DE69830514T2

DE69830514T2 - Verfahren zur elektrophoretischen abscheidung von lötmaterial

Info

Publication number: DE69830514T2
Application number: DE69830514T
Authority: DE
Inventors: Stephen Paul Aiken KORINKO; Lawrence Mark HUNT
Original assignee: Rolls Royce Corp
Current assignee: Rolls Royce Corp
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2018-10-28
Also published as: US5976337A; DE69830514D1; AU1281099A; EP1042542B1; WO1999022046A1; EP1042542A1; EP1042542A4

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Aufbringen von Hartlötmaterial durch elektrophoretische Abscheidung. Sie ist besonders gut anwendbar beim Aufbringen von Hartlötmaterial auf kleine, an Durchflüsse angrenzende Profile, wobei es wünschenswert ist, den Durchfluß von dem Hartlötmaterial freizuhalten. Bestimmte Anwendungen können jedoch außerhalb dieses Gebiets liegen.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Leistung eines Gasturbinentriebwerks wird manchmal durch die Höchsttemperatur begrenzt, der bestimmte Komponenten ausgesetzt werden können. Diese Komponenten, wie z. B. Turbinenschaufeln und -flügel, verschiedene Dichtungen und Distanzstücke, Brennkammern und andere Komponenten, werden manchmal vom Triebwerkskompressor aus aktiv luftgekühlt, so daß die Temperaturen der Metallkomponenten auf akzeptierbaren Werten gehalten werden können, während sie Gastemperaturen ausgesetzt sind, die über zulässige Metalltemperaturen hinausgehen.
Diese aktive Kühlung ist mit einem inhärenten Kompromiß verbunden. Obwohl höhere Gastemperaturen darauf abzielen, die Leistung des Triebwerks zu verbessern, trägt die Verwendung von Luft aus dem Kompressor für aktive Kühlung dazu bei, die Leistung des Triebwerks zu senken. Es ist unbedingt erforderlich, daß das aktive Kühlungssystem so wenig Luft wie möglich nutzt, um Leistungsgewinne zu maximieren.
Um die verschiedenen Komponenten wirkungsgradgünstig zu kühlen, sind zahlreiche komponenteninterne Kühlungsdurchflußwegkonstruktionen benutzt worden, um Wände optimal von der Komponente in die Kühlluft zu übertragen. Beispiele derartiger Kühlungsdurchflußwegkonstruktionen sind in US-A-4 930 980, erteilt an North et al.; US-A-4 236 870, erteilt an Hucul, Jr., et al., US-A-4 946 346, erteilt an Ito; US-A-5 062 768, erteilt an Marriage; und in der britischen Patentschrift Nr. 2 246 174A, erteilt an Lings et al., zu finden.
Diese Durchflußwegkonstruktionen liefern Kühlluft für verschiedene Bereiche der Komponente und nutzen oft kleine Merkmale zu Erhöhung der Wärmeübertragung. Beispiele von Kühlungsdurchflußwegkonstruktionen mit kleinen Merkmalen sind unter anderem die US-Patentschriften US-A-4 770 608, erteilt an Anderson et al.; US-A-4 962 640, erteilt an Tobery; US-A-5 281 084, erteilt an Noe et al.; und US-A-5 193 975, erteilt an Bird et al. Kleinformatige Merkmale, wie z. B. Stifte, Sockel, Wände und Durchflüsse, lassen die Aufnahme einer größeren Anzahl derartiger Merkmale in dem Kühlungsdurchflußweg zu. Eine große Zahl von Kühlsockeln vergrößert zum Beispiel die spezifische Oberfläche der Komponente, die der Kühlluft ausgesetzt ist. Eine geringe Größe der Kühlungsdurchflüsse läßt nicht nur eine größere Anzahl Durchflüsse zu, sondern erhöht auch den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten des Durchflusses.
Die Nutzung kleiner Merkmale, wie z. B. von Stiften, Sockeln, Wänden und Durchflüssen, wirft jedoch bei der Fertigung ein Problem auf. Diese Merkmale werden oft gegossen oder auf ein Werkstück geätzt, das dann mit einem anderen Werkstück verbunden werden muß. Verbindungsmethoden schließen oft Schweißen, Hartlöten oder Diffusionsschweißen ein. Beispiele von Kühlungsdurchflußwegkonstruktionen, in denen Teile der Werkstücke hartgelötet werden, sind unter anderem die US-Patentschriften US-A-5 263 820, erteilt an Tubbs; US-A-4 786 234, erteilt an Readnour; US-A-4 505 639, erteilt an Groess et al.; US-A-4 482 295, erteilt an North et al.; US-A-5 419 039, 5 392 515 und 5 405 242, erteilt an Auxier et al.; US-A-5 383 766, erteilt an Przirembel et al.; US-A-5 193 980, erteilt an Kaincz et al.; und die britischen Patentbeschreibungen Nr. 1 285 369, erteilt an Steel et al., und 1 299 904, erteilt an die Curtiss Wright Corporation.
Das Hartlöten von Durchflußwegen mit kleinen geometrischen Merkmalen wirft das Problem auf, daß überschüssiges Hartlötmaterial den vorgesehenen Gebrauch des Merkmals stört. Zum Beispiel kann überschüssiges Hartlötmaterial innerhalb eines Kühlluftdurchflußwegs den Luftstrom durch den Durchflußweg verringern oder vollständig beseitigen, mit daraus folgender lokaler oder allgemeiner Überhitzung der Gasturbinenkomponente. Wichtig ist, daß überschüssiges Hartlötmaterial von Bereichen ferngehalten wird, die an verschiedene Kühlungsdurchflußwegmerkmale angrenzen. US-A-4 507 051, erteilt an Lesgourgues et al., diskutiert das Hartlöten von aktiv gekühlten Gasturbinenkomponenten.
Eine Art des Aufbringens von Hartlötmaterial ist die Elektrophorese. Elektrophorese ist zur Ausbildung einer Aluminium-Chrom-Diffusionsschicht auf Turbinenkomponenten angewandt worden, die separat für eine Kobaltunterlage hergestellt wurden, wie in der britischen Patentschrift Nr. 1 466 204 offenbart wird. US-A-5 336 382, erteilt an Bodin, und US-A-5 411 582, erteilt an Bodin, beschreiben die Anwendung der Elektrophorese für die Abscheidung von Hartlötmaterial auf einem Werkstück mit einem wegen seiner hohen Viskosität bemerkenswerten Schleimstoff, wobei der Schleimstoff Hartlötpulver mit Körnern von einer Größe bis zu 53 μm enthält. Äußere Bereiche, in denen Hartlötmaterial nicht erwünscht ist, werden durch ein geeignetes Maskierungsklebeband maskiert, und innere Hohlräume werden mit Siliconstöpseln maskiert.
Benötigt wird ein Verfahren zum Hartlöten von Komponenten, bei dem Hartlötmaterial in der Nähe von kleinen Merkmalen genau aufgebracht werden kann. Die vorliegende Erfindung stellt dieses Verfahren auf eine neuartige und nicht offensichtliche Weise bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Hartlöten mit den folgenden Schritten: Ansetzen eines Bades, das aus Lösung in einem Lösungsmittel, einem Bindemittel und einer Verbindung zur Innenwechselwirkung mit dem Bindemittel besteht, Einrühren eines zum Hartlöten geeigneten Pulvers in das Bad, wobei die Teilchengröße des Pulvers im allgemeinen kleiner als etwa 37 μm ist; Aufbringen einer nichtleitenden Beschichtung auf eine Durchgangsbohrung, die an einem ersten Werkstück definiert ist, Aufbringen von Hartlötmaterial durch Elektrophorese auf einen an die Durchgangsbohrung angrenzenden Abschnitt des ersten Werkstücks; Inkontaktbringen des Abschnitts des ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück; und Erhitzen der Baugruppe aus dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück, so daß zwischen dem zweiten Werkstück und dem ersten Werkstück eine Hartlötverbindung entsteht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Hartlötverfahren bereitzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
2 zeigt eine perspektivische Vorderansicht einer gemäß der vorliegenden Erfindung hartgelöteten, aktiv gekühlten Turbinenschaufel.
3 zeigt eine Schnittansicht einer Turbinenschaufel gemäß 2 entlang der Ebene 3 von 2.
4 zeigt eine Ansicht eines Teils der Turbinenschaufel von 3 entlang einer Linie 4-4 bei entferntem zweitem Werkstück, die einen Teil des ersten Werkstücks darstellt.
5 zeigt eine Schnittansicht des Teils des ersten Werkstücks gemäß 4 entlang der Linie 5-5.
6 zeigt eine Schnittansicht des Teils des ersten Werkstücks gemäß 4 entlang der Linie 5-5, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung eine nichtleitende Beschichtung aufgebracht ist.
7 zeigt eine 200-fache Vergrößerung der geätzten Mikrostruktur einer Hartlötverbindung, die mit Hartlötmaterial hergestellt wurde, das einen für das Elektrophoresebad gemäß einer Ausführungsform der Erfindung charakteristischen Rückstand enthielt.
8 zeigt eine 8-fache Vergrößerung eines Abschnitts eines Probestücks, der Sockel- und Durchflußweg-Merkmale enthält, die in der internen Struktur einer aktiv gekühlten Turbinenkomponente verwendbar sind, auf die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine nichtleitende Beschichtung aufgebracht und Hartlötmaterial elektrophoretisch abgeschieden wurde.
9 zeigt eine 8-fache Vergrößerung eines Abschnitts eines Probestücks, der Sockel- und Durchflußweg-Merkmale enthält, die in der internen Struktur einer aktiv gekühlten Turbinenkomponente verwendbar sind, auf die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine nichtleitende Beschichtung aufgebracht und Hartlötmaterial elektrophoretisch abgeschieden wurde.
10 zeigt eine 8-fache Vergrößerung des Probestücks von 9 mit entfernter nichtleitender Beschichtung und nach Einwirkung eines Vorbenetzungs-Ofenzyklus.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Um ein Verständnis der Grundgedanken der Erfindung zu fördern, wird nachstehend auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen, und zu ihrer Beschreibung wird eine besondere Sprache benutzt. Nichtsdestoweniger versteht es sich, daß damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, und es ist damit zu rechnen, daß Änderungen und weitere Modifikationen an der dargestellten Vorrichtung sowie weitere Anwendungen der Grundgedanken der Erfindung, wie sie hierin erläutert werden, dem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, normalerweise einfallen würden.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zur Abscheidung von Hartlötmaterial auf ein erstes Werkstück, das schließlich mit einem zweiten Werkstück hartverlötet wird und eine oder mehrere Hartlötverbindungen bildet. Es ist anwendbar für die Abscheidung von Hartlötmaterial auf Abschnitten des ersten Werkstücks, die an Durchflußwege bzw. Durchgangsbohrungen angrenzen, wobei sich die Durchflußwege entweder in dem ersten Werkstück oder in der Werkstückbaugruppe befinden, wobei es wünschenswert ist, das Hartlötmaterial nach der Ausbildung der Hartlötverbindung aus der Durchgangsbohrung herauszuhalten. Das Verfahren ist besonders gut anwendbar bei Komponenten, die in heißen Abschnitten eines Gasturbinentriebwerks verwendet werden, einschließlich Schaufeln, Flügel, Brennkammern und Dichtungen, wobei in den Durchflußwegen schließlich Kühlluft fließt. Oft sind derartige Kühlungsdurchflußwege klein, so daß eine relativ große Oberfläche der Kühlluft ausgesetzt wird, und so geformt, daß sie Kühlluft zuführen, wo diese benötigt wird.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Feststellungen, daß ein Elektrophoresebad von niedriger Viskosität und niedriger Oberflächenspannung für die Abscheidung einer kontrollierten Menge Hartlötmaterial auf kleine Merkmale verwendbar ist, so daß das Hartlötmaterial die an die kleinen Merkmale angrenzenden Durchflußwege nach der Ausbildung der Hartlötverbindungen nicht stört. Vor der elektrophoretischen Abscheidung wird auf die Durchflußwege eine nichtleitende Beschichtung aufgebracht, die sowohl die Abscheidung innerhalb des Durchflußwegs als auch eine übermäßige Abscheidung auf den an die Durchflußwege angrenzenden Kanten verhindert. Die vorliegende Erfindung beinhaltet außerdem die Feststellung, daß ein Bindemittel, das innerhalb des Elektrophoreseprozesses eingesetzt wird, wie z. B. das Protein Zein, die Qualität der fertigen Hartlötverbindung nicht merklich stört oder beeinträchtigt.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gasturbinentriebwerks 20, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Eine Kompressoreinheit 22 ist an einem heißen Abschnitt 24 angebracht. Der heiße Abschnitt 24 enthält verschiedene interne Komponenten, die aktiv gekühlt werden, wie z. B. Turbinenschaufeln 26 und Turbinenflügel 28, wie unterhalb des entfernten Abschnitts von 1 dargestellt.
2 zeigt eine perspektivische Vorderansicht einer aktiv gekühlten Turbinenschaufel 26, die gemäß der vorliegenden Erfindung hartgelötet ist. Kühlluft vom Kompressor 22 tritt in die Einlaßbohrung 30 ein, kühlt die Turbinenschaufel 26 durch verschiedene innere Durchflußwege und tritt durch die Austrittsbohrungen 32 aus.
3 zeigt eine Schnittansicht einer Turbinenschaufel 26 entlang der Ebene 3 von 2. Die Schaufel 26 ist aus einem inneren Kern oder ersten Werkstück 34 aufgebaut, der (das) mit einer äußeren Abdeckung oder einem zweiten Werkstück 36 verbunden wird. In die Bohrung 30 eintretende Kühlluft gelangt in Luftkammern 37 und in mehrere Schaufeleinlaßlöcher 42. Luft aus den Löchern 42 fließt in mehrere Durchflußwege 39 und um mehrere Sockel 40 herum und fließt schließlich durch die Austrittsbohrungen 32. Die Durchflußwege 39 sind um den Sockel 40 herum und zwischen den Werkstücken 34 und 36 ausgebildet. Das erste Werkstück 34 ist an mehreren Hartlötverbindungen 38 mit dem zweiten Werkstück 36 verbunden.
4 zeigt eine Ansicht des ersten Werkstücks 34 vor dem Hartlöten, gesehen entlang der Linie 4-4 von 3. Es sind mehrere vorstehende Sockel 40 zu sehen. Mehrere Lufteinlaßbohrungen 42 sind zwischen einigen Sockeln 40 dargestellt. Obwohl die vorliegende Erfindung in der Anwendung bei einer aktiv gekühlten Turbinenschaufel mit einem Kühlungsdurchflußweg aus mehreren, die Sockel umgebenden Durchgängen dargestellt wird, ist die vorliegende Erfindung auch bei anderen Kühlungsdurchflußweg-Konfigurationen anwendbar.
5 zeigt eine Schnittansicht des ersten Werkstücks 34 von 4 entlang der Linie 5-5. Bei der vorliegenden Erfindung werden Durchflußwege 39 betrachtet, in denen der Abstand zwischen den Wänden 39b und 39c größer als etwa 0,025 cm (0,010 Zoll) ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Höhe vom Boden 39a des Durchflußwegs zum oberen Ende 40a eines Sockels von mehr als etwa 0,025 cm (0,010 Zoll) betrachtet. Bohrungen 42 sowie Bohrungen 32 haben im allgemeinen einen Durchmesser von 0,020 cm (0,008 Zoll) und 0,127 cm (0,050 Zoll).
6 zeigt den Abschnitt des ersten Werkstücks 34 von 5 nach Aufbringen einer nichtleitenden Beschichtung 44. Die nichtleitende Beschichtung 44 wird innerhalb der Durchflußwege 39 und der Bohrungen 32 aufgebracht. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, daß die Bohrungen 32 entweder als Einlaßbohrungen oder als Austrittsbohrungen für Kühlluft betrachtet werden können. Vorzugsweise wird die Beschichtung 44 nahe an der Ecke 40e des Sockels 40 aufgebracht.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die elektrophoretische Abscheidung von Hartlötmaterial von Sockel 40, nachdem auf nahe gelegene Durchflußwege 39 eine nichtleitende Beschichtung aufgebracht worden ist, mit späterem Hartlöten der Merkmale an ein zweites Werkstück. Ein verwandtes Verfahren zum Aufbringen von Hartlötmaterial durch Anwendung eines vorgeformten Bandrohlings eignet sich wegen der späteren Abscheidung von Hartlötmaterial in den Durchflußweg, die den Gebrauch des Durchflußwegs stören würde, nicht für Kühlungsdurchflußwegkonstruktionen, wo der vorgeformte Bandrohling einen Durchflußweg überspannen müßte. Ein weiteres verwandtes Verfahren zum Aufbringen von Hartlötmaterial beinhaltet das Aufkleben eines doppelseitigen Klebebands auf die zu lötenden Flächen und das anschließende manuelle Aufbringen von Hartlötmaterial auf die freiliegende Seite des Bands. Dieses manuelle Verfahren ist wegen der Kosten und des ungleichmäßigen Auftrags, der einem manuellen Verfahren eigen ist, für Kühlungsdurchflußwegkonstruktionen mit einer Vielzahl von kleinen Merkmalen nicht wünschenswert.
Allgemein weist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf:
Ansetzen eines Bades, das aus einer Lösung in einem Lösungsmittel, einem Bindemittel und einer Verbindung zur Innenwechselwirkung mit dem Bindemittel besteht;
Einrühren eines zum Hartlöten geeigneten Pulvers in das Bad;
Aufbringen einer nichtleitenden Beschichtung auf einen Durchflußweg des ersten Werkstücks;
Abscheiden von Hartlötmaterial in dem Bad durch Elektrophorese auf einen an den Durchflußweg angrenzenden Abschnitt des ersten Werkstücks;
Inkontaktbringen des Abschnitts des ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück; und
Erhitzen der Baugruppe aus dem ersten Werkstück und dem zweiten Werkstück, so daß zwischen dem zweiten Werkstück und dem ersten Werkstück eine Hartlötverbindung gebildet wird.
Die elektrophoretische Abscheidung tritt in einem Bad auf, das aus organischen Lösungsmitteln mit niedriger Viskosität und niedriger Oberflächenspannung besteht. Im allgemeinen ist die Viskosität des Bades bei Raumtemperatur niedriger als etwa 10^–3 Pa·s (1 cP), und die Oberflächenspannung des Bades ist niedriger als etwa 0,03 N/m (30 dyn/cm). Die niedrige Viskosität und die niedrige Oberflächenspannung des Bades ermöglichen, daß es ohne weiteres in kleine Merkmale fließt, die andernfalls den Durchfluß von Fluiden mit hoher Viskosität oder hoher Oberflächenspannung verhindern würden. Die organischen Lösungsmittel erhalten außerdem relativ konstante Eigenschaften einer niedrigen Viskosität und niedrigen Oberflächenspannung über einen Temperaturbereich aufrecht, der sich für die Verwendung in einem Arbeitsmilieu unter Umgebungsbedingungen eignet. Das spezifische Gewicht des Bades vor der Zugabe von Hartlötmaterial beträgt etwa 0,88 bis 0,92. Ein elektrophoretisches Probebad gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält:

(a) Lösungsmittel: 60 ± 5 Gew.-% Alkohol und 40 ± 5 Gew.-% eines Nitroalkans wie beispielsweise Nitromethan;
(b) ein Proteinbindemittel: 2–3 Gramm pro Liter Lösungsmittel; und
(c) einen komplexen ionischen gelösten Stoff für die Ionenwechselwirkung mit dem Bindemittel, wie z. B. ausschließlich Cobaltnitrathexahydrat (CNH), 0,1–0,2 Gramm pro Liter Lösungsmittel.

Notwendig ist, daß der Alkohol mit dem Protein verträglich ist, so daß das Protein als Tensid und Bindemittel für das Hartlötmaterial wirken kann und das Protein sich nicht in dem Alkohol zersetzt. Eine bevorzugte Kombination von Alkohol und Protein ist die Kombination von Isopropanol und Zein.
Diesem Bad wird ein Hartlötmaterial in Pulverform zugesetzt. Pro Liter Bad, wird eine Menge von etwa 0,02 bis 0,03 kg Hartlötmaterial zugesetzt. Die vorliegende Erfindung ist mit jedem beliebigen Hartlötmaterialtyp anwendbar. Ein solcher Hartlötmaterialtyp sind Nickellegierungen, und ein Beispiel davon ist NI-405-1 Hartlötmaterialpulver, hergestellt von Praxair, Inc. Wünschenswert ist, daß das Hartlötmaterial ein feinkörniges Pulver mit einer Korngröße von beispielsweise weniger als etwa 37 μm ist. Vorzugsweise hat das Hartlötmaterialpulver eine Korngröße von weniger als 10 μm. Eine kleinere Korngröße als 10 μm ist wegen der niedrigen Viskosität und niedrigen Oberflächenspannung des Lösungsmittels vorzuziehen. Gleichfalls bevorzugt wird eine Korngröße des Hartlötmaterialpulvers von mehr als 1 μm, damit das Bad keine kolloidale Beschaffenheit annimmt.
Das so beschriebene erfindungsgemäße Bad ist für die elektrophoretische Abscheidung von Hartlötmaterial auf leitfähige Oberflächen verwendbar. Daher muß auf diejenigen Bereiche des Werkstücks, in denen kein Hartlötmaterial abgeschieden werden soll, eine nichtleitende Beschichtung aufgebracht werden. Diese Beschichtung wird während der Abscheidung von Hartlötmaterial auf dem Werkstück beibehalten und danach entfernt, vorzugsweise vor dem Hartlöten. Geeignete Materialien für diese Beschichtung sind unter anderem Siliconkautschuk, chemikalienbeständiges AC 818-Maskierungsmittel, hergestellt von AC Products, Inc.; eine Gemisch aus weißem Nicobraz-Abdeckpulver, hergestellt von Wall Colmonoy, Inc., und Adsol 1290R-Zement, hergestellt von Amdry, Inc.; sowie andere ähnliche Verbindungen und Gemische. Das Gemisch aus Nicobraz-Abdeckpulver und Adsol 1290R-Zement ist insofern als nichtleitende Beschichtung vorteilhaft, als das Gemisch während eines Vorbenetzungs-Ofenzyklus auf dem Werkstück belassen werden kann, wobei es verhindert, daß das Hartlötmaterial in die Durchflußwege und Bohrungen fließt. Die Beschichtungsmaterialien sollten beständig gegen das Elektrophoresebad sein.
Die nichtleitende Beschichtung wird überall dort aufgebracht, wo es vorzuziehen ist, kein Hartlötmaterial abzuscheiden. Wenn die vorliegende Erfindung beispielsweise auf ein erstes Werkstück einer aktiv gekühlten Turbinenschaufel oder eines aktiv gekühlten Turbinenflügels aufgebracht wird, dann wird das Maskierungsmittel innerhalb der Kühlungsdurchflußwege aufgebracht. Vorzugsweise wird die Beschichtung in dem gesamten Durchflußweg einschließlich der Kühlungsbohrungen und in der Nähe von Ecken, Kanten und anderen Merkmalen aufgebracht, die als Grenzen zwischen den Kühlungsdurchflußwegen und angrenzenden Bereichen wirken, die letzten Endes Teil der fertigen Hartlötverbindung sind. Wie in 6 dargestellt, ist die nichtleitende Beschichtung 44 in der Nähe der Ecke 40c des Sockels 40 aufgebracht worden. Die Nähe der Beschichtung 44 zur Ecke 40c ist wegen der erhöhten Anziehung von Messingpulver in dem elektrophoretischen Bad an eine äußere Ecke vorzuziehen. Wenn das Beschichtungsmaterial nicht ausreichend nahe an einem Merkmal, wie z. B. der Ecke 40c, oder ausreichend dick aufgebracht wird, um eine Spannungsableitung zu verhindern, dann wird Hartlötmaterial innerhalb des Durchflußweges entlang der Ecke 40c abgeschieden, das die Funktion des Durchflußweges stören kann.
Nach dem Ansetzen des Bades und dem Ausbringen der nichtleitenden Beschichtung auf das Werkstück wird das erste Werkstück als Kathode in das Bad eingesetzt. Das Bad enthält außerdem eine Anode, die vorzugsweise in ihrer Form komplementär zu dem Werkstück ist. Zwischen der Kathode und der Anode wird eine Spannung angelegt, so daß eine Anfangsstromdichte von 0,1–0,2 A/dm² erreicht wird. Diese Spannung wird während des gesamten Abscheidungsprozesses konstant gehalten. Die Spannung wird während eines Zeitraums gehalten, der zum Erreichen der erforderlichen Abscheidung von Hartlötmaterial notwendig ist. Die Menge des erforderlichen Hartlötmaterials ist von Faktoren wie z. B. dem Typ des Hartlötmaterials, dem Materialtyp, aus dem die Werkstücke aufgebaut sind, und den für die fertigen Hartlötverbindungen gewünschten Eigenschaften abhängig. Die abgeschiedene Hartlötmaterialmenge wird vom Durchschnittsfachmann durch routinemäßiges Experimentieren ermittelt. Vorzugsweise wird das Gemisch während des Abscheidungsprozesses mäßig und kontinuierlich gerührt. Die Temperatur des Bades wird vorzugsweise in der Nähe der Raumtemperatur von etwa 15,56°C (60°F) bis etwa 32,22°C (90°F) gehalten.
Nachdem die richtige Menge Hartlötmaterial abgeschieden worden ist, entfernt man das Werkstück aus dem Bad und läßt es trocknen. Das Werkstück trägt eine Beschichtung, die nicht nur Hartlötmaterial, sondern auch Zein, Cobaltnitrathexahydrat und Lösungsmittelrückstand enthält. Wegen der Art und Weise, in der dieser Überzug erzeugt wird, sind die Badbestandteile in dem gesamten Überzug verteilt. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Feststellung, daß die Zein-, CNH- und Lösungsmittelrückstände ohne ersichtliche Auswirkung auf die wünschenswerten Eigenschaften der fertigen Hartlötverbindung vor dem Hartlöten ausgebrannt werden können. Als Beispiel eines geeigneten Verfahrens zum Ausbrennen des Rückstands kann das Werkstück mit relativ niedriger Geschwindigkeit von etwa 8,33K/min (15°F/min) bis etwa 537,77°C (1000°F) erhitzt und dann während einer Zeitspanne von etwa 10 Min. auf etwa 537,77°C (1000°F) gehalten werden.
Nach dem Ausbrennen des Badrückstands kann für bestimmte Anwendungen der vorliegenden Erfindung eine Vorbenetzung des Hartlötmaterials vorteilhaft sein. Bei der Vorbenetzung werden das Hartlötmaterial und das erste Werkstück auf eine Temperatur erhitzt, die der endgültigen Hartlöttemperatur nahekommt, aber niedriger ist. Während dieser Vorbenetzung schmilzt das Hartlötmaterial teilweise und haftet an dem Werkstück an. Es ist wünschenswert, daß die nichtleitende Beschichtung während der Vorbenetzung an Ort und Stelle bleibt. Vor dem Vorbenetzen weist das abgeschiedene Hartlötmaterial unter Umständen keine ausreichende mechanische Festigkeit auf, um der anschließenden Handhabung zu widerstehen. Das Entfernen der nichtleitenden Beschichtung vor dem Vorbenetzen kann zum Entfernen des Hartlötmaterials führen. Diese Vorbenetzung ist für diejenigen Anwendungen vorteilhaft, bei denen das Werkstück mit dem hartgelöteten Material anschließend so gehandhabt bzw. bearbeitet wird, daß es sonst locker werden und vor dem endgültigen Hartlöten von dem ersten Werkstück abfallen würde. Diese Vorbenetzung ist auch vorteilhaft für das Hartlöten von kleinen Merkmalen, da der Verlust selbst einer kleinen Menge Hartlötmaterial an einem kleinen Merkmal die Integrität der fertigen Hartlötverbindung wesentlich beeinträchtigen kann.
Das erste Werkstück mit aufgetragenen Schichten aus vorbenetzten Hartlötmaterial wird an ein zweites Werkstück angelegt, mit dem es hartverlötet werden soll. Es hat sich gezeigt, daß die Art des Hartlötens einschließlich der Zeit und des Temperaturzyklus des Ofens durch den Elektrophoreseprozeß unbeeinflußt bleibt. Das Hartlöten kann auf irgendeine, dem Durchschnittsfachmann bekannte Weise ausgeführt werden, die sich für die jeweiligen Legierungen eignet.
Im folgenden wird auf konkrete Beispiele Bezug genommen, in denen die oben beschriebenen Verfahren angewandt werden. Es versteht sich, daß die Beispiele angegeben werden, um bevorzugte Ausführungsformen vollständiger zu beschreiben, und daß damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist.
BEISPIEL 1
Bestimmung der Auswirkungen von Bindemittel- und Badrückstand auf die Hartlötverbindung
Eine Aufschlämmung aus Hartlötpulver, CNH und kleinen Anteilen Isopropanol und Nitromethan wurde angesetzt. Das Hartlötpulver war NI-405-1, gesiebt auf eine Korngröße von weniger als 37 μm. Die Aufschlämmung wurde mittels Pinsel auf einen ersten Probekörper aus PVA 1480-Material aufgebracht. Der Probekörper mit der Aufschlämmung wurde an der Luft getrocknet. Ein zweiter Probekörper aus CMSX-4-Material wurde dann mit dem hartgelöteten Material in Kontakt gebracht. Die Baugruppe wurde in einen Ofen eingebracht, der mit dem folgenden Temperaturzyklus programmiert wurde:
Die Baugruppe aus den beiden Probekörpern wurde aus dem Ofen entnommen, und es wurde ein Schnitt hergestellt. 7 zeigt einen typischen chemisch geätzten Schnitt, der Teile der beiden Probekörper und der dazwischenliegenden Hartlötverbindung zeigt. Es wird dargestellt, daß das Hartlötmaterial geschmolzen ist, die Oberfläche beider Probekörper benetzt hat und eine Hartlötverbindung gebildet hat. Innerhalb der Hartlötverbindung waren keine Oxideinschlüsse oder eine andere offensichtliche Verunreinigung zu finden. Die Hartlötverbindung wurde durch das Bindemittelsystem oder einen anderen Badrückstand nicht beeinflußt. Die Dicke der Hartlötverbindung betrug etwa 25,4 μm (0,001 Zoll), was dünner ist als eine typische Hartlötverbindung, aber für eine Minimierung der Hohlkehlenbildung und Beibehaltung der Kanalprofile von kleinen Merkmalen vorzuziehen ist.
BEISPIEL 2
Elektrophoretische Abscheidung mit auf Durchflußwege aufgebrachter nichtleitender Beschichtung
Dieser Versuch wurde mit einem Materialabschnitt durchgeführt, der sich für die Verwendung in einer aktiv gekühlten Komponente in einem Gasturbinentriebwerk eignete. Auf dieses Material wurde eine Struktur von runden Sockeln aufgeätzt, die durch Durchflußwege voneinander getrennt waren. Die Sockel hatten einen Durchmesser von etwa 0,102 cm (0,040 Zoll). Eine Reihe von Durchflußwegen umgeben jeden Sockel, wobei der Abstand zwischen den Sockeln etwa 0,064 cm (0,025 Zoll) beträgt und die oberen Enden der Sockel etwa 0,038 cm (0,015 Zoll) über dem Boden der Durchflußwege liegen. Auf alle Durchflußwege des Probekörpers wurde eine nichtleitende Beschichtung aus Siliconkautschuk aufgebracht. Die Beschichtung wurde innerhalb von etwa 0,013 cm (0,005 Zoll) von den Ecken der Sockel aufgebracht. Ein erfindungsgemäßes Elektrophoresebad wurde angesetzt, wie weiter oben beschrieben. Hartlötpulver vom Typ NI-405-1, gesiebt auf eine Korngröße von weniger als 37 μm, wurde dem Bad in einem Anteil von etwa 0,03 kg pro Liter zugesetzt. Der Probekörper wurde als Kathode in das Bad eingesetzt, und während einer Zeitspanne von etwa 5 Min. wurde Spannung angelegt, wie weiter oben beschrieben. 8 zeigt eine Fotographie des Probekörpers nach der Abscheidung des Hartlötmaterials und mit der noch intakten nichtleitenden Beschichtung.
Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, daß in der Nähe der Ecken zusätzliches Hartlötpulver abgeschieden wurde. Äußere Ecken, wie z. B. die Ecken rund um die Sockel, weisen während des Elektrophoreseprozesses anfänglich eine relativ hohe Stromdichte auf. Daher wurde Hartlötmaterial während des Prozesses vorzugsweise auf die äußeren Ecken abgeschieden.
Diese zusätzliche Abscheidung von Hartlötmaterial in der Nähe der Kanten der Durchflußwege kann bei bestimmten Anwendungen der vorliegenden Erfindung nützlich sein. Wenn zum Beispiel eine dickere Hartlötverbindung gewünscht würde, dann könnte das Beschichtungsmaterial so aufgebracht werden, daß von der Beschichtung bis zu den Ecken der Merkmale, die hartgelötet werden sollen, ein Abstand von etwa 5 × 10^–3 cm (0,002 Zoll) vorhanden ist.
BEISPIEL 3
Auswirkung einer größeren Menge der nichtleitenden Beschichtung
Es wurde ein weiterer Probekörper mit Sockel- und Durchflußweg-Geometrie hergestellt, wie für Beispiel 2 beschrieben. Eine nichtleitende Beschichtung aus weißem Nicobraz-Abdeckpulver, vermischt mit Adsol 1290R-Zement, wurde so auf diesen Probekörper aufgebracht, daß die Beschichtung mit den Ecken der Sockel annähernd bündig war. Dieser Probekörper wurde während einer Zeitspanne von etwa 3 Minuten dem elektrisch geladenen Elektrophoresebad ausgesetzt. 9 zeigt den Probekörper nach der elektrophoretischen Abscheidung mit intakter nichtleitender Beschichtung. Zu beachten ist, daß rund um die Ecken der Sockel eine geringere Abscheidung von Hartlötmaterial auftritt. Das Hartlötmaterial scheint gleichmäßig abgeschieden zu sein.
Dieser Probekörper wurde an der Luft getrocknet, der Badrückstand wurde ausgebrannt, und dann wurde der Probekörper während einer Zeitspanne von etwa 1 Stunde einer Temperatur von 1204,44°C (2200°F) ausgesetzt. Der Zweck dieser hohen Temperatur war die Vorbenetzung des abgeschiedenen Hartlötmaterials, so daß es an der Oberseite des Sockels anhaftete und während der anschließenden Handhabung intakt blieb. 10 zeigt einen Abschnitt des Probekörpers nach dem Vorbenetzen und auch nach dem Entfernen der nichtleitenden Beschichtung. Das hartgelötete Material auf dem Sockel erscheint ein wenig geschmolzen, aber immer noch von weitgehend körniger Textur. Die Durchflußwege zwischen den Sockeln sind im allgemeinen klar und weder durch Hartlötmaterial noch durch die nichtleitende Beschichtung verstopft. Die Bohrungen in dem Probekörper sind gleichfalls weder durch Hartlötmaterial noch durch die nichtleitende Beschichtung verstopft. Diese Bohrungen sind nützlich, um einen Durchfluß von Kühlluft durch die Durchflußwege und um die Sockel herum zuzulassen.
Die Erfindung ist zwar in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung ausführlich erläutert und beschrieben worden, aber diese Beschreibung ist ihrem Charakter nach als erläuternd und nicht als einschränkend aufzufassen, wobei es sich versteht, daß lediglich die bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden ist.

Claims

Verfahren zum Hartlöten mit den folgenden Schritten: Ansetzen eines Bades, das aus mindestens einem Lösungsmittel, einem Bindemittel, einer Verbindung zur Innenwechselwirkung mit dem Bindemittel und einem zum Hartlöten geeigneten Pulver besteht, wobei die Teilchengröße des Pulvers im allgemeinen kleiner als 37 um ist; Aufbringen einer nichtleitenden Beschichtung auf eine Durchgangsbohrung oder innerhalb eines Lochs, das an einem ersten Werkstück definiert ist, wobei das erste Werkstück eine Kathode in dem Bad ist; Aufbringen von Teilchen aus dem im Bad enthaltenen Pulver durch Elektrophorese auf einen an die beschichtete Durchgangsbohrung oder das beschichtete Loch angrenzenden Abschnitt des ersten Werkstücks; Inkontaktbringen des Abschnitts des ersten Werkstücks, der die aufgebrachten Teilchen trägt, mit einem zweiten Werkstück; und Erhitzen des ersten Werkstücks und des zweiten Werkstücks, so daß zwischen dem zweiten Werkstück und dem ersten Werkstück eine Lötverbindung entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bad eine Viskosität von weniger als etwa 1 Zentipoise (1 × 10^–3 Pa·s) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Bad eine Oberflächenspannung von weniger als etwa 30 dyn/cm (0,03 N/m) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bad aufweist: eine Lösung, die einen Alkohol und ein Nitroalkan enthält; ein mit dem Alkohol verträgliches Protein; eine Verbindung zur Innenwechselwirkung mit dem Protein; und wobei das zum Hartlöten geeignete Pulver eine Teilchengröße von mehr als etwa 1 um und weniger als etwa 10 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Alkohol- und Nitroalkanlösung etwa 55 bis 65 Gew.-% Alkohol und etwa 35 bis 45 Gew.-% Nitroalkan aufweist; wobei das Protein in einem Anteil von etwa 2 bis 3 Gramm pro Liter Lösung enthalten ist; wobei die Verbindung etwa 0,1 bis 0,2 Gramm Cobaltnitrathexahydrat pro Liter Lösung aufweist; und wobei das zum Hartlöten geeignete Pulver in einem Anteil von etwa 0,02 bis 0,03 Kilogramm pro Liter Alkohol- und Nitroalkanlösung enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das Protein Zein und das Nitroalkan Nitromethan ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Werkstück Bauteile eines Gasturbinentriebwerks sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite Werkstück Bauteile einer Turbinenschaufel für ein Gasturbinentriebwerk sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei mindestens zwei Durchgangsbohrungen vorhanden sind, die durch einen Abschnitt des Werkstücks voneinander getrennt sind, der kleiner ist als etwa 0,102 cm (0,040 Zoll).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Hartlot elektrophoretisch auf eine Anzahl von Sockeln aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Loch für den Durchfluss von Kühlluft dient.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Loch für den Durchfluss von Kühlluft dient und einen Durchmesser von weniger als etwa 0, l 27 cm (0,050 Zoll) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner das Vorbenetzen der auf den Abschnitt des ersten Werkstücks aufgebrachten Teilchen vor dem Inkontaktbringen aufweist.