DE3836585A1

DE3836585A1 - Verfahren zur behandlung und reinigung einer fuer eine feste metallurgische verbindung vorgesehene oberflaeche eines metallurgischen werkstuecks

Info

Publication number: DE3836585A1
Application number: DE19883836585
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl Ing Broennimann; Reinhard Dipl Ing Fried
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1989-05-11

Description

Technisches Gebiet

Verbindungsverfahren für höchstbeanspruchte Bauteile thermischer Maschinen aus Superlegierungen, Oxyddispersionslegierungen und anderen Sonderwerkstoffen, welche höchste Ansprüche an Reinheit und Güte der Oberflächen der zu verbindenden Teile stellen.

Die Erfindung bezieht sich auf das Verbinden von mechanisch und thermisch hochbeanspruchten Bauteilen, vorzugsweise aus Nickelbasis-Superlegierungen für Gasturbinenschaufeln. Bei den für Gasturbinenschaufeln notwendigen hohen Temperaturen zum Verbinden von Teilen durch Löten, Fügen, Preßschweißen, Umgießen, Beschichten durch Flammspritzen etc. werden hohe Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit bezüglich Benetzbarkeit und Oxydfreiheit gestellt.

Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Behandlung und Reinigung einer für eine feste metallurgische Verbindung durch Löten, Fügen, Schweißen, Umgießen oder Metallspritzen mit einem metallischen Werkstoff vorgesehenen Oberfläche eines aus einem metallischen Grundwerkstoff bestehenden Werkstücks durch Strahlen mittels eines feste Partikel in Suspension enthaltenden Gasstrahls hoher Geschwindigkeit.

Bei der Vorbereitung und Reinigung von Werkstückoberflächen durch Strahlen (Sandstrahlen, Kugelstrahlen) werden in der Regel oxydische oder metallische, mit Oxydhäuten behaftete Partikel verwendet. Beispiele sind Quarzsand (SiO₂), Korund (Al₂O₃) etc. Dadurch werden Oxyde in Form von Splittern in die Oberflächenzone des Werkstücks hineingearbeitet, wo sie beim nachfolgenden Verbindungsprozeß (zum Beispiel Löten oder Überziehen durch Metallspritzen) nur sehr schwer oder überhaupt nicht zu entfernen sind.

Stand der Technik

Oberflächen von metallischen Körpern, die durch irgend ein thermisches oder thermomechanisches Verfahren wie Löten, Fügen, Schweißen, Umgießen oder Metallspritzen miteinander metallurgisch fest verbunden werden sollen oder einen Überzug erhalten sollen, müssen entsprechend vorbereitet werden. Dabei spielen insbesondere beim Löten (Hartlöten) aber auch bei anderen Verbindungsverfahren die Benetzbarkeit und Fließbarkeit (des Lotes) und die Freiheit von Oxydhäuten und Oxydeinschlüssen der beteiligten Stoffe eine wesentliche Rolle für den Erfolg der Verbindung.

Die Vorbehandlung besteht zunächst in der Regel in einem Reinigen der Oberfläche zwecks Entfernung von Öl- und Fettschichten mittels Azeton, Ultraschallbad etc. Ferner schließt sich oft ein Beizen (z. B. in 1% HF, 37% HNO₃) und Ätzen (1% HF) an. Wesentlich ist ein Desoxydieren oder Überführen der Oxyde in leicht flüchtige Stoffe, welche den beteiligten Reaktionsraum dank ihres hohen Dampfdruckes verlassen (z. B. Blankglühen). Die Oberflächen werden außerdem durch mechanische Bearbeitung wie Fräsen, Drehen, Schleifen, Polieren etc. vorbereitet. Zu dieser Kategorie gehört auch das Strahlen (Sandstrahlen, Kugelstrahlen), wobei das Strahlmittel in der Regel nicht näher spezifiziert wird. Weitere bekannte Verfahren beruhen auf der Einwirkung von Fluorverbindungen und Kohlenstoff im Verein mit letzteren (sogenanntes "Fluoride Cleaning", "Carbon/Fluoride Cleaning" etc.).

Die Entfernung von Metalloxyden, die insbesondere bei Ti-, Al- und Cr-haltigen Legierungen eine wesentliche Rolle spielen, erfolgt beispielsweise beim Hartlöten grundsätzlich durch Flußmittel (Auflösung) oder durch eine geeignete Ofenatmosphäre in Form von Schutzgas oder Vakuum (Reduktion aus der Gasphase, Entfernung der Reaktionsprodukte aus dem Reaktions raum).

Nachfolgend ist eine Auswahl aus der mannigfaltigen Literatur zum Stand der Technik zusammengestellt:

- Dipl. Ing. Hubert Lange, "Anwendung des Hochtemperaturlötens im Vakuum zum stoffschlüssigen Verbinden warmfester Legierungen", Dissertation, Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität Hannover, Juni 1971:
- Dr. rer. nat. Werner Mahler, Pforzheim, und Dr.-Ing. Karl- Friedrich Zimmermann, Frankfurt/Main, "Benetzungsverhalten einiger Hartlote unter Wasserstoff auf verschiedenen Grundwerkstoffen", Schweißen und Schneiden, Jahrgang 21, 1969, Heft 6, Seiten 250-254;
- Phys. Johannes Schatz, Frankfurt/Main, "Die metallurgischen Vorgänge zwischen Hartlot und Grundwerkstoffen und Folgerungen für die lötgerechte Konstruktion", Schweißen und Schneiden, Jahrgang 9, 1957, Heft 12, Seiten 522-530.

Bei der mechanischen Vorbereitung der Werkstückoberfläche wird oft ein sogenannter Naß-Schliff mit Al₂O₃-haltigen Schleifscheiben durchgeführt. Dies führt zum Einarbeiten des Abriebs in die Werkstückoberfläche, so daß zusätzlich ein Diamant- oder Borazon-Schliff notwendig ist.

Beim Fluoridverfahren, bei welchem die Verunreinigungen der Oberfläche vor allem durch die Bildung flüchtiger Fluoride des Ti, Al und Cr entfernt werden, muß in fast allen Fällen mit Porenbildung und mit Fluoridrückständen in der Oberflächenzone gerechnet werden. Dadurch wird die metallurgische Verbindung verschlechtert oder ganz in Frage gestellt.

Al-, Ti- und Cr-haltige Werkstoffe sind in der Regel mit Oxydhäuten und Oxydeinschlüssen in der Oberflächenzone behaftet, die sich beim Erhitzen während des Verbindens (zum Beispiel Hochtemperaturlöten) in bloß reduzierender Atmosphäre (zum Beispiel H₂) nicht wirksam genug beseitigen lassen. Bei den zu erwartenden Verbindungstemperaturen ist H₂ an sich ein ungenügendes Reduktionsmittel: Seine Sauerstoffaffinität reicht nicht aus.

Bessere Erfahrung als mit reduzierendem Schutzgas (H₂) wurde mit Vakuum während des Verbindungsprozesses (Löten) gemacht, um die Oxyde zu zerstören. Doch sind dazu schon sehr gute Vakua erforderlich.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß die Verbindungstechnologie weiterer Verbesserung bedarf, wobei insbesondere der Oberflächenvorbereitung der zu verbindenden Werkstücke bzw. des zu umgießenden oder mit einem Überzug zu versehenden Werkstück die Aufmerksamkeit zu schenken ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung und Reinigung eines mit einem metallischen Werkstoff durch Löten, Fügen, Schweißen, Umgießen oder Metallsprühen metallurgisch fest zu verbindenden metallischen Werkstücks durch Strahlen mittels Partikeln hoher Geschwindigkeit anzugeben, welches möglichst ideale Voraussetzungen für die zu verbindenden Teile bezüglich Benetzbarkeit, Sauerstoffarmut, Freiheit von Oxydhäuten und Oxydeinschlüssen schafft. Es sollen außerdem die Voraussetzungen geschaffen werden, die vorbereiteten Teilen ohne zusätzliche Verwendung von nachträglich schwer zu entfernenden und die Zusammensetzung der Grundwerkstoffe störenden Fluß- und Desoxydationsmitteln poren- und lunkerfrei zu verbinden. Auf eine thermische oder thermomechanische Nachbehandlung des fertigen Werkstücks soll möglichst verzichtet werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im eingangs erwähnten Verfahren die Partikel aus einem Karbid mit hoher Sauerstoffaffinität bestehen, welches bei der besagten metallurgischen Verbindung mit den Sauerstoffträgern chemisch reagiert, und daß beim Strahlen ein Teil der Partikel in die Oberfläche des Grundwerkstoffs implantiert werden.

Vorzugsweise bestehen die Partikel aus mindestens einem Karbid, ausgewählt aus der Gruppe B₄C; SiC; Cr₃C₂; MoC; WC; TaC; TiC, HfC.

Bei der Behandlung durch Strahlen des zu verbindenden Werkstücks werden in dessen Oberfläche Bruchstücke der Partikel (Splitter) des Strahlmittels (Karbid) implantiert, welche bei der nachfolgenden Erwärmung beim Verbindungsprozeß den Sauerstoff an sich reißen. Auf diese Weise werden Oxydhäute und Oxydeinschlüsse, welche der metallurgischen Bindung hindernd entgegenstehen, zerstört und die Benetzbarkeit soweit verbessert, daß ohne zusätzliche Fluß- und Desoxydatinsmittel ausgekommen werden kann. Es handelt sich um eine "relative" Verbindung.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt durch ein mit Al₂O₃-Partikeln gestrahltes Substrat als Vergleichsgrundlage,

Fig. 2 den Querschnitt durch eine Lötverbindung zweier, mit Al₂O₃-Partikeln gestrahlter Grundwerkstoffe als Vergleichsgrundlage,

Fig. 3 den Querschnitt durch ein mit SiC-Partikeln gestrahltes Substrat,

Fig. 4 den Querschnitt durch eine Lötverbindung zweier, mit SiC-Partikeln gestrahlter Grundwerkstoffe,

Fig. 5 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit Al₂O₃-Schleifscheibe geschliffenen Substrats als Vergleichsgrundlage,

Fig. 6 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit Al₂O₃-Partikeln gestrahlten Substrats als Vergleichsgrundlage,

Fig. 7 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit TiC-Partikeln gestrahlten Substrats,

Fig. 8 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit Cr-Karbid-Partikeln gestrahlten Substrats,

Fig. 9 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit WC-Partikeln gestrahlten Substrats,

Fig. 10 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit B₄C-Partikeln gestrahlten Substrats,

Fig. 11 den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit SiC-Partikeln gestrahlten Substrats,

Fig. 12 den Querschnitt durch eine auf ein mit SiC-Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht,

Fig. 13 den Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 12 unter stärkerer Vergrößerung,

Fig. 14 den Querschnitt durch eine auf ein mit WC-Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht,

Fig. 15 den Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 14 unter stärkerer Vergrößerung,

Fig. 16 den Querschnitt durch eine auf ein mit TiC-Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht,

Fig. 17 den Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 16 unter stärkerer Vergrößerung,

Fig. 18 den Querschnitt durch eine auf ein mit Cr-Karbid- Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht,

Fig. 19 den Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 18 unter stärkerer Vergrößerung,

Fig. 20 den Querschnitt durch eine auf ein mit SiC-Partikeln gestrahltes Substrat mit Plasmaspritzen aufgebrachte Oberflächenschicht,

Fig. 21 den Querschnitt durch eine auf ein mit Cr-Karbid- Partikeln gestrahltes Substrat mit Plasmaspritzen aufgebrachte Oberflächenschicht.

In Fig. 1 ist der schematische Querschnitt durch ein mit Al₂O₃-Partikeln gestrahltes Substrat als Vergleichsgrundlage dargestellt. 1 ist der Grundwerkstoff I (Substrat), 2 dessen Werkstoffoberfläche, welche zuvor nach üblichen Methoden gereinigt und vorbehandelt wurde. 3 stellen durch das Strahlen in die Werkstoffoberfläche 2 eingebaute Oxydeinschlüsse (Al₂O₃-Partikel) dar. Durch eine derart vorbereitete Werkstoffoberfläche wird der durchgehende metallische Zusammenhang gestört und es werden für die darauffolgende Verbindungstechnik ungünstige Voraussetzungen für eine einwandfreie metallurgische Bindung geschaffen.

Fig. 2 stellt den schematischen Querschnitt durch eine Lötverbindung zweier, mit Al₂O₃-Partikeln gestrahlter Grundwerkstoffe als Vergleichsgrundlage dar. Die Grundwerkstoffe brauchen nicht die gleiche Zusammensetzung zu haben. 1 ist der Grundwerkstoff I (Substrat), 4 der Grundwerkstoff II. Die Lötnaht 5 weist zeilenförmig angeordnete, den metallischen Verband teilweise unterbrechende Oxydagglomerationen 6 auf.

Fig. 3 zeigt den schematischen Querschnitt durch ein mit SiC-Partikeln gestrahltes Substrat. 1 ist der Grundwerkstoff I (Substrat), 2 die Werkstoffoberfläche, welche zuvor in üblicher Weise gereinigt wurde. 7 sind die durch das Strahlen in die Werkstoffoberfläche 2 implantierten SiC-Partikel. Die reaktive Substanz SiC (das Reduktionsmittel) wird somit in situ dort eingebracht, wo es am meisten gebraucht wird, nämlich in der Werkstoffoberfläche 2 und in der diese Oberfläche 2 beim nachfolgenden Verbindungsprozeß berührenden Zone des Lotes. Damit sind die besten Vorraussetzungen zur Beseitigung von störenden Oxydeinschlüssen und Oxydhäuten gegeben.

In Fig. 4 ist der schematische Querschnitt durch eine Lötverbindung zweier mit SiC-Partikeln gestrahlter Grundwerkstoffe dargestellt. 1 ist der Grundwerkstoff I (Substrat), 4 der Grundwerkstoff II. Die Lötnaht 5 ist vollkommen frei von Fremdkörpern (Einschlüsse). In der Mitte konnte eine leichte Anreicherung an Si festgestellt werden: Zone 8 der Lötnaht.

Der Grundwerkstoff 1 und 4 der Fig. 1 bis 4 bestand aus MA 6000 von INCO, einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis- Superlegierung mit folgender Zusammensetzung:

Cr
= 15 Gew.-%
W	= 4,0 Gew.-%
Mo	= 2,0 Gew.-%
Al	= 4,5 Gew.-%
Ti	= 2,5 Gew.-%
Ta	= 2,0 Gew.-%
C	= 0,05 Gew.-%
B	= 0,01 Gew.-%
Zr	= 0,15 Gew.-%
Y₂O₃	= 1,1 Gew.-%
Ni	= Rest

Das Lot für die Versuche gemäß Fig. 2 und 4 (Löhtnaht 5) bestand aus einer Kobaltlegierung mit dem Handelsnamen AM 788 mit folgender Zusammensetzung:

Cr
= 22,07 Gew.-%
Ni	= 21,64 Gew.-%
Si	= 2,10 Gew.-%
W	= 14,59 Gew.-%
C	= 0,056 Gew.-%
B	= 2,09 Gew.-%
Co	= Rest

In Fig. 5 sind Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit einer Al₂O₃-Schleifscheibe geschliffenen Substrats als Vergleichsgrundlage dargestellt. 9 ist das Substrat (Blech), dessen Oberfläche nach üblicher Technologie geschliffen wurde. 12 stellt eine beim und nach dem Schleifen sich gebildete Oxydhaut dar. 10 ist die Lotausbreitung im Aufriß, 11 die Lotausbreitung im Grundriß. Wie die mangelhafte Lotausbreitung im Grundriß und die verhältnismäßig große Dicke der Lotschicht im Aufriß zeigt, ist die Benetzung schlecht.

Fig. 6 stellt den Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit Al₂O₃-Partikeln gestrahlten Substrats als Vergleichsgrundlage dar. 13 ist das mit Al₂O₃-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). 10 und 11 stehen für die Lotausbreitung im Aufriß und Grundriß. Die Grenzzone zwischen Substrat 13 und Lot ist stark mit Oxydeinschlüssen 14 und Poren 15 durchsetzt, die den metallischen Zusammenhang stören. Die Benetzung ist ähnlich wie unter Fig. 5 beschrieben und für die metallurgische Praxis ungenügend.

Fig. 7 zeigt den Aufriß und den Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit TiC-Partikeln gestrahlten Substrats. 16 ist das mit TiC-Partikeln gestrahlte, zuvor in üblicher Weise gereinigte Substrat (Blech). Die Lotausbreitung 11 im Grundriß und 10 im Aufriß lassen erkennen, daß die Benetzung sehr gut ist. Die Lotschicht ist nur dünn und haftet ausgezeichnet auf dem Substrat. Es konnten weder Oxydhäute noch Einschlüsse in der Grenzzone zwischen Substrat und Lot festgestellt werden.

In Fig. 8 ist der Aufriß und der Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit Cr-Karbid-Partikeln gestrahlten Substrats dargestellt. 17 ist das mit Cr-Karbid-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). 10 und 11 entsprechen den Bezugszeichen der vorangegangenen Beispiele. Das Lot benetzt das Substrat 17 fast vollständig, die Lotschicht ist flach und dünn, die metallurgische Bindung einwandfrei.

In Fig. 9 sind Aufriß und Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit WC-Partikeln gestrahlten Substrats dargestellt. 18 ist das mit WC-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). Die Lotausbreitung 11 ist zwar nicht vollständig, kann aber immer noch als sehr gut bezeichnet werden. Die Lotschicht ist dünn und flach und weist eine ausgezeichnete metallurgische Bindung zum Substrat auf.

Fig. 10 stellt den Aufriß und den Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit B₄C-Partikeln gestrahlten Substrats dar. 19 ist das mit B₄C-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). Wie die Lotausbreitung 11 im Grundriß erkennen läßt, ist die Benetzung nicht ganz so gut wie in den vorangegangenen Fällen der angeführten Karbide. Die Bindung ließ indessen nicht zu wünschen übrig.

Fig. 11 zeigt den Aufriß und den Grundriß einer Benetzungsprobe eines mit SiC-Partikeln gestrahlten Substrats. 20 ist das mit SiC-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). Die Lotausbreitung ist praktisch vollkommen. Wie der Aufriß erkennen läßt, ist die Lotschicht sehr dünn und flach und weist eine hervorragende metallurgische Bindung zum Substrat auf.

Die Substrate 9, 13, 16, 17, 18, 19 und 20 der Fig. 5 bis 11 bestanden aus einer Fe/Ni/Co-Legierung mit dem Handelsnamen IN 3502 von INCO mit folgender Zusammensetzung:

Cr
= 0,25 Gew.-%
Si	= 0,2 Gew.-%
C	= 0,015 Gew.-%
Ni	= 37,75 Gew.-%
Mn	= 0,2 Gew.-%
Co	= 8,75 Gew.-%
Ti	= 2,0 Gew.-%
Al	= 0,2 Gew.-%
Nb	= 0,6 Gew.-%
S	= 0,006 Gew.-%
P	= 0,01 Gew.-%
Fe	= Rest

Das Lot für die Benetzungsversuche (Lotausbreitung 10 und 11) der Fig. 5 bis 11 bestand aus einer Nickellegierung mit dem Handelsnamen Nicobraze LM mit folgender Zusammensetzung:

Cr
= 6,3 Gew.-%
B	= 3,0 Gew.-%
Si	= 4,5 Gew.-%
Fe	= 2,5 Gew.-%
C	= 0,06 Gew.-%
Ni	= Rest

In Fig. 12 ist ein Querschnitt durch eine auf ein mit SiC- Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht vergrößert (teilweise als schematischer metallographischer Schliff) dargestellt. 20 ist das mit SiC-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). 21 ist die Lotschicht in Form mehr oder weniger dendritisch ausgebildeter Kristallite. 5 ist die einwandfreie, kaum in Erscheindung tretende Lötnaht, welche eine einwandfreie metallurgische Bindung zwischen 20 und 21 darstellt.

Fig. 13 bezieht sich auf den Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 12 unter stärkerer Vergrößerung. Diese Figur bedarf keiner weiteren Erläuterung.

Fig. 14 zeigt einen Querschnitt durch eine auf ein mit WC- Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht ähnlich wie Fig. 12. 21 ist die hier dicker ausgefallene Lotschicht auf dem Substrat 18. 5 stellt die Lötnaht mit einwandfreier metallurgischer Bindung dar. Die Lotschicht 21 zeigt deutlich den dendritischen Aufbau der Kristallite.

Fig. 15 ist der Querschnitt durch die Lötschicht gemäß Fig. 14 unter stärkerer Vergrößerung.

In Fig. 16 ist der Querschnitt durch eine auf ein mit TiC- Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht vergrößert dargestellt. 16 ist das mit TiC-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). 21 ist die hier gegenüber Fig. 12 dicker ausgefallene, jedoch einwandfrei bindende Lotschicht in der Nähe des Randes der Benetzung (schräg verlaufende Begrenzung der Oberfläche). 5 ist die Lötnaht mit einwandfreier Bindung.

In Fig. 17 ist der Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 16 unter stärkerer Vergrößerung dargestellt.

Fig. 18 bezieht sich auf den Querschnitt durch eine auf ein mit Cr-Karbid-Partikeln gestrahltes Substrat aufgebrachte Lotschicht. 21 ist die dendritisch aufgebaute Lotschicht, 17 das mit Cr-Karbid-Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). 5 stellt die einwandfrei bindende Lötnaht dar.

Fig. 19 zeigt den Querschnitt durch die Lötnaht gemäß Fig. 18 unter stärkerer Vergrößerung.

In Fig. 20 ist der Querschnitt durch eine auf ein mit SiC- Partikeln gestrahltes Substrat mit Plasmaspritzen aufgebrachte Oberflächenschicht dargestellt. 20 ist das Substrat, dessen Oberfläche nach üblicher Reinigung mit SiC-Partikeln gestrahlt wurde. 22 ist die Oberflächenschutzschicht: Im vorliegenden Fall besteht sie aus Ni 23 Cr 13 Al 0,5 Y. 23 stellen die trotz Schutzgasatmosphäre nur schwer zu vermeidenden zeilen- und flockenförmigen Oxydeinschlüsse dar. Trotz dieser Oxydeinschlüsse 23 ist jedoch die Bindung an der durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Grenze 24 zwischen Substrat 20 und Oberflächenschutzschicht 22 einwandfrei. Es handelt sich im Gegensatz zu herkömmlichen Bindungen, die meist nur auf mechanischer Verankerung beruhen, um eine echte matallurgische Bindung.

Fig. 21 stellt den Querschnitt durch eine auf ein mit Cr- Karbid-Partikeln gestrahltes Substrat mit Plasmaspritzen aufgebrachte Oberflächenschicht dar. 17 ist das mit Cr-Karbid- Partikeln gestrahlte Substrat (Blech). Im übrigen entsprechen die Bezugszeichen genau denjenigen der Fig. 20. Auch im vorliegenden Fall wurde eine einwandfreie metallurgische Bindung erzielt.

Die Substrate 20 und 17 der Fig. 20 und 21 bestanden aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handelsnamen IN 738 von INCO mit folgender Zusammensetzung:

Cr
= 16,0 Gew.-%
Co	= 8,5 Gew.-%
Mo	= 1,75 Gew.-%
W	= 2,6 Gew.-%
Ta	= 1,75 Gew.-%
Nb	= 0,9 Gew.-%
Al	= 3,4 Gew.-%
Ti	= 3,4 Gew.-%
Zr	= 0,1 Gew.-%
B	= 0,01 Gew.-%
C	= 0,11 Gew.-%
Ni	= Rest

Um eine geeignete Ausgangsbasis zu haben und die Erfindung besser zu charakterisieren, wurden zunächst einige Vorversuche zum Vergleich durchgeführt.

Vergleichsversuche Versuch I

Aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung mit der Handelsbezeichnung MA 6000 von INCO wurden Probe stücke der Abmessungen 30 mm × 30 mm × 15 mm gefertigt. Zur Erzielung einer geeigneten Passung (Lötspalte) wurden die Probestücke gefräst und geschliffen. Es wurde eine kunstharzgebundene Schleifscheibe (Al₂O₃) verwendet. Um ebene glatte Flügelflächen und dünne Lötnähte zu erhalten, wurden die Probestücke zusätzlich einem Borazonschliff unterworfen. Dann wurden die Stücke in bekannter Weise gereinigt (Ultraschallbad, Wasser, Alkohol, Chloroform). Die Probestücke wurden unter Alkohol aufbewahrt. Die Reinigung erforderte viel Sorgfalt und mußte in einem Reinraum und unter Verwendung von Handschuhen durchgeführt werden. Dies ist sehr aufwendig und kostspielig.

Je 2 Probestücke wurden mit ihren 30 mm × 30 mm messenden Flächen zusammengelötet. Das Löten erfolgte mit einem Nickelbasis- Hochtemperaturlot der Handelsbezeichnung AM 788 in Form eines 0,1 mm dicken Bandes (Pulver mit Kunstharzbinder) bei einer Temperatur von 1200°C während 2 h.

Die Ergebnisse der Lötung zeigten folgendes Bild: Es war trotz sorgfältiger Arbeitsweise nicht möglich, absolut dichte und porenfreie Lötungen zu erzielen. Die Lötnaht war bei Weglassen des Borazonschliffs vergleichsweise breit und wies zahlreiche Poren neben Oxydeinschlüssen auf. Die Poren waren auf das schlechte Ausgasen des Kunststoffbinders des Lotes zurückzuführen. Die Einschlüsse rührten zum Teil vom Material der Schleifscheibe her. Bei den Probestücken, die einem Borazonschliff unterworfen worden waren, fiel die Lötnaht zwar schmäler aus, doch zeigten sich neben Einschlüssen (Cr- und W-Boride) beidseits der Naht im Übergangsbereich Lot/Grundmaterial Aluminiumoxydhäute, die eine echte metallurgische Bindung erschwerten oder verunmöglichten.

Versuch II

Aus der Oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung MA 6000 wurden Probekörper gemäß Versuch I hergestellt. Die Probestücke wurden mit einer kunstharzgebundenen Korund- Schleifscheibe eben geschliffen und zusätzlich mit einer rotierenden Drahtbürste gereinigt.

Je zwei Probestücke wurden mit dem Lot AM 788 gemäß Versuch I bei einer Temperatur von 1220°C während 2 h zusammengelötet. Dann wurde von der Lötverbindung ein metallographischer Schliff angefertigt.

Das Ergebnis war unbefriedigend. Es konnten Benetzungsfehler wegen Überlappungen des Werkstoffs durch das Bürsten, Oxydeinschlüsse und Oxydhäute ähnlich Versuch I festgestellt werden.

Versuch III

Aus der oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis-Superlegierung MA 6000 wurden 2 zylindrische Probestücke von 8 mm Durchmesser gefertigt, indem sie aus einem Klotz durch Elektroerosion (Fadenerodieren) herausgeschnitten wurden. Nach dem Schruppschnitt wurden die Probestücke in einer Lösung der nachfolgenden Zusammensetzung während 10 min bei einer Temperatur von 20°C gebeizt:

HF\|= 5%
HCl	= 30%
HNO₃	= 30%
H₂O	= Rest

Dabei konnte beobachtet werden, daß der feinkörnige Grundwerkstoff sich an der Oberfläche schuppig auflöste. Die beiden Probestücke wurden mit ihren ebenen glatten Stirnseiten durch Löten mit dem Hochtemperaturlot AM 788 gemäß Versuch I in einer Lötvorrichtung zusammengefügt (1220°C/2 h). Die auf diese Weise gefertigte Zugprobe wurde einer einachsigen Belastung unterworfen. Da keine nennenswerte Benetzung stattgefunden hatte, konnte auch praktisch keine Zugfestigkeit gemessen werden.

Aus den vorstehenden Vergleichsversuchen geht eindeutig hervor, daß bei Anwendung der herkömmlichen Verfahren zur Oberflächenvorbereitung und Reinigung der Werkstücke beim nachfolgenden Löten nicht mit guten, einwandfreien Verbindungen gerechnet werden kann. Die Reproduzierbarkeit ist zudem nicht gewährleistet. Die Verbindungen fallen meistens nur "mechanisch" aus und es kann selten von einer echten metallurgischen Bindung die Rede sein.

Die in den Vergleichsversuchen I bis III verwendeten Probestücke bestanden aus einer oxyddispersionsgehärteten Nickelbasis- Superlegierung mit dem Handelsnamen MA 6000 von INCO.

Ausführungsbeispiele

Das Fügen und Löten komplizierter Bauteile schließt meist ein einfaches Oberflächenbearbeitungsverfahren wie Fräsen, Drehen, Plan- und Rundschleifen aus. Als verbindende Oberflächen stehen somit meist keine ebenen Flächen zur Verfügung. Die komplizierteren Oberflächenformen müssen daher meistens - da für das Bearbeitungswerkzeug schwer zugänglich - durch Elektroerosion (Senk- oder Fadenerodieren) hergestellt werden. Damit ergibt sich die Notwendigkeit, die Erodierschicht (lokal aufgeschmolzene Oberflächenzone) vor dem Verbinden der Bauteile mechanisch oder chemisch zu entfernen. Dazu bietet sich vor allem das Strahlen mit Partikeln hoher Geschwindigkeit an. Es handelte sich darum, ein geeignetes Strahlmittel zu finden, das die Erodierschicht abträgt und die Oberfläche des Werkstücks in geeigneter Weise vorbereitet (Benetzbarkeit durch Lot, Freiheit von störenden Fremdkörpern).

Zu diesem Zweck wurde eine Anzahl prismatische Probestücke mit den Abmessungen 10 mm × 12 mm × 7 mm aus den Legierungen MA 6000 und IN 738 hergestellt. Zusammensetzungen siehe oben! Es wurden die Paarungen MA 6000/MA 6000, MA 6000/IN 738 und IN 738/IN 738 ausgeführt, wobei die Probestücke mit einer Lötfolie des Lotes AM 788 von 0,1 mm Dicke im Ofen hartgelötet wurden. Zusammensetzung siehe oben!

Die erodierten Fügeflächen wurden mit verschiedenen Strahlmitteln einzeln oder aufeinanderfolgend gestrahlt. Daraufhin wurden je zwei Probestücke mit AM 788 bei einer Temperatur von 1230°C während 1 h im Vakuumofen hartgelötet. Während des Hartlötens wurde ein Druck von 0,1 MPa ausgeübt.

Die Ergebnisse stellten sich wie folgt:

- Strahlen mit Al₂O₃ (Durchschnittliche Partikelgröße 60 µm):
Der nur grob erodierte Grundwerkstoff MA 6000 mit 4,5 Gew.-% Al wurde während 40 sec gestrahlt. Dabei wurde eine Oberflächenschicht von durchschnittlich 12 µm Dicke abgetragen. Der Al-Gehalt in der Oberflächenzone stieg durch Einbau von Al₂O₃-Partikeln auf durchschnittlich 19 Gew.-% an.
Bei einer schlichterodierten Oberfläche betrug die Strahlzeit noch 20 sec.
Die Lötung erwies sich als ungenügend: Oxydeinschlüsse, Oxydhäute. Die Bindung war schlecht. Siehe Figuren 1 und 2!
- Strahlen mit Al₂O₃ und Ni:
Der schlichterodierte Grundwerkstoff MA 6000 wurde nacheinander während 20 sec mit Al₂O₃- und 20 sec mit Ni-Pulver gestrahlt. Der Al-Gehalt betrug in der Oberflächenzone immer noch über 12 Gew.-%.
Die Lötung war ungenügend.
Auch die anderen, oben angegebenen Paarungen erwiesen sich nach Al₂O₃-Strahlung als unbrauchbar. Al₂O₃ ist somit ein ungeeignetes Strahlmittel. Es würde anschließend ein anderes abtragendes Strahlmittel erfordern, um die Al₂O₃-Partikel wieder aus der Oberflächenzone zu entfernen. Mit Metallpulvern allein läßt sich dieser Effekt nicht erreichen.
- Strahlen mit SiC (Durchschnittliche Partikelgröße 40 µm):
Der nur grob erodierte Grundwerkstoff MA 6000 mit 4,5 Gew.-% Al wurde während 25 sec gestrahlt. Dabei wurde eine Oberflächenschicht von durchschnittlich 12 µm Dicke abgetragen. Der Al-Gehalt der Oberflächenzone blieb unverändert.
Bei einer schlichterodierten Oberfläche betrug die Strahlzeit noch 12 sec.
Die Lötung erwies sich als einwandfrei. Siehe Fig. 3 und 4!
Die anderen, oben angegebenen Paarungen von MA 6000 mit IN 738 oder von IN 738 mit IN 738 ergaben einwandfreie dichte Lötungen.
- Strahlen mit B₄C (Durchschnittliche Partikelgröße 100 µm):
Der schlichterodierte Grundwerkstoff IN 738 wurde während 10 sec gestrahlt.
Die Lötung erwies sich als einwandfrei, ähnlich derjenigen der mit SiC gestrahlten Probestücke. Vergl. auch Benetzungsversuche Fig. 10!
Auch die anderen, oben genannten Paarungen ergaben einwandfreie, keine Oxydhäute oder Schlackeneinschlüsse enthaltende Lötungen.

Ausführungsbeispiel 2

Siehe Fig. 6 bis 11! Aus der ausdehnungsarmen Fe/Ni/Co-Legierung IN 3502 mit einem Ti-Gehalt von 2 Gew.-% (Zusammensetzung siehe oben!) wurden Blechstücke mit den Abmessungen 20 mm × 10 mm × 1 mm herausgeschnitten. Diese Probestücke wurden nach der herkömmlichen Reinigung mit verschiedenen Strahlmitteln gestrahlt und daraufhin einem Benetzungs- und Lötversuch unterworfen. Die Strahlbedingungen waren die folgenden:

Spezifische Strahldauer:
15 sec/cm² Oberfläche
Vorförderdruck:	1 bar
Strahldruck:	2,5 bar
Düsendurchmesser:	3 mm
Fördermedium:	Ölfreie Preßluft

Nach dem Strahlen wurden die Probestücke mit Preßluft von 1 bar Druck zwecks Entfernung anhaftender loser Partikel des Strahlmittels abgeblasen.

Als Lot wurde Nicobraze LM in Pulverform verwendet. Zusammensetzung siehe oben! Es wurden jeweils 0,30 g des Lotes in der Mitte eines Probestücks in Form eines Kegels aufgeschüttet. Dann wurde die Probe in einen Vakuumofen eingefahren und unter einem Restdruck von 3 · 10^-2 Pa (3 · 10^-7 bar) im Verlaufe von 1 h von Raumtemperatur auf 1040°C aufgeheizt und während 15 min auf dieser Temperatur gehalten. Hierauf wurde die Probe mit einer Geschwindigkeit von 15°C/min bis auf eine Temperatur von 600°C abgekühlt und dann schnell unter Argon als Schutzgas auf Raumtemperatur abgekühlt.

Als Strahlmittel wurden nebeneinander folgende Substanzen verwendet und die Resultate verglichen:

- Al₂O₃:
Zusammensetzung: @	Al₂O₃:	95,2 Gew.-%
SiO₂:	0,8 Gew.-%
Fe₂O₃:	0,2 Gew.-%
TiO₂:	3,38 Gew.-%
Na₂O:	0,1 Gew.-%
CaO+MgO:	0,35 Gew.-%
Körnung: @	< 150 µm:	0,6 Gew.-%
< 45 µm:	8,5 Gew.-%

Ergebnis: Benetzung schlecht. Oxydeinschlüsse in Lötnaht (Vergleiche Fig. 2 und 6!)

- TiC:
Zusammensetzung: @	totales C:	19,2 Gew.-%
O:	0,22 Gew.-%
N:	0,69 Gew.-%
Ti:	Rest
Körnung: @	< 150 µm:	0,8 Gew.-%
< 45 µm:	10,5 Gew.-%

Ergebnis: Benetzung gut. Einwandfreie Lötnaht und metallurgische Bindung (Vergleiche Fig. 7!)

- Cr-Karbide:
Zusammensetzung: @	totalen C:	13,1 Gew.-%
Si:	0,05 Gew.-%
Fe:	0,53 Gew.-%
Cr:	Rest
Körnung: @	< 150 µm:	0,5 Gew.-%
< 45 µm:	7,0 Gew.-%

Ergebnis: Benetzung sehr gut. Einwandfreie Lötnaht und metallurgische Bindung (Vergleiche Fig. 8!)

- WC:
Zusammensetzung: @	totales C:	6,04 Gew.-%
O:	0,1 Gew.-%
N:	0,3 Gew.-%
W:	Rest
Körnung: @	< 150 µm:	0,7 Gew.-%
< 45 µm:	9,5 Gew.-%

Ergebnis: Benetzung gut. Einwandfreie Lötnaht und metallurgische Bindung (Vergleiche Fig. 9!)

- B₄C:
Zusammensetzung: @	B₄C:	99 Gew.-%
Fe:	< 0,3 Gew.-%
Si:	< 0,2 Gew.-%
Al:	< 0,2 Gew.-%
Mg:	< 0,1 Gew.-%
Ca:	< 0,1 Gew.-%
B₂O₃:	< 0,15 Gew.-%
Körnung: @	< 150 µm:	0,9 Gew.-%
< 45 µm:	11,0 Gew.-%

Ergebnis: Benetzung ausreichend. Einwandfreie Lötnaht und metallurgische Bindung (Vergleiche Fig. 10!)

- SiC:
Zusammensetzung: @	SiC:	99,7 Gew.-%
SiO₂:	0,15 Gew.-%
Si:	0,02 Gew.-%
Fe:	0,02 Gew.-%
Al:	0,02 Gew.-%
freies C:	0,15 Gew.-%
Körnung: @	< 150 µm:	0,4 Gew.-%
< 45 µm:	10,0 Gew.-%

Ergebnis: Benetzung hervorragend. Einwandfreie Lötnaht und metallurgische Bindung (Vergleiche Fig. 11!)

Ausführungsbeispiele

An einen turbinenschaufelähnlichen Schaft mit symmetrischem nierenförmigen Profil wurde senkrecht zur Schaftachse eine Deckplatte angelötet. Der Schaft bestand aus der Legierung MA 6000 im feinkörnigen Gefügezustand, die Deckplatte aus der Legierung IN 738 im verhältnismäßig grobkörnigen Zustand. Legierungszusammensetzungen siehe oben!

Der Schaft wurde an seinem Ende abgeschrägt ("zugespitzt"), so daß als Verbindungsfläche eine Regelfläche entstand, deren Erzeugende mit der Schaftachse einen Winkel von 30° einnahmen: Die Bearbeitung wurde nach dem Elektroerosionsverfahren (Senkerosion) vorgenommen. Die Deckplatte erhielt eine Öffnung mit nierenförmigen Profil, welches genau das konkave Gegenstück zum Kopfende des Schaftes (Regelfläche 30°) darstellte. Diese Bearbeitung wurde durch Fadenerosion bewerkstelligt. Es wurden sowohl beim Schaft wie bei der Deckplatte je ein Schruppschnitt und 2 Schlichtschnitte ausgeführt. Die Paßgenauigkeit betrug ca. 0,01 mm. Die zu verbindenden Flächen der Bauteile wurden nun mit SiC gestrahlt. Die Strahlbedingungen waren wie folgt:

Vorförderdruck:\|1 bar
Strahldruck:	2,5 bar
spezifische Strahlzeit:	20 cec/cm² Oberfläche

Es wurde mit einem Band von 0,1 mm Dicke des Lotes AM 788 (Zusammensetzung siehe oben!) gelötet. Die zu verbindenden Bauteile wurden durch Gewichtsbelastung unter einen in Richtung der Schaftachse wirkenden Druck gesetzt und im Vakuumofen bei einer Temperatur von 1200°C während 2 h gelötet.

Nach der Abkühlung wurde das fertige Bauteil einer metallographischen Untersuchung unterworfen. Es konnte eine ausgezeichnete Benetzung und einwandfreie metallurgische Bindung in der Lötzone festgestellt werden. Die Prüfung auf Abreißen bei Raumtemperatur sowie ein Zeitstandversuch bei 900°C ergaben sehr gute Resultate: Höchste, erreichte Zugspannung in der Lötnaht bei 900°C ca. 140 MPa.

Ausführungsbeispiel 4

Auf die Deckplatte einer Gasturbinenschaufel wurde ein als Dichtung dienender Honigwabenkörper stumpf aufgelötet. Die Deckplatte bestand aus der Nickelbasis-Superlegierung IN 738 (Zusammensetzung siehe oben!), der Honigwabenkörper aus einer Nickellegierung mit dem Handelsnamen "Hastelloy I" von folgender Zusammensetzung:

Cr
= 22,0 Gew.-%
Co	= 1,5 Gew.-%
Mo	= 9,0 Gew.-%
W	= 0,6 Gew.-%
Fe	= 18,5 Gew.-%
Mn	= 0,50 Gew.-%
Si	= 0,50 Gew.-%
C	= 0,10 Gew.-%
Ni	= Rest

Das Lot war eine Nickellegierung mit dem Handelsnamen MBF 50 der nachfolgenden Zusammensetzung:

Cr
= 18,5 Gew.-%
Si	= 7,3 Gew.-%
B	= 1,2 Gew.-%
C	0,08 Gew.-%
Ni	= Rest

Die Solidustemperatur des Lotes betrug 1065°C, die Liquidustemperatur 1150°C, die empfohlene Löttemperatur 1140 bis 1204°C.

Die Deckplatte hatte eine Grundfläche von 60 mm × 65 mm und wurde nach vorangegangener Reinigung mit SiC als Strahlmittel gestrahlt. Dabei wurde die Strahlpistole kreuzweise geführt. Die spezifische Strahlzeit betrug 10 cec/cm² Oberfläche. Das Lot wurde in Form einer dünnflüssigen Pulveraufschlämmung mit einem Binder auf die Deckplatte aufgetragen, der Honigwabenkörper daraufgelegt, mit einem Gewicht belastet und das Ganze im Ofen unter Vakuum gelötet. Wegen der ausgezeichneten Bindung der mit SiC gestrahlten Deckplatten oberfläche konnte die Löttemperatur mit 1120°C unterhalb des üblicherweise empfohlenen Temperaturintervalls gehalten werden. Zudem konnte die Lötmenge unterhalb des herkömmlichen, meist zu nachteiligen größeren Anschmelzungen führenden Wertes bleiben, da die Lotverteilung und Ausbreitung vorzüglich war. Es brauchen also nicht die Honigwabenkörper mit eingebauten Lotstreifen verwendet werden.

Ausführungsbeispiel 5

An das Kopfende des Schaufelblatts einer Gasturbinenschaufel mit Tragflügelprofil wurde senkrecht zur Schaufelachse eine Deckplatte angelötet. Das Schaufelblatt bestand aus der Legierung MA 6000 im zonengeglühten grobkörnigen Zustand (längsgerichtete Stengelkristalle). Die Deckplatte war aus der Legierung IN 738 gefertigt.

Das Kopfende des Schaufelblattes mit Tragflügelprofil hatte folgende Abmessungen:

Breite\|= 86 mm
Dicke	= 22 mm
Profilhöhe	= 26 mm

Das Kopfende des Schaufelblattes wurde ähnlich Beispiel 3 abgeschrägt ("zugespitzt"), so daß als Verbindungsfläche eine Regelfläche entstand, deren Erzeugende mit der Schaufellängsachse eine Winkel von 28° einnahmen. Die Bearbeitung wurde durch Elektroerosion in 3 Schnitten vorgenommen (1 Schruppschnitt, 2 Schlichtschnitte).

Die Deckplatte hatte folgende Abmessungen:

Breite\|= 68 mm
Dicke	= 60 mm
Profilhöhe	= 10 mm

Die Deckplatte erhielt eine Öffnung mit Tragflügelprofil, deren Mantelfläche (Regelfläche mit 28° Neigung gegenüber der Schaufellängsachse) genau derjenigen des Kopfendes des Schaufelblattes entspach (konkaves Gegenstück). Die Bearbeitung wurde ebenfalls durch Elektroerosion in 3 Schnitten bewerkstelligt.

Die Fügeflächen der zu verbindenden Werkstückteile wurde mit SiC gestrahlt.

Vorförderdruck:\|1 bar
Strahldruck:	3,5 bar
spezifische Strahlzeit:	10 sec/cm² Oberfläche

Die Oberflächen wurden nach dem Strahlen zwecks Entfernung lose anhaftender Partikel des Strahlmittels mit Preßluft abgeblasen. Als Lot wurde eine Nickellegierung mit dem Handelsnamen AM 900 mit der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet:

Cr
= 14,04 Gew.-%
Co	= 9,49 Gew.-%
Al	= 3,15 Gew.-%
Mo	= 4,13 Gew.-%
W	= 3,92 Gew.-%
Ti	= 4,70 Gew.-%
Zr	= 0,036 Gew.-%
Si	= 0,12 Gew.-%
Fe	= 0,29 Gew.-%
C	= 0,18 Gew.-%
B	= 1,83 Gew.-%
Ni	= Rest

Das Lot wurde in Form eines 0,1 mm dicken Bandes auf die zu verbindende Oberflächen aufgebracht und die Ränder der Lötfuge zusätzlich zwecks Nachspeisung mit Lotpaste der gleichen Zusammensetzung bestrichen.

Die Lötung wurde bei einer Temperatur von 1190°C während 1/2 h im Ofen unter Vakuum durchgeführt. Anschließend wurde ein Diffusionsglühen bei der gleichen Temperatur während 2 h vorgenommen, gefolgt von einem langsamen Abkühlen im Ofen bis auf 600°C herunter. Dann erfolgte ein schnelles Abkühlen unter Argon von 1,2 bar Druck bis auf Raumtemperatur. Die Lotränder wurden durch Schleifen verputzt. Die Fügefläche maß ca. 600 mm².

Die fertig gelötete Schaufel wurde untersucht. Mit zerstörungsfreier Werkstoffprüfung konnten keine Fehlstellen festgestellt werden. Eine Thermoschockprüfung von 100 Zyklen im Temperaturintervall zwischen 200°C und 1030°C, wobei zwischen Deckplatte und Schaufelblatt Temperaturdifferenzen bis zu 250°C eingestellt wurden (entsprechend Spannungen bis zu 150 MPa) wurde ohne Schädigung der Lötverbindung überstanden. Ein Abreißversuch der Deckplatte vom Schaufelblatt, wobei in der Lötnaht zufolge des ausgeübten Biegemoments sehr hohe Zugspannungen auftreten, ergab eine Bruchlast von ca. 110 000 N. Die Untersuchung der durch die Mitte der Lötnaht gehenden Bruchfläche ergab ausgezeichnete Benetzung und Porenfreiheit der Lötung.

Ausführungsbeispiel 6

Zwei Platten aus der Legierung MA 6000 von 100 mm × 100 mm × 10 mm wurden an ihren Grundflächen eben geschliffen. Ihre verbleibende Rauhigkeit betrug ca. 1 µm. Die Grundflächen wurden mit feinen Chromkarbidpartikeln (Partikeldurchmesser 10 bis 45 µm) gestrahlt:

Vorförderdruck:\|0,5 bar
Strahldruck:	2 bar
spezifische Strahldauer:	2 sec/cm²
Düsendurchmesser:	4 mm

Die gestrahlten Werkstückoberflächen wurden mit ölfreier Preßluft von anhaftenden Partikeln des Strahlmittels gesäubert.

Die Werkstücke wurden mit ihren gestrahlten Oberflächen gegeneinander in eine Kapsel aus weichem Stahl eingelegt. Nun wurde die Kapsel evakuiert, vakuumdicht verschweißt und in einem Ofen auf eine Temperatur von 1100°C aufgeheizt. Dann wurde das Ganze in einer Presse unter einem allseitigen Druck von 1000 bar bei 1200°C heiß-isostatisch gepreßt. Nach dem Abkühlen wurde die Stahlkapsel mechanisch entfernt und die Fügezone metallographisch untersucht. Es konnte eine einwandfreie metallurgische Bindung ohne Lunker und ohne Poren festgestellt werden.

Ausführungsbeispiel 7

Zwei Platten aus der Legierung IN 738 von 120 mm × 150 mm × 15 mm wurden an ihren Grundflächen eben geschliffen, so daß ihre Rauhigkeit noch ca. 2 µm betrug. Die Grundflächen wurden mit feinem WC-Pulver (Partikeldurchmesser 6 bis 40 µm) unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 6 gestrahlt. Dann wurden die gestrahlten Werkstücke vakuumdicht in einer weichen Stahlkapsel eingeschlossen und nach dem Diffusions- Fügeprozeß durch heiß-isostatisches pressen unter einem Druck von 1500 bar bei einer Temperatur von 1150°C verbunden. Die Fügezone war frei von Lunkern und Poren. Es konnte keine nachteilige Wirkung des Strahlmittels (allfälliger W-Gehalt) festgestellt werden.

Ausführungsbeispiel 8

Siehe Fig. 20! Aus das Schaufelblatt einer Gasturbinenschaufel aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handelsnamen IN 738 wurde eine Schutzschicht aus einer chrom- und aliminiumhaltigen Nickellegierung aufgespritzt. Die letztere hatte folgende Zusammensetzung:

Cr
= 23 Gew.-%
Al	= 13 Gew.-%
Y	= 0,5 Gew.-%
Ni	= Rest

Das Schaufelblatt wurde nach üblicher Reinigung mit grobem SiC-Pulver (Partikelgröße 150 bis 400 µm) gestrahlt. Die Strahlbedingungen waren:

Vorförderdruck:\|2,5 bar
Strahldruck:	6 bar
spezifische Strahlzeit:	3 sec/cm² Oberfläche

Strahlbedingungen und Pulverkörnung wurden in Abweichung zu den vorangegangenen Beispielen so gewählt, daß eine möglichst rauhe Oberfläche mit guten Hafteigenschaften für den auszuspritzenden Werkstoff geschaffen wurde. Die Herstellung der Schutzschicht erfolgte nach dem Plasmaspritz verfahren unter Argon als Schutzgas. Nach dem Aufbringen der Schutzschicht wurde das Werkstück einer Glühbehandlung bei 1120°C während 2 h und einer solchen bei 850°C während 24 h unterworfen. Durch die dabei auftretenden Diffusions- und Ausgleichsvorgänge wird die Haftung der Schutzschicht verbessert. Die zuvor durch das Strahlen in der Oberfläche des Schaufelblattes implantierten SiC-Partikel förderten die Benetzung des aufgespritzten Werkstoffs. Wie aus Fig. 20 hervorgeht, wurde in der Grenzzone 24 eine einwandfreie Bindung erzielt. Dies trotz der in der Schutzschicht 22 selbst eingebetteten, Oxydeinschlüsse 23, die auf ungenügende Abschirmung durch das Schutzgas und dessen Restsauerstoffgehalt zurückzuführen waren.

Ausführungsbeispiel 9

Vergleiche Fig. 21! Auf ein Schaufelblatt einer Gasturbinenschaufel aus einer Nickel-Guß-Superlegierung mit dem Handelsnamen IN 939 von INCO wurde eine Oberflächenschutzschicht aus einer Legierung wie unter Beispiel 8 angegeben aufgespritzt. Die Legierung IN 939 hatte folgende Zusammensetzung:

Cr
= 22,4 Gew.-%
Co	= 19,0 Gew.-%
Ta	= 1,4 Gew.-%
Nb	= 1,0 Gew.-%
Al	= 1,9 Gew.-%
Ti	= 3,7 Gew.-%
Zr	= 0,1 Gew.-%
C	= 0,15 Gew.-%
Ni	= Rest

Das Schaufelblatt wurde mit grobem Chromcarbid-Pulver (Partikelgröße 160 bis 450 µm) unter den unter Beispiel 8 angegebenen Strahlbedingungen gestrahlt. Die Herstellung der Schutzschicht erfolgte nach dem Plasmaspritzverfahren unter Argon. Das Werkstück wurde einer Glühbehandlung bei 1160°C während 2 h unterzogen, mit einer Geschwindigkeit von 1°C/mion auf 600°C abgekühlt und einer weiteren Glühung bei 850°C während 24 h unterworfen. Es wurde eine einwandfreie Bindung zum Grundwerkstoff erzielt trotz noch vorhandener Oxydeinschlüsse in der aufgespritzten Schicht selbst.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Das Strahlen läßt sich grundsätzlich mit jedem Karbid genügend hoher Härte und hoher Sauerstoffaffinität durchführen. Vorzugsweise sind dies die Karbide des Siliziums, (SiC), Chroms (z. B. Cr₃C₂), Wolframs (WC), Titans (TiC), Bors (B₄C); ferner des Molybdäns (MoC), Tantals (TaC), Hfniums (HfC). Die in die Oberfläche des Grundwerkstoffs implantierten Karbidpartikel reagieren chemisch mit den Sauerstoffträgern beim Verbinden. Vorzugsweise haben die Partikel einen mittleren Durchmesser von 10 bis 500 µm. Vorzugsweise wird die Oberfläche eines aus einer Nickel-, Kobalt- oder Eisenlegierung als Grundwerkstoff bestehenden Werkstücks zwecks Hochtemperaturlöten oder Diffusionsfügen nach vorausgegangener mechanischer Feinbearbeitung und/oder chemischer Behandlung mit einem karbidhaltigen Strahlmittel während 2 bis 60 s/cm² Oberfläche gestrahlt. Das Strahlen erweist sich insbesondere vorteilhaft für Werkstücke aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit mindestens 2% Aluminiumgehalt und/oder mit mindestens 1,5% Titangehalt. Außer zur Vorbereitung von Werkstückoberflächen für das nachfolgende Hartlöten, Fügen oder Schweißen wird das gemäß Verfahren behandelte und gereinigte metallische Werkstück in vorteilhafter Weise durch Metallspritzen (insbesondere Plasmaspritzen) oder Eingießen oder Umgießen mit dem metallischen Werkstoff fest metallurgisch verbunden. Die Wirkung der in die Oberflächenzone implantierten Karbidpartikel ist dabei dieselbe wie beim oben beschriebenen Hartlöten: Reaktives Verbinden unter mindestens teilweise flüssiger Phase!

Vorteile des Verfahrens

- Hartlöten (speziell Hochtemperaturlöten) im Ofen unter schlechterem Vakuum (Restdruck größer als 10^-2 Pa) oder schlechterem Schutzgas ohne Beeinträchtigung der Lötnahtqualität möglich.
- Völliger Verzicht auf Flußmittel und schmelzpunkterniedrigende Zusätze beim Hartlöten und dadurch Vermeidung der nachteiligen Einflüsse derartiger Stoffe auf die Eigenschaften des Grundmaterials und/oder des Lotes in der Verbindungszone. Dies gilt vor allem für die schädliche Wirkung von Halogeniden und Bor oder Borverbindungen.
- Möglichkeit der Herabsetzung der Löttemperatur dank ausgezeichneter Benetzung des Lotes. Dies ist vor allem wichtig im engen zur Lötung verfügbaren kritischen Temperaturintervall beim Löten von Nickel- oder Kobaltbasis- Superlegierungen.
- Ermöglichung eines engeren Lötspalts durch bessere Benetzung und besseres Spaltfüllungsvermögen des Lotes.
- Möglichkeit der günstigen Beeinflussung der Werkstoff- Zusammensetzung im Grenzbereich Lot/Grundwerkstoff (z. B. Anreicherung an Si und/oder Cr und/oder Ti etc.) durch geeignete Wahl des oder der Strahlmittel (SiC; Cr₂C₂; TiC etc.). Dies kann insbesondere bei Superlegierungen eine Rolle spielen. Die Menge der implantierten Karbidpartikel hängt von den Strahlbedingungen (Partikelgröße, Strahldruck, Strahlzeit etc.) ab und kann in weiten Grenzen variiert werden.
- Erweiterung der Anwendbarkeit von Metallspritzverfahren und Ein- bzw. Umgießtechnologien zur Erzielung fester, metallurgisch einwandfreier, nicht bloß mechanischer haftender Verbindungen.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung und Reinigung einer für eine feste metallurgische Verbindung durch Löten, Fügen, Schweißen, Umgießen oder Metallspritzen mit einem metallischen Werkstoff vorgesehenen Oberfläche (2) eines aus einem metallischen Grundwerkstoff (1) bestehenden Werkstücks durch Strahlen mittels eines feste Partikel in Suspension enthaltenden Gasstrahls hoher Geschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus einem Karbid mit hoher Sauestoffaffinität bestehen, welches bei der besagten metallurgischen Verbindung mit den Sauerstoffträgern chemisch reagiert, und daß beim Strahlen ein Teil der Partikel in die Oberfläche (2) des Grundwerkstoffs (1) implantiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus mindestens einem Karbid ausgewählt aus der Gruppe B₄C; SiC; Cr₃C₂; MoC; WC; TaC; TiC; HfC bstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Siliziumcarbid SiC bestehen und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 500 µm haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Wolframkarbid WC bestehen und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 500 µm haben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Titankarbid TiC bestehen und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 500 µm haben.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus einem Chromkarbid bestehen und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 500 µm haben.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus Borkarbid B₄C bestehen und einen mittleren Durchmesser von 10 bis 500 µm haben.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff (1) aus einer Nickel-, Kobalt- oder Eisenlegierung besteht, und daß die Oberfläche des Werkstücks zwecks Hochtemperaturlöten oder Diffusionsfügen nach vorausgegangener mechanischer Feinbearbeitung und/oder chemischer Behandlung mit einem karbidhaltigen Strahlmittel während 2 bis 60 s/cm² Oberfläche gestrahlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff (1) aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit mindestens 2% Aluminiumgehalt und/oder mindestens 1,5% Titangehalt besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das behandelte und gereinigte metallische Werkstück durch Metallspritzen oder Eingießen oder Umgießen mit dem flüssigen metallischen Werkstoff verbunden wird.