DE2004277A1 - Mehrlagiges Verbundwerkstück unähnlicher Metalle - Google Patents

Description

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IA-37

Beschreibung zu der Patentanmeldung

E.I. Du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware 1989Θ

U.S.A.

betreffend: Mehrlagiges Verbundwerkstück unähnlicher Metalle

Die Erfindung betrifft mehrlagige Verbundwerkstücke, z.B. Übergangsstücke, und deren Herstellung.

Hochfeste Werkstoffe auf der Basis von Aluminium, Titan und Zirkonium erlangen in der Kältetechnik, im Apparatebau, in der Kerntechnik, Ozeanologie und in der WeIträumtechnik in Verbindung mit hochfesten Werkstoffen auf der Basis von Nickel oder kubisch flächenzentriertem Eisen und im Falle von Werkstoffen auf der Basis von Titan und Zirkonium ebenfalls in Verbindung mit Werkstoffen auf Aluminiumbasis zunehmende Bedeutung. Bei diesen Kombinationen unähnlicher Metalle ist es oft wünschenswert, eine Verbindung mit überlegener struktureller Integrität oder Festigkeit zu haben. Es besteht also der Bedarf für Bauteile mit fester,duktiler metallurgischer Bindung, wie Anschluß- oder Übergangsstücke; für diese speziellen Zwecke müßte die metallurgische Bindung sowohl fest wie auch duktil sein und darüber hinaus noch eine überragende Schlagfestigkeit besitzen. Wo derartige Verbundwerkstoffe angewandt werden, z.B. als Übergangsstücke in der Hochdruck- oder Vakuum-

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technik muß die Verbindung auch frei von Mikrorissen und bei der Erstarrung gebildeten Einschlüssen oder Hohlräumen, die eventuell zu einer Leckage führen können, sein.

Alle Versuche,eine derartige metallurgische Bindung zwischen diesen Netallen direkt zu bekommen, war erfolglos, In erster Linie aus zwei Gründen: 1) Die genannten Werkstoffpaare bilden alle spröde Zwischenphasen, d.h. spröde Legierungen^ die Gemische und/oder intermetallische Verbindungen aus den Metallen der beiden verbundenen Partner bilden. Sie lassen sich k also nicht zufriedenstellend verbinden durch Bildung einer Legierung an der Berührungsfläche, z.B. durch Diffusion oder Schmelzen; 2) Ba es sich bei den Werkstoffen um hochfeste handelt, ist ihre plastische Verformung an der Zwischenfläche, die für eine gute direkte Metall-Metall-Bindung erforderlich ist, schwierig. Selbst die Sprengplattierung (USA-Patentschrift 3 397 444) führt nicht unbedingt zu Verbundwerkstoffen derartiger Metalle, deren metallurgische Bindung sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit und Schlagfestigkeit für die in Aussicht genommenen Anwendungsgebiete aufweisen.

Die Erfindung beruht nun darauf, daß derartige Kombinationen hochfester Werkstoffe mit Hilfe einer schmiedbaren Zwischen-™ schicht bestimmter Metalle verbunden werden können. Diese Zwischenschichten lassen sich auf jeden der zu verbindenden Partner vorsehen. Es können kalt hämmerbare oder verformbare Werkstoffe auf Basis Tantal oder Niob sein. Zwischenschichten von hämmerbaren Werkstoffen auf Basis Aluminium oder Titan können angewandt werden, vorausgesetzt daß sie nicht direkt I auf Eisen-oder Nickelwerkstoffe aufgetragen werden. Besteht einer der zu verbindenden Partner aus einem Werkstoff auf Basis Eisen oder Nickel, so wird er direkt auf die Tantaloder Niobzwischenschicht aufgebracht.

Die Erfindung betrifft nun in der Masse geformte (solid shaped)

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Bauteile ungleichartiger Werkstoffe hoher Festigkeit mit metallischer Bindung über eine hämmerbare oder kalt verformbare metallische Zwischenschicht, wobei eine der hochfesten Metallwerkstoffe Aluminium, kubisch flächenzentriertes (maraging) Eisen oder Nickel ist und der andere 'Partner Aluminium (wenn der erste Partner nicht ein Aluminiumwerkstoff ist), ein Werkstoff auf Basis Titan oder Zirkonium und die Zwischenschicht ein Werkstoff auf Basis Aluminium, Niob, Tantal und/oder Titan ist, vorausgesetzt, daß Wickel— oder Eisenwerkstoffe nicht metallisch gebunden werden mit Aluminium- oder Titanwerkstoffen.

Die zu verbindenden Partner sind "unähnlich", d.h. es sind Werkstoffe unterschiedlicher Metalle. Verbundwerkstoffe, bei denen die äußeren verbundenen Partner gleiche oder unterschiedliche Werkstoffe auf Aluminiumbasis sind, werden erfindungsgemäß nicht umfaßt. Wenn somit Werkstoffe auf der Basis von Aluminium, Titan, Zirkonium, Eisen, Nickel, Tantal oder Niob erwähnt werden, so bedeutet dies, daß das genannte Metall in dem Werkstoff den Hauptanteil darstellt. Die erfindungsgemäß angewandten Eisenwerkstoffe haben ein kubisch flächenzentriertes Gefüge oder sind ultrahochfesce Stähle.

Bei "hochfesten Werkstoffen" handelt es sich um Werkstoffe mit hoher Streckgrenze, also z.B. bei Aluminiumwerkstoffen mit einer Streckgrenze besser als 12,5 kg/mm^ vor der Verbindung, d.h., wenn der Metallpartner für die Bindung vorbereitet ist. Titan-und Zirkoniunwerkstoffe haben eine Streckgrenze besser als etwa 63 kg/mm'¹ vor der Verbindung, kubisch flächenzentrierte Eisenwerkstoffe etwa 35 kg/mm'¹ und liickelwerkstoffe in der gleichen Größenordnung. Die zu verbindenden Partner können jedoch auch selbst schon Verbundwerkstoffe sein, die jedoch sich Verformungshärten lassen, also in angelassenem Zustand um 50 >o kalt abgearbeitet werden können und die Streckgrenze über den genannten Werten liegt. Das Abarbeiten um 50 % kann z.B. durch Kaltwalzen von 6 mm auf 3 2^

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Stärke oder ein Recken bis die Blechstärke auf die Hälfte verringer ist, erfolgen. Wenn die oben erwähnten Verfahrensstufen mit dem in Rede stehenden Werkstoff vorgenommen wurden, so eignet sich dieser als hochfestes Material im Sinne der Erfindung. Angenommen es soll festgestellt werden, ob eine Schicht von teilweise gehärtetem Aluminium mit

einer Streckgrenze von etwa 11 kg/mm als hochfestes Aluminium bezeichnet werden kann. Da die Streckgrenze nicht über etwa

12,5 kg/mm liegt, wird die erste Forderung nicht erfüllt. Es muß also sein Verhalten beim Verformungshärten geprüft werden. Wird eine 6 mm Blechprobe dieses teilweise gehärteten Aluminiums angelassen und dann kaltgewalzt auf die halbe Materialstärke und dann die Streckgrenze wieder ermittelt, d.h. ohne Anlassen, so zeigt sich beispielsweise, daß diese nun 11,5 kg/mm ist und somit auch von diesem Werkstoff die zweite Forderung nicht erfüllt ist. Liegt Jedoch die gemessene Streckgrenze bei 14- kg/mm , so erfüllt dieser Werkstoff die zweite Forderung und kann im Sinne der Erfindung als hochfester Aluminiumwerkstoff bezeichnet werden. Es wird jedoch vorgezogen, daß jeder zu verbindende Partner

eine Streckgrenze nicht über etwa 125 kg/mm und eine Bruchdehnung von zumindest etwa 10 % (bei einem Prüfstab von 5 cm Länge) aufweist. Der Grund dafür ist die Schwierigkeit, die gewünschte Art und das Ausmaß der Verbindung zu erreichen, wenn die Partner höhere Streckgrenzen oder geringere Bruchdehnung aufweisen.

Es ist auch wichtig, daß die Werkstoffe der Zwischenschichten auf Basis Tantal, Niob, Aluminium oder Titan kalt verformbar sind (malleable), d.h. daß Niob-und Tantalwerkstoffe eine

Streckgrenze bis etwa 35 kg/mm und eine Bruchdehnung von zumindest 10 % vor der Verbindung aufweisen sollen. Die Werte für Aluminiumwerkstoff liegen bis etwa 12 kg/mm für die Streckgrenze, wobei nach einer 5O$feigen Kaltverformung des getemperten Werkstoffs die Streckgrenze nicht über diesen Wert

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ansteigt. Die Streckgrenze von Titanwerkstoffen soll bis

etwa 60 kg/mm betragen und zwar auch in verformungsgehärtetem Zustand, also nach einer Kaltverformung um 50 % in getempertem Zustand. Wird im folgenden von kalt verformbarem Tantal, Niob-, Aluminium oder Titan gesprochen, so wird darunter sowohl das reine Metall als auch Werkstoffe verstanden, in denen die genannten Metalle den Hauptanteil darstellen.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen flächigen Verbundwerkstoff nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen rohrförmigen Verbundmetalls;

Fig. 3 ist ein Querschnitt einer rohrförmigen Übergangsverbindung, die aus dem Verbundwerkstoff der Fig. 1 herausgearbeitet wurde.

Fig. 4 zeigt ein rohrförmiges Verbindungsteil, herausgearbeitet aus dem Verbundwerkstoff der Fig. 2.

Bei den Fig. 1 und 2 wurde der Verbundwerkstoff hergestellt aus dem einen Partner 1 aus hochfestem Aluminium-^ Titan- oder Zirkoniumwerkstoff und dem unähnlichen zweiten Partner 2 aus hochfestem Eisen-, Nickel- oder Aluminiumwerkstoff. Die Zwischenschicht 3 ist an die Partner Λ und 2 metallurgisch gebunden. Sie besteht aus kalt verformbarem Tantal, Niob, Nickel oder Titan unter Berücksichtigung der oben angegebenen Beschränkung der Anwendung von Aluminium und Titan. Der aus den Werkstoffen Λ bis 3 hergestellte Verbundwerkstoff hat eine Scherfestigkeit über 75 ^u/o von dem niedersten Wert vor der Verbindung und in der Lagecist^ die Verbindung an seinen beiden Bindungsflächen auch bei der Schlagbeanspruchung durch

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- 6 einen Meißel zu gewährleisten.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff wird normalerweise aus drei Schichten bestehen, nämlich zwei Partnerechichten und der Zwischenschicht. Es können jedoch auch zwei oder mehrere gleiche oder unterschiedliche Zwischenschichten zwischen mehreren Partnern vorgesehen werden, wieder unter Berücksichtigung der Beschränkung hinsichtlich der Anwendung von Aluminium und Titan für Zwischenschichten. Der Aufbau z.B. eines fünfschichtigen Werkstoffs ist dann wie folgt: fc Partner/Zwischenschicht/Partner/Zwischenschicht/Partner. In diesem Fall kann die mittlere Partnerschicht als Mittelschicht bezeichnet werden.

Kombinationen von unähnlichen Metallen für die beiden Partner sind beispielsweise: Aluminiumwerkstoff mit Nickel— oder kubisch flächenzentriertem Eisenwerkstoff; Titanwerkstoff mit Eisen-, Nickel- oder Aluminiumwerkstoffj Zirkoniumwerkstoff mit Eisen-, Nickel- oder Aluminiumwerkstoffj außer wie oben angegeben, ist die Zusammensetzung der Partner nicht wesentlich, da nur die Metalle des Hauptanteils die anfängliche Streckgrenze und ihr Verhalten beim Verformungshärten ihre direkte Verbindung über eine feste und duktile P metallurgische Bindung ausreichender Schlagfestigkeit nicht zulassen. Gewöhnlicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, enthält der zu verbindende Partner zumindest etwa 70 Gew.-% des genannten Grundmetalls. Ohne Rücksicht auf die spezielle Zusammensetzung der Partner ist das erfindungsgemäße Verbundmaterial duktiler und schlagfester als Verbundwerkstoffe, / deren beide Partner nach üblichen Verfahren direkt miteinander verbunden sind.

In folgender Tabelle sind Metallwerkstoffe zusammengestellt, die erfindungsgemäß als Partner 1 oder 2 der Fig. 1 und 2 dienen können. Es eignen sich jedoch besonders einige speziel-

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le üblicherweise angewandte Netalle jeder Gruppe. Venn der Partner 1 aus den Werkstoffen A ausgewählt ist, so ist der Partner 2 ein Werkstoff aue der Gruppe D oder E..Ist der Partner 1 jedoch ein Werkstoff aus der Gruppe B oder O₁ dann besteht der Bartner 2 aus einem Werkstoff der Gruppe E, F oder G.

TABELLE Bartner 1 Partner 2 A. Aluminiumwerkstoff, D. Eisenwerkstoffe, z.B. E.B. 2014, 2024, 2219, kubisch flächenzentrierter,

3005ι 500$, 5052, 5154, korrosionsbeständiger Stahl

5456, 5ΟΘ3, 50Θ6, 6061, . AISI 304, 316, 321, 410,

7039 und 7178 (Aluminium und "maraging" Stahl

Association designation ^ _{1IBI 25Q} ^ _3QQ B. Titanwerkstoffe, s.S. E. Nickelwerkstoffe, wie JUnN-B265-58X-Sorten 2 bis Nickel 200 (ASTM-B160-162)

4 (unleg.)* Sorte 5 (Ti- "Inoonel" 600 und 718 und

6A1-4T), Sorte 6 (Ti-5A1- "Hastelloy" B und C 2,5Sn) und Sorte 7 (Οϋ-βΜη)

0. Zirkoniumwerkstoffe, *.B. F. Aluminiumwerkstoffe von A ASBI-B351-353-67-Sorte Ba-1 UAd BA-2 (Zircaloj-2) ttmd tiroaloy 4

Sie Zwischenschicht besteht aus einer oder mehreren Lagen von kalt verformbarem Tantal, Niob, Aluminium oder Titan. Wie oben ausgeführt, sollte bei Anwendung von Titan oder Aluminium in einer Zwischenschicht dieses nicht direkt auf hochfeste Eisen- oder Nickelwerkstoffe gebunden werden. Ist Aluminium oder Titan die einzige Zwischenschicht, so soll es zwischen hochfestem fhii-irHnm und Titan oder Zirkonium gebunden werden. Handelt es sich jedoch bei einem der Partner um

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einen hochfesten Eisen- oder Nickelwerkstoff, so muß die Verbindung über eine Zwischenschicht aus Tantal oder Niob erfolgen. Diese Zwischenschicht kann ihrerseits wieder mit hochfesten Aluminium-, Titan- oder Zirkoniumwerkstoffen oder mit einer anderen Zwischenschicht verbunden werden.

Jede Lage der Zwischenschicht ist handelsüblich reines Tantal, Niob, Aluminium oder Titan oder deren Legierung, Jedenfalls vorausgesetzt, daß sie kalt verformbar sind; trotzdem grundsätzlich die Zwischenschicht aus mehreren Lagen bestehen kann, ist eine einzige Schicht normalerweise praktischer und wird daher bevorzugt. Jede Lage der Zwischenschicht besteht vorzugsweise aus einem Metall normaler handelsüblicher Reinheit (z.B. zumindest etwa 99 % des genannten Metalls) oder aus einer Legierung mit zumindest etwa 85 % des genannten Metalls, jedoch bevorzugt man im allgemeinen die handelsüblich reinen Metallschichten. Ohne Rücksicht auf die spezielle Zusammensetzung der Zwischenschicht hat der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff wesentlich bessere Bindung als zweischichtige Verbundwerkstoffe, in dawidie erfindungsgemäß angewandten Partner direkt miteinander verbunden sind.

Materialien handelsüblicher Reinheit für die Zwischenschicht sind u.a. Tantal handelsüblicher Reinheit, Niob handelsüblieher Reinheit, Niob mit 1Zr, ASTM B265-58T-Sorte 1 Ti sowie 1100, 1060, 1199 sowie Reinaluminium für die Elektrotechnik.

Alle metallurgischen Verbindungen der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe sind fest, duktil und schlagfest, wie aus zwei Untersuchungen, die beide bei Raumtemperatur durchgeführt worden sind, hervorgeht. 1) Die Scherfestigkeit des Verbundmaterials ist größer als etwa 75 % der weicheren Metallschicht vor dem Verbinden. Die Scherfestigkeit des verbundenen Materials wird nach ASTM-A264- ermittelt. Verbundwerkstoffe mit metallurgischen Bindungen größerer Scherfestigkeit als die der weicheren Metallschicht nach dem Ver-

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binden und damit Fehler durch Schereinwirkung in einer der Metallpartner, nicht jedoch in der Verbindung selbst,werden bevorzugt.

2) Die Verbundwerkstoffe sind hoch schlagfest. Dies geht dadurch hervor, daß keine ihrer Verbindungen durch Schlag mit einem Meißel beeinträchtigt werden' kann. Es zeigte sich, daß diese Untersuchungen die geeignetste Maßnahme zur Bestimmung der Integrität der Verbindung darstellt. Damit wird die Widerstandsfähigkeit der Verbindung gegenüber Bruch durch Schlageinwirkung bestimmt. Damit wird jedoch auch eine Verbindung erforderlich, die sowohl duktil ist als auch eine hohe Bruchfestigkeit besitzt. Die Meißelprüfung wird z.B. dadurch durchgeführt, daß ein Prüfkörper von dem Verbundwerkstoff geschnitten und dann hintereinander ein üblicher kalter Meißel in jede Verbindung mit ausreichender Kraft hineingetrieben wird, so daß der Meißel in das Metall eindringt und zwar in der Längsachse des Meißels wenn der Kraftvektor, der in der Bindungsebene liegt, geprüft werden soll. Die Schneidkante des Meißels soll länger sein als der Prüfkörper breit ist, so daß die ganze Probenbreite in der Verbindung getestet wird. Die Form des Meißels und die Art, wie dieser in die Probe getrieben wird, ist ohne Bedeutung. So kann man z.B. den Meißel durch wiederholtes Schlägen mit einem händisch bewegten Hammer vortreiben. Es kann sich bei dem Meißel um einen üblichen mit ν - förmiger Schneidkante, der einen Winkel von 65° einschließt,'handeln. Damit ein Verbundkörper diesen Versuch positiv übersteht, muß der Meißel die zu prüfende Verbindung nicht zu trennen vermögen. Dringt der Meißel jedoch in die Verbindung ein und ""hat der Prüf-

so·lassen sich korper diese Prüfung nicht bestanden_f/Bindungsfehler leicht feststellen, wenn die Schichten sich vollständig trennen oder aber vor dem Eindringen des Meißels sich trennen. In diesem Fall schreitet die Trennung mit eindringendem Meißel voran. · .. .

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Die Morphologie der metallurgischen Bindungen zwischen der Zwischenschicht und den zu verbindenden Partnern hängt von der Zusammensetzung und den relativen Streckgrenzen dieser Werkstoffe sowie auch der angewandten Verbindungsmethode ab. Im allgemeinen besteht zwischen der Zwischenschicht und einem Partner folgende Bindungsmöglichkeit: Partner-Legierung-Zwischenschicht oder direkte Bindung des Partners auf der Zwischenschicht oder auch beides, wenn die Legierungsbindung zwischen Bereichen einer direkten Verbindung verteilt ist. Direkte Bindung oder direkte Metall-Metall-Bindung bedeutet,

ψ daß die Werkstoffe miteinander metallurgisch verbunden sind an einer üblichen Zwischenfläche, ohne daß dazwischen eine Legierungsschicht vorliegt. Die bevorzugte Bindungsart, wie sie durch Anwendung von Sprengkraft erhalten wird, ist eine im wesentlichen gerade ununterbrochene Schicht einer duktilen, erstarrten Schmelze oder eine wellige Verbindung, die durch ein regelmäßiges Wellenmuster oder einen Wellenzug charakterisiert ist und zumindest etwa 70 % einer direkten Metall-Metall-Bindung aufweist, mit erstarrter Schmelze im wesentlichen gleichmäßig verteilt über periodisch und im Abstand voneinander liegenden Inseln innerhalb des Bereiches der direkten Verbindung. Diese gerade Verbindung über eine erstarrte Schmelze hat normalerweise eine Stärke von weniger als 8Oy¹¹¹J vorzugsweise weniger als etwa 40 λΛ Die wellige Bindung hat vorzugsweise zumindest 90 % direkte Bindung, insbesondere wenn die verfestigte Schmelze spröde Zwischenphasen aufweist. Der Mengenanteil der direkten Metall-Hetall-Bindung läßt sich ermitteln durch Ausmessen der Gesamtlänge der kontinuierlichen welligen Zwischenfläche und der Längen der kleinen ι Inseln von Bindung des Metalls an die erstarrte Schmelze in der Zwischenfläche. Die Differenz zwischen der Gesamtlänge der welligen Zwischenfläche und der Summe dieser Insellängen gebrochen durch die gesamte Länge der Zwischenfläche, ergibt den Prozentanteil der direkten Verbindung. Ohne Rücksicht auf die Art der Bindung sind die Verbundkörper vorzugsweise metallurgisch verbunden über zumindest etwa 90 % jeder Zwischen-

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4 ι ti

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- 11 -fläche.

Bilden die Metalle der Zwischenschicht und des Partners eine duktile Legierung, so läßt sich die Verbindung z.B. durch Walzschweißen und das Schutzgasschweißen, wie Reibungsschweißen, Lichtbogenstumpfschweißen oder mit Hilfe von ßprengkraftverbinden herstellen. Zum Unterschied von den anderen Verbindungsverfahren führt das Sprengstoffverbinden entweder «u einer welligen Bindung gekennzeichnet durch ein regelmäßiges welliges Muster oder zu einer ununterbrochenen erstarrten Schmelze, wobei die Schmelze im wesentlichen eine einheitliche Mischung der an der Verbindungszone vorliegenden Metall· ist. Gewisse Kombinationen von Partner und Zwischenschicht führen zu duktilen Legierungsbilidungen, da die Metalle eine beträchtliche gegenseitige Löslichkeit besitzen. Derartige Systeme sind Al/Al, Ti/Ti, Ti/Ta und Kb sowie Zr/Ta, Nb und Ti. Andere Metallkombinationen bilden Legierungen entsprechender Festigkeit und Schlagfestigkeit infolge Unterschiedin in ihren Schmelzpunkten, wodurch die Ausbildung einer beträchtlichen Menge an spröden Zwischenphasen verhindert wird, obzwar sie normalerweise diese Blasen Ausbilden würdenin ausreichenden Mengen, um eine Verbindung vollständig unbrauchbar zu machen. Solche Kombinationen sind Al/Ta und Al/Nb.

im obigen nicht genannten Kombinationen von Partner und Zwischenschicht, z.B. Al/Ti, Zr/Al, Ta und Nb/Fe und Ni bilden merkliche Mengen von spröden Zwischenphasen, folglich HuB die Verbindung zwischen diesen Systemen extrem dünn sein, d.h. weniger als etwa 1λ* betragen oder im Falle einer welligen. Verbindung zumindest 70 % direkte Bindung vorliegen. Letzteres wird bevorzugt. Beide Verbindungsarten können durch Sprengverbindung hergestellt werden.

Wie oben bereits angedeutet, werden Verbundmaterialien,her-

■■■-.,'■ -.■■'. " .. - 12 -

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gestellt mit Hilfe von Sprengkraft, bevorzugt. In diesen ist die Zwischenfläche zwischen Tantal- oder Niobzwischenschicht und Eisen- oder Nickelwerkstoff vorzugsweise wellig. Die Verbindung eines Partners aus Aluminium-, Titan- oder Zirkoniumwerkstoff und einer Zwischenschicht aus Tantal oder Niob führt normalerweise zu einer ununterbrochenen Schicht einer duktilen verfestigten Schmelze. Aluminiumzwischenschichten bilden wellige Verbindungen bei Aluminiumwerkstoffen, wobei die verfestigte Schmelze duktil ist. Aluminiumzwischenschichten ergeben auch wellige Verbindungen mit Titan- und Zirkoniumwerkstoffen, jedoch befinden sich dann in der Schmelzregion spröde Zwischenphasen. Dies gilt natürlich auch, wenn eine Titanzwischenschicht mit einem Aluminiumwerkstoff als Partner verbunden wird. Schließlich führt eine Aluminiumzwischenschicht bei Titan- und Zirkoniumwerkstoffen zu welligen Bindungen, die frei von spröden Zwischenphasen sind. Sprengverbindungen zeigen praktisch keine Diffusion, d.h. Diffusion kann normalerweise nicht festgestellt werden quer zur Zwischenfläche bei Prüfung mit einer Elektronensonde oder Mikroschliffen bei einer Auflösungsgrenze von 0,2/vn

Alle erfindungsgemäßen Kombinationen von Zwischenschicht und Partner zeigen eine Verbindung überragender Festigkeit und Schlagfestigkeit. Die Verbindungen sind praktisch frei von Fehlern aus der Erstarrung oder von Mikrorissen,wie sich aus der Tatsache ergibt, daß rohrförmige Verbundwerkstoffe nach der Erfindung eine Heliumdurchlässigkeit nicht mehr

—ft ^r

als 1 χ 10" atü . emv see besitzen, wenn eine Zwischenschicht in einer Ebene senkrecht zu der Rohrachse (Fig. 3) liegt, und die Wandstärke bei der Verbindung 2,5 mm beträgt.

Da schließlich jede spröde Zwischenphase in der Bindung durch direkte Verbindung isoliert ist, sind die Bindungen

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in der Lage, schwere Beanspruchungen auf Schlag, Schwingung und Temperaturwechsel ohne Ausbildung von Mikrorissen und anderen Fehlern zu widerstehen. Trotz allem werden "bestimmte Zwischenschichten und Partner für besondere Gebiete bevorzugt. '

Kalt verformbares Tantal und Niob führen zu Bindungen überragender Festigkeit, Schlagfestigkeit und Fehlerfreiheit hinsichtlich Mikrorissen und Erstarrungsfehlern, wenn sie erfindungsgemäß mit Partnern verbunden sind, so daß diese Zwischenschichten bevorzugt werden, wenn ein Optimum an Festigkeit, Dnktilität und Gasdichtigkeit angestrebt werden. Tantal und Niob besitzen auch bei diesen Temperaturen eine sehr gute Duktilität und gestatten daher ihre Anwendung auch in der Kältetechnik. Tantal besitzt keine spröd-duktile Übergangstemperatur. Bei Niob liegt diese bei etwa -13O⁰O* Venn mit Hilfe, von Sprengkraft ein Nickelwerkstoff und ein kubisch flächenzentrierter Eisenwerkstoff mit Tantal oder Niob verbunden werden, so bildet sich eine wellige Verbindung extrem kleiner Schmelztaschen bei einem hohen Anteil an direkter Bindung. Diese Zwischenschichten führen mit Aluminium-, Titan- oder Zirkoniumwerkstoffen zu dünnen und ununterbrochenen Verbindungen aus erstarrter Schmelze überragender mechanischer Eigenschaften.

Was die bevorzugten Paare von zu verbindenden Partnern anbelangt, so werden hochfeste Aluminium-, Titan— oder Zirkoniumwerkstoffe zusammen mit Eisen- oder Nickelwerkstoffen besonders geschätzt in der Hochdruck- und Vakuumtechnik in korrosiver Umgebung. Hochfestes Zirkonium mit hochfestem korrosionsbeständigem Stahl eignet sich ganz besonders für die .Anwendung in Kernreaktoren. Kombinationen von Partnern/ hochfester Titan- oder Aluminiumwerkstoffen an der einen Seite und hochfestem austenitischen oder martensitischen korrosionsbeständigen Stahl auf der anderen Seite.¹ sind be-

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sonders für die Kältetechnik anwendbar, wenn sie über eine Zwischenschicht mit der erforderlichen KaltZähigkeit verbunden sind. Ist zwischen dfesen Partnern die Zwischenschicht Tantal, so zeigen die Verbundwerkstoffe überragende Eigenschaften über das ganze Gebiet der Kältetechnik, d.i. zwischen etwa -100 bis -268⁰O. Aus diesen Produkten werden besonders hochwertige Übergangsstücke und Verbindungsbauteile für die Kältetechnik hergestellt.

Sprengverbundwerkstoffe, hergestellt im Sinne der USA-Patentschrift 3 397 444 sind ein spezielles Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die drei oder mehr zu verbindenden Partner können in einer Verfahrensstufe hergestellt werden, z.B. indem die einzelnen Schichten in dem erforderlichen Abstand voneinander angeordnet und vorzugs weise zueinander im wesentlichen parallel sind und die Spreng stoff schicht, die sich auf einer der äußeren Flächen eines Partners befindet, so gezündet wird, daß die Metallschichten mit der gewünschten Geschwindigkeit aufeinander aufschlagen. Andererseits kann es wünschenswert sein, die Metallpartner in getrennten Verfahrensstufen zu verbinden, z.B. wenn die Anwendung unterschiedlicher Kollisionsgeschwindigkeiten für die Verbindung von sehr ungleichen Werkstoffen nötig ist. Die Entscheidung, welches Schichtpaar zuerst verbunden wird und welche Schicht mit Hilfe von Sprengkraft auf das andere Material aufgetrieben werden soll, hängt weitgehend von den relativen Massen der zu verbindenden Metallschichten ab. Wird z.B. ein Verbundwerkstoff aus Aluminiumlegierung, Tantal und korrosionsbeständigem Stahl oder Titanlegierung, Tantal und korrosionsbeständigem Stahl hergestellt, so ist die Tantalmasse geringer als die der anderen Partner und die Kombination Aluminium-Tantal bzw. Titan-Tantal hat eine geringere Masse als der Stahlpartner. Man kann also zuerst die Tantalschicht auf den Aluminium- bzw. Titanwerkstoff auf-

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- 15 -bringen und dann das zweischichtige Material mit Tantal auf der Innenseite auf den korrosionsbeständigen Stahl binden. Es ist jedoch auch möglich, zuerst das Tantal auf den korrosionsbeständigen Stahl aufzuplattieren, woraufhin der Aluminium- bzw. Titanwerkstoff auf die Tantalfläche des zweischichtigen Materials gebunden wird. Wenn die Zwischenschicht keine spröden Zwischenphasen mit einem der Partner zu bilden vermag, dies jedoch mit dem anderen tut, so wird man zuerst ein zweischichtiges Verbundmaterial durch Walzplattieren oder Diffusionsplattieren herstellen, welches dann mit dem zweiten Partner mit Hilfe von Sprengkraft verbunden wird oder umgekehrt, so daß schließlich ein erfindungsgemäßer mehrschichtiger Verbundwerkstoff entsteht.

Kollisionsgesohwindigkeiten unter etwa 2 500 m/sec werden bevorzugt, um den erforderlichen Typus der Verbindung zu gewährleisten. Um Zwischenschichten aneinander oder auf hochfeste Aluminium-, Titan- oder Zirkoniumwerkstoffe zu binden, bevorzugt man insbesondere Kollisionsgeschwindigkeiten von etwa 2 000 bis 2 MQQ m/sec. Besonders bevorzugt werden Kollisionsgeschwindigkeiten für Tantal·- und Niobzwischeneohichten auf Eisen- oder Nickelwerkstoffe von etwa 1 bis 1 βΟΟνία/ββο.

Die Auf schlag- oder Kollisionswinkel zwischen etwa 10 und werden im allgemeinen bevorzugt für die Bindung der Zwischenschicht auf Nickel- oder Eisenwerkstoffe und für die anderen Werkstoffe etwa 8 bis 12°.

Beim Sprengplattieren werden an allen Kanten der aufzuplattierenden Schicht vorzugsweise Verlängerungen befestigt, wenn diiffPagtoeu eine Stärke von mehr als 5 mm besitzen. Dies gewährleistet in hohem Maße die Verbindung und entsprechenden Morphologie der Bindung an der Zündungsstelle des

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Sprengmittels auf dem Plattierungspartner. Diese Verlängerungsstücke haben normalerweise etwa die gleiche Dichte und Dicke wie die Plattierungsschicht. Am Zündende haben sie insbesondere eine Breite entsprechend etwa der 6- bis 8-fachen Dicke des Plattierungsblechs und werden normalerweise an diesem durch kontinuierliches Stumpfschweißen befestigt. Verlängerungsstücke der anderen drei Kanten haben eine Breite von etwa 2-bis 4fachen Dicke des Plattierungsblechs und werden an diesem üblicherweise durch Heftschweißung befestigt. Alle Verlängerungsstücke werden während der Verbindung entfernt. Werden über die Kanten Verlängerungsstücke angewandt, so sollte die Sprengstoffschicht dieselbe Länge und Breite wie das Plattierungsblech einschließlich der Verlängerungsstücke besitzen.

Die relativen' Stärken der Schichten in dem Verbundwerkstoff können im Hinblick auf den Anwendungszweck variiert werden. Da es im allgemeinen wünschenswert ist, daß der Verbundwerkstoff soweit wie möglich die Eigenschaften der Partner beibehält, so wird man im allgemeinen die Zwischenschicht nicht dicker wählen als dies für die gewünschte Verbindung erforderlich ist. Allgemein gesprochen wird die Schichtstärke der Zwischenschicht etwa 0,5 bis 2,5 mm ausmachen. Zumindest einer, im allgemeinen jedoch beide der Partner sollte stärker als die Zwischenschicht sein. Die Stärke der Partner und die Gesamtstärke des Verbundwerkstoffs sind keine Grenzen. Größere Anteile an Sprengstoff werden für die Verarbeitung dickerer Partner eines gegebenen Metalls benötigt. Wird jedoch mehr Sprengstoff benötigt, als zu handhaben sind für die Verbindung einer Schicht der gewünschten Stärke, so kann man den einen Partner in mehr als einer Bindungsstufe aufbringen, so daß in dem Verbundwerkstoff der eine Partner selbst ein Laminat ist.

Der Verbundwerkstoff kann jede gewünschte Form besitzen. Im all-

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gemeinen wird es sich dabei um Platten oder Bleche handeln, um ebene Verbundwerkstoffe im Sinne der Fig. 1 oder auch zylindrische, wie Rohre, im Sinne der Fig. 2 zu erhalten. Eine große Anzahl von Bauteilen und Formen läßt sich durch ■Herausarbeiten dieser Teile aus den in Fig. 1 und 2 gezeigten Rohlingen herstellen . (s. hierzu Fig. 3 oder 4).

Bei der Fig. 3 handelt es sich um ein rohrförmiges Verbindungsstück nach der Erfindung, welches aus dem flächigen Rohling ähnlich Fig. 1 herausgearbeitet wurde. Das Übergangsstück enthält die Partner 1 und 2 der ungleichen Metalle, die an den Stoßstellen über die ringförmige Zwischenschicht 3 verbunden sind. Normalerweise haben die beiden Partner und die Zwischenschicht im wesentlichen die gleiche lichte Weite. Rohrförmige Zwischenstücke werden vorzugsweise mit einem ringförmigen Flansch oder einer Schulter 5 versehen, die über die Partner 1, 2 und die Zwischenschicht 3 reicht.· Derartige Verbindungsstücke sind gerade in der Verbindungszone verstärkt. In der Praxis wird man dann das freie Ende des Rohrs 1 an ein Rohr gleichen Metalls und das freie Ende des Rohrs 2 an ein Rohr gleicher Zusammensetzung verschweißen, wodurch sich das gewünschte Rohrsystem aufbauen läßt.

Fig. 4 zeigt nun eine andere Ausführungsform eines Übergangsstücks nach der Erfindung. Hier wird der Rohling der Fig. 2 durch den äußeren Partner 1 und die Zwischenschicht 3 abgearbeitet, wodurch man eine ringförmige Manschette 6 über das Rohr 2 erhält. Derartige Bauteile eignen sich z.B. für Durchführungen von Rohren durch die Wand eines Reaktionsgefäßes. Ist beispielsweise das Rohrsystem aus korrosionsbeständigem Stahl und soll durch oder in ein Titangefäß eingeführt werden, so wird man ein Stück herstellen, bei dem das Röhr 2 aus korrosionsbeständigem Stahl und die Manschette 6 aus Titan ist. In das Reaktionsgefäß wird nun eine Bohrung etwas größeren Durchmessers als die Manschette eingearbeitet. Die Durchführung in diese Bohrung wird eingesetzt und die Manschette mit der

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Gefäßwand verschweißt. Dadurch erhält man eine Durchführung in Form des Rohres 2 durch die Gefäßwand. Das äußere Ende des Rohrs 2 kann dann mit dem Rohrsystem gleicher Zusammensetzung verbunden werden. Selbstverständlich kann gegebenenfalls auch das innere Ende des Rohrs 2 verschweißt werden. Braucht nur ein Ende des Rohres 2 eine verechweißbare Zwischenfläche, so kann sich die Manschette 6 über das andere Ende des Rohrs 2 erstrecken, d.h. die Schichten 1 und 3 brauchen nur auf einem Ende bis auf die Schicht 2 abgearbeitet sein.

Die Erfindung wird weiter an folgenden Beispielen erläutert, in denen die Partner Metallplatten oder Bleche in einer Größe 30 χ 60 cm waren. Für die Plattierung wurden die Bleche oder Platten im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnet. An den Zündkanten wurden jeweils durch kontinuierliches Stumpfschweißen und an den restlichen Kanten durch Heften Verlängerungsstücke am Plattierungsblech befestigt. Das Sprengmittel war ein gleichmäßiges Gemisch von 4-5 bis 65 Gew.-% körnigem Amatol (80 % Ammoniumnitrat und 20 % Trinitrotoluol) und 35 bis ^ % Natriumchlorid. Die genauen Mengen werden eingestellt auf d die gewünschte Detonatxonsgeschwindigkeit -aad. Die Detonationsgeschwindigkeit ist die gleiche wie die Kollisionsgeschwindigkeit. Die Sprengladung enthält das Gewicht an Kochsalz. Die Sprengstoffschicht wird an der Außenfläche einer der Bleche oder Platten angebracht und in der Mitte der kürzeren Kante an einem Punkt gezündet.

Die nach den Beispielen erhaltenen Verbundwerkstoffe haben eine Eigenschaft mit anderen sprenggebundenen Verbundwerk- ⁱ stoffen gemein, nämlich sie zeigen eine plastische Verformung, lokalisiert in dem Metall anliegend an jede, durch Sprengkraft gebundene Zwischenfläche, d.h. bei mit Sprengkraft gebundenen hochfesten Metallen lokalisiert an die Zwischenschicht in einer Direktion im wesentlichen parallel zu der Zwischenfläche.

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Der Heiße! sur Bestimmung der Bindungsqualität hat eine V-förmige Schneidkante, die einen Winkel von 65° einschließt. Die Scherfestigkeit wird entsprechend ASTH-A264 ermittelt. Die Untersuchungen auf Mikrorisse und Fehler durch die Erstarrung wird dadurch vorgenommen, daß aus dem plattierten Material eifi rohrförmiges Übergangsstück im Sinne der Fig. 3 mit Verstärkungsflansch 5 einer Wandstärke von 2,5 mm herausgearbeitet und an diesem Bauteil die Heliumdurchlässigkeit bestimmt wird. Kein Bauteil verlor mehr Helium als 1 χ 10" atü · cnr/sec.

B e i s ρ i el 1

Tantal (A) Plat tierungsblech:/0,75 mm stark, handelsübliche Qualität,

Streckgrenze 22,5 kg/mm j ·

Tlnter-ischicht: Aluminiumlegierung, Spezifikation 5083-0, 19 mm dick, Streckgrenze 15 kg/mm ; Sprengladung: 32 kg/m , Kollisionsgeschwindigkeit 2 190 m/sec, Auiscblagwinkel 11°$ Abstand der Platten 2,3 mm.

(B) Verlängerungsstücke t 19 mm stark. Aus stranggepreßtem Aluminium wurden an allen vier Kanten des Al/Ta-Laminats aus (A) fixiert und zwar an der Zündkante etwa 15 cm breit und an den restlichen Kanten etv/a 5 cm. *

Grundwerkstoff korrosionsbeständiger Stahl, Spezifikation 304L, 19 mm dick« Streckgrenze 22,5 kg/mm², nach 50 # KaItverformung $5 kg/mm .

Die Tantalfläche des I»aminats wurde der Stahlfläche zugekehrt und auf die Aluminiumfläche die Sprengstoff schicht aufgetragen. Abstand 2,5 cm.

Ladungsgewicht 93 kg/m _% Kollisionsgeschwindigkeit 1 640 m/sec, -- Auf schlagwinkel 14°.

../ Del? so hergestellte Verbundwerkstoff war zu über 95 # an jeder '-..'■ ■' ■ ■ · '■ ' - 2Q - .

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ORlQIMAt INSPECTED

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Zwischenflache gebunden. Die Verbindung Tantal-Stahl war wellig und enthielt 87 % direkte Tantal-Stahl-Bindungι Rest verfestigte Schmelze in gleichmäßig verteilten Inseln. Die Aluminium-Tantal-Bindung war eine gerade Lage einer duktilen Legierung mit weniger als 16λ»ιDicke,der Verbundwerkstoff ließ sich mit Hilfe eines Meißels bei Raumtemperatur und bei -195°0 nicht trennen, d.h. die Verbindung ist schlagfest selbst bei so tiefen Temperaturen, wie sie in der Kältetechnik auftreten. Die Zugfestigkeit der Bindung

ο
lag über 40 kg/mm ,durch Scher- und Zugbeanspruchung kommt et im Aluminium, nicht Jedoch in den Zwischenflächen, zu Bruch.

Die Kaltzähigkeit dieser Verbundwerkstoffe macht sie besonders für die Anwendung bei sehr tiefen Temperaturen geeignet, z.B. als dichte Anschluß- oder Verbindungsstücke, um Rohre und Fittings aus korrosionsbeständigem Stahl mit dem Aluminiumgehäuse eines Dewar-Gefäßes für Transport und Lagerung von kryogenen Flüssigkeiten zu verbinden. Ein Rohr, wie in Fig. 2 gezeigt, mit 1,25 cm Außendurchmesser und einer Wandstärke von 1,25 mm wurde aus dem dreischichtigen Verbundkörper herausgearbeitet, und auf die Heliumdurchlässigkeit

—10 geprüft. Diese überstieg nicht den Wert von 1 χ 10 atü see.

Rohrförmige Verbindungsstücke, wie sie z.B. in Fig. 3 gezeigt sind, können im Rahmen von Dewar-Gefäßen angewandt und mit ihrem Stahlteil an den Stahlteil der Installation angeschweißt werden. Das Anschlußstück kann auch als Verteiler ausgebildet sein, wobei die Fittings dann aus Stahl sind. Für diesen Zweck wird aus dem dreischichtigen Verbundwerkstoff ein Ring herausgearbeitet und eine Kappe aus korrosionsbeständigem Stahl, durch die alle Stahlrohre reichen, mit dem Stahlteil des Ringes verschweißt. In allen Fällen wird der Aluminiumteil dann mit dem Aluminiumgehäuse verschweißt.

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- 21 Beispiel 2 ·

Beispiel 1 wird wiederholt mit Ausnahme, daß anstelle der Platte aus korrosionsbeständigem Stahl hier eine ähnliche Platte aus Inconel, Spezifikation 718, Streckgrenze 51 kg/mm , zur Anwendung gelangte. Die Tantalzwischenschicht wurde auf die Inconel-Schicht zu mehr als 90 % der Zwischenfläche gebunden. Sie ließ sich weder mit Hilfe eines Meißels von ihr abheben, noch kam es zu Bruch der Aluminiums'chicht-bei Beanspruchung auf Scher- und Zugfestigkeit. Die Morphologie der Tantal-Ineonel-Bindung ist praktisch die gleiche wie die Tantal mit korrosionsbeständigem Stahl des Beispiels 1. Inconel ist eine NickelsOnderlegierung, deren' Hauptlegierungselemente Chrom und Eisen sind und gegebenenfalls noch Kobalt und Niob vorliegen können.

Beispiel 3

Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch anstelle des Tantalblechs als Zwischenschicht ein Blech aus, Niob, Spezifikation ASTM B393-64, Type 2, Streckgrenze 21 kg/mm und ein Ladungsgewicht von 23 kg/m angewandt. Das zweischichtige Laminat wurde dann mit dem korrosionsbeständigem Stahl im Sinne des Beispiels 1 verbunden. Die Verbindung des Verbundwerkstoffs an jeder Zwischenfläche betrug mehr als etwa 96 %. Ein Auftrennen mit einem Meißel war nicht möglich. Bruch unter Belastung auf Scher und Zug erfolgte in der Aluminiumschicht. Die Verbindung zwischen Aluminium und Niob war " eine ununterbrochene duktile aluminiumreiche verfestigte Schmelze .in einer Stärke von weniger als 40/ufl Die Verbindung von Niob und Stahl war eine wellige mit 92 % direkte Mob-Stahl-Bindung.

Be is ρ i e l· 4

Es wurde ein Aluminiumlaminat 5083-0/1060 hergestellt durch

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Aufwalzen eines Blechs 1,25 inm der Spezifikation 1060 auf ein Blech 17,75 mm der Spezifikation 5083-0 anstelle der in Beispiel 1 genannten Aluminiumschicht mit der Seite des Aluminiumblechs 1060 an Tantal als Zwischenfläche verbunden. Der Verbundwerkstoff enthielt also als Zwischenschicht sowohl verformbares Aluminium als auch Tantal. Die metallurgische Verbindung betrug mehr als 90 % an jeder Zwischenfläche und ließ sich mit einem Meißel nicht trennen. Bei Zug- oder Scherbelastung erfolgte der Bruch in der Aluminiumzwischenschicht. Die Bindungsmorphologie war ähnlich der des Beispiels 1.

Beispiel 5

Das Tantalblech des Beispiels 1 wurde gleichzeitig an der einen Seite mit einer Aluminiumlegierung 19 mm Stärke, Spezifikation 6061-T6, Streckgrenze 28 kg/mm und auf der anderen Seite korrosionsbeständigem Stahl des Beispiels 1 verbunden. Es wurden hier auch die in Beispiel 1 genannten Verlängerungsstücke an -jeder Aluminiumschicht befestigt. Das Sprengmittel wurde auf der Außenfläche des Aluminiums aufge-

o
legt, Ladungsgewicht 73 kg/m , Abstand zwischen Aluminium und Tantal 3 mm und zwischen Tantal und Stahl 16 mm. Kollisionsgeschwindigkeit 2 310 m/sec, Aufschlagwinkel 9,5° zwischen Aluminium und Tantal und 7j6° zwischen Tantal und Stahl.

Die metallurgische Verbindung war in jeder Zwischenfläche mehr als 90 % und konnte nirgends mit Hilfe eines Meißels getrennt werden. Die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs in / verbundenem Zustand und mit den Bindungen unter Zug betrug 34,9 kg/mm . In der Bindungszone Aluminium/Tantal lag ein 34/umdickes Band aus duktiler aluminiumreicher Legierung an der das Aluminium-und das Tantalblech gebunden waren, vor. Scherbruch tritt in der Aluminiumschicht auf. Die Tantal-Stahl-Bindung ist wellig mit isolierten Taschen von Schmelze und

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- 23 -85 % direkter Bindung»

B eis Pi el 6

(A.) Ein Tantalblech des Beispiels 1 wurde auf einer 1,25 cm Hatte Ti-6A1-4V (Streckgrenze 84 kg/mm²) unter Einhaltung eines Abstände von 2,3 nun mit Hilfe einer Sprengladung auf d·» Tantalblech von 27 kg/m verbunden. Kollisionsgeschwin-2 ^βάπ/ββο, Aufschlagwinkel 1O^Q.

(B) Es wurden an allen Kanten des Ulitan-Tantal-Laminats 1*25 cm starke Verlängerungsstücke aus handelsüblichem Titan fixiert und zwar an der Zündkante in einer Breite von 8,8 cm und an den restlichen Kanten von 5 cm. Das Laminat wurde auf eine Stahlplatte nach Beispiel 1, 1,25 mm stark, gebunden, wobei das Stprengmittel auf der Titanfläche aufgebracht und die Tantalfläche der Stahlfläche zugekehrt war. Ladungsgewicht 108 kg/m , Abstand 16 mm,- Kollisbnsgeschwindig-1 800 m/sec, Aufschlagwinkel 12°.

An Jeder Zwischenfläche des Verbundwerkstoffs betrug die Verbindung mehr als etwa 90 % und ließ sich durch einen Heifiel nicht trennen. Bruch durch Scher- oder Zugbeanspruchung erfolgte in der Tantalschicht. Die Titan-Tantal-Bindung ist eine ununterbrochene Schicht einer 1 bis 3 λ»starken,duktilen, verfestigten- Schmelze, die Verbindung Tantal-Stahl ist wellig etwa 93 % direkter Bindung.

diese« Verbundwerkstoff wurden rohrförmige Verbindungsstücke, 1,25 ca Außendurchmesser, 1,25 mm Wandstärke, herausgearbeitet. Es hielt einen Heliumdruck von 840 atü ohne Fehler aus. Die Permeabilität für Helium betrug nicht mehr als 1,χ 10 cm*/sec, wenn außerhalb des Verbindungsstüökes ein Heliumdruck von 225 atü herrschte. ^;

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Beispiel 7

Es wurde das Beispiel 6 wiederholt, jedoch hier anstelle der Tantalschicht als Zwischenlage ein Niobblech, 1,25 mm, ange-

wandt. Ladungsgewicht 22 kg/m , dieses Laminat war mehr als 94 % metallurgisch gebunden, konnte mit Hilfe eines Meißels nicht aufgespalten werden,unter Scher- und Zugbelastung führte die Niobzwischenschicht zu Bruch. Die Titan-Niob-Verbindung war eine ununterbrochene, weniger als 3/U. starke Schicht aus duktiler verfestigter Schmelze. Die Verbindung Niob-Stahl war wellig mit 92 % direkter Bindung.

Beispiel 8

Beispiel 6 wurde wiederholt, jedoch hier anstelle des korrosionsbeständigen Stahl eine Stahlplatte AISI 250 mit einer Streck-

grenze von 7Λ ,40 kg/mm angewandt. Man erhielt einen Verbundwerkstoff des Stahls und der Titanlegierung Ti-6A1-4V mit Tantalzwischenschicht.

Beispiel 9

Beispiel 6 wurde wiederholt, jedoch hier eine Zircaloy-2-Platte (Streckgrenze 22,5 kg/mm \ nach 50%iger Kaltverformung

6J kg/mm ^anstelle der Titanlegierung angewandt. In diesem Jail wurden Verlängerungsstücke aus handelsüblichem Zirkonium für die Plattierung mit dem korrosionsbeständigen Stahl verwendet. Die Verbindung der Tantalzwischenschicht mit der Zircaloy-2-Schicht erfolgte über 95 %. Mit Meißel ließen sich die Schichten nicht trennen, unter Scher- und Zugbelastung tritt in der Tantalschicht Bruch ein. Die Morphologie der Verbindung Tantal-korrosionsbeständiger Stahl entspricht der des Beispiels 6.

Beispiel 10

■ '..:■;■■ i'.t,' '

Beispiel 9 wurde wiederholt, jedoch ein Hiobblech des Beispiels

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2 anstatt Tantal zusammen mit Zircaloy-2 und korrosionsbeständigem Stahl, Spezifikation 304-L angewandt.

Beispiel 11

Beispiel 6 wurde wieLerhoit, jedoch anstelle der Stahlschicht ein "Hastelloy-Blech B" Streckgrenze 39 kg/mm² angewandt. Hastelloy ist ebenfalls eine Nickelsonderlegierung, die als wesentliche Legierungselemente Molybdän und gegebenenfalls Chrom, Eisen und Mangan enthält. Der Verbundwerkstoff war zu mehr als 98 % an jeder Zwischenfläche verbunden, konnte mit einem Meißel nicht aufgetrennt werden. Bei Belastung auf Scher- und Zugspannkraft erfolgte der Bruch in der Tantalschicht. Die Tantal-Hastelloy-Verbindung war wellig und enthielt 88 % direkte Bindung.

B ei s ρ i e 1 12 '

Beispiel 11 wurde wiederholt, jedoch anstelle des _t Tantalbleches das Niobblech des Beispiels 3 angewandt. Man erhielt einen Verbundwerkstoff der Titan-- und der Nickellegierung über die Niobzwischenschicht.

Beispiel 13

A) Ein Tantalblech, Spezifikation 35A (ASTM B265-58T-Gräde 1) Stärke 0,75 mm, Streckgrenze 22,5.kg/mm wurde auf eine Blatte aus Aluminiumlegierung, Spezifikation 5456-H321, Stärke 19 mm, Streckgrenze 27 kg/mm mit Hilfe von Sprengkraft plattiert, wobei sich das Sprengmittel auf dem Titanblech befand. Ladungsgewicht 32 kg/m,Bindungsabstand 1,5 mm, Kollosionsgeschwindigkeit 2240 m/sec, Aufschlagwinkel 12°.

B) An allen 4 Kanten des Laminats aus A) wurden stranggepresste Aluminiumstäbe 10 ram befestigt und zwar an der Zündkante, Breite 14 cm, an den anderen Kanten etwa 7,5 cm.

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Das Laminat wurde nun auf ein Blech einer Titanlegierung Ti-5Al-2,5Sn, Dicke 10 mm, Streckgrenze 30,5 mm plattiert, wobei sich das Sprengmittel auf der Aluminiumfläche befand. Ladungsgewicht 93 kg/m², Abstand 2,5 cm, Kollosionsgeschindigkeit 2400 m/sec, Aufschlagwinkel l4°.

Der Verbundwerkstoff war an jeder Zwischenfläche zu mehr als etwa 98 % verbunden. Die Verbindung Titan-Aluminium war gleichmäßig wellig und enthielt 90 % einer direkten Verbindung von Titan und Aluminium. Der Rest waren gleichmäßig verteilt-e Inseln aus verfestigter Schmelze. Die Verbindung Titan/Titan war praktisch gerade mit gelegentlichen isolierten Schmelzeinschlüssen. Der Verbundkörper ließ sich nicht mit dem Meißel trennen. Er hatte eine Zugfestigkeit nach dem Verbinden und

2
die Bindung unter Zug von 36 kg/mm , Bruch durch Scher- und Zugbelastung findet in der Aluminiumschicht statt.

Beispiel 14

Beispiel 13 wurde wiederholt, jedoch anstelle der Titanzwischensicht ein Aluminiumblech, Spezifikation 1100-0, angewendet, Ladungsgewicht für die Herstellung des Laminats 22 kg/m . Die metallurgische Bindung an jeder Fläche des Verbundwerkstoffs betrug mehr als 90 %, ließ sich nicht mit dem Meißel trennen und es war die Aluminiumzwischensicht, die bei Beanspruchung von Zug- und Scherwirkung zu Bruch führt. Die Verbindung Aluminium/Aluminium ist gleichmäßig wellig, enthält eine direkte Bindung von 91 %· Die Verbindung Aluminium/Titan ist gleichmäßig wellig und enthält eine direkte Bindung von etwa 83 %·

Bei den "maraging steels" oder ultrahochfesten Stählen handelt es sich um martensitische Stähle, die gealtert wurden (siehe "Modem Materials" Advances in Development und Applications, Band 4, 1964, Seite 367 und 368).

Pat entansprüche

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Claims (2)

IA-37 ' Pa t e nt a η a ρ r ü c h e

1. Verbundwerkstoff von unähnlichen Metallen über eine metallische Zwischenschicht^ dadurch gekennzei chnet, daß die unähnlichen Metalle solche hoher Festigkeit sind, eines dieser Metalle ein Aluminium-, Eisen-oder Nickelwerkstoff und der andere ein Titan- oder Zirkoniumwerkstoff ist und-wenn der eine Werkstoff nicht ein Aluminiumwerkstoff ist.-Aluminiumwerkstoff, wobei diese unähnlichen Metalle über die metallische Zwischenschicht metallisch gebunden sind, welche kalt verformbar und ein Aluminium-, Niob-, Tantal und/oder Titanwerkstoff ist, unter der Voraussetzung, daß im Falle eines Eisen- oder NickelwerkStoffs die metallurgische Verbindung nur über einen Tantal- oder Nlobwerkstoff (nicht jedoch über einen Aluminium- oder Titanwerkstoff) erfolgt.

2. Verfahren zur Herstellung der Verbundwerkstoffe nach Anspruch I₁ dadurch g e k e η η ze lehn e t , daß die Zwischenschicht metallurgisch mit einem oder beiden der unähnlichen Metalle mit Hilfe von Sprengkraft verbunden wird.

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L e e r s e i t e