DE3607699A1 - Verfahren zum diffusionsschweissen mit isostatischem druck - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum unlös­ baren Befestigen von Bauteilen, beispielsweise im Ein­ spritzkopf von Raketenbrennkammern unter Anwendung ei­ nes Diffusionsschweißprozesses.

Aus der EU-OS 01 55 490 ist ein Verfahren zum Verbinden von Teil-Werkstücken aus Nickelbasis-Superlegierung be­ kannt geworden, bei dem zwei Teil-Werkstücke aus ver­ schiedenen Superlegierungen unter Zwischenschaltung ei­ ner 1-2 mm dicken Schicht aus einem Pulver ähnlicher oder gleicher Zusammensetzung, wie die Werkstücke selbst zu einem monolithischen Ganzen durch Heißpressen nach dem Diffusionsfügeprozeß verbunden werden. Die Diffusion wird hier durch eine mittels starkem Druck hervorgerufene Verformung in der zu verbindenden Zone verbessert, weil die in der Berührungsfläche liegenden Kraftkomponenten ein "inniges" Durchkneten des Werk­ stoffes hervorrufen. Für Bauteile, bei denen durch Vor­ richtungen oder durch Preßpassungen kein Druck übertra­ gen werden kann, ist dieses Verfahren nicht verwendbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu beheben und ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem Bauteile, auf die kein Druck über das anzufügende Element übertragen werden kann, optimal miteinander verbunden werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben und in der nach­ folgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel er­ läutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer Bauteilverbindung bei einem Einspritzkopf eines Raketentrieb­ werks, wobei einseitige Anliegeflächen gegeben sind,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt einer Bauteilverbindung bei einem Einspritzkopf eines Raketentrieb­ werks, wobei die Anliegeflächen als Bohrungen oder Nutkranz ausgebildet sind.

Bei dem in den Figuren der Zeichnung gezeigten Bauele­ ment ist eine Druckübertragung beispielsweise durch Schrumpfspannungen oder entsprechende Vorrichtungen auf die Verbindungsflächen nicht möglich. Hierzu weist je­ doch die vorliegende Erfindung einen erfolgreichen Weg, der beispielsweise gegenüber dem Elektronenstrahl­ schweißen eine Ersparnis von über 50% erbringt und zu­ sätzlich eine risikoreichere Konstruktion erfordern wür­ de.

Damit Bindeflächen durch heißisostatisches Pressen (HIP), beispielsweise durch ein Diffusionsverfahren miteinander zusammengefügt werden können, müssen sie gegenüber dem Druck durch irgendeine Maßnahme, bei­ spielsweise durch Ummanteln - wie es die europäische Patentanmeldung 00 90 762 empfiehlt - oder Dichtschwei­ ßen etc. abgedichtet werden, um zu verhindern, daß der Druck in die Verbindungsebene eindringt und das Anlie­ gen und Diffundieren der Bindeflächen verhindert.

Hierzu wird nun vorgeschlagen, die zu verbindenden Tei­ le 10, 11 des Einspritzkopfes an den Verbindungsflächen 12 a, 12 b, 12 c und 12 d mit einer Schicht 15 aus Gold, Nickel-Phosphor oder Nickelbasislote zu versehen. Diese Schicht kann die ganzen Verbindungsflächen überdecken, vielfach genügt aber auch eine nur teilweise Überdek­ kung. Weiterhin kann die Schicht auf nur einer der Ver­ bindungsflächen oder aber auf beiden aneinander zu fü­ genden Flächen aufgebracht werden. Wesentlich ist, daß sie örtlich auf dem abzudichtenden Bereich 13 ange­ bracht ist und zwar dergestalt, daß durch die Schwer­ kraft-Kapillarwirkung die Abdichtung erfolgt.

Ist die Schicht an den Fügeflächen bzw. Verbindungsflä­ chen 12 a bis 12 c aufgebracht, so werden die Bauteile 10, 11 des Einspritzkopfes zusammengebaut, d.h. bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in die Paß­ flächen eingesetzt. Hohlräume 14 a, die nach dem Zusam­ menbau gebildet werden, sind mit Entlüftungsbohrungen 14 versehen.

Die Schicht 15 ist metallurgisch so aufgebaut, daß ihr Schmelzpunkt unterhalb der für das heißisostatische Pressen erforderlichen Temperatur liegt, aber weiterhin die Eigenschaft besitzt, daß bei der HIP-Temperatur ein "Wieder-Aufschmelzen" nicht erfolgt. Diese Bedingungen sind bei den angegebenen Metallen bzw. Legierungen ge­ geben.

Der Temperaturzyklus vor dem Prozeß ist nun so, daß durch das Aufbringen der Schicht 15 eine Abdichtung der Verbindungsfugen 13 erfolgt und gleichzeitig im weite­ ren Prozeßverlauf durch Abdiffundieren einzelner Kompo­ nenten dieser Schicht bzw. durch Diffusion mit dem Werkstoff der zu verbindenden Teile 10, 11 eine Schmelzpunkterhöhung dieser Schicht erfolgt, so daß die oben erwähnte Wieder-Aufschmelzung während des nachfol­ genden HIP-Vorganges verhindert wird.

Nach der Abdichtung der Füge- bzw. Verbindungsflächen bzw. der erfolgten Zusammenfügung der beiden Teile 10, 11 des hier beschriebenen Einspritzkopfes wird dieser dem eigentlichen "heißisostatischen Preßvorgang" zuge­ führt. Dabei erfolgt dann durch die weitere Material­ diffusion über die Verbindungsflächen 12 a bis 12 d die eigentliche Diffusionsverbindung. Damit ist aber ein Verfahren geschaffen worden, bei dem eine Druckübertra­ gung bei solchen Bauteilen ermöglicht wird, bei denen kein direkter Druck durch Vorrichtungen etc. auf die Verbindungsflächen aufgebracht werden kann.

In der Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Verbindung der zwei zu verbinden Bauteile 20, 21 skiz­ ziert. Diese Verbindung ist mit einer sogenannten Steckverbindung zu vergleichen. Hier ist das aufzuset­ zende Bauteil 20 mit einer konusartig spitz zulaufenden Einsatzpartie, den man "Steckkranz" bezeichnen könnte, versehen, der in entsprechend konusartige Bohrungen bzw. einem Nutkranz oder Nutring des anderen Teils 21 eingesetzt wird. Das Beschichtungs- und HIP-Verfahren sowie der Verfahrensablauf ist derselbe, wie vorstehend beschrieben. Die Führung der Entlüftungsbohrungen 24 zu den Hohlräumen 24 a wird sich nach den jeweiligen Gege­ benheiten und Erfordernissen richten. Die Schichten 25 sind in ihrer Dicke so abgestimmt, bzw. in µm-Stärke durch elektrochemische Verfahren aufgedampft, daß das Schichtmaterial durch einen Diffusionsprozeß in den Grundwerkstoff diffundiert. Der ausgewählte Schicht- Werkstoff - wie eingangs schon angegeben - bildet mit dem Bauteilmaterial, d.h. mit dem Material der zu ver­ bindenden Bauteile 20, 21 keine spröden Phasen. Durch Milchkristallbildung während der Diffusion mit dem vor­ genannten Bauteilmaterial wird eine Festigkeitsteige­ rung in den Verbindungszonen erreicht.

Claims (3)

1. Verfahren zum unlösbaren Befestigen von Bautei­ len, beispielsweise im Einspritzkopf von Raketenbrenn­ kammern unter Anwendung eines Diffusionsschweißprozes­ ses, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Verbindungsflächen (12 a bis c, 22 a) der zu ver­ bindenden Teile (10, 11, 20, 21) ganz oder teilwei­ se mit einer metallurgischen Schicht (15, 25) ver­ sehen wird, deren Schmelzpunkt unterhalb der für ein heißisostatisches Pressen (HIP) erforderlichen Temperatur liegt, jedoch durch diese Temperatur nicht aufgeschmolzen wird,
• b) diese Schicht (15, 25) vor oder nach der Zusammen­ fügung der zu verbindenden Teile (10, 11, 20, 21) beispielsweise durch Schwerkraft-Kapillarwirkung die Verbindungsfugen (13, 23) abgedichtet und
• c) die dergestalt zusammengefügten Teile (10, 11, 20, 21) zur Materialdiffusion über die Verbindungsflä­ chen (12 a bis c, 22 a) dem heißisostatischen Preß­ prozeß zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallurgische Schicht (15, 25) aus Gold, Nickel-Phosphor oder Nickel­ basislote in Pulver-, Drahtform oder elektrisch bzw. elektrochemisch (galvanisch, sputtern) aufgebracht, be­ steht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abdich­ tung der Verbindungsfugen (13, 23) der zu verbindenden Teile (10, 11, 20, 21) durch Aufschmelzen der metallur­ gischen Schicht (15, 25) erfolgt und durch Diffusion mit dem Grundwerkstoff eine Schmelzpunkterhöhung der Schicht (15, 25) erzielt wird.