer zertrümmert werden. Die Sprödigkeitseigenschaften stehen in direkter Verbindung zur Härte der Hartlötverbindung. Dies ist aus den Härtewerten der folgenden Untersuchungen zu ersehen. Es konnte festgestellt werden, daß ein Hartlot mit einer Knoop-Härte unter etwa 500 eine zufriedenstellende Verformbarkeit aufweist.

Das im Beispiel I der Tabelle I angeführte Hartlot nach der Erfindung ist das einzige Hartlot, bei dem eine relativ niedrige Schmelztemperatur und daher eine niedrige unter der Beta-Phasenübergangstemperatur liegende Hartlöttemperatur mit einer sehr guten Verformbarkeit kombiniert ist. Alle anderen Hartlote, die eine gute Verformbarkeit besitzen, weisen hohe Schmelztemperaturen auf.

Typische Beispiele bekannter binärer eutektischer Legierungen werden in den Beispielen 5 und 14 ange-120 geben. Obgleich die Legierung von Beispiel 5 eine; zufriedenstellende Schmelztemperatur aufweist, hat| } J sie eine sehr schlechte Verformbarkeit. Die Legierung^; von Beispiel 14 hat einen zu hohen Schmelzpunkt und eine nur mittelmäßige Verformbarkeit. Wie aus dem Beispiel 5 in Tabelle I zu ersehen ist, ergibt ein zu hoher Nickelgehalt ein sprödes Hartlot. Wie aus Tabellen erischtlich ist, besitzt eine Hartlötverbindung, die mit einem Hartlot nach Beispiel 5 bei einer Temperatur von 996° C hergestellt wurde, relativ schlechte Kehlnähte und eine starke Härte, die ihren spröden Charakter anzeigt.

Tabelle I zeigt, daß die Zugabe eines Schmelzpunktemiedrigungsmittels, wie beispielsweise Beryllium, zu einer Erniedrigung des Schmelzpunktes führt, wie beispielsweise aus den Beispielen 2 und 11 hervorgeht, jedoch eine Legierung mit einer schlechten Verformbarkeit ergibt. Die Zugabe von anderen Elementen, wie beispielsweise Eisen, Kobalt, Mangan oder Zirkonium, ergibt Legierungen, die einen zu hohen Schmelzpunkt haben oder eine schlechte Verformbarkeit oder beides.

Die in Tabelle I angegebenen Schmelzpunktwerte wurden erhalten, indem die gepulverte Hartlotprobe auf ein Blech aus einer im Handel erhältlichen Titanlegierung (6 Gewichtsprozent Aluminium, 4 Gewichtsprozent Vanadium, Rest Titan) gelegt wurde und bei Temperaturen zwischen 843 und 1066° C 15 Minuten lang erhitzt wurde. Diese Titanlegierung ist typisch für die Alpha-Beta-Titanlegierungen, die Aluminium enthalten. Andere typische Titanlegierungen bestehen aus 5 Gewichtsprozent Aluminium, 2,5 Gewichtsprozent Zinn und Rest Titan oder 6 Gewichtsprozent Aluminium, 2 Gewichtsprozent Zinn, 4 Gewichtsprozent Zirkonium, 2 Gewichtsprozent Molybdän und Rest Titan.

Die Proben wurden auf den Schmelzzustand, auf die Benetzungstendenz und auf die Fließeigenschaften nach Erhitzung geprüft.

Um die Hartlöteigenschaften weiter zu untersuchen, wurden einige der Hartlote, die bei 1066° C oder darunter zu 100% schmelzen, dazu verwendet, eine 2,5 x 7,5 cm große T-Verbindung aus Blechen aus 6 Gewichtsprozent Aluminium, 4 Gewichtsprozent Vanadium und Rest Titan hartzulöten.

In der folgenden Tabelle II ist das Hartlot nach der Erfindung mit den binären eutektische^ Legierungen der Beispiele 5 und 14 verglichen.

Tabelle II
Eigenschaften der T-Verbindung

Beispiel	Hartlöt temperatur Γ C)	Qualität der Kehlnähte	Verbindung Korrosions beständigkeit	Härte der Hartlöt verbindung (K η 0 0 ρ)
1 5 14	968° 996° 1066°	gut schlecht mittel mäßig	gut gut gut	390 516 277

Aus der Tabelle ist zu ersehen, daß das Hartlot nach der Erfindung, das bei 968° C hartgelötet werden kann, gute Kehlnähte und eine gute Korrosionsbeständigkeit ergibt

Die Knoop-Härte von 390 zeigt eine gute Verformbarkeit der Hartlötverbindung an. Die Legierung nach Beispiel5 in Tabellen, deren Schmelzpunkt zwar unter der Beta-Phasenübergangstemperatur liegt, zeigt schlechte Kehlnähte und eine hohe Härte, wodurch sich eine spröde Hartlötverbindung ergibt.

Um die mechanischen Eigenschaften des Hartlotes nach der Erfindung zu untersuchen, wurden Uberlappungsproben aus 0,15 cm dicken Blechen aus 5% Aluminium, 2,5% Zinn, Rest Titan, hergestellt. Die Proben wurden mit einem 0,0125 cm großen Spalt über eine Uberlappungsdistanz von 3,18 mm im Überlappungsbereich hartgelötet. Die Ergebnisse der Zug-Seher-Versuche bei Raumtemperatur und 37O⁰C sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt.

Tabelle III

Hart- löt- temp. ("C)	Prüftemp. (°C)	Zug-Scher festigkeit (kg/mm²)	Ort des Bruches	Spannung im Blech beim Bruch (kg/mm²)
954 954	Raum 370	16,20 13,40	Hartlötung Hart- lötungs- rand	37,80 32,90

Die für das erfindungsgemäße Hartlot erhaltenen Zug-Schereigenschaftswerte entsprechen den Werten, die für ein vielverwendetes Hartlot mit 95% Silber und 5% Aluminium erhalten werden. Dieses Hartlot läßt sich aber schlecht zusammen mit Titanlegierungen verwenden. Zusätzliche Vergleichswerte zwischen diesem Silber-Hartlot und dem erfindungsgemäßen Hartlot sind in den folgenden Tabellen IV und V angegeben. In diesen Tabellen sind das Zeitstandsverhalten und die Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur nach einer Zeitstandprüfung zusammen mit der Widerstandsfähigkeit gegen Spannungsrißkorrosion angegeben.

⁶ ^& Tabelle IV

Zeitstandsverhalten bei Beanspruchung mit 42,20 kg/mm²

Beispiel	Test- Temperatur CC)	Standzeit (Stunden)	Deh nung (%)	Spannungs- korrosions- risse
95 Ag—5Al 1	427 482 427 482	185 158 204 214	0,5 2,1 0,3 1,8	ja ja nein nein

Tabelle V Eigenschaften nach Zeitstandprüfung

Beispiel	Zeitstand- priifbedingungen (Temp.°C/kg/mm7 Std.)	Zugfestigkeit (kg/mm²)	0,2-Streckgrenze (kg/mm²)	Dehnung (%)	Spannungs- korrosionsrisse
95Ag- 5Al 1	370/45, 70/188 427/42, 20/185 482/42, 20/158 370/45, 70/208 427/42, 20/205 482/42, 20/214	92,10 61,20 91,40 99,00 94,00 98,00	91,40 60,50 85,10 94,90 87,90 94,00	1,5 0,8 1,5 3,3 1,8 2,1	viele viele viele keine keine keine

Bei den Zeitstandprüfungen wurden 5 χ 1,25 cm große Proben verwendet, die aus einer Legierung mit im wesentlichen 8% Aluminium, 1% Molybdän, 1% Vanadium und Rest Titan bestanden. Eine Seite der Proben wurde mit dem zu untersuchenden Hartlot beschichtet. Die Proben wurden dann hartgelötet und die Spannungsrißkorrosionsuntersuchungen im Vakuum 2 Stunden lang bei 704⁰C durchgeführt.

Aus den Tabellen IV und V ist zu ersehen, daß das Silber-Hartlot eine bedeutend niedrigere Festigkeit besitzt und Spannungskorrosionsrisse in der Probe gefördert werden. Bei den Proben, bei denen das errlndungsgemäße Hartlot verwendet wurde, konnten keine Spannungskorrosionsrisse festgestellt werden.

Aus den obigen Untersuchungen ergibt sich, daß mit dem Hartlot nach der Erfindung Teile aus Titanlegierungen so hartgelötet werden können, daß sich eine feste, verformbare Verbindung ergibt, wobei keine Spannungskorrosionsrisse in den aus Titanlegierungen bestehenden Teilen entstehen.

Claims

Patentanspruch:

Hartlot zum Löten von Titanlegierungen, bestehend aus 15 Gewichtsprozent Kupfer, 15 Gewichtsprozent Nickel, Rest Titan und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

IO