DE3130765A1

DE3130765A1 - Festkoerperschweissverfahren zum herstellen eines verbundkoerpers aus metall und keramik sowie festkoerpergeschweisster verbundkoerper aus einem metallteil und einem keramikteil

Info

Publication number: DE3130765A1
Application number: DE19813130765
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Diem; Gerhard Dipl.-Ing. Dr. Elßner
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1981-08-04
Filing date: 1981-08-04
Publication date: 1983-02-24
Also published as: JPS5849672A; US4470537A

Description

15. Juli 1«81 P 8588 - dls

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V., 3400 Göttingen.

Festkörperschweißverfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus Metall und Keramik sowie festkörpergeschv ^" fiter Verbundkörper aus einem Metallteil und einem Keramikteil

Die Erfindung betrifft ein Pestkörperschweißverfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus Metall und Keramik, bei dem ein Metallteil und ein Keramikteil mit ihren zu verbindenden Oberflächen gegebenenfalls unter mit Bezug auf Atmosphärendruck erhöhtem Druck gegeneinander gehalten und einer unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls und der Keramik liegenden Schweißtemperatur ausgesetzt werden, bei der sich durch .Diffusion und/oder chemische Reaktionen die beiden Oberflächen unter Ausbildung einer Zwischenschicht miteinander verbinden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen festkörpergeschweißten Verbundkörper aus einem Metallteil und einem Keramikteil.

Auf den verschiedensten Gebieten der Technik ist es erforderlich, aus Metall bestehende Teile kraftschlüssig mit Keramikteilen zu verbinden. Nur beispielhaft sei der Gasturbinenbau, die Solartechnik, die künstliche Herstellung von Zähnen, die Hochtemperaturelektrolyse oder die Fertigung von Keramikpanzerungen erwähnt. Zu diesem Zwecke kann man das eingangs genannte Schweißverfahren verwenden. Auf diese Weise erhält man zwar bei der Schweißtemperatur eine feste Verbindung, die Praxis hat jedoch gezeigt, daß beim herkömmlichen Vorgehen die Haftfestigkeit verhältnismäßig gering ist bzw. daß bereits geringe Belastungen zur Zerstörung des Verbundkörpers führen.

Ausgehend von der Erkenntnis, daß diese geringe Belastbarkeit auf die stark verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramikmaterialien und Metallen zurückzuführen ist, so daß beim Abkühlen an der Trennfläche große innere Spannungen auftreten, liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit solcher Verbundkörper aus Metall und Keramik zu erhöhen .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für das Metallteil ein in Abhängigkeit der Temperaturen in verschiedenen Kristallphasen vorliegendes Metall verwendet wird, wobei eine bei mit Bezug auf Raumtemperatur erhöhter Temperatur auftretende Phase ein kleineres Volumen als die bei Raumtemperatur stabile Phase besitzt, und daß die Schweißtemperatur im Temperaturbereich der Phase mit kleinerem Volumen liegt, so daß während des Abkühlens des Verbundkörpers von der Schweißtemperatur auf

Raumtemperatur der thermischen Volumenabnahme des Metalls eine Volumenzunähme beim Phasenübergang überlagert ist.

Diese Volumenzunähme beim Phasenübergang kompensiert in erheblichem Ausmaße die thermische Volumenabnahme des Metalls, so daß sich beim Abkühlen für das Metallteil und das Keramikteil ähnliche Abmessungsänderungen und somit verringerte Eigenspannungen ergeben. Dies hat eine erhöhte Haftfestigkeit zur Folge»

Zweckmäßigerweise wählt man für den Verbundkörper solche Materialien, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des F^amikmaterials, der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls sowie die sich beim Abkühlen durch den Phasenübergang ergebende Volumenzunahme des Metalls derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Differenz zwischen der thermischen Volumenabnahme des Metalls und der Volumenzunähme des Metalls etwa der thermischen Volumenabnahme des Keramikmaterials entspricht.

Infolge der unterschiedlichen Materialeigenschaften wie Gitterstruktur, Elastizitätsmodul usw. von Keramikmaterialien und Metallen liegt nach dem Verschweißen und Abkühlen im Verbundkörper ein anisotroper Spannungszustand vor, der rechnerisch erfaßt oder auf physikalische Weise, z. B. mit Hilfe der Spannungsoptik, gemessen werden kann. Dieser Spannungszustand ist eine Funktion unter anderem der Materialdicke des Metallteils an der Schweißstelle. Dabei verlagert sich der Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung, der in Richtung der maximalen Hauptspannung gelegen ist, mit zunehmender Dicke des Metallteils vom Metallteil

über die Zwischenschicht in das Keramikteil. Die Festigkeit des erfindungsgemäßen Verbundkörpers läßt sich nun weiter dadurch steigern, daß man das Metallteil an der Verbindungsstelle dicker als eine Mindestdicke ausbildet, oberhalb der der von der Dicke des Metallteils abhängige Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung, der in Richtung der maximalen Hauptspannung des sich nach dem Abkühlen ergebenden anisotropen Spannungszustandes gelegen ist, im Keramikteil liegt. Bei einer so gewählten Metalldicke ist die Haftfestigkeit zwischen dem Metallteil und dem Keramikteil größer als die Festigkeit des Keramikmaterials, d. h. die maximale äußere Belastbarkeit des Verbundkörpers wird nur durch das Keramikmaterial bestimmt. Dies kann folgendermaßen erklärt werden:

Versuche haben gezeigt, daß sich bei festkörpergeschweißten Metall-Keramik-Verbundkörpern während des Abkühlens feine Haarrisse zum Abbau der inneren Spannungen im Bereich der Verbindungsstelle ausbilden. Diese Haarrisse endig-en bei Verwendung eines beim Abkühlen eine Phasenumwandlung mit Volumenzunahme durchlaufenden Metalls unabhängig von der Metalldicke ausgehend vom Metallinneren vor der verschweißten Oberfläche des Keramikteils. Liegt nun der Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung im Metallteil, begünstigen diese Haarrisse beim Aufbringen einer äußeren Belastung die Ausbildung eines zum Materialbruch führenden Makrorisses, der etwa rechtwinkelig zur Richtung der maximalen Hauptspannung verläuft. Verlegt man dagegen den Ort der maximalen inneren Beanspruchung durch eine entsprechende Dicken-

abmessung des Metallteils in das Keramikteil, wo keine Haarrisse vorhanden sind, so kommt deren Einfluß auf das Bruchverhalten in Wegfall und der Verbundkörper kann bis zur Bruchfestigkeit des Keramikmaterials belastet werden.

Bei einem Metall ohne Phasenumwandlung wird eine vergleichbare Erhöhung der Festigkeit bei Verlagerung des Ortes maximaler innerer Beanspruchung in das Keramikteil nicht beobachtet, da in diesem Falle mit zunehmender Metalldicke auch im Keramikteil den Materialbruch begünstigende Haarrisse vorhanden sind.

Ein geeignetes Metall ist Zirkonium, das sich beim Abkühlen bei 862° C von der kubisch-raumzentrierten Beta-Phase in die hexagonale Alpha-Phase umwandelt, die ein größeres Volumen als die Beta-Phase besitzt. In diesem Falle kann man eine Schweißtemperatur zwischen 1150° C und 1200° C wählen. Ferner eignet sich heißgepreßtes Siliciumnitrid als Material für das Keramikteil. Bei einem Verbundkörper aus heißgepreßtem Siliciumnitrid und Zirkonium, dessen Gitterstruktur sich beim Abkühlen von der Beta-Phase in die Alpha-Phase umgewandelt hat, ergibt sich für die Mindestdicke des Metallteils an der Verbindungsstelle, oberhalb der der Ort maximaler innerer Beanspruchung im Keramikteil liegt, ein Wert von größer als etwa 0,6 mm.

Das geschilderte Verfahren kann man auch zum Herstellen einer Keramik-Keramik-Verbindung verwenden, indem mit beiden Keramikteilen ein zwischenliegendes Metallteil verschweißt wird.

Der erfindungsgemäße festkörpergeschweißte Verbundkörper ist dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zwischen Raumtemperatur und Schweißtemperatur einen Phasenurawandlungspunkt aufweist, wobei die bei Raumtemperatur vorliegende Phase ein größeres Volumen als die bei der Schweißtemperatur auftretende Phase besitzt.

In der Zeichnung sind das erfindungsgemäße Verfahren und ein gemäß diesem Verfahren hergestellter Verbundkörper sowie Meßergebnisse dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 und 2 jeweils die Seitenansicht eines aus einem Metallteil und einem Keramikteil· bestehenden Verbundkörpers in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine Meßmethode zum Ermitteln der Haftfestigkeit am übergang Metall-Keramik in schematischer Darstellung und

Fig. 4 ein Diagramm/ in dem die Haftfestigkeit gegen die Schichtdicke des Metallteils aufgetragen ist.

Der Verbundkörper gemäß Fig. 1 besteht aus einem Metallteil 1 und einem Keramikteil 2. Diese beiden Teile sind miteinander festkörperverschweißt, wobei sich bei der jeweiligen Schweißtemperatur durch Diffusion und/oder chemische Reaktionen eine den Verbund zusammenhaltende Zwischenschicht 3 ergibt, die gestrichelt angedeutet ist. Da Metalle einen größeren thermi"

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sehen Ausdehnungskoeffizienten als Keramikmaterialien besitzen, verringern sich beim Abkühlen des Verbundkörpers von der Schweißtemperatur auf Raumtemperatur die Abmessungen des Metallteils in größerem Ausmaße als die des Keramikteils, was in Fig. 1 schematisch durch die kleinere Breite des Metallteils 1 charakterisiert ist. Um die hierdurch auftretenden inneren Spannungen, die zu einem Reißen des Verbundkörper führen können, möglichst klein zu halten, besteht das Metallteil 1 des erfindungsgemäßen Verbundkörpers aus einem Metall, das zwischen Raumtemperatur und Schweißtemperatur einen Phasenumwandlungspunkt aufweist, wobei die bei Raumtemperatur vorliegende Phase ein größere£ Volumen als die bei der Schweißtemperatur auftretende Phase besitzt. Da sich auf diese Weise beim Abkühlen eine Volumenzunähme des Metallteils ergibt, wird der Einfluß der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik zurückgedrängt. Dies ist in Fig. 1 durch die nach außen weisenden Pfeile symbolisiert. Es ist ersichtlich, daß durch Verwendung eines solchen Metalls im Verbundkörper geringere innere Spannungen auftreten können, so daß die Festigkeit erhöht wird.

Optimale Verhältnisse erhält man dann, wenn die sich aus dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Volumenunterschied zwischen den beiden Phasen des Metalls ergebende Abmessungsveränderung des Metallteils 1 etwa der aus dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikmaterials resultierenden Abmessungsveränderung des Keramikteils 2 entspricht.

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Beim Ausführungsbeispiel besteht das Keramikteil 2 aus heißgepreßtem Siliciumnitrid und das Metallteil aus Zirkonium, das unterhalb von 862 C in einer hexagonalen Phase mit größerem Volumen und oberhalb dieser ümwandlungstemperatur in einer kubisch-raumzentrierten Phase mit kleinerem Volumen stabil ist. Beim Verschweißen dieser Materialien wendet man eine Schweißtemperatur beispielsweise zwischen 1150 C und 1200° C an, wobei man die beiden Teile nach Reinigung ihrer Oberflächen zweckmäßiger-

weise im Vakuum einem Druck von z. B. 10 N/mm aussetzt.

In Fig. 2 ist angedeutet, daß in dem geschweißten Verbundkörper Haarrisse 4 ausgebildet sind, die vom Inneren des Metallteils 1 ausgehen und vor dem .Keramikteil 2 im Bereich der Zwischenschicht 3 endigen. Durch die Ausbildung dieser Haarrisse 4 werden die beim Abkühlen auftretenden Spannungen abgebaut. Dabei ist unabhängig von der Dicke d des Metallteils 1 der Verlauf der Haarrisse 4 auf das Metallteil beschränkt.

Des weiteren geben in Fig. 2 die Pfeile 5a, 5b, 5c für verschieden dicke Metallteile 1 die jeweilige Richtung der maximalen Hauptspannung des sich nach dem Abkühlen ergebenden anisotropen Spannungszustandes wieder, die schichtdickenabhängig ist und entweder rechnerisch oder experimentell bestimmt werden kann. Diese Richtung bestimmt jeweils den Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung, der mit zunehmender Dicke d des schichtförmigen Metallteils 1 vom Metallteil (Pfeil 5a) über die Zwischenschicht 3(Pfeil 5b) in das Keramikteil 2 (Pfeil 5c) wandert. Belastet man den Verbundkörper von außen beispielsweise mit einer rechtwinkelig zur Trennfläche zwischen dem Metallteil und dem

Keramikteil gerichteten Zugkraft bis zum Bruch, ergibt sich ein rechtwinkelig zur maximalen Hauptspannungsrichtung stehender Makroriß. Befindet sich der Ort maximaler innerer Beanspruchung im Keramikteil 1, d. h. weist die Richtung der maximalen Hauptspannung (Pfeil 5a) in das Keramikteil, begünstigen die Haarrisse 4 die Ausbildung des Makrorisses, was zu einem-verhältnismäßig frühen Bruch führt- Deshalb ist es zweckmäßig, daß das Metallteil 1 an der Verbindungsstelle, d. h. entlang der Keramik-Metall-Trennfläche, eine solche Dicke d besitzt, daß der von dieser Dicke abhängige Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung im Keramikteil 2 liegt, der frei von Haarrissen ist. In ι 'asem Falle kann die hohe Festigkeit des Keramikmaterials voll ausgenutzt werden.

Die Haftfestigkeit kann gemäß Fig. 3 beispielsweise dadurch gemessen werden, daß man ein schichtförmiges Metallteil 1a beidseitig jeweils mit einem Keramikteil 2a bzw. 2b verschweißt und daß man an einer Seite des sich ergebenden Schichtkörpers an den außenliegenden Enden parallel zu den Trennflächen 6a, 6b gerichtete Kräfte P₁ bzw. P₂ aufbringt,

während an der anderen Seite des Schichtkörpers im Bereich der Metallschicht 1a eine mittige Kraft P, einwirkt. Diese Belastung führt an der Seite der Kräfte P1 und P2 zu einer rechtwinkelig zu den Trennflächen 6a, 6b gerichteten Zugkraft. Die so gemessene Haftfestigkeit ist in Fig. 4 in Abhängigkeit der Schichtdicke d des Metallteils aufgetragen. In diesem Diagramm stellt die Kurve I die Haftfestigkeit eines Verbund-

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körpers 'dar, der aus zwei außenliegenden Siliciumnitrid-Schichten 2a-, 2b und einer zwischenliegenden Zirkoniumschicht 1a besteht, wobei das Verschweißen oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Zirkoniums erfolgt ist. Bis zu einer Schichtdicke des Metalls von etwa 0,6 mm ergibt sich eine im wesentlichen konstante Haft-

festigkeit von etwa 100 Joule/m . Ab dieser Schichtdicke ergibt sich ein steiler Anstieg der Haftfestigkeit, die bei einer Schichtdicke von etwa 1 mm einen Wert von etwa 330 Joule/m erreicht. Dieser steile Anstieg kann mit dem Übergang des Orte maximaler innerer Beanspruchung vom Metall in das Keramikmaterial erklärt werden, also sozusagen mit dem Weglaufen der Richtung der maximalen Hauptspannung von den Haarrissen 4. Demgegenüber ergibt sich bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen für ein Metall", das beim Abkühlen von der Schweißtemperatur keine Phasenumwandlung durchläuft, beispielsweise Hafnium, die Kurve II, gemäß der in diesem Falle die Haftfestigkeit auch bei dickeren Metall-

schichten kaum über 100 Joule/m ansteigt. Dies läßt sich mit den hier auch im Keramikmaterial auftretenden Haarrissen erklären.

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Claims

15. Juli Ί981
P 8588 - dls

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung
der Wissenschaften e.V.,3400 Göttingen.

Festkörperschweißverfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus Metall und Keramik sowie festkörpergeschweißter
Verbundkörper aus einem Metallteil und einem Keramik! _1

Ansprüche

Festkörperschweißverfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers aus Metall und Keramik, bei dem ein Metallteil und ein Keramikteil mit ihren zu verbindenden Oberflächen gegebenenfalls unter mit Bezug auf Atmosphärendruck erhöhtem Druck gegeneinander gehalten und einer unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls und der Keramik liegenden Schweißtemperatur ausgesetzt werden, bei der sich durch Diffusion und/oder chemische Reaktionen die beiden Oberflächen unter Ausbildung einer Zwischenschicht miteinander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß für das Metallteil ein in Abhängigkeit der Temperatur in verschiedenen Kristall-

phasen vorliegendes Metall varwendet wird, wobei eine bei mit Bezug auf Raumtemperatur erhöhter Temperatur auftretende Phase ein kleineres Volumen als die bei Raumtemperatur stabile Phase besitzt, und daß die Schweißtemperatur im Temperaturbereich der Phase mit kleinerem Volumen liegt, so daß während des Abkühlens des Verbundkörpers von der Schweißtemperatur auf Raumtemperatur der thermischen Volumenabnahme des Metalls eine Volumenzunähme beim Phasenübergang überlagert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Keramikmaterials, der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalls sowie die sich beim Abkühlen durch den Phasenübergang ergebende Volumenzunahme des Metalls derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Differenz zwischen der thermischen Volumenabnahme des Metalls und der Volumenzunähme des Metalls etwa der thermischen Volumenabnahme des Keramikmaterials entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metallteil an der Verbindungsstelle dicker als eine Mindestdicke ausbildet, oberhalb der der von der Dicke des Metallteile abhängige Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung, der in Richtung der maximalen Hauptspannung des sich nach dem Abkühlen ergebenden anisotropen Spannungszustandes gelegen ist, im Keramikteil liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,-dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Zirkonium verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißtemperatur im Bereich zwischen 115O°C und 1200° C liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikmaterial heißgepreßtes Siliciumnitrid verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Dicke für das Metallteil eine Dicke von größer als etwa 0,6 mm wählt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man es zum Herstellen einer Keramik-Keramik-Verbindung verwendet, indem mit beiden Keramikteilen ein zwischenliegendes Metallteil verschweißt wird,

9. Festkörpergeschweißter Verbundkörper aus einem Metallteil und einem Keramikteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall zwischen Raumtemperatur und Schweißtemperatur einen Phasenumwandlungspunkt aufweist, wobei die bei Raumtemperatur vorliegende Phase ein größeres Volumen als die bei der Schweißtemperatur auftretende Phase besitzt.

10. Verbundkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die sich aus dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dem Volumenunterschied zwischen den beiden Phasen des Metalls ergebende Abmessungsveränderung des Metallteils etwa der aus dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Keramikmaterials resultierenden Abmessungsveränderung des Keramikteils entspricht.

11. Verbundkörper nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil an der Verbindungsstelle eine solche Dicke besitzt, daß der von dieser Dicke abhängige Ort maximaler innerer mechanischer Beanspruchung, der in Richtung der maximalen Hauptspannung des sich nach dem Abkühlen ergebenden anisotropen Spannungszustandes gelegen ist, im Keramikteil liegt.

12. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß· das Metallteil aus Zirkonium besteht.

13. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikteil aus· heißgepreßtem Siliciumnitrid besteht.

14. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil an der Verbindungsstelle dicker als etwa 0,6 mm ist.

15. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil eine schichtförmige Gestalt besitzt.