DE69714751T2 - Verfahren zum verbinden von rhenium mit niobium - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Verbindungsverfahren und insbesondere ein Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob und auf Niob basierenden Legierungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Gegenwärtig kommen in strahlungsgekühlten Einzel- oder Doppeltreibstoffraketen Düsen und Schubkammern zum Einsatz, die aus einer durch einen Quarzgutüberzug gegen Oxidation geschützten Nioblegierung (Nb&sub1;&sub0;&sub3;) gefertigt sind. Diese Düsen und Schubkammern können im allgemeinen Temperaturen bis zu 1316ºC (2400ºF) widerstehen. Zur Erhöhung der Betriebstemperaturen dieser Raketen wurde vorgeschlagen, die Niob-Düsen mit Rhenium-Schubkammern zu kombinieren. Bei Anwendung herkömmlicher Verbindungsverfahren, wie z. B. Schweißen und Hartlöten, zum Verbinden von Rhenium mit Niob bilden sich spröde intermetallische Verbindungen. Bei einer intermetallischen Verbindung handelt es sich um eine Verbindung, die sich bildet, wenn zwei Metalle eine ironische Verbindung eingehen. Infolge der Sprödigkeit der intermetalischen Verbindung können sich Risse bilden und zum Versagen der Verbindung zwischen dem Rhenium und dem Niob führen.
• In der US-PS 3,714,702 mit dem Titel "Method for Diffusion Bonding Refractory Metais and Alloys" wird das Diffusionsverbinden von Gegenständen aus refraktären Metallen oder Legierungskombinationen davon erläutert.
• Demgemäß besteht Bedarf an einem Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob, bei dem die Bildung von intermetallischen Verbindungen auf ein Minimum beschränkt ist.
KURZE DARSTELLUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob bereitzustellen, bei dem die Bildung von intermetallischen Verbindungen auf ein Minimum beschränkt ist.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 7 bereitgestellt.
• Nach einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob und auf Niob basierenden Legierungen bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man:
• (a) einen ersten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus Rhenium aufweist, bereitstellt;
• (b) einen zweiten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus der Gruppe bestehend aus Niob und auf Niob basierenden Legierungen auf weist, bereitstellt;
• (c) auf das Rheniumteilstück eine erste Schicht aus Ruthenium aufbringt;
• (d) auf das Niobteilstück eine zweite Schicht aus Ruthenium aufbringt;
• (e) das mit Ruthenium beschichtete Rheniumteilstück erhitzt, wobei sich dazwischen eine Mischschicht aus Ruthenium und Rhenium bildet;
• (f) das mit Ruthenium beschichtete Niobteilstück erhitzt, wobei sich dazwischen eine Mischschicht aus Ruthenium und Niob bildet;
• (g) eine Hartlotfolie bereitstellt;
• (h) das mit Ruthenium beschichtete Rheniumteilstück und das mit Ruthenium beschichtete Niobteilstück mit gegenüberliegenden Seiten der Hartlotfolie in Berührung bringt;
• (i) die Anordnung aus dem vorhergehenden Schritt auf eine über der Liquidustemperatur des Hartlots liegende Temperatur erhitzt und
• (j) die Anordnung aus Schritt (i) auf Umgebungstemperatur abkühlt.
• Nach einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Gegenstand bereitgestellt, der gekennzeichnet ist durch:
• eine erste Schicht aus Rhenium;
• eine zweite Schicht aus der Gruppe bestehend aus Niob und auf Niob basierenden Legierungen und
• eine zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnete, Ruthenium enthaltende Verbindungsschicht zum Verbinden der beiden Schichten, wobei die Verbindungsschicht aus einem anderen Material besteht als die erste und die zweite Schicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die einzige Figur zeigt eine Querschnittsansicht eines nach einem durch die vorliegende Erfindung vorgesehenen Verfahren hergestellten Gegenstands.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• Bei einem Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob werden die folgenden Schritte durchgeführt. Ein Gegenstand, der entweder aus reinem Rhenium besteht oder ein Teilstück oder eine Beschichtung aus reinem Rhenium aufweist, soll mit einem Gegenstand, der entweder aus reinem Niob besteht oder ein Teilstück oder eine Beschichtung aus reinem Niob oder Legierungen davon auf weist, verbunden werden. Die Legierung besteht vorzugsweise zu mindestens 95% aus Niob. Ein Beispiel für eine derartige Legierung ist Nb&sub1;&sub0;&sub3;.
• Das Rhenium wird in einem unpolaren Lösungsmittel gereinigt und dann durch Eintauchen in eine Lösung von Wasser und Salpetersäure an der Oberfläche leicht angeätzt. Hierbei werden auch Oxide von der Oberfläche entfernt. Nach der Reinigung wird auf dem Rhenium eine Schicht aus reinem Ruthenium galvanisch abgeschieden. Die Dicke des Rutheniums liegt vorzugsweise von 0,0025 cm bis 0,0076 cm (0,001 Zoll bis 0,003 Zoll). Dann erhitzt man zum Eindiffundieren des Rutheniums in das Rhenium im Vakuum (Druck kleiner gleich 0,067 N/m² (5 · 10&supmin;&sup5; Torr)) 1 bis 4 Stunden auf eine Temperatur zwischen 1200ºC und 1900ºC (bevorzugt ist 1 Stunde bei 1800ºC), wobei man eine Ruthenium/Rhenium-Mischschicht erhält, deren typische Dicke 0,0018 cm (0,0007 Zoll) beträgt. Diese Schicht liefert eine metallurgische Festlösungsgrenzfläche, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen demjenigen von Rhenium und demjenigen von Ruthenium liegt, auf weist und duktilen Charakter hat, so daß eine durch Konturabweichungen, die bei den nachzuschaltenden Hartlötschritten auftreten können, bedingte Verformung möglich ist.
• Das Niob wird in einem unpolaren Lösungsmittel gereinigt. Nach der Reinigung wird auf dem Niob eine Schicht aus reinem Ruthenium galvanisch abgeschieden. Die Dicke des Rutheniums liegt vorzugsweise zwischen 0,0025 cm und 0,0076 cm (0,001 Zoll bis 0,003 Zoll). Dann erhitzt man zum Eindiffundieren des Rutheniums in das Niob im Vakuum (Druck kleiner gleich 0,067 N/m² (5 · 10'5 Torr)) 1 bis 4 Stunden auf eine Temperatur zwischen 1560ºC und 1850ºC (bevorzugt ist 1 Stunde bei 1800ºC), wobei man eine Niob/Ruthenium-Mischschicht erhält, deren typische Dicke 0,0013 cm (0,0005 Zoll) beträgt.
• Diese Schicht liefert eine Festlösungsmischung, die duktilen Charakter hat, so daß eine durch Konturabweichungen, die bei den nachzuschaltenden Hartlötschritten auftreten können, bedingte Verformung möglich ist. Diese Schicht weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der zwischen demjenigen von Niob und demjenigen von Ruthenium liegt.
• Alternativ dazu kann man sowohl für Rhenium als auch für Niob das Ruthenium durch Naßapplikation eines in Alkohol gelösten Rutheniumsalzes aufbringen.
• Das Niob und das Rhenium werden mit einer Hartlotfolie mit ihren jeweiligen mit Ruthenium galvanisch beschichteten Oberflächen in Berührung gebracht, wobei sich eine Hartlötgrenzfläche ergibt. Die Hartlotfolie sollte eine Dicke von 0,0051 cm bis 0,0127 cm (0,002 bis 0,005 Zoll) aufweisen, und es kann sich dabei um eine beliebige Gold-Nickel-, Gold-Palladium-Nickel-, BAu-5- oder Nickel-Palladium-Kombination handeln. Dann übt man auf die Hartlötgrenzfläche eine Druckbelastung im Bereich von 344.750 N/m² bis 1.379.000 N/m² (50 psi bis 200 psi) aus. Wie dem Fachmann geläufig ist, kann die Druckbelastung nach verschiedenen Verfahren ausgeübt werden, wie z. B. durch Preßpassung/ externe Belastung und/oder Wärmeausdehnungsdifferenz- Vorrichtung. Letztere ist eine Vorrichtung, die eine geringere Wärmeausdehnung als das hartzulötende Teil aufweist, so daß sich beim Erhitzen insgesamt eine Druckkraft auf das Teil ergibt. Die Ausübung der Druckbelastung ist für die Erzielung der richtigen metallurgischen Verbindung nicht unbedingt notwendig, reduziert aber die Porosität und mechanische Defekte in der Lötgrenzfläche auf ein Minimum.
• Unter Aufrechterhaltung der Druckbelastung wird die Anordnung in ein Vakuum (Druck kleiner gleich 0,013 N/m² (1 · 10&supmin;&sup5; Torr)) eingebracht und auf eine Temperatur erhitzt, die 50 bis 100ºC übder der Liquidustemperatur der gewählten Hartlotlegierung liegt. Diese Temperatur sollte fünf bis zwanzig Minuten konstant gehalten werden. Dann wird die Anordnung abgekühlt und die Druckbelastung aufgehoben.
• Bei einem alternativen Verfahren bringt man nach dem galvanischen Aufbringen des Rutheniums auf das Rhenium und das Niob die mit Ruthenium beschichteten Oberflächen in Berührung, übt eine Druckbelastung von mindestens 6.895.000 N/m² (1000 psi) aus und erhitzt die Anordnung im Vakuum (Druck kleiner gleich 0,067 N/m² (5 · 10&supmin;&sup5; Torr)) mindestens eine Stunde auf eine Temperatur zwischen 1750ºC und 1900ºC. Dann wird die Anordnung auf Umgebungstemperatur abgekühlt und die Druckbelastung aufgehoben. Dieses Verfahren ergibt eine Diffusionsverbindung der Rutheniumschichten.
• Unter Bezugnahme auf, die einzige Figur wird bei jedem der beiden Verfahren ein Gegenstand mit einer Schicht aus Ruthenium 10, einer Schicht aus Niob oder einer auf Niob basierenden Legierung 14 und einer zwischen den Schichten 10 und 14 angeordneten Rutheniumverbindungsschicht 12 hergestellt. Wichtig ist, daß die Verbindungsschicht 12 aus einem Material besteht, das von dem Material der Schichten 10 und 14 verschieden ist. Bei Anwendung des hier beschriebenen Hartlötverfahrens besteht die resultierende Verbindungsschicht 12 aus einer duktilen Schicht aus gemischtem Rhenium/Ruthenium, Hartlotlegierungsruthenium und einer duktilen Mischschicht aus Ruthenium/Niob. Bei Anwendung des alternativen Diffusionsverfahrens besteht die resultierende Verbindungsschicht 12 aus einer duktilen Schicht aus gemischtem Rhenium/Ruthenium, einer reinen Schicht aus Ruthenium und einer duktilen Mischschicht aus Ruthenium/Niob. Bei jedem der beiden Verfahren wird die Verbindung von Rhenium mit Niob so erreicht, daß die Bildung, von spröden intermetallischen Verbindungen auf ein Minimum beschränkt ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob und auf Niob basierenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß man:

(a) einen ersten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus Rhenium aufweist, bereitstellt;

(b) einen zweiten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus der Gruppe bestehend aus Niob und auf Niob basierenden Legierungen aufweist, bereitstellt;

(c) auf das Rheniumteilstück eine erste Schicht aus Ruthenium aufbringt;

(d) auf das Niobteilstück eine zweite Schicht aus Ruthenium aufbringt;

(e) das mit Ruthenium beschichtete Rheniumteilstück erhitzt, wobei sich dazwischen eine Mischschicht aus Ruthenium und Rhenium bildet;

(f) das mit Ruthenium beschichtete Niobteilstück erhitzt, wobei sich dazwischen eine Mischschicht aus Ruthenium und Niob bildet;

(g) eine Hartlotfolie bereitstellt;

(h) das mit Ruthenium beschichtete Rheniumteilstück und das mit Ruthenium beschichtete Niobteilstück mit gegenüberliegenden Seiten der Hartlotfolie in Berührung bringt;

(i) die Anordnung aus dem vorhergehenden Schritt auf eine über der Liquidustemperatur des Hartlots liegende Temperatur erhitzt und

(j) die, Anordnung, aus Schritt (i) auf Umgebungstemperatur abkühlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Aufbringen einer Schicht aus Ruthenium jeweils durch Galvanisieren erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man das Erhitzen in den Schritten (e), (f) und (i) unter Vakuum durchführt.

4. Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob und auf Niob basierenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß man:

(a) einen ersten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus Rhenium aufweist, bereitstellt;

(b) einen zweiten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus der Gruppe bestehend aus Niob und auf Niob basierenden Legierungen aufweist, bereitstellt;

(c) auf das Rheniumteilstück eine erste Schicht aus Ruthenium aufbringt;

(d) auf das Niobteilstück eine zweite Schicht aus Ruthenium aufbringt;

(e) die erste Rutheniumschicht mit der zweiten Rutheniumschicht in Berührung bringt und darauf eine Druckbelastung ausübt;

(f) die Anordnung aus Schritt (e) erhitzt, bis das Rhenium und die erste Rutheniumschicht ineinander diffundieren, die erste Rutheniumschicht und die zweite Rutheniumschicht ineinander diffundieren und die zweite Rutheniumschicht und das Niob ineinander diffundieren und

(g) die Druckbelastung aufhebt und die Anordnung auf Umgebungstemperatur abkühlt.

5. Gegenstand, gekennzeichnet durch:

eine erste Schicht aus Rhenium;

eine zweite Schicht aus der Gruppe bestehend aus Niob und auf Niob basierenden Legierungen und

eine zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnete, Ruthenium enthaltende Verbindungsschicht zum Verbinden der beiden Schichten, wobei die Verbindungsschicht aus einem anderen Material besteht als die erste und die zweite Schicht.

6. Gegenstand nach Anspruch 5, in dem die Verbindungsschicht ein erstes Teilstück aus gemischtem Rhenium/Ruthenium, ein zweites Teilstück aus Ruthenium und ein drittes Teilstück aus gemischtem Ruthenium/Niob enthält.

7. Verfahren zum Verbinden von Rhenium mit Niob und auf Niob basierenden Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß man:

(a) einen ersten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus Rhenium aufweist, bereitstellt;

(b) einen zweiten Gegenstand, der zumindest ein Teilstück aus der Gruppe bestehend aus Niob und auf Niob basierenden Legierungen aufweist, bereitstellt;

(c) auf das Rheniumteilstück eine erste Schicht aus Ruthenium aufbringt;

(d) auf das Niobteilstück eine zweite Schicht aus Ruthenium aufbringt und

(e) die erste Schicht aus Ruthenium, mit der zweiten Schicht aus Ruthenium verbindet.