DE3305106A1

DE3305106A1 - Verfahren zur herstellung der verbindung der werkstoffe titan und eisen-nickel-legierungen durch diffusionsschweissen mit hilfe von zwischenschichten

Info

Publication number: DE3305106A1
Application number: DE19833305106
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl.-Ing. 2875 Ganderkesee Mietrach
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-02-15
Filing date: 1983-02-15
Publication date: 1984-08-16
Also published as: GB2134832B; GB2134832A; GB8402910D0; FR2540765A1; US4674675A; FR2540765B1

Description

83-08 T 9. Februar 1983

B/Bt

Verfahren zur Herstellung der Verbindung der Werkstoffe Titan und Eisen-Nickel-Legierungen durch Diffusionsschweißen mit Hilfe von Zwischenschichten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen dem werkstoff Titan (bzw. einer seiner Legierungen) und einer Eisen-Nickel-Legierung (z.B. Permenorm mit 50% Nickel und 50% Eisen), deren Herstellung bei den bisherigen Verfahren aufgrund metallurgischer Gegebenheiten, wie Bildung von spröden intermetallischen Phasen bzw. niedrigschmelzender Eutektika (Bild 1 und Bild 2), zu unzureichenden Ergebnissen im Hinblick auf u.a. zugeringe Festigkeiten, schlechte Dehnungswerte und nicht vorhandene Hochvakuumdichtheit geführt hatte.

Im folgenden soll der Begriff Titan sowohl Reintitan als auch Titanlegierungen einschließen.

Anwendungsgebiete für den Einsatz der Werkstoffkombination Titan/' Permenorm sind z.B. zu sehen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im allgemeinen Maschinenbau, in der Kern- und in der Elektrotechnik, wo dieseKombination als Übergangsstück bzw. als Bauteilkomponente eingesetzt wird. Zu erwähnen wären z.B. Ventilflansche und Magnetventile für Steuertriebwerke, wo durch Verwendung von Titan erhebliche Gewichtsverringerungen erzielt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem es möglich ist, Diffusionsschweißen unter Verwendung metallischer Zwischenschichten für die Verbindung Titan/Eisen-Nickel-Legierung

herzustellen. Durch konventionelle Verfahren, wie beispielsweise Verschrauben, Löten oder Elektronenstrahlschweißen, lassen sich an den Titanpart Titan und an den Permenormpart Permenorm fügen.

Zur Herstellung der Verbindung Titan/Eisen-Nickel-Legierung (z.B. Permenorm) durch Diffusionsschweißen ist die Verwendung von Zwischenschichten verschiedener Metalle in der folgend näher beschriebenen Reihenfolge zwingend vorgeschrieben, da bei Nichteinhaltung zwar eine Verbindung entstehen kann, die aber aufgrund von zwischen Titan und Eisen-Nickel-Legierungen gebildeten spröden intermetallischen Phasen u.a. zu geringen Festigkeiten und schlechten Dehnungswerten führt. Eine nachträgliche thermische Behandlung, wie z.B. die Erwärmung beim Löten und Schweißen, würde ein Anwachsen und Vergrößern der spröden Schichten erbringen und die Festigkeits- und Dehnungswerte weiter herabsetzen. Hingegen kann aber bei Einhaltung der vorgeschriebenen Zwischenschichten die Verbindung Titan/Eisen-Nickel-Legierung einer erhöhten thermischen Belastung, wie sie z.B. beim Elektronenstrahlschweißen, beim Hochtemperaturlöten oder bei hohen Betriebstemperaturen des Bauteiles auftritt, standhalten, ohne daß aufgrund von spröden intermetallischen Phasen mit unzureichenden Ergebnissen gerechnet werden muß.

Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zur Herstellung der Verbindung Titan/Eisen-Nickel-Legierung darin, daß zwischen Titan und der Eisen-Nickel-Legierung geeignete metallische Zwischenschichten in festgelegter Reihenfolge gewählt werden. Die Zwischenschichten können als aufgedampfte Schicht, als thermisch gespritzte Schicht, chemisch aufgebrachte Schicht oder als Metallfolie bzw. Kombinationen dieser Möglichkeiten zur Anwendung kommen, wobei je nach Schichtart unterschiedliche Schichtdicken zu benutzen sind. So erwies sich am günstigsten eine

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Schichtdicke je nach Zwischenschichtwerkstoff von 1000 bis 10000 Angström bei aufgedampften Schichten, von 0,1 mm bei thermisch gespritzten Schichten und von 0,05 bis 0,1 mm bei Folien.

FUr die Herstellung der Verbindung Titan/Eisen-Nickel-Legierung sind die folgenden Zwischenschichtkombinationen geeignet, wobei der jeweils erstgenannte Werkstoff die erste Schicht zum Titan und der letztgenannte Werkstoff die Anfangsschicht zur Eisen-Nickel-Legierung bildet, Tafel liund Bild 3 bis Bild 11. a) Vanadium/Chrom

b) Vanadium/Chrom/Nickel

c) Vanadium/Eisen

d) Vanadium/Wolfram/Platin/Nickel

Als Fügeverfahren ist das Diffusionsschweißen anzuwenden.

Am geeignetsten für Zwischenschichten erwies sich die Kombination Vanadium/Chrom/Nickel. Bei der Auswahl der Zwischenschichtwerkstoffe ist zu beachten, daß sie für die Werkstoffkombination Titan/Eisen-Nickel-Legierung diffusionsschweißgeeignet sind. D.h., daß u.a. die Schmelztemperaturen der Zwischenschichtwerkstoffe in einem Temperaturbereich liegen, der sich nahe dem der Grundwerkstoffe Titan/ Eisen-Nickel-Legierung befindet, um die für das Diffusionsschweißen anzuwendende Regel, daß die Diffusionsschweißtemperatur ca. 5/10 bis 8/10 der Schmelztemperatur des Werkstoffes zu betragen hat, Genüge zu tun. Somit ist es auch aus Kostengründen möglich, die Verbindung der Werkstoffkombination Titan/Zwischenschichten/Eisen-Nickel-Legierung durch Diffusionsschweißen in einem Arbeitsgang durchzuführen. Bei Wahl eines Zwischenschichtwerkstoffes mit wesentlieh höherer bzw. niedriger Schmelztemperatur ist bei festgelegter Diffusionsschweißtemperatur mit einer schlechten Verbindung zu rechnen.

Die mechanische und chemische Vorbehandlung der zu schweißenden Flächen ist mit bekannten geeigneten Methoden durchzuführen, wobei das Augenmerk darauf gerichtet sein muß, daß die maximale Rauhtiefe R. < lO^r« beträgt, und- die Flächen vor erneuter Oxidation zu schützen sind. Dies erfolgt durch Lagern der gereinigten und gebeizten Flächen in einem Behälter mit Aceton.

Zur Herstellung der Verbindung Titan/Eisen-Nickel-Legierung unter Verwendung von Zwischenschichten durch Diffusionsschweißen sind die folgenden Kennwerte und Methoden als geeignet anzusehen.

Die zu verbleibenden Teile werden entsprechend der festgelegten Reihenfolge in eine Vakuumkammer eingebracht, wobei es ohne Bedeutung ist, ob die Zwischenschichten als Folien, als aufgedampfte, als thermisch aufgespritzte, als chemisch aufgebrachte oder deren Kombinationen vorliegen. Nach dem Evakuieren auf < 1,33*10" bar und einem Vorwärmen, das vom Bauteilvolumen abhängig ist, damit überall an den zu verschweißenden Flächen die Diffusionsschweißtemperatur von 900⁰C vorliegt, erfolgt die Druckaufbrin-

2 gung, wobei eine Flächenpressung von ca. 10 N/mm angewandt wird. Die Diffusionsschweißzeit beträgt 90 Minuten. Nach der Diffusionsschweißung werden die Teile unter Druck im Vakuum auf ca. 450⁰C abgekühlt. Anschließend wird die Kammer belüftet, wobei die Teile bis zur vollständigen Abkühlung auf Raumtemperatur unter Druckgehalten werden, um die aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffe und den damit verbundenen unterschiedlichen Längenausdehnungen auftretenden Spannungen auszugleichen.

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Claims

83-08 T 9. Februar 1983

B/Bt

Werke Gesel T^ttraft^jD^beschränkter Haftung

Verfahren zur Herstellung der Verbindung der Werkstoffe Titan und Eisen-Nickel-Legierungen durch Diffusionsschweißen mit Hilfe von Zwischenschichten

Patentansprüche

^flj. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Titan und einer Eisen-Nickel-Legierung durch Diffusionsschweißen, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen Titan und Eisen-Nickel-Legierung metallische Zwischenschichten in bestimmter Reihenfolge gebracht und anschließend durch Diffusionsschweißen mit festgelegten Parametern gefügt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge ■ kennzeichnet , daß die metallischen Zwischenschichten als aufgedampfte Schichten aufgebracht sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Zwischenschichten Metallfolien dienen, wobei die Dicke der einzelnen Schicht 0,05 bis 0,1 mm beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenschichten thermisch gespritzt werden und Schichtdicken von 0,1 mm aufweisen.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet , daß die aufgedampfte Zwischenschicht eine Dicke von 1000 bis 10000 Ängström besitzt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet , daß die metallische Zwischenschicht aus Einzelschichten in der Reihenfolge Titan/Vanadium/ Chrom/Nickel/Eisen-Nickel-Legierung besteht.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet , daß die metallischen Zwischenschichten in der Reihenfolge Titan/Vanadium/Chrom/Eisen-Nickel-Legierungen aufgebracht sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Reihenfolge der Schichten aus Titan/Vanadium/Eisen/Eisen-Nickel-Legierung besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß für die Zwischenschichten die Reihen- folge Titan/Vanadium/Wolfram/Platin/Nickel/Eisen-Nickel-Legierung gewählt ist.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Diffusionsschweißen im Vakuum bei ^ 1,33*10" bar mit einer Temperatur von 900⁰C,

ο einem Druck entsprechend einer Flächenpressung von ca. 10 N/mm

und einer Schweißzeit von 90 Minuten durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß nach Beendigung der Diffusionsschweißzeit von 90 Minuten eine vollständige Abkühlung der Verbindung unter Druck auf Raumtemperatur stattfindet.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die diffusionszuschweißenden Flächen Titan/Zwischenschichten/Eisen-Nickel-Legierung nach der entsprechenden mechanischen oder chemischen Behandlung durch Lagerung unter Aceton vor erneuter Oxydbildung und Verschmutzung, die den Diffusionsvorgang behindern, geschützt werden.

-V.