EP3781338A1 - Composite body and method for producing a composite body - Google Patents

Composite body and method for producing a composite body

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EP3781338A1
EP3781338A1 EP19717312.3A EP19717312A EP3781338A1 EP 3781338 A1 EP3781338 A1 EP 3781338A1 EP 19717312 A EP19717312 A EP 19717312A EP 3781338 A1 EP3781338 A1 EP 3781338A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
copper
boride
tib
transition zone
intermediate layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19717312.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernhard Lang
Dietmar Sprenger
Michael O`SULLIVAN
Peter Polcik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plansee SE
Plansee Composite Materials GmbH
Original Assignee
Plansee SE
Plansee Composite Materials GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3781338A1 publication Critical patent/EP3781338A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/02Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
    • B22F7/04Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers with one or more layers not made from powder, e.g. made from solid metal
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01GHORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G23/00Forestry
    • A01G23/02Transplanting, uprooting, felling or delimbing trees
    • A01G23/099Auxiliary devices, e.g. felling wedges
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/04Interconnection of layers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C29/00Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/14Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on borides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3407Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3407Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C23C14/3414Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy

Definitions

  • the present invention relates to a composite body with the features of the preamble of claim 1 and a method for producing a composite body.
  • Solid boride, boride base ceramic, doped boride or doped boride base ceramic bodies, particularly TiB 2 , are known for applications such as targets or electrodes.
  • a bulk body is a solid body made by melt metallurgy or powder metallurgy processes.
  • the production of bulk boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular TiB 2 generally takes place via a powder metallurgical route due to the high melting points.
  • powder metallurgical processes include pressing, sintering, hot isostatic pressing (HIP), hot pressing (HP) or spark plasma sintering (SPS), also in combination with one another.
  • spark plasma sintering (SPS) has proven to be a very good production route since, due to the supporting effect of DC currents or optionally also pulsed currents during the compression process, bulk-shaped boride components, in particular high-TiB 2 components Density and high strength can be produced.
  • TiB 2 is a hard ceramic which has good thermal conductivities and good electrical conductivities. Furthermore, TiB 2 exhibits good oxidation resistance in different atmospheres and high resistance to corrosion. Due to these properties, TiB 2 has an important importance in coating technology. Due to the ceramic composition, TiB 2 layers are deposited predominantly by physical as well as chemical vapor depositions. Furthermore, TiB 2 layers can be applied via slurry coatings or else via Thermal spraying be deposited. In particular for physical vapor deposition (PVD), sputtering targets or arc cathodes are produced from TiB 2 . Due to its electrical conductivity and corrosion resistance, TiB 2 bulk materials as well as TiB 2 coatings are used as cathode material in aluminum production. Furthermore, TiB 2 is used in evaporator boats, or as an armor material to name just a few examples.
  • PVD physical vapor deposition
  • Ceramic materials that can be used as targets or as cathode material, especially technologies such as hot pressing or spark plasma sintering come into question.
  • materials relevant here are: WC, SiC, TiB 2 , TiC, as well as other carbides, nitrides, borides, boride base ceramics, doped borides or doped boride base ceramics. Due to the high brittleness of these materials and the difficult mechanical processing, which can only be achieved with grinding or wire cutting or special chemical processes, it is necessary to equip these targets with backplates, which enable the fixing of the targets in the coating systems.
  • borides, boride base ceramics, doped borides or doped boride base ceramics to an electrically and thermally highly conductive base body, for example a base body made of a copper or a copper alloy.
  • Such composites consisting of a first part having the composition of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular a TiB 2 and a second part, with the composition of copper or a copper alloy, based on The above properties are also used as electrodes.
  • Targets are generally understood to mean a composite comprising a base plate or back plate and the actual sputtering material which is used for the layer deposition.
  • targets can also be made from a solid material (sputter material only), without backplate.
  • the backplate in particular consisting of materials such as copper or a copper alloy, serves to increase the mechanical strength of the backplate. see load capacity of the targets or the sputtering material.
  • the sputtering material consists essentially of a boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular, the sputtering material of Ti B 2
  • the targets used are cooled via ductile back plates or also via so-called cooling plates in a PVD system, the back or cooling plates being arranged on the back of the targets.
  • connection or connection of two different materials such as on the one hand a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular TiB 2 as a sputtering material, on the other hand, the metallic copper or the metallic copper alloy of the back plate, provides a technical challenge.
  • the wetting behavior and / or bonding behavior of copper or a copper alloy on ceramic materials such as a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular the connection of TiB 2 on copper, should be as broad as possible be guaranteed and have as few untethered areas (defects) as possible.
  • tungsten carbide (WC) targets with a backing plate
  • WC-Cu are Cathode or sputtering target
  • Research Disclosure database number 601040, May 2014, ISSN 0374-4353 This publication describes the wetting behavior of copper or a copper alloy on, for example, tungsten carbide (WC).
  • wetting agents such as boron or nickel can be used and applied by electroplating, or by means of slurry or by means of PVD, as a thin film on the ceramic part in order to increase the wetting behavior before it is back-coated with copper or a copper alloy.
  • This method is for Boride as a result of the bad
  • Wettability and / or poor bonding of copper or a copper-based alloy unsuitable.
  • the wettability is described in detail in the publication by Passerone et al., "Wetting of Group IV diborides by liquid metals” (J Mater Sei (2006) 41 (Issue 16), pp 5088-5098).
  • a disadvantage of doping the copper melt with boron is that with increasing doping, the properties of the pure copper are changed. Furthermore, the use of low-melting solders is disadvantageous because they have a low thermal load capacity.
  • the object of the present invention is to provide an improved composite body, as well as an improved method for producing such a composite body. Furthermore, there is the task of The present invention is to provide a reliable and reproducible, as well as thermally stable compound of copper or a copper alloy with a boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular TiB 2 .
  • the objects are achieved by providing a first part of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic and a second part consisting of copper or a copper alloy and a transition zone between the first and second part, which Ti and copper and having a melting temperature> 600 ° C, according to claim 1, and a method for producing a composite body having the features of claim 9.
  • Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the invention described herein eliminates the problem of wettability by depositing individual or alternating layers of titanium, copper or titanium-copper on a base body consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular one TiB 2 body before it is back-cast with liquid copper or a liquid copper alloy, or before the second part is applied by cold gas spraying (CGS).
  • a base body consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular one TiB 2 body before it is back-cast with liquid copper or a liquid copper alloy, or before the second part is applied by cold gas spraying (CGS).
  • CGS cold gas spraying
  • titanium or copper layers or titanium-copper layers are thereby by cold gas spraying (CGS) and / or by CVD (Chemical vapor deposition) or by PVD (physical vapor depository) or by slurry or by low-pressure plasma spraying the surface of the boridic body (boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or TiB 2 ) is applied.
  • CGS cold gas spraying
  • CVD Chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor depository
  • the invention describes a temperature-resistant compound of a first part (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) with a second part (copper or copper alloy) via a transition zone which has a temperature resistance of at least 600 ° C., preferably at least 700 ° C and more preferably at least 800 ° C.
  • the invention describes a reproducible and reliable wettability of the boride, the boride basic ceramic, the doped boride, the doped boride basic ceramic, but in particular the TiB 2 , with liquid copper or a copper alloy.
  • the advantage of this invention over the prior art lies in the possibility of technologically converting them in production, without the properties of the boride, the boride base ceramic, the doped boride, the doped boride base ceramic, or, for example, the Ti B 2 , to change.
  • Another advantage of this invention over the prior art is that it does not require changing the composition of the copper or copper alloy used for back casting, such as by adding boron to increase wettability.
  • the composite body has a first part, a second part and a transition zone.
  • the transition zone is located between a surface or a region of a surface of the first part and a surface or a region of a surface of the second part, and connects the first part to the second part in a materially bonded manner.
  • the first part consists of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic.
  • the first part consists of TiB 2 , a TiB 2 base ceramic, a doped TiB 2 or a doped TiB 2 base ceramic.
  • Borides are understood as meaning a compound of one metal or even more metals with boron. Borides also include, inter alia, those borides which have the MeB 2 or the Me 2 Bs structure by crystallography. Particularly good conductive, hard and highly melting types such as titanium boride (TiB 2 ) should be mentioned here. Structurally, the titanium boride is constituted by alternating layers of densely packed metal atoms and hexagonal hole networks, resulting in the good conductivities mentioned above.
  • Boride mixed ceramics are understood as meaning the mixtures of at least two of the abovementioned borides.
  • the doped borides or boride mixed ceramics can additionally contain elements or compounds, without the total proportion of additional elements exceeds 20 mol%, in particular 10 mol%.
  • the boride or the boride mixed ceramic pure metals such as Fe, Ni, Co, Cr, Ti, Mo, Zr or carbides, such as TiC, WC, NbC but also pure elements such as C, B or Si be added.
  • TiB 2 with additionally doped B or TiB 2 with additionally doped Si can be mentioned here.
  • the first part of the composite consists of a predominantly texture-free microstructure, without preferred grain orientation, with an average particle size ⁇ 20 ⁇ m, preferably ⁇ 10 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 5 ⁇ m.
  • the second part of the composite body consists of essentially pure copper or a copper alloy and has an average particle size of> 0.5 mm, preferably> 1 mm, particularly preferably> 1.5 mm.
  • Copper alloys are understood as meaning alloys with copper, copper being the main constituent and the total fraction of alloying elements being less than 50 wt%, preferably ⁇ 30 wt% and particularly preferably ⁇ 20 wt%. Examples of copper alloys include CuZn, CuZnSi, CuMg, CuAI, CuBe, CuCrZr and CuZn.
  • the transition zone includes, inter alia, Ti and copper.
  • the transition zone has a melting temperature (or a softening temperature)> 600 ° C., preferably a melting temperature> 700 ° C., and particularly preferably a melting temperature> 800 ° C.
  • the transition zone is free of low-melting phases, in this document being understood as low-melting those temperature ranges which are of the order of the melting points of indium or tin.
  • connection thus has a considerably improved thermal load capacity compared with the prior art. This is particularly interesting because higher power densities and / or sputtering rates can thus be realized in a coating system.
  • the melting temperature of alloys reference is made to the liquidus line of the corresponding alloy, with the copper alloys used here being below 600 ° C., preferably below 700 ° C., and particularly preferably below 800 ° C., no formation of liquid phases occurs.
  • the thermal stability of the composite is by a kiln travel at 600 ° C, or 700 ° C or 800 ° C assignable, which must not form any liquid phases, which then inevitably loss of bonding (or a softening of the transition zone) between would lead to the first part and the second part or to a change in shape of the composite body.
  • the temperature resistance of the composite and in particular the temperature resistance of the transition zone of the composite body is mounted in an oven so that a part and at least the entire transition zone of the composite are free-standing, ie that a part and at least the entire transition zone are not stretched or fixed.
  • the orientation of the composite in the furnace is further such that the plane of the transition zone, or in other words the transition between the first part and the second part, is oriented parallel to gravity, so that in case of softening of the transition zone or the formation of liquid phases in the transitional zone, by the action of gravity, which can detach one part of the other part or move it against each other. Then the oven is brought to temperature.
  • the furnace After reaching the desired temperature of 600 ° C, preferably 700 ° C and more preferably 800 ° C, in the core of the composite body, after a holding time of one hour, the furnace is cooled again. Should the melting temperature or the softening temperature of the transition zone be less than the set temperature of the furnace, the free, non-tensioned or fixed part, from the clamped part of the composite body, will be released or shifted against each other by the action of gravity.
  • the transition zone is a diffusion zone at the transition between the boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular of TiB 2 of the first part and the solidified or solidified, back-cast melt, consisting of copper or a Copper alloy (second part) arises.
  • the transition zone may be a zone which, at the transition between the boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular of TiB2 of the first part and the second part applied via CGS arises.
  • the transition zone of the composite body is substantially free of typical solder elements such as indium, tin, germanium, silver, palladium, nickel, platinum, cobalt, manganese or gold.
  • the transition zone has an indium, tin, germanium, silver, palladium, nickel, platinum, cobalt, manganese or gold content of in each case ⁇ 5000 ppm, preferably in each case ⁇ 2000 ppm, particularly preferably in each case ⁇ 1000 ppm.
  • the first part of the composite body consists of Ti B 2 , a TiB 2 base ceramic having at least 20 mol. % TiB 2 , preferably a TiB 2 base ceramic with at least 30 mol. % TiB 2 and more preferably a TiB 2 base ceramic having at least 50 mol% TiB 2 .
  • the invention has proven to be particularly suitable in the application of an Are cathode made of TiB 2 material. Due to the temperature-resistant, cohesive and highly electrically conductive connection between TiB 2 and the back plate made of copper, the Are cathode could be operated with a diameter of 63 mm and a height of 32 mm for several hours in the arc process, without the stability of the cathode has been affected would.
  • the first part of the composite body consists of carbon-doped T1B2.
  • Carbon-doped TiB 2 is understood to mean the addition of up to 10 mol% of carbon to the TiB 2 , preferably at least 5 mol% of carbon to the TiB 2, and more preferably at least 2 mol% of carbon to the T1B2.
  • the transition zone has an average thickness of between 5 and 500 ⁇ m, preferably between 8 and 300 ⁇ m, particularly preferably between 10 and 200 ⁇ m.
  • the layer thickness of the transition zone is determined in a stereolithic microscope or also in a light microscope. This becomes a metallographic Cut is placed perpendicular to the plane of the transition zone and then determines the layer thickness in a scanning electron microscope or in a light microscope at a suitable magnification.
  • the determination of the layer thickness of the transition zone should be carried out at representative points of the finish. In this case, at least ten representative sites should be examined and an average value should be created, which represents the mean layer thickness of the transition zone.
  • both the concentration of the copper in the transition zone, and the concentration of titanium in the transition zone, starting from the surface of the first part to the surface of the second part each show a concentration profile.
  • the concentration of copper drops from the surface of the second part consisting of copper or a copper alloy to the surface of the first part consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic
  • the concentration of titanium falls from the surface of the first part, which consists of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, to the surface of the second part, which consists of copper or a copper alloy.
  • the change in concentration can be carried out continuously, but also abruptly.
  • the transition zone is clearly visible in a light microscope or in a scanning electron microscope.
  • the concentration curves of titanium and copper can be determined by scanning electron microscopy using energy-dispersive analysis (EDX).
  • the average hardness in the transition zone is at least 10% higher, preferably at least 20% higher, than the average hardness of the second part, which consists of copper or a copper alloy.
  • Hardness is the mechanical resistance that a body counters when penetrating another, harder body. Standardized test specimens are pressed into the workpiece surface under specified conditions.
  • the microhardness test according to Vickers is used, but it can also be a microhardness measurement after Rockwell or Brinell done.
  • the microhardness measurement is preferably carried out in accordance with DIN EN ISO 6507. For representative hardness measurements, at least 10 measurements should be carried out under the same conditions at a respective representative point and an average value is formed from these measurements, which represents the mean hardness value.
  • At least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 90%, of the transition zone exhibit a metallurgical connection to the surface of the first part and to the surface of the second part.
  • This compound as well as its percentage can be done non-destructively by means of an ultrasound examination or an X-ray examination of the composite body and also by making cross-sections and subsequent examination of the transition zone in a light microscope or in a scanning electron microscope.
  • pores and unattached areas between the boride, the boride base ceramic, the doped boride, the doped boride base ceramic, in particular the TiB 2 , and the copper or the copper alloy can be visualized.
  • the ultrasonic test starting from the surface of the copper or the copper alloy, to the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ), as well as from the ceramic surface starting, towards the copper or the Copper alloy, to be performed.
  • the ultrasound test provides a spatially resolved image, in which mostly in color, the non-bonded areas and other defects at the transition ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to copper or copper Alloy, surface visible.
  • the connected and untethered areas are clearly visible in the picture for a person skilled in the art.
  • the area of the non-bonded areas is determined by adding up all unbound single areas occurring in the measuring area.
  • the ratio of the sum of all unattached surfaces to the measurement surface is always ⁇ 0.5, preferably ⁇ 0.3 and particularly preferably ⁇ 0.1.
  • the surface bonding of the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to the copper or to the Copper alloy always higher than 50%, preferably higher than 70%, particularly preferably higher than 90%.
  • pores and unattached areas between the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) and the copper or the copper alloy can be made visible.
  • the X-ray inspection can be carried out starting from the surface of the copper or the copper alloy, towards the ceramic, as well as from the ceramic surface, to the copper or the copper alloy.
  • the X-ray examination yields a spatially resolved image in which the non-bonded regions and also other defects at the transition ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to copper or the copper alloy, flatly visible.
  • the connected and untethered areas are clearly visible in the picture for a person skilled in the art.
  • the area of the non-attached areas is determined by summing up all non-connected individual areas occurring in the measuring area. According to the invention, the ratio of the sum of all unattached areas to the measurement area is always ⁇ 0.5, preferably ⁇ 0.3 and particularly preferably ⁇ 0.1. This means that the areal bonding of the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to the copper or to the copper alloy is always higher than 50%, preferably higher than 70%, particularly preferably higher than 90 % is.
  • the breaking stress is at least 15 MPa, preferably> 20 MPa , particularly preferably> 30 MPa, the breaking stress being based on the connected part of the transition zone.
  • a tensile test according to, for example, DIN EN ISO 6892-1: 2009 1: 2009-12, the breaking stress of the compound of the ceramic (boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or TiB 2 ) with the copper or the copper alloy.
  • the composite body is clamped in the tensile testing machine so that the pulling direction or the loading direction is normal to the surfaces of the copper or copper alloy connected to the ceramic (boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or Tiss 2), in particular TiB 2 , connected via a transition zone. Subsequently, the component is loaded until it breaks.
  • the measured values of the tensile test are related to the connected area, ie to the pure fracture surface.
  • the fracture surface (connected area) is clearly recognizable to a person skilled in the art. According to the invention produced bodies show a tensile strength, based on the fracture surface, of> 15 MPa, preferably> 20 MPa, more preferably> 30 MPa.
  • the present invention further relates to a method for producing a composite body comprising a first part and a second part, and at least one transition zone which is formed between a surface or a surface region of the first part and a surface or a surface region of the second part, characterized by the following Steps:
  • Boride base ceramic a doped boride or a doped boride base ceramic
  • the second part of the composite body is produced by back-casting the interlayer-coated surface of the first part with copper or a copper alloy or by CGS-coating the interlayer-coated surface of the first part with copper or a copper alloy,
  • the first part is manufactured by powder metallurgy, the second part by means of back-casting and that prior to the casting the surface or part of the surface of the first part is provided with at least one intermediate layer of titanium or alternatively of titanium and copper.
  • Under-casting is understood to mean the molten-metallurgical application of a material to a base material, the base material always being in the solid state of aggregation in the process parameters used.
  • the first part is coated on at least one surface portion with at least one intermediate layer, which includes titanium or, alternatively, titanium and copper, before the back-casting.
  • a solid bulk-shaped base material (this is usually surface-coated with at least one intermediate layer) consisting of a boride, a boride mixed ceramic, a doped boride or a doped boride mixed ceramic is introduced into a furnace chamber.
  • a second material consisting of copper or a copper alloy is placed on the base material.
  • the initially loose, not yet cohesively connected composite body is heated under a suitable process atmosphere, possibly with a ramp function, until the overlying material consisting of copper or a copper alloy melts, wetting the non-melting base material.
  • the melting point for pure copper is 1085 ° C.
  • the temperature of the oven should be selected so that the temperature is above the liquidus line of the alloy composition in the phase diagram.
  • the stove When casting, the stove must be for a sufficient time to be maintained at a temperature above the liquidus, so that a complete melt of the overlying copper or copper alloy can form.
  • a transition zone forms between the first part and the second part. The transition zone is formed by dissolving the titanium or, alternatively, the titanium / copper layer (s) in the back-cast copper or copper alloy.
  • the furnace is again cooled to below the melting point of copper or copper alloy.
  • the cooled composite shows after solidification of the copper or the copper alloy, a first part consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, and a second part consisting of copper or a copper alloy and a transition zone between the first and second part, which contains Ti and copper and has a melting temperature or softening temperature of> 600 ° C.
  • a mechanical machining or reworking of the solidified composite body can take place by turning, milling, cutting, grinding, lapping, pressing, embossing or rolling.
  • the composite body can subsequently be engraved, etched or eroded.
  • thermal post-treatments of the composite body can also be carried out, such as, for example, annealing, oxidation or else reduction in order to achieve desired microstructural properties.
  • the first part is produced by powder metallurgy
  • the second part is applied by cold gas spraying (CGS)
  • CGS cold gas spraying
  • Cold gas spraying is a coating process in which powder particles with very high kinetic energy and low thermal energy are applied to a carrier material.
  • a high pressure dessicating gas for example air, He, N2 or mixtures thereof
  • a convergent divergent nozzle also referred to as supersonic nozzle.
  • a typical nozzle shape is the Laval nozzle.
  • gas velocities of, for example, 300 to 1200 m / s (at N2) up to 2500 m / s (at He) can be achieved.
  • the coating material is injected into the gas stream in front of the narrowest cross section of the convergent divergent nozzle forming part of the spray gun, typically accelerated to a speed of 300 to 1200 m / s and deposited on a substrate.
  • Heating the gas in front of the convergent-divergent nozzle increases the flow rate of the gas during the expansion of the gas in the nozzle and thus also the particle velocity.
  • cold gas spraying uses a gas temperature of from room temperature to 1000 ° C.
  • ductile materials with a cubic face-centered and hexagonal close-packed lattice can be sprayed into dense, well-adhering layers by means of CGS.
  • CGS is used for the deposition of a metallic layer on a metallic substrate, the deposition of a metallic layer on a ceramic substrate is currently not an established method.
  • the layer build-up takes place in layers from the individual particles of the coating material.
  • the adhesion of the coating material to the substrate and the cohesion between the particles of the coating material are crucial.
  • the adhesion, both in the area of the coating material / substrate interface, and between the particles of the coating material is understood to mean an interaction of several physical and chemical adhesive mechanisms and in some cases not yet comprehensively. Due to the low process temperature, the powder is not melted in the cold gas spraying, but in the non-molten state on the substrate to be coated, resulting in a layer builds up.
  • Carbon-doped TiB 2 is understood as meaning the addition of up to 10 mol% of carbon to the TiB 2 , preferably at least 5 mol% of carbon to the TiB 2 and particularly preferably at least 2 mol% of carbon to the TiB 2 .
  • At least one intermediate layer on a boride first part preferably via cold gas spraying (CGS) or alternatv is applied via low-pressure plasma spraying or via vacuum plasma spraying.
  • Cold gas spraying is a coating process in which powder particles with very high kinetic energy and low thermal energy are applied to a carrier material. In plasma spraying, the powder particles are melted in a gas stream and impinge on a substrate to be coated in the molten state. Powder particles of plasma-sprayed layers likewise have an aspect ratio, with plasma-sprayed layers indicating the layer morphology on deposition of molten particles and differing significantly from those produced by CGS-produced layers.
  • At least one intermediate layer on a first part is applied.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD and CVD layers generally show a columnar layer growth and a columnar stalk structure and are clearly different from those deposited via CGS or also via plasma spraying. PVD and CVD layers usually show texturing in the coating direction.
  • the intermediate layer is applied in multiple layers and the individual layers of the multilayer intermediate layer may have a different composition.
  • Individual layers of the intermediate layer can consist of essentially pure titanium, essentially pure copper or a mixture of titanium and copper, or of a titanium-copper alloy.
  • the intermediate layer or at least one layer of the intermediate layer with an average of at least 10 pm layer thickness, preferably with an average of at least 15 pm is applied.
  • the determination of the layer thickness of the intermediate layer takes place in the scanning electron microscope.
  • a metallographic cut is placed perpendicular to the plane of the intermediate layer and then measured the layer thickness in a scanning electron microscope at a suitable magnification.
  • the determination of the layer thickness should be carried out at representative points of the finish.
  • at least ten different, representative points are to be examined with regard to their layer thickness and an average value is to be created, which provides a value for the average thickness of the intermediate layer.
  • a substantially pure titanium intermediate layer or in a multilayer structure of the intermediate layer, a layer of the intermediate layer consisting of substantially pure titanium is applied with a layer thickness of at most 100 pm.
  • a copper-titanium intermediate layer or in a multilayer structure of the intermediate layer, a layer of the intermediate layer consisting of substantially pure copper or a layer of the intermediate layer consisting of copper and titanium, with a Layer thickness of a maximum of 500 pm is applied. Due to the ductility of the copper, substantially pure copper layers or copper-titanium layers can be applied thicker than substantially pure titanium layers without delamination of the applied layers.
  • Fig. 2 Surface of the image provided with an intermediate layer
  • the TiB 2 -carriers provided with a first Ti-intermediate layer and a second Cu-intermediate layer were described as follows, back-cast by means of copper.
  • the CGS coated first part became with the coated side up on the bottom of a graphite cylinder.
  • the graphite cylinder has a larger diameter than the coated TiB 2 rounds and also has a larger height.
  • On the free space above the TiB 2 -Ronde copper part (s) (so-called "ingots") were made of essentially pure copper.
  • the graphite cylinders were placed in an oven and heated to 900 ° C in a H 2 atmosphere. After reaching 900 ° C, the graphite cylinders were further heated in a N 2 atmosphere to a temperature of 1 150 ° C (note: above the melting temperature of copper, which is 1085 ° C). After reaching 1 150 ° C, the temperature was maintained for 20 min. Subsequently, the graphite cylinders were led out of the hot zone of the furnace at a speed of 1 cm / min. The cooling of the TiB 2 copper composite thus took place via a directional solidification of the melt, which led to a stress-free, but rather coarse-crystalline microstructure of the back-cast copper.
  • TiB 2 rounds cast in such a way with copper show a very good bond between the two materials (TiB 2 and copper), via a formed transition zone.
  • Composites produced in this way show no cracks or delamination in the transition.
  • the slow cooling process also minimizes the thermal stresses between the TiB 2 blank and the solidified copper backplate.
  • FIG. 1 shows the TiB 2 / copper transition in a scanning electron micrograph in transverse section (sample No. 1, see Table 1).
  • 1 shows the first part of TiB 2 (A, dark area) on the left side of the figure, the second part consisting of copper (C, bright area) on the right side of the figure.
  • the connection of the first part to the second part is completed over the entire surface via a transition zone and there are no cracks or flaws recognizable.
  • the transition zone (B) spreads more or less semicircular starting from the surface of the TiB 2 toward the copper and has an average thickness of about 15 pm.
  • FIG. 3 shows the transition Tiss2 / copper in a scanning electron micrograph in transverse section (sample No. 2, see Table 1).
  • FIG. 3 shows the first part of T1B2 (A, dark) on the left side of the figure, the second part consisting of copper (C, light) on the right side of the figure. The connection of the first part to the second part is completed over the entire area.
  • the transition zone (B) spreads over the entire surface from the surface of the T1B2 starting to the copper and shows an average thickness of about 200 pm. Due to the significantly thicker deposited intermediate layers in Sample No. 2, compared to Sample No. 1 ( Figures 1 and 2), the surface of the T1B2 is completely covered by the intermediate layers, which is clearly visible in the illustrated cross section in Figure 3.
  • FIG. 4 shows a microhardness measurement in the transition region (B) of sample no. 1 according to DIN EN ISO 6507
  • FIG. 5 shows a microhardness measurement in the cast-off second part consisting of copper (C), sample no.
  • the back-poured second part shows a mean microhardness of 83 HV0.1 and the transition zone shows a microhardness of 159 HV0.1 on average. That is, the average hardness in the transition region of Sample No. 1 is more than 90% higher than the average hardness of the second part, consisting of substantially pure copper.

Abstract

The present invention relates to a composite body consisting of a first part and a second part, and also a transitional zone, which is located between a surface or a region of a surface of the first part and a surface or a region of a surface of the second part and connects the first part to the second part in a material-bonding manner, wherein the first part consists of a boride, a boride cermet, a doped boride or a doped boride cermet, the second part consists of copper or a copper alloy, and the transitional zone comprises Ti and copper and has a melting temperature of > 600°C. The present invention also describes a method for producing such a composite body.

Description

VERBUNDKÖRPER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES COMPOSITE BODY AND METHOD FOR PRODUCING A
VERBUNDKÖRPERS cOMPOSITE BODY
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ver- bundkörpers. The present invention relates to a composite body with the features of the preamble of claim 1 and a method for producing a composite body.
Körper aus einem massiven Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotierten Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere TiB2, sind für Anwendungen wie beispielsweise Targets oder Elektroden bekannt. Unter einem bulkförmigen Körper versteht man einen massiven Körper, hergestellt über schmelzmetallurgische oder pulvermetallurgische Verfahren. Solid boride, boride base ceramic, doped boride or doped boride base ceramic bodies, particularly TiB 2 , are known for applications such as targets or electrodes. A bulk body is a solid body made by melt metallurgy or powder metallurgy processes.
Die Herstellung von bulkförmigen Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotierten Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere TiB2, erfolgt in der Regel, auf Grund der hohen Schmelzpunkte, über eine pulverme- tallurgische Route. Beispielhaft für pulvermetallurgische Verfahren sind hier Pressen, Sintern, Heißisostatisches Pressen (HIP), Heißpressen (HP) oder Spark Plasma Sintern (SPS), auch in Kombination untereinander, zu nennen. Insbesondere hat sich das Spark Plasma Sintering (SPS) als sehr gute Herstel- lungsroute herausgestellt, da durch die unterstützende Wirkung von DC- Strömen oder optional auch gepulsten Strömen während des Verdichtungspro- zesses, bulkförmige Borid-Bauteile, insbesondere TiB2-Bauteile mit hoher Dichte und hoher Festigkeit hergestellt werden können. The production of bulk boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular TiB 2 , generally takes place via a powder metallurgical route due to the high melting points. Examples of powder metallurgical processes include pressing, sintering, hot isostatic pressing (HIP), hot pressing (HP) or spark plasma sintering (SPS), also in combination with one another. In particular, spark plasma sintering (SPS) has proven to be a very good production route since, due to the supporting effect of DC currents or optionally also pulsed currents during the compression process, bulk-shaped boride components, in particular high-TiB 2 components Density and high strength can be produced.
TiB2 ist eine harte Keramik, welche gute Wärmeleitfähigkeiten und gute elektri- sche Leitfähigkeiten aufweist. Des Weiteren zeigt TiB2 eine gute Oxidationsbe- ständigkeit in unterschiedlichen Atmosphären und einen hohen Widerstand gegenüber Korrosion. Auf Grund dieser Eigenschaften genießt TiB2 eine wichtige Bedeutung in der Beschichtungstechnik. Auf Grund der keramischen Zusammensetzung werden TiB2-Schichten vorwiegend über physikalische aber auch chemische Gasphasenabscheidungen abgeschieden. Des Weiteren können TiB2-Schichten über Slurry-Beschichtungen, oder aber auch über thermische Spritzverfahren abgeschieden werden. Insbesondere für die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) werden Sputter-Targets oder Arc- Kathoden aus TiB2 hergestellt. Durch die elektrische Leitfähigkeit und Korrosi- onsbeständigkeit finden TiB2 Bulkmaterialien als auch TiB2 Beschichtungen Anwendungen als Kathodenmaterial in der Aluminiumherstellung. Ferner wird TiB2 in Verdampfer-Schiffchen, oder auch als Panzermaterial eingesetzt um hier nur einige Beispiele zu nennen. TiB 2 is a hard ceramic which has good thermal conductivities and good electrical conductivities. Furthermore, TiB 2 exhibits good oxidation resistance in different atmospheres and high resistance to corrosion. Due to these properties, TiB 2 has an important importance in coating technology. Due to the ceramic composition, TiB 2 layers are deposited predominantly by physical as well as chemical vapor depositions. Furthermore, TiB 2 layers can be applied via slurry coatings or else via Thermal spraying be deposited. In particular for physical vapor deposition (PVD), sputtering targets or arc cathodes are produced from TiB 2 . Due to its electrical conductivity and corrosion resistance, TiB 2 bulk materials as well as TiB 2 coatings are used as cathode material in aluminum production. Furthermore, TiB 2 is used in evaporator boats, or as an armor material to name just a few examples.
Als Herstellungsroute für keramische Werkstoffe, die als Targets oder als Kathodenmaterial eingesetzt werden können, kommen vor allem Technologien wie Heißpressen oder Spark Plasma Sintering in Frage. Beispiele von hier relevanten Werkstoffen sind: WC, SiC, TiB2, TiC, als auch andere Karbide, Nitride, Boride, Borid-Basiskeramiken, dotierte Boride oder dotierte Borid- Basiskeramiken. Aufgrund der hohen Sprödigkeit dieser Werkstoffe und der schwierigen mechanischen Bearbeitung, die zum Teil nur über Schleifen oder Drahtschneiden oder spezielle chemische Verfahren möglich ist, ist es erforder- lich diese Targets mit Rückplatten auszustatten, die das Befestigen der Targets in den Beschichtungsanlagen ermöglichen. Des Weiteren ist es für die Anwen- dung besonders vorteilhaft, Boride, Borid-Basiskeramiken, dotierte Boride oder dotierte Borid-Basiskeramiken auf einen elektrisch und thermisch gut leitenden Grundkörper aufzubringen wie beispielsweise einen Grundkörper aus einer Kupfer- oder einer Kupferlegierung. Derartige Verbundkörper, bestehend aus einem ersten Teil mit der Zusammensetzung eines Borids, einer Borid- Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere einem TiB2 und einem zweiten Teil, mit der Zusammensetzung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, können auf Grund der oben genannten Eigenschaften auch als Elektroden zum Einsatz kommen. As a production route for ceramic materials that can be used as targets or as cathode material, especially technologies such as hot pressing or spark plasma sintering come into question. Examples of materials relevant here are: WC, SiC, TiB 2 , TiC, as well as other carbides, nitrides, borides, boride base ceramics, doped borides or doped boride base ceramics. Due to the high brittleness of these materials and the difficult mechanical processing, which can only be achieved with grinding or wire cutting or special chemical processes, it is necessary to equip these targets with backplates, which enable the fixing of the targets in the coating systems. Furthermore, it is particularly advantageous for the application to apply borides, boride base ceramics, doped borides or doped boride base ceramics to an electrically and thermally highly conductive base body, for example a base body made of a copper or a copper alloy. Such composites, consisting of a first part having the composition of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular a TiB 2 and a second part, with the composition of copper or a copper alloy, based on The above properties are also used as electrodes.
Unter Targets versteht man in der Regel einen Verbund bestehend aus einer Grund- oder Rückplatte und dem eigentlichen Sputtermaterial, welches für die Schichtabscheidung verwendet wird. Ferner können Targets auch aus einem Vollmaterial (nur Sputtermaterial), ohne Rückplatte, hergestellt werden. Im Falle von Target-Anwendungen dient die Rückplatte, insbesondere bestehend aus Materialien wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, zur Erhöhung der mechani- sehen Belastbarkeit der Targets bzw. des Sputtermaterials. Durch die Erhöhung der Festigkeit und Duktilität der Targets durch Aufbringen einer Rückplatte auf das Sputtermaterial (das Sputtermaterial besteht hier im Wesentlichen aus einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotierten Borid, einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere besteht das Sputtermaterial aus Ti B2), kommt es bei der Verwendung in einer PVD-Anlage nur zu einer unwesentli- chen Verformung des Targets und folglich zu keinem Versagen wie beispiels- weise einem Bruch des Targets durch beispielsweise thermische Belastungen. Üblicherweise werden die verwendeten Targets über duktile Rückplatten oder auch über sogenannte Kühlplatten in einer PVD-Anlagen gekühlt, wobei die Rück- oder Kühlplatten auf der Rückseite der Targets angeordnet sind. Durch diese Rück- oder Kühlplatten wird ein Druck auf die Targets ausgeübt, was wiederum zu einer Verformung der Targets, oder bei mechanischer Belastung im Falle von spröden Targets zum Bruch führen könnte. Dieser Effekt wird zusätzlich dadurch verstärkt, dass sich die Stärke des Sputtermaterials wäh- rend des Beschichtungsprozesses durch den prozessbedingten Abtrag verrin- gert. Dies hat zur Folge, dass es noch wahrscheinlicher zu einer Verformung und/oder einem Bruch des Targets kommen kann. Durch das Aufbringen einer Rückplatte mit erhöhter Festigkeit bzw. Duktilität werden solche Versagensfälle vermieden. Targets are generally understood to mean a composite comprising a base plate or back plate and the actual sputtering material which is used for the layer deposition. Furthermore, targets can also be made from a solid material (sputter material only), without backplate. In the case of target applications, the backplate, in particular consisting of materials such as copper or a copper alloy, serves to increase the mechanical strength of the backplate. see load capacity of the targets or the sputtering material. By increasing the strength and ductility of the targets by applying a backplate to the sputtering material (the sputtering material consists essentially of a boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular, the sputtering material of Ti B 2 In the case of use in a PVD system, there is only an insignificant deformation of the target and consequently no failure, for example a break of the target due to, for example, thermal loads. Usually, the targets used are cooled via ductile back plates or also via so-called cooling plates in a PVD system, the back or cooling plates being arranged on the back of the targets. These back or cooling plates exert pressure on the targets, which in turn could lead to deformation of the targets or to mechanical failure in the case of brittle targets. This effect is additionally reinforced by the fact that the thickness of the sputtering material during the coating process is reduced by the process-related removal. As a result, deformation and / or breakage of the target are more likely to occur. By applying a backplate with increased strength or ductility such failure cases are avoided.
Die Anbindung bzw. Verbindung von zwei unterschiedlichen Materialien wie einerseits einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere TiB2 als Sputtermaterial, mit andererseits der metallischen Kupfer- oder der metallischen Kupferlegierung der Rückplatte, stellt eine technische Herausforderung dar. Insbesondere das Benetzungsverhalten und/oder Anbindungsverhalten von Kupfer oder einer Kupferlegierung auf keramischen Materialien wie einem Borid, einer Borid- Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere der Anbindung von TiB2 auf Kupfer, sollte möglichst flächig gewährleistet sein und möglichst wenig nicht angebundene Bereiche (Fehlstel- len) aufweisen. Die Verbindung keramischer Targets mit metallischen Rückplatten ist bei spielsweise für Wolfram-Karbid-Targets bekannt. Eine Möglichkeit, Wolfram- Karbid-Targets (WC-Targets) mit einer Rückplatte zu versehen, besteht darin, diese mit Kupfer oder einer Kupferlegierung zu hintergießen, wie dies in der „Research Disclosure“ Publikation vom Mai 2014 („WC-Cu Are Cathode or Sputtering Target“, Research Disclosure database number 601040, Mai 2014, ISSN 0374-4353) beschrieben wird. In dieser Publikation wird das Benetzungs- verhalten von Kupfer oder einer Kupferlegierung auf beispielsweise Wolfram- karbid (WC) beschrieben. Hierbei können Benetzungsmittel wie beispielsweise Bor oder Nickel eingesetzt und diese galvanisch, oder mittels Slurry oder mittels PVD, als dünner Film auf den keramischen Teil aufgebracht, um das Benet- zungsverhalten zu erhöhen bevor dieses mit Kupfer oder einer Kupferlegierung hintergossen wird. Diese Methode ist für Boride in Folge der schlechten The connection or connection of two different materials such as on the one hand a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular TiB 2 as a sputtering material, on the other hand, the metallic copper or the metallic copper alloy of the back plate, provides a technical challenge. In particular, the wetting behavior and / or bonding behavior of copper or a copper alloy on ceramic materials such as a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular the connection of TiB 2 on copper, should be as broad as possible be guaranteed and have as few untethered areas (defects) as possible. The connection of ceramic targets with metallic backplates is known for example for tungsten carbide targets. One way to provide tungsten carbide (WC) targets with a backing plate is to back-cast them with copper or a copper alloy, as described in the Research Disclosure publication of May 2014 ("WC-Cu Are Cathode or sputtering target ", Research Disclosure database number 601040, May 2014, ISSN 0374-4353). This publication describes the wetting behavior of copper or a copper alloy on, for example, tungsten carbide (WC). In this case, wetting agents such as boron or nickel can be used and applied by electroplating, or by means of slurry or by means of PVD, as a thin film on the ceramic part in order to increase the wetting behavior before it is back-coated with copper or a copper alloy. This method is for Boride as a result of the bad
Benetzbarkeit und/oder der mangelhaften Anbindung des Kupfers oder einer kupferbasierten Legierung ungeeignet. Die Benetzbarkeit wird ausführlich in der Publikation von Passerone at al.„Wetting of Group IV diborides by liquid metals“ (J Mater Sei (2006) 41 (Issue 16), pp 5088-5098) beschrieben. Wettability and / or poor bonding of copper or a copper-based alloy unsuitable. The wettability is described in detail in the publication by Passerone et al., "Wetting of Group IV diborides by liquid metals" (J Mater Sei (2006) 41 (Issue 16), pp 5088-5098).
Eine Methode zur Vermeidung der Benetzungsprobleme besteht darin, die Kupferschmelze mit Bor zu dotieren, wie dies ausführlich in der Publikation von Aizenshtein et al. in dem Artikel„The Nature of TiB2 Wetting by Cu and Au“ (Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 21 (5) May 2012— 655) beschrieben wird. Die WO 2012063524 beschreibt das Anbinden (Bon- ding) mehrerer Target-Teile auf eine Kupfer-Rückplatte durch niedrigschmel- zendes Lot. One way to avoid wetting problems is to dope the copper melt with boron, as described in detail in the publication by Aizenshtein et al. in the article "The Nature of TiB 2 Wetting by Cu and Au" (Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 21 (5) May 2012-655). WO 2012063524 describes bonding (bonding) of several target parts to a copper backplate by low-melting solder.
Nachteilig an einer Dotierung der Kupferschmelze mit Bor ist, dass mit zuneh- mender Dotierung die Eigenschaften des reinen Kupfers verändert werden. Des Weiteren ist die Verwendung von Niedrigschmelzenden Loten nachteilig, da diese eine geringe thermische Belastbarkeit aufweisen. A disadvantage of doping the copper melt with boron is that with increasing doping, the properties of the pure copper are changed. Furthermore, the use of low-melting solders is disadvantageous because they have a low thermal load capacity.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Verbundkörper, sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundkörpers anzugeben. Des Weiteren besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine verlässliche und reproduzierbare, sowie thermisch beständige Verbindung von Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertes Borid, einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere TiB2, zu gewährleisten. The object of the present invention is to provide an improved composite body, as well as an improved method for producing such a composite body. Furthermore, there is the task of The present invention is to provide a reliable and reproducible, as well as thermally stable compound of copper or a copper alloy with a boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular TiB 2 .
Die Aufgaben werden gelöst durch Bereitstellen eines ersten Teils aus einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik und eines zweiten Teils bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einer Übergangszone zwischen erstem und zweitem Teil, welche Ti und Kupfer beinhaltet und eine Schmelztemperatur > 600°C aufweist, gemäß Anspruch 1 , und einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit den Merkmalen von Anspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. The objects are achieved by providing a first part of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic and a second part consisting of copper or a copper alloy and a transition zone between the first and second part, which Ti and copper and having a melting temperature> 600 ° C, according to claim 1, and a method for producing a composite body having the features of claim 9. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Die hier beschriebene Erfindung beseitigt das Problem der Benetzbarkeit durch Aufbringen von einzelnen oder alternierenden Schichten aus Titan, Kupfer oder Titan-Kupfer, auf einem Grundkörper bestehend aus einem Borid, einer Borid- Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere einen Grundkörper aus TiB2, bevor dieser im Hintergießverfahren mit flüssigem Kupfer oder einer flüssigen Kupferlegierung hintergossen wird, oder bevor der zweite Teil mittels Kaltgasspritzen (CGS) aufgebracht wird.The invention described herein eliminates the problem of wettability by depositing individual or alternating layers of titanium, copper or titanium-copper on a base body consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, in particular one TiB 2 body before it is back-cast with liquid copper or a liquid copper alloy, or before the second part is applied by cold gas spraying (CGS).
Diese einzelnen oder alternierenden Titan- oder Kupfer-Schichten oder Titan- Kupfer-Schichten werden dabei mittels Kaltgasspritzen (CGS) und/oder mittels CVD (Chemical vapour deposition) oder mittels PVD (physical vapour depositi- on) oder mittels Slurry oder mittels Niederdruckplasmaspritzen auf die Oberflä- che des boridischen Grundkörpers (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierte Borid-Basiskeramik oder TiB2) aufgebracht. Des Weiteren beschreibt die Erfindung eine temperaturbeständige Verbindung eines ersten Teils (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierte Borid-Basiskeramik oder TiB2) mit einem zweiten Teil (Kupfer oder Kupferlegierung) über eine Übergangszone welche eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 600 °C, bevorzugt mindestens 700 °C und besonders bevorzugt mindestens 800 °C aufweist. Die Erfindung beschreibt eine reproduzierbare und verlässliche Benetzbarkeit des Borids, der Borid-Basiskeramik, dem dotierten Borid, der dotierten Borid- Basiskeramik, aber insbesondere des TiB2, mit flüssigem Kupfer oder einer Kupfer-Legierung. Der Vorteil dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt in der Möglichkeit diese technologisch in der Fertigung umzuset- zen, ohne die Eigenschaften des Borids, der Borid-Basiskeramik, dem dotierten Borid, der dotierten Borid-Basiskeramik, oder beispielsweise des Ti B2, zu verändern. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, die Zusammensetzung des zum Hintergießen angewandten Kupfers oder der Kupferlegierung nicht ändern zu müssen, wie beispielsweise durch Zulegieren von Bor, um die Benetzbarkeit zu erhöhen. These individual or alternating titanium or copper layers or titanium-copper layers are thereby by cold gas spraying (CGS) and / or by CVD (Chemical vapor deposition) or by PVD (physical vapor depository) or by slurry or by low-pressure plasma spraying the surface of the boridic body (boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or TiB 2 ) is applied. Furthermore, the invention describes a temperature-resistant compound of a first part (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) with a second part (copper or copper alloy) via a transition zone which has a temperature resistance of at least 600 ° C., preferably at least 700 ° C and more preferably at least 800 ° C. The invention describes a reproducible and reliable wettability of the boride, the boride basic ceramic, the doped boride, the doped boride basic ceramic, but in particular the TiB 2 , with liquid copper or a copper alloy. The advantage of this invention over the prior art lies in the possibility of technologically converting them in production, without the properties of the boride, the boride base ceramic, the doped boride, the doped boride base ceramic, or, for example, the Ti B 2 , to change. Another advantage of this invention over the prior art is that it does not require changing the composition of the copper or copper alloy used for back casting, such as by adding boron to increase wettability.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Verbundkörper einen ersten Teil, einen zweiten Teil und eine Übergangszone auf. Die Übergangszone befindet sich zwischen einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche des ersten Teils und einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche des zweiten Teils und verbindet den ersten Teil mit dem zweiten Teil stoffschlüssig. Der erste Teil besteht aus einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik. Insbesondere besteht der erste Teil aus TiB2, einer TiB2-Basiskeramik, einem dotierten TiB2 oder einer dotierten TiB2-Basiskeramik. According to the present invention, the composite body has a first part, a second part and a transition zone. The transition zone is located between a surface or a region of a surface of the first part and a surface or a region of a surface of the second part, and connects the first part to the second part in a materially bonded manner. The first part consists of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic. In particular, the first part consists of TiB 2 , a TiB 2 base ceramic, a doped TiB 2 or a doped TiB 2 base ceramic.
Unter Boriden versteht man eine Verbindung aus einem Metall oder auch mehreren Metallen mit Bor. Des Weiteren versteht man unter Boriden unter anderem jene Boride, die kristallographisch die MeB2 oder die Me2Bs Struktur aufweisen. Hierbei sind insbesondere die gut stromleitenden, harten und höchstschmelzenden Typen wie das Titanborid (TiB2) zu nennen. Strukturell ist das Titanborid durch alternierende Schichten dichtest-gepackter Metallatome und hexagonaler Bornetzwerke aufgebaut, wodurch sich die guten oben erwähnten Leitfähigkeiten ergeben. Beispielhaft für Borid-Verbindungen sind insbesondere TiB2, VB2, CrB2, ZrB2, NbB2, M0B2, HfB2, TaB2, UB2, AIB2, ReB2, MgB2 und auch WB2 oder W2B5 zu nennen. Unter Borid-Mischkeramiken versteht man die Mischungen von mindestens zwei der unter Anderem oben genannten Boride. Die dotierten Boride oder Borid-Mischkeramiken können zusätzlich noch Elemente oder Verbindungen beinhalten, ohne dass der Gesamtanteil der zusätzlichen Elemente die 20 mol%, insbesondere die 10 mol% überschreitet. Als zusätzliche Elemente können dem Borid oder der Borid-Mischkeramik reine Metalle, wie beispielsweise Fe, Ni, Co, Cr, Ti, Mo, Zr oder auch Karbide, wie beispielsweis TiC, WC, NbC aber auch reine Elemente wie beispielsweise C, B oder Si hinzugefügt werden. Im Besonderen ist hier TiB2 mit hinzu dotiertem B, oder auch TiB2 mit hinzu dotiertem Si zu nennen. Borides are understood as meaning a compound of one metal or even more metals with boron. Borides also include, inter alia, those borides which have the MeB 2 or the Me 2 Bs structure by crystallography. Particularly good conductive, hard and highly melting types such as titanium boride (TiB 2 ) should be mentioned here. Structurally, the titanium boride is constituted by alternating layers of densely packed metal atoms and hexagonal hole networks, resulting in the good conductivities mentioned above. Exemplary of boride compounds, in particular TiB 2, VB 2, CrB 2, ZrB 2, NbB 2, M0B2, HfB 2, TaB 2, UB 2, AlB 2, ReB 2, MgB 2 and WB 2 or W 2 B 5 may be mentioned , Boride mixed ceramics are understood as meaning the mixtures of at least two of the abovementioned borides. The doped borides or boride mixed ceramics can additionally contain elements or compounds, without the total proportion of additional elements exceeds 20 mol%, in particular 10 mol%. As additional elements, the boride or the boride mixed ceramic pure metals, such as Fe, Ni, Co, Cr, Ti, Mo, Zr or carbides, such as TiC, WC, NbC but also pure elements such as C, B or Si be added. In particular, TiB 2 with additionally doped B or TiB 2 with additionally doped Si can be mentioned here.
Der erste Teil des Verbundkörpers besteht aus einem überwiegend texturfreiem Gefüge, ohne bevorzugte Kornausrichtung, mit einer mittleren Korngröße < 20 pm, bevorzugt < 10 gm, besonders bevorzugt < 5 pm. Der zweite Teil des Verbundkörpers besteht aus im Wesentlichen reinem Kupfer oder einer Kupfer- legierung und zeigt eine mittlere Korngröße > 0,5 mm, bevorzugt > 1 mm, besonders bevorzugt > 1 ,5 mm. Unter Kupferlegierungen versteht man Legie- rungen mit Kupfer, wobei Kupfer den Hauptbestandteil darstellt und der Ge- samtanteil von Legierungselementen kleiner 50 wt%, bevorzugt < 30 wt% und besonders bevorzugt < 20 wt% ist. Bespielhaft für Kupferlegierungen sind CuZn, CuZnSi, CuMg, CuAI, CuBe, CuCrZr und CuZn zu nennen. Die Über- gangszone beinhaltet unter anderem Ti und Kupfer. Erfindungsgemäß ist nun, dass die Übergangszone eine Schmelztemperatur (oder eine Erweichungstem- peratur) > 600°C, bevorzugt eine Schmelztemperatur > 700 °C und besonders bevorzugt eine Schmelztemperatur > 800 °C aufweist. Die Übergangszone ist frei von niedrigschmelzenden Phasen, wobei man in dieser Schrift als niedrig- schmelzend jene Temperaturbereiche versteht, welche in der Größenordnung von den Schmelzpunkten von Indium oder Zinn liegen. The first part of the composite consists of a predominantly texture-free microstructure, without preferred grain orientation, with an average particle size <20 μm, preferably <10 μm, particularly preferably <5 μm. The second part of the composite body consists of essentially pure copper or a copper alloy and has an average particle size of> 0.5 mm, preferably> 1 mm, particularly preferably> 1.5 mm. Copper alloys are understood as meaning alloys with copper, copper being the main constituent and the total fraction of alloying elements being less than 50 wt%, preferably <30 wt% and particularly preferably <20 wt%. Examples of copper alloys include CuZn, CuZnSi, CuMg, CuAI, CuBe, CuCrZr and CuZn. The transition zone includes, inter alia, Ti and copper. According to the invention, the transition zone has a melting temperature (or a softening temperature)> 600 ° C., preferably a melting temperature> 700 ° C., and particularly preferably a melting temperature> 800 ° C. The transition zone is free of low-melting phases, in this document being understood as low-melting those temperature ranges which are of the order of the melting points of indium or tin.
Die Verbindung weist also eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte thermische Belastbarkeit auf. Dies ist insbesondere deswegen interessant, da somit in einer Beschichtungsanlage höhere Leistungsdichten und / oder Sputter-Raten realisiert werden können. The connection thus has a considerably improved thermal load capacity compared with the prior art. This is particularly interesting because higher power densities and / or sputtering rates can thus be realized in a coating system.
Hinsichtlich Schmelztemperatur von Legierungen wird auf die Liquiduslinie der entsprechenden Legierung hingewiesen, wobei es bei den hier verwendeten Kupferlegierungen unterhalb von 600 °C, bevorzugt unterhalb von 700 °C und besonders bevorzugt unterhalb von 800 °C zu keiner Bildung von flüssigen Phasen kommt. Die thermische Stabilität des Verbundkörpers ist durch eine Ofenfahrt bei 600°C, bzw. 700 °C bzw. 800 °C belegbar, bei der sich keinerlei flüssige Phasen bilden dürfen, die dann zwangsläufig zum Verlust der Bindung (oder einer Erweichung der Übergangszone) zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil oder zu einer Formänderung des Verbundkörpers führen würden. Zur Überprüfung der Temperaturbeständigkeit des Verbundkörpers und insbesondere der Temperaturbeständigkeit der Übergangszone wird der Verbundkörper in einen Ofen derart montiert, sodass ein Teil und mindestens die gesamte Übergangszone des Verbundkörpers freistehend vorliegen, d.h. dass ein Teil und mindestens die gesamte Übergangszone nicht gespannt oder fixiert werden. Die Ausrichtung des Verbundkörpers im Ofen erfolgt des Weite- ren derart, sodass die Ebene der Übergangszone oder anders ausgedrückt der Übergang zwischen erstem Teil und zweitem Teil, parallel zur Schwerkraft ausgerichtet ist, sodass sich im Falle einer Erweichung der Übergangszone oder der Bildung von flüssigen Phasen in der Übergangszone, durch einwirken der Schwerkraft, der eine Teil vom anderen Teil lösen oder gegeneinander verschieben kann. Anschließend wird der Ofen auf Temperatur gebracht. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur von 600°C, bevorzugt 700°C und besonders bevorzugt 800°C, im Kern des Verbundkörpers, wird nach einer Haltezeit von einer Stunde, der Ofen wieder abgekühlt. Sollte die Schmelztem- peratur bzw. die Erweichungstemperatur der Übergangszone geringer als die eingestellte Temperatur des Ofens sein, so wird sich der frei stehende, nicht gespannte oder fixierte Teil, vom eingespannten Teil des Verbundkörpers, durch Einwirken der Schwerkraft lösen oder gegeneinander verschieben. With regard to the melting temperature of alloys, reference is made to the liquidus line of the corresponding alloy, with the copper alloys used here being below 600 ° C., preferably below 700 ° C., and particularly preferably below 800 ° C., no formation of liquid phases occurs. The thermal stability of the composite is by a kiln travel at 600 ° C, or 700 ° C or 800 ° C assignable, which must not form any liquid phases, which then inevitably loss of bonding (or a softening of the transition zone) between would lead to the first part and the second part or to a change in shape of the composite body. To check the temperature resistance of the composite and in particular the temperature resistance of the transition zone of the composite body is mounted in an oven so that a part and at least the entire transition zone of the composite are free-standing, ie that a part and at least the entire transition zone are not stretched or fixed. The orientation of the composite in the furnace is further such that the plane of the transition zone, or in other words the transition between the first part and the second part, is oriented parallel to gravity, so that in case of softening of the transition zone or the formation of liquid phases in the transitional zone, by the action of gravity, which can detach one part of the other part or move it against each other. Then the oven is brought to temperature. After reaching the desired temperature of 600 ° C, preferably 700 ° C and more preferably 800 ° C, in the core of the composite body, after a holding time of one hour, the furnace is cooled again. Should the melting temperature or the softening temperature of the transition zone be less than the set temperature of the furnace, the free, non-tensioned or fixed part, from the clamped part of the composite body, will be released or shifted against each other by the action of gravity.
Die Übergangszone ist eine Diffusionszone, die am Übergang zwischen dem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertes Borid, einer dotierten Borid- Basiskeramik, insbesondere von TiB2 des ersten Teils und der erstarrenden bzw. erstarrten, hintergossenen Schmelze, bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (zweiter Teil), entsteht. Des Weiteren kann die Übergangszone eine Zone sein, welche am Übergang zwischen dem Borid, einer Borid- Basiskeramik, einem dotiertes Borid, einer dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere von TiB2 des ersten Teils und des über CGS aufgebrachten zweiten Teils, entsteht. The transition zone is a diffusion zone at the transition between the boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular of TiB 2 of the first part and the solidified or solidified, back-cast melt, consisting of copper or a Copper alloy (second part) arises. Furthermore, the transition zone may be a zone which, at the transition between the boride, a boride base ceramic, a doped boride, a doped boride base ceramic, in particular of TiB2 of the first part and the second part applied via CGS arises.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Übergangszone des Verbundkör- pers im Wesentlichen frei von typischen Lot-Elementen wie Indium, Zinn, Germanium, Silber, Palladium, Nickel, Platin, Kobalt, Mangan oder Gold. Die Übergangszone weist einen Indium-, Zinn-, Germanium-, Silber-, Palladium-, Nickel-, Platin, Kobalt, Mangan oder Goldgehalt von jeweils < 5000 ppm, bevorzugt jeweils < 2000 ppm, besonders bevorzugt jeweils < 1000 ppm auf. In an advantageous embodiment, the transition zone of the composite body is substantially free of typical solder elements such as indium, tin, germanium, silver, palladium, nickel, platinum, cobalt, manganese or gold. The transition zone has an indium, tin, germanium, silver, palladium, nickel, platinum, cobalt, manganese or gold content of in each case <5000 ppm, preferably in each case <2000 ppm, particularly preferably in each case <1000 ppm.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der erste Teil des Verbundkör- pers aus Ti B2, einer TiB2-Basiskeramik mit mindestens 20 mol. % TiB2, bevor- zugt einer TiB2-Basiskeramik mit mindestens 30 mol. % TiB2 und besonders bevorzugt einer TiB2-Basiskeramik mit mindestens 50 mol% TiB2. Die Erfindung hat sich als besonders geeignet in der Anwendung einer Are Kathode aus dem Werkstoff TiB2 erwiesen. Durch die temperaturbeständige, stoffschlüssige und gut elektrisch leitende Verbindung zwischen TiB2 und der Rückplatte aus Kupfer konnte die Are Kathode mit einem Durchmesser von 63 mm und einer Höhe von 32 mm über mehrere Stunden im Lichtbogenverfahren betrieben werden, ohne dass die Stabilität der Kathode beeinträchtigt worden wäre. In an advantageous embodiment, the first part of the composite body consists of Ti B 2 , a TiB 2 base ceramic having at least 20 mol. % TiB 2 , preferably a TiB 2 base ceramic with at least 30 mol. % TiB 2 and more preferably a TiB 2 base ceramic having at least 50 mol% TiB 2 . The invention has proven to be particularly suitable in the application of an Are cathode made of TiB 2 material. Due to the temperature-resistant, cohesive and highly electrically conductive connection between TiB 2 and the back plate made of copper, the Are cathode could be operated with a diameter of 63 mm and a height of 32 mm for several hours in the arc process, without the stability of the cathode has been affected would.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der erste Teil des Verbundkör- pers aus kohlenstoffdotiertem T1B2. Unter kohlenstoffdotiertem TiB2 versteht man das Hinzufügen von bis zu 10 mol% Kohlenstoff zum TiB2, bevorzugt mindestens 5 mol% Kohlenstoff zum TiB2 und besonders bevorzugt mindestens 2 mol% Kohlenstoff zum T1B2. Die Vorteile, die aus der Dotierung einer TiB2 Keramik mit Grafit resultieren, sind in der Veröffentlichungsschrift In an advantageous embodiment, the first part of the composite body consists of carbon-doped T1B2. Carbon-doped TiB 2 is understood to mean the addition of up to 10 mol% of carbon to the TiB 2 , preferably at least 5 mol% of carbon to the TiB 2, and more preferably at least 2 mol% of carbon to the T1B2. The advantages that result from the doping of a TiB 2 ceramic with graphite, are in the publication
WO201 1 137472A1 beschrieben. WO201 1 137472A1.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Übergangszone im Mittel eine Dicke zwischen 5 und 500 pm, bevorzugt zwischen 8 und 300 pm, besonders bevorzugt zwischen 10 und 200 pm auf.According to a further advantageous embodiment of the invention, the transition zone has an average thickness of between 5 and 500 μm, preferably between 8 and 300 μm, particularly preferably between 10 and 200 μm.
Die Bestimmung der Schichtdicke der Übergangszone erfolgt im Ra stere lektro- nenmikroskop oder auch im Lichtmikroskop. Hierbei wird ein metallografischer Schliff senkrecht zur Ebene der Übergangszone gelegt und anschließend die Schichtdicke im Rasterelektronenmikroskop oder im Lichtmikroskop bei geeig- neter Vergrößerung bestimmt. Die Bestimmung der Schichtdicke der Über- gangszone sollte an repräsentativen Stellen des Schliffes durchgeführt werden. Hierbei sind mindestens zehn repräsentative Stellen zu untersuchen und ein Mittelwert zu erstellen, welcher die mittlere Schichtdicke der Übergangszone repräsentiert. The layer thickness of the transition zone is determined in a stereolithic microscope or also in a light microscope. This becomes a metallographic Cut is placed perpendicular to the plane of the transition zone and then determines the layer thickness in a scanning electron microscope or in a light microscope at a suitable magnification. The determination of the layer thickness of the transition zone should be carried out at representative points of the finish. In this case, at least ten representative sites should be examined and an average value should be created, which represents the mean layer thickness of the transition zone.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zeigen sowohl die Konzentration des Kupfers in der Übergangszone, als auch die Konzentration des Titans in der Übergangszone, ausgehend von der Oberflä- che des ersten Teils, hin zur Oberfläche des zweiten Teils, jeweils einen Konzentrations-Verlauf. Die Konzentration des Kupfers fällt von der Oberfläche des zweiten Teils, welcher aus Kupfer- oder einer Kupferlegierung besteht hin zur Oberfläche des ersten Teils, welcher aus einem Borid, einer Borid- Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, besteht, ab. Die Konzentration des Titans fällt von der Oberfläche des ersten Teils, welcher aus einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik besteht hin zur Oberfläche des zweiten Teils, welcher aus Kupfer- oder einer Kupferlegierung besteht, ab. Die Konzentrationsänderung kann jeweils kontinuierlich, aber auch schlagartig erfolgen. Die Übergangszone ist im Lichtmikroskop oder im Rasterelektronen- mikroskop deutlich zu erkennen. Die Konzentrationsverläufe des Titans und des Kupfers können im Rasterelektronenmikroskop über Energie-Dispersive Analytik (EDX) bestimmt werden. According to a further advantageous embodiment of the invention, both the concentration of the copper in the transition zone, and the concentration of titanium in the transition zone, starting from the surface of the first part to the surface of the second part, each show a concentration profile. The concentration of copper drops from the surface of the second part consisting of copper or a copper alloy to the surface of the first part consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic , The concentration of titanium falls from the surface of the first part, which consists of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, to the surface of the second part, which consists of copper or a copper alloy. The change in concentration can be carried out continuously, but also abruptly. The transition zone is clearly visible in a light microscope or in a scanning electron microscope. The concentration curves of titanium and copper can be determined by scanning electron microscopy using energy-dispersive analysis (EDX).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mittlere Härte in der Übergangszone um mindestens 10 % höher, bevorzugt um mindestens 20% höher, als die mittlere Härte des zweiten Teils, welcher aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Härte ist der mechanische Wider- stand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entge- gensetzt. Hierbei werden genormte Prüfkörper unter festgelegten Bedingungen in die Werkstückoberfläche gedrückt. Vorzugsweise wird die Mikrohärteprüfung nach Vickers verwendet, es kann aber auch eine Mikrohärtemessung nach Rockwell oder Brinell erfolgen. Die Mikrohärtemessung erfolgt vorzugsweise nach DIN EN ISO 6507. Für repräsentative Härtemessungen sollten mindes- tens 10 Messungen unter gleichen Bedingungen an einer jeweils repräsentati- ven Stelle durchgeführt werden und von diesen Messungen wird ein Mittelwert gebildet, welcher den mittleren Härtewert repräsentiert. According to a further advantageous embodiment of the invention, the average hardness in the transition zone is at least 10% higher, preferably at least 20% higher, than the average hardness of the second part, which consists of copper or a copper alloy. Hardness is the mechanical resistance that a body counters when penetrating another, harder body. Standardized test specimens are pressed into the workpiece surface under specified conditions. Preferably, the microhardness test according to Vickers is used, but it can also be a microhardness measurement after Rockwell or Brinell done. The microhardness measurement is preferably carried out in accordance with DIN EN ISO 6507. For representative hardness measurements, at least 10 measurements should be carried out under the same conditions at a respective representative point and an average value is formed from these measurements, which represents the mean hardness value.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform zeigen mindestens 50 %, bevorzugt mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens 90% der Über- gangszone eine metallurgische Anbindung zu der Oberfläche des ersten Teils sowie zu der Oberfläche des zweiten Teils. Diese Verbindung als auch deren prozentueller Anteil kann zum einen zerstörungsfrei mittels einer Ultraschallun- tersuchung oder einer Röntgenuntersuchung des Verbundkörpers erfolgen und zum anderen über Anfertigung von Querschliffen und nachfolgender Untersu- chung der Übergangszone im Lichtmikroskop oder im Rasterelektronenmikro- skop. Mit Hilfe einer Ultraschall-Prüfung können Poren und nicht angebundene Bereiche zwischen dem Borid, der Borid-Basiskeramik, dem dotierten Borid, der dotierten Borid-Basiskeramik, insbesondere dem TiB2, und dem Kupfer oder der Kupferlegierung sichtbar gemacht werden. Die Ultraschall-Prüfung kann ausgehend von der Oberfläche des Kupfers oder der Kupferlegierung, hin zur Keramik (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid- Basiskeramik oder TiB2), als auch von der keramischen Oberfläche ausgehend, hin zum Kupfer oder der Kupferlegierung, durchgeführt werden. Die Ultraschall- Prüfung liefert ein ortsaufgelöstes Bild, bei welchem meist auch in Farbe, die nichtangebundenen Bereiche und auch andere Fehlstellen am Übergang Keramik (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid- Basiskeramik oder TiB2) zu Kupfer- oder der Kupfer-Legierung, flächig sichtbar werden. Die angebundenen und nichtangebundenen Bereiche sind im Bild für einen Fachmann deutlich erkennbar. Die Fläche der nichtangebundenen Bereiche wird durch aufsummieren aller im Messbereich auftretenden nichtan- gebundener Einzelflächen bestimmt. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Summe aus allen nicht angebundenen Flächen zur Messfläche stets < 0,5, bevorzugt < 0,3 und besonders bevorzugt < 0,1. Dies bedeutet, dass die flächenmäßige Anbindung der Keramik (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) an das Kupfer oder an die Kupferlegierung stets höher als 50 % bevorzugt höher als 70%, besonders bevorzugt höher als 90 % ist. According to a further advantageous embodiment, at least 50%, preferably at least 70%, particularly preferably at least 90%, of the transition zone exhibit a metallurgical connection to the surface of the first part and to the surface of the second part. This compound as well as its percentage can be done non-destructively by means of an ultrasound examination or an X-ray examination of the composite body and also by making cross-sections and subsequent examination of the transition zone in a light microscope or in a scanning electron microscope. By means of an ultrasonic test, pores and unattached areas between the boride, the boride base ceramic, the doped boride, the doped boride base ceramic, in particular the TiB 2 , and the copper or the copper alloy can be visualized. The ultrasonic test, starting from the surface of the copper or the copper alloy, to the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ), as well as from the ceramic surface starting, towards the copper or the Copper alloy, to be performed. The ultrasound test provides a spatially resolved image, in which mostly in color, the non-bonded areas and other defects at the transition ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to copper or copper Alloy, surface visible. The connected and untethered areas are clearly visible in the picture for a person skilled in the art. The area of the non-bonded areas is determined by adding up all unbound single areas occurring in the measuring area. According to the invention, the ratio of the sum of all unattached surfaces to the measurement surface is always <0.5, preferably <0.3 and particularly preferably <0.1. This means that the surface bonding of the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to the copper or to the Copper alloy always higher than 50%, preferably higher than 70%, particularly preferably higher than 90%.
Mit Hilfe einer Röntgenprüfung können Poren und nicht angebundene Bereiche zwischen der Keramik (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) und dem Kupfer oder der Kupferlegierung sichtbar gemacht werden. Die Röntgenprüfung kann ausgehend von der Oberfläche des Kupfers oder der Kupferlegierung, hin zur Keramik, als auch von der keramischen Oberfläche ausgehend, hin zum Kupfer oder der Kupfer- legierung, durchgeführt werden. Die Röntgen-Prüfung liefert ein ortsaufgelöstes Bild, bei welchem die nichtangebundenen Bereiche und auch andere Fehlstel- len am Übergang Keramik (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) zu Kupfer- oder der Kupfer-Legierung, flächig Sichtbar werden. Die angebundenen und nichtangebundenen Bereiche sind im Bild für einen Fachmann deutlich erkennbar. Die Fläche der nichtangebunde- nen Bereiche wird durch aufsummieren aller im Messbereich auftretenden nichtangebundener Einzelflächen bestimmt. Erfindungsgemäß ist das Verhält- nis der Summe aus allen nicht angebundenen Flächen zur Messfläche stets < 0,5, bevorzugt < 0,3 und besonders bevorzugt < 0,1. Dies bedeutet, dass die flächenmäßige Anbindung der Keramik (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) an das Kupfer oder an die Kupferlegierung stets höher als 50 % bevorzugt höher als 70%, besonders bevorzugt höher als 90 % ist. By means of an X-ray test, pores and unattached areas between the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) and the copper or the copper alloy can be made visible. The X-ray inspection can be carried out starting from the surface of the copper or the copper alloy, towards the ceramic, as well as from the ceramic surface, to the copper or the copper alloy. The X-ray examination yields a spatially resolved image in which the non-bonded regions and also other defects at the transition ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to copper or the copper alloy, flatly visible. The connected and untethered areas are clearly visible in the picture for a person skilled in the art. The area of the non-attached areas is determined by summing up all non-connected individual areas occurring in the measuring area. According to the invention, the ratio of the sum of all unattached areas to the measurement area is always <0.5, preferably <0.3 and particularly preferably <0.1. This means that the areal bonding of the ceramic (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) to the copper or to the copper alloy is always higher than 50%, preferably higher than 70%, particularly preferably higher than 90 % is.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt bei einer Zugbe- lastung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil, mit einer Belastungs- richtung normal zu den über eine Übergangszone verbundenen Oberflächen des ersten und des zweiten Teils, die Bruchspannung mindestens 15 MPa, bevorzugt > 20 MPa, besonders bevorzugt > 30 MPa, wobei die Bruchspan- nung auf den angebundenen Teil der Übergangszone bezogen ist. Mit Hilfe eines Zugversuchs nach beispielsweise DIN EN ISO 6892-1 : 2009 1 : 2009-12 kann die Bruchspannung der Verbindung, von der Keramik (Borid, Borid- Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) mit dem Kupfer- oder der Kupferlegierung, bestimmt werden. Hierbei wird der Verbund- körper derart in die Zugprüfmaschine eingespannt, sodass die Zugrichtung oder die Belastungsrichtung normal zu den über eine Übergangszone verbundenen Oberflächen der Kupfer- oder Kupferlegierung mit der Keramik (Borid, Borid- Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder Tiß2), insbe- sondere TiB2, liegt. Anschließend wird das Bauteil bis zum Bruch belastet. Die Messwerte des Zugversuchs werden auf die angebundene Fläche, sprich auf die reine Bruchfläche bezogen. Die Bruchfläche (angebundene Fläche) ist für einen Fachmann deutlich erkennbar. Erfindungsgemäß hergestellte Körper zeigen eine Zugfestigkeit, bezogen auf die Bruchfläche, von > 15 MPa, bevor- zugt > 20 MPa, besonders bevorzugt > 30 MPa. According to a further advantageous embodiment, with a tensile load between the first part and the second part, with a loading direction normal to the surfaces of the first and the second part connected via a transition zone, the breaking stress is at least 15 MPa, preferably> 20 MPa , particularly preferably> 30 MPa, the breaking stress being based on the connected part of the transition zone. With the aid of a tensile test according to, for example, DIN EN ISO 6892-1: 2009 1: 2009-12, the breaking stress of the compound of the ceramic (boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or TiB 2 ) with the copper or the copper alloy. In this case, the composite body is clamped in the tensile testing machine so that the pulling direction or the loading direction is normal to the surfaces of the copper or copper alloy connected to the ceramic (boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or Tiss 2), in particular TiB 2 , connected via a transition zone. Subsequently, the component is loaded until it breaks. The measured values of the tensile test are related to the connected area, ie to the pure fracture surface. The fracture surface (connected area) is clearly recognizable to a person skilled in the art. According to the invention produced bodies show a tensile strength, based on the fracture surface, of> 15 MPa, preferably> 20 MPa, more preferably> 30 MPa.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers bestehend aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil, sowie mindestens einer Übergangszone welche zwischen einer Oberfläche oder einem Oberflächenbereich des ersten Teils und einer Oberfläche oder einem Oberflächenbereich des zweiten Teils ausgebildet wird, charakterisiert durch folgende Schritte: The present invention further relates to a method for producing a composite body comprising a first part and a second part, and at least one transition zone which is formed between a surface or a surface region of the first part and a surface or a surface region of the second part, characterized by the following Steps:
- Pulvermetallurgische Herstellung des ersten Teils aus einem Borid, einer - Pulvermetallurgische production of the first part of a boride, a
Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid- Basiskeramik, Boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic,
- Beschichten von mindestens einem Oberflächenabschnitt des ersten Teils mit mindestens einer Zwischenschicht, welche Titan oder alternativ Titan und Kupfer beinhaltet,  Coating at least one surface portion of the first part with at least one intermediate layer comprising titanium or alternatively titanium and copper,
- Herstellung des zweiten Teils des Verbundkörpers durch Hintergießen der mit der Zwischenschicht beschichteten Oberfläche des ersten Teils mit Kupfer oder einer Kupferlegierung oder durch CGS-Beschichten der mit der Zwischenschicht beschichteten Oberfläche des ersten Teils mit Kup- fer oder einer Kupferlegierung,  The second part of the composite body is produced by back-casting the interlayer-coated surface of the first part with copper or a copper alloy or by CGS-coating the interlayer-coated surface of the first part with copper or a copper alloy,
- Dadurch ausbildend eine Übergangszone zwischen ersten und zweiten - Forming a transition zone between the first and second
Teil. Part.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers werden die zuvor in Bezug auf das erfindungsgemäße Bauteil erläuterten Vorteile zuverlässig und prozesssicher erreicht. Ferner sind die zuvor erwähn- ten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung auch für das erfindungsge- mäße Verfahren vorteilhaft. With the method according to the invention for producing a composite body, the advantages explained above in relation to the component according to the invention are reliably and reliably achieved. Furthermore, the previously mentioned Advantageous embodiments of the invention also advantageous for the inventive method.
Besonders bevorzugt ist, dass der erste Teil pulvermetallurgisch hergestellt wird, der zweite Teil über Hintergießen und dass vor dem Hintergießen die Oberfläche oder ein Teil der Oberfläche des ersten Teils mit mindestens einer Zwischenschicht aus Titan oder alternativ aus Titan und Kupfer versehen wird. It is particularly preferred that the first part is manufactured by powder metallurgy, the second part by means of back-casting and that prior to the casting the surface or part of the surface of the first part is provided with at least one intermediate layer of titanium or alternatively of titanium and copper.
So werden unter anderem folgende positive Effekte erzielt: Among other things, the following positive effects are achieved:
- Gute Benetzbarkeit des Kupfers oder der Kupferlegierung an den mit mindestens einer Zwischenschicht versehenen ersten Teil  Good wettability of the copper or copper alloy on the first part provided with at least one intermediate layer
- Hohe Temperaturbeständigkeit des so hergestellten Verbundwerkstoffes und eine sich ausbildende Übergangszone mit einem Schmelzpunkt hö- her 600 °C  High temperature resistance of the composite material thus produced and a transition zone having a melting point higher than 600 ° C.
Unter Hintergießen versteht man die schmelzmetallurgische Aufbringung eines Materials auf ein Grundmaterial, wobei das Grundmaterial bei den verwendeten Prozessparametern stets im festen Aggregatszustand vorliegt. Der erste Teil wird vor dem Hintergießen an mindestens einem Oberflächenabschnitt mit mindestens einer Zwischenschicht, welche Titan oder alternativ Titan und Kupfer beinhaltet, beschichtet. Beim Hintergießen wird beispielsweise ein fest vorliegendes bulkförmiges Grundmaterials (dieses ist in der Regel mit mindes- tens einer Zwischenschicht oberflächenbeschichtet) bestehend aus einem Borid, einer Borid-Mischkeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Mischkeramik in einen Ofenraum eingebracht. Anschließend wird ein zweites Material, bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf das Grundmaterial aufgelegt. Danach wird der vorerst lose vorliegende, noch nicht stoffschlüssig verbundene Verbundkörper unter geeigneter Prozessatmosphä- re, eventuell mit einer Rampenfunktion erhitzt, bis das aufliegende Material bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung schmilzt und dabei das nichtschmelzende Grundmaterial benetzt. Beispielsweise liegt der Schmelz- punkt für reines Kupfer bei 1085°C. Die Temperatur des Ofens ist so zu wählen, so dass die Temperatur über der Liquiduslinie der Legierungszusammenset- zung im Phasendiagramm liegt. Beim Hintergießen muss der Ofen für eine ausreichende Zeitspanne auf einer Temperatur oberhalb der Liquiduslinie gehalten werden, sodass sich eine vollständige Schmelze des aufliegenden Kupfers oder der Kupferlegierung ausbilden kann. Es bildet sich eine Über- gangszone zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil aus. Die Über- gangszone bildet sich durch das Lösen der Titan oder alternativ der Ti- tan/Kupfer Schicht(en) im durch Hintergießen aufgebrachten Kupfer oder der Kupferlegierung. Nach einer gewünschten Haltezeit oberhalb des Schmelz- punkts wird der Ofen wiederum auf unterhalb des Schmelzpunkts von Kupfer oder der Kupferlegierung abgekühlt. Der abgekühlte Verbundkörper zeigt nach Erstarrung des Kupfers oder der Kupferlegierung einen ersten Teil bestehend aus einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid-Basiskeramik, und einen zweiten Teil bestehend aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und einer Übergangszone zwischen erstem und zweitem Teil, welche Ti und Kupfer beinhaltet und eine Schmelztemperatur bzw. Erweichungstemperatur von > 600°C aufweist. Optional kann eine mecha- nische Bearbeitung bzw. Nachbearbeitung des erstarrten Verbundkörpers durch Drehen, Fräsen, Schneiden, Schleifen, Läppen, Pressen, Prägen oder Walzen erfolgen. Es können im Anschluss auch Schweiß-, Löt-, Füge- oder Klebever- fahren am Verbundkörper vorgenommen werden. Des Weiteren kann der Verbundkörper im Anschluss graviert, geätzt oder erodiert werden. Neben der mechanischen Bearbeitung des Verbundkörpers können auch thermische Nachbehandlungen des Verbundkörpers erfolgen wie beispielsweise Glühen, Oxidieren oder auch Reduzieren, um gewünschte Gefüge-Eigenschaften zu erreichen. Under-casting is understood to mean the molten-metallurgical application of a material to a base material, the base material always being in the solid state of aggregation in the process parameters used. The first part is coated on at least one surface portion with at least one intermediate layer, which includes titanium or, alternatively, titanium and copper, before the back-casting. In back-casting, for example, a solid bulk-shaped base material (this is usually surface-coated with at least one intermediate layer) consisting of a boride, a boride mixed ceramic, a doped boride or a doped boride mixed ceramic is introduced into a furnace chamber. Subsequently, a second material consisting of copper or a copper alloy is placed on the base material. Thereafter, the initially loose, not yet cohesively connected composite body is heated under a suitable process atmosphere, possibly with a ramp function, until the overlying material consisting of copper or a copper alloy melts, wetting the non-melting base material. For example, the melting point for pure copper is 1085 ° C. The temperature of the oven should be selected so that the temperature is above the liquidus line of the alloy composition in the phase diagram. When casting, the stove must be for a sufficient time to be maintained at a temperature above the liquidus, so that a complete melt of the overlying copper or copper alloy can form. A transition zone forms between the first part and the second part. The transition zone is formed by dissolving the titanium or, alternatively, the titanium / copper layer (s) in the back-cast copper or copper alloy. After a desired hold time above the melting point, the furnace is again cooled to below the melting point of copper or copper alloy. The cooled composite shows after solidification of the copper or the copper alloy, a first part consisting of a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic, and a second part consisting of copper or a copper alloy and a transition zone between the first and second part, which contains Ti and copper and has a melting temperature or softening temperature of> 600 ° C. Optionally, a mechanical machining or reworking of the solidified composite body can take place by turning, milling, cutting, grinding, lapping, pressing, embossing or rolling. Subsequently, welding, soldering, joining or adhesive methods can also be carried out on the composite body. Furthermore, the composite body can subsequently be engraved, etched or eroded. In addition to the mechanical processing of the composite body, thermal post-treatments of the composite body can also be carried out, such as, for example, annealing, oxidation or else reduction in order to achieve desired microstructural properties.
Bevorzugt ist, dass der erste Teil pulvermetallurgisch hergestellt wird, der zweite Teil über Kaltgasspritzen (CGS) aufgebracht wird und dass vor dem aufbringen des zweiten Teils die Oberfläche oder ein Teil der Oberfläche des ersten Teils mit mindestens einer Zwischenschicht aus Titan oder alternativ aus Titan und Kupfer versehen wird. It is preferred that the first part is produced by powder metallurgy, the second part is applied by cold gas spraying (CGS), and that before the application of the second part, the surface or a part of the surface of the first part with at least one intermediate layer of titanium or alternatively of titanium and Copper is provided.
Kaltgasspritzen (CGS) ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem Pulverpartikel mit sehr hoher kinetischer Energie und geringer thermischen Energie auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Ein unter hohem Druck stehendes Pro- zessgas (beispielsweise Luft, He, N2 oder Mischungen daraus) wird mittels einer Konvergent-Divergent-Düse (auch als Überschalldüse bezeichnet) entspannt. Eine typische Düsenform stellt dabei die Laval-Düse dar. Je nach verwendetem Prozessgas sind Gasgeschwindigkeiten von beispielsweise 300 bis 1200 m/s (bei N2) bis zu 2500 m/s (bei He) erreichbar. Der Beschichtungs- stoff wird dabei beispielsweise vor dem engsten Querschnitt der Konvergent- Divergent-Düse, die einen Teil der Spritzpistole bildet, in den Gasstrom injiziert, typischerweise auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1200 m/s beschleunigt und auf einem Substrat abgeschieden. Ein Aufheizen des Gases vor der Konvergent-Divergent-Düse erhöht bei der Expansion des Gases in der Düse die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelge- schwindigkeit. Typischerweise kommt beim Kaltgasspritzen eine Gastemperatur von Raumtemperatur bis 1000°C zur Anwendung. Durch CGS lassen sich insbesondere duktile Werkstoffe mit kubisch flächenzentriertem und hexagonal dichtest gepacktem Gitter zu dichten, gut haftenden Schichten verspritzen. In der Regel wird CGS für die Aufbringung einer metallischen Schicht auf einem metallischen Substrat verwendet, die Aufbringung einer metallischen Schicht auf einem keramischen Substrat ist derzeit noch kein etabliertes Verfahren.Cold gas spraying (CGS) is a coating process in which powder particles with very high kinetic energy and low thermal energy are applied to a carrier material. A high pressure dessicating gas (for example air, He, N2 or mixtures thereof) is expanded by means of a convergent divergent nozzle (also referred to as supersonic nozzle). A typical nozzle shape is the Laval nozzle. Depending on the process gas used, gas velocities of, for example, 300 to 1200 m / s (at N2) up to 2500 m / s (at He) can be achieved. For example, the coating material is injected into the gas stream in front of the narrowest cross section of the convergent divergent nozzle forming part of the spray gun, typically accelerated to a speed of 300 to 1200 m / s and deposited on a substrate. Heating the gas in front of the convergent-divergent nozzle increases the flow rate of the gas during the expansion of the gas in the nozzle and thus also the particle velocity. Typically, cold gas spraying uses a gas temperature of from room temperature to 1000 ° C. In particular, ductile materials with a cubic face-centered and hexagonal close-packed lattice can be sprayed into dense, well-adhering layers by means of CGS. In general, CGS is used for the deposition of a metallic layer on a metallic substrate, the deposition of a metallic layer on a ceramic substrate is currently not an established method.
Beim CGS erfolgt der Schichtaufbau lagenweise aus den einzelnen Partikeln des Beschichtungsstoffs. Für die Qualität einer CGS Schicht sind die Adhäsion des Beschichtungsstoffs zum Substrat und die Kohäsion zwischen den Parti- keln des Beschichtungsstoffs entscheidend. Grundsätzlich ist die Haftung, sowohl im Bereich der Grenzfläche Beschichtungsstoff / Substrat, als auch zwischen den Partikeln des Beschichtungsstoffs, ein Zusammenspiel mehrerer physikalischer und chemischer Haftmechanismen und zum Teil noch nicht umfassend verstanden. Auf Grund der geringen Prozesstemperatur wird beim Kaltgasspritzen das Pulver nicht aufgeschmolzen, sondern trifft im nicht geschmolzenen Zustand auf das zu beschichtende Substrat auf, wodurch sich in Folge eine Schicht aufbaut. Durch die hohe kinetische Energie, auf Grund der hohen Geschwindigkeit der im Gasstrom bewegten Pulver, kommt es beim Auftreffen der Pulver an die Substratoberfläche zu einer mechanischen Ver- klammerung, wobei die Verklammerung durch die Prozesstemperatur unter- stützt wird. Derartig über Kaltgasspritzen hergestellte Schichten sind im Mikro- skop daran zu erkennen, dass die Schicht aus einzelnen Pulver-Partikeln besteht. Die Pulverpartikel in einer durch Kaltgasspritzen aufgebrachten Schicht zeigen keine Schmelzphase und sind auch in der abgeschiedenen Schicht noch deutlich zu erkennen. Die Pulverpartikel erfahren auf Grund der hohen kineti schen Aufprallenergie eine Deformation und zeigen ein Aspekt Verhältnis größer 1. Die Kristallorientierung der einzelnen Körner der aufgebrachten CGS- Schicht ist statistisch verteilt und zeigt keine Vorzugsrichtung. In the case of the CGS, the layer build-up takes place in layers from the individual particles of the coating material. For the quality of a CGS layer, the adhesion of the coating material to the substrate and the cohesion between the particles of the coating material are crucial. Basically, the adhesion, both in the area of the coating material / substrate interface, and between the particles of the coating material, is understood to mean an interaction of several physical and chemical adhesive mechanisms and in some cases not yet comprehensively. Due to the low process temperature, the powder is not melted in the cold gas spraying, but in the non-molten state on the substrate to be coated, resulting in a layer builds up. Due to the high kinetic energy, due to the high velocity of the powder moving in the gas stream, mechanical impingement occurs when the powders hit the substrate surface, whereby the clamping is supported by the process temperature. Such layers produced by means of cold gas spraying can be recognized in the microscope by the fact that the layer of individual powder particles consists. The powder particles in a layer applied by cold gas spraying show no melting phase and are still clearly visible in the deposited layer. Due to the high kinetic impact energy, the powder particles undergo deformation and have an aspect ratio greater than 1. The crystal orientation of the individual grains of the applied CGS layer is statistically distributed and shows no preferential direction.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass der Schritt des pulvermetallurgischen Herstellens des ersten Teils durch Verwendung eines TiB2 oder eines kohlenstoffdotierten TiB2 oder einer TiB2-Basiskeramik mit > 20 mol % TiB2, bevorzugt einer TiB2-Basiskeramik mit > 30 mol % TiB2 und besonders bevorzugt einer TiB2-Basiskeramik mit > 50 mol % TiB2, erfolgt. Unter kohlenstoffdotiertem TiB2 versteht man das Hinzufügen von bis zu 10 mol % Kohlenstoff zum TiB2, bevorzugt mindestens 5 mol% Kohlenstoff zum TiB2 und besonders bevorzugt mindestens 2 mol% Kohlenstoff zum TiB2. According to an advantageous production method of the invention, it is provided that the step of powder-metallurgical production of the first part by using a TiB 2 or a carbon-doped TiB 2 or a TiB 2 base ceramic with> 20 mol% TiB 2 , preferably a TiB 2 Base ceramic with> 30 mol% TiB 2 and particularly preferably a TiB 2 base ceramic with> 50 mol% TiB 2 , takes place. Carbon-doped TiB 2 is understood as meaning the addition of up to 10 mol% of carbon to the TiB 2 , preferably at least 5 mol% of carbon to the TiB 2 and particularly preferably at least 2 mol% of carbon to the TiB 2 .
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass mindestens eine Zwischenschicht auf einem boridischen ersten Teil (Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) bevorzugt über Kaltgasspritzen (cold gas spraying; CGS) oder alternatv über Niederdruck-Plasmaspritzen oder auch über Vakuum-Plasmaspritzen aufgebracht wird. Kaltgasspritzen (CGS) ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem Pulverpartikel mit sehr hoher kinetischer Energie und geringer thermischen Energie auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Beim Plasmaspritzen werden die Pulverpartikel in einem Gasstrom geschmolzen und treffen im geschmolzenem Zustand auf einem zu beschichtenden Substrat auf. Pulverpar- tikel von plasmagespritzten Schichten weisen ebenfalls ein Aspekt Verhältnis auf, wobei bei plasmagespritzten Schichten die Schichtmorphologie auf eine Abscheidung von geschmolzenen Partikeln hinweist und sich deutlich von über CGS-hergestellten Schichten unterscheidet. According to an advantageous manufacturing method of the invention, it is provided that at least one intermediate layer on a boride first part (boride, boride base ceramic, doped boride, doped boride base ceramic or TiB 2 ) preferably via cold gas spraying (CGS) or alternatv is applied via low-pressure plasma spraying or via vacuum plasma spraying. Cold gas spraying (CGS) is a coating process in which powder particles with very high kinetic energy and low thermal energy are applied to a carrier material. In plasma spraying, the powder particles are melted in a gas stream and impinge on a substrate to be coated in the molten state. Powder particles of plasma-sprayed layers likewise have an aspect ratio, with plasma-sprayed layers indicating the layer morphology on deposition of molten particles and differing significantly from those produced by CGS-produced layers.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass mindestens eine Zwischenschicht auf einem ersten Teil (bestehend aus Borid, Borid-Basiskeramik, dotiertes Borid, dotierten Borid-Basiskeramik oder TiB2) über PVD (physical vapour deposition) oder CVD (Chemical vapour deposition) aufgebracht wird. PVD- und CVD-Schichten zeigen in der Regel ein kolumnares Schichtwachstum und eine kolumnare Stängel Struktur und unter- scheiden sich deutlich von über CGS oder auch über Plasmaspritzen abge- schiedenen Schichten. PVD- und CVD-Schichten zeigen in der Regel eine Texturierung in Beschichtungsrichtung. According to an advantageous manufacturing method of the invention, it is provided that at least one intermediate layer on a first part (consisting made of boride, boride basic ceramic, doped boride, doped boride basic ceramic or TiB 2 ) via PVD (physical vapor deposition) or CVD (Chemical vapor deposition) is applied. PVD and CVD layers generally show a columnar layer growth and a columnar stalk structure and are clearly different from those deposited via CGS or also via plasma spraying. PVD and CVD layers usually show texturing in the coating direction.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass die Zwischenschicht mehrlagig aufgebracht wird und dabei die einzelnen Lagen der mehrlagigen Zwischenschicht eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen können. Einzelne Lagen der Zwischenschicht können aus im Wesentlichen reinem Titan, im Wesentlichen reinem Kupfer oder einer Mischung aus Titan- und Kupfer, oder aus einer Titan-Kupfer-Legierung bestehen. According to an advantageous manufacturing method of the invention, it is provided that the intermediate layer is applied in multiple layers and the individual layers of the multilayer intermediate layer may have a different composition. Individual layers of the intermediate layer can consist of essentially pure titanium, essentially pure copper or a mixture of titanium and copper, or of a titanium-copper alloy.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass die Zwischenschicht oder mindestens eine Lage der Zwischen- schicht, mit im Mittel mindestens 10 pm Schichtdicke, bevorzugt mit im Mittel mindestens 15 pm aufgebracht wird. Die Bestimmung der Schichtdicke der Zwischenschicht erfolgt im Rasterelektronenmikroskop. Hierbei wird ein metallografischer Schliff senkrecht zur Ebene der Zwischenschicht gelegt und anschließend die Schichtdicke im Rasterelektronenmikroskop bei geeigneter Vergrößerung ausgemessen. Die Bestimmung der Schichtdicke sollte an repräsentativen Stellen des Schliffes durchgeführt werden. Hierbei sind mindes- tens zehn unterschiedliche, repräsentative Stellen bezüglich ihrer Schichtdicke zu untersuchen und ein Mittelwert zu erstellen, welcher einen Wert für die mittlere Dicke der Zwischenschicht liefert. Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass eine im Wesentlichen reine Titan-Zwischenschicht oder bei einem mehrlagigen Aufbau der Zwischenschicht, eine Lage der Zwischenschicht bestehend aus im Wesentlichen reinem Titan, mit einer Schichtstärke von maximal 100 pm aufgebracht wird. Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgese- hen, dass eine Kupfer-Titan-Zwischenschicht oder bei einem mehrlagigen Aufbau der Zwischenschicht, eine Lage der Zwischenschicht bestehend aus im Wesentlichen reinem Kupfer oder eine Lage der Zwischenschicht bestehend aus Kupfer und Titan, mit einer Schichtstärke von maximal 500 pm aufgebracht wird. Durch die Duktilität des Kupfers können im Wesentlichen reine Kupfer- Schichten oder Kupfer-Titan-Schichten dicker aufgebracht werden, als im Wesentlichen reine Titan-Schichten, ohne dass es zu Delaminationen der aufgebrachten Schichten kommt. According to an advantageous manufacturing method of the invention, it is provided that the intermediate layer or at least one layer of the intermediate layer, with an average of at least 10 pm layer thickness, preferably with an average of at least 15 pm is applied. The determination of the layer thickness of the intermediate layer takes place in the scanning electron microscope. Here, a metallographic cut is placed perpendicular to the plane of the intermediate layer and then measured the layer thickness in a scanning electron microscope at a suitable magnification. The determination of the layer thickness should be carried out at representative points of the finish. Here, at least ten different, representative points are to be examined with regard to their layer thickness and an average value is to be created, which provides a value for the average thickness of the intermediate layer. According to an advantageous manufacturing method of the invention, it is provided that a substantially pure titanium intermediate layer or in a multilayer structure of the intermediate layer, a layer of the intermediate layer consisting of substantially pure titanium, is applied with a layer thickness of at most 100 pm. According to an advantageous manufacturing method of the invention, it is provided that a copper-titanium intermediate layer or in a multilayer structure of the intermediate layer, a layer of the intermediate layer consisting of substantially pure copper or a layer of the intermediate layer consisting of copper and titanium, with a Layer thickness of a maximum of 500 pm is applied. Due to the ductility of the copper, substantially pure copper layers or copper-titanium layers can be applied thicker than substantially pure titanium layers without delamination of the applied layers.
Mit einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers werden die zuvor in Bezug auf das erfindungsgemäße Bauteil erläuterten Vorteile zuverlässig und prozesssicher erreicht. Ferner sind die zuvor erwähnten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung auch für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft. With a further method according to the invention for producing a composite body, the advantages explained above in relation to the component according to the invention are reliably and reliably achieved. Furthermore, the aforementioned advantageous embodiments of the invention are also advantageous for the method according to the invention.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Be- schreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Further advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
Von den Figuren zeigen: From the figures show:
Fig. 1 : Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen TiB2 und Kupfer bei Probe Nr. 1 (vgl. Tabelle 1 und 2) 1 shows a scanning electron micrograph of the transition zone between TiB 2 and copper in sample No. 1 (see Tables 1 and 2)
Fig. 2: Oberflächenaufnahme der mit einer Zwischenschicht versehenen Fig. 2: Surface of the image provided with an intermediate layer
Probe Nr. 1 (vgl. Tabelle 1 und 2) vor dem Hintergießen mit Kupfer  Sample No. 1 (see Tables 1 and 2) before casting with copper
Fig. 3: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen TiB2 und Kupfer bei Probe Nr. 2 (vgl. Tabelle 1 und 2) 3 shows a scanning electron micrograph of the transition zone between TiB 2 and copper in sample No. 2 (see Tables 1 and 2)
Fig. 4: Mikrohärtemessung nach DIN in der Übergangszone des Ver- bundkörpers bei Probe Nr. 1 (vgl. Tabelle 1 und 2) Fig. 5: Mikrohärtemessung nach DIN im hintergossenen Kupfer-Teil des Verbundkörpers bei Probe Nr. 1 (vgl. Tabelle 1 und 2) 4: microhardness measurement according to DIN in the transition zone of the composite body in sample No. 1 (see Tables 1 and 2) 5 shows a microhardness measurement according to DIN in the back-cast copper part of the composite body in sample No. 1 (see Table 1 and 2)
Beispiele: Examples:
Für die erfindungsgemäßen Beispiele wurden zwei zylindrische TiB2 Ronden mittels Spark Plasma Sintern hergestellt und anschließend maschinell auf einen Durchmesser von 57 mm und einer Höhe von 12 mm gearbeitet. Vor dem Hintergießen wurde jeweils eine Oberfläche der TiB2 Ronden mit einer ersten Ti-Zwischenschicht mittels CGS beschichtet. Folgende CGS-Prozessparameter kamen für die erste Zwischenschicht zur Anwendung (siehe Tabelle 1 ): For the examples according to the invention, two cylindrical TiB 2 blanks were produced by means of spark plasma sintering and then machined to a diameter of 57 mm and a height of 12 mm. Before casting, each surface of the TiB 2 blanks was coated with a first Ti intermediate layer by means of CGS. The following CGS process parameters were used for the first interlayer (see Table 1):
Tabelle 1 Nach aufbringen der ersten Ti-Zwischenschicht mittels CGS, wurde eine zweite Cu-Zwischenschicht mittels CGS aufgebracht. Folgende CGS- Prozessparameter kamen für die Aufbringung der zweiten Zwischenschicht zur Anwendung (siehe Tabelle 2):  After applying the first Ti intermediate layer by means of CGS, a second Cu intermediate layer was applied by means of CGS. The following CGS process parameters were used for the application of the second intermediate layer (see Table 2):
Tabelle 2  Table 2
Anschließend wurden die mit einer ersten Ti-Zwischenschicht und einer zweiten Cu-Zwischenschicht versehenen TiB2-Ronden wie folgendermaßen beschrie- ben, mittels Kupfer hintergossen. Der mit CGS beschichtete erste Teil wurde mit der beschichteten Seite nach oben auf den Boden eines Grafitzylinders gelegt. Der Grafitzylinder hat einen größeren Durchmesser als die beschichte- ten TiB2-Ronden und weist auch eine größere Höhe auf. Auf den freien Raum über der TiB2-Ronde wurden Kupfer-Teil(e) (sogenannte„Masseln“) aus im Wesentlichem reinem Kupfer aufgelegt. Subsequently, the TiB 2 -carriers provided with a first Ti-intermediate layer and a second Cu-intermediate layer were described as follows, back-cast by means of copper. The CGS coated first part became with the coated side up on the bottom of a graphite cylinder. The graphite cylinder has a larger diameter than the coated TiB 2 rounds and also has a larger height. On the free space above the TiB 2 -Ronde copper part (s) (so-called "ingots") were made of essentially pure copper.
Im Anschluss wurden die Grafitzylinder in einen Ofen gegeben und auf 900 °C in einer H2-Atmosphäre aufgeheizt. Nach Erreichen der 900°C wurden die Grafitzylinder in einer N2-Atmosphäre auf eine Temperatur von 1 150°C weiter erwärmt (Anmerkung: oberhalb der Schmelztemperatur von Kupfer, welche bei 1085°C liegt). Nach Erreichen der 1 150 °C wurde die Temperatur für 20 min gehalten. Anschließend wurden die Grafitzylinder mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/min aus der heißen Zone des Ofens herausgeführt. Die Abkühlung des TiB2-Kupfer-Verbundes erfolgte somit über eine gerichtete Erstarrung der Schmelze, die zu einer spannungsfreien, dafür aber grobkristallinen Mikrostruk- tur des hintergossenen Kupfers führte. Nach der Abkühlung zeigen derart mit Kupfer hintergossene TiB2-Ronden eine sehr gute Anbindung zwischen den beiden Werkstoffen (TiB2 und Kupfer), über eine ausgebildete Übergangszone. Derartig hergestellte Verbundkörper zeigen keine Risse oder Delamination im Übergang. Durch die langsame Art der Abkühlung werden auch die thermi- schen Spannungen zwischen der TiB2 Ronde und der erstarrten Kupfer Rück- platte minimiert. Subsequently, the graphite cylinders were placed in an oven and heated to 900 ° C in a H 2 atmosphere. After reaching 900 ° C, the graphite cylinders were further heated in a N 2 atmosphere to a temperature of 1 150 ° C (note: above the melting temperature of copper, which is 1085 ° C). After reaching 1 150 ° C, the temperature was maintained for 20 min. Subsequently, the graphite cylinders were led out of the hot zone of the furnace at a speed of 1 cm / min. The cooling of the TiB 2 copper composite thus took place via a directional solidification of the melt, which led to a stress-free, but rather coarse-crystalline microstructure of the back-cast copper. After cooling, TiB 2 rounds cast in such a way with copper show a very good bond between the two materials (TiB 2 and copper), via a formed transition zone. Composites produced in this way show no cracks or delamination in the transition. The slow cooling process also minimizes the thermal stresses between the TiB 2 blank and the solidified copper backplate.
Die Figur 1 zeigt den Übergang TiB2/Kupfer in einer Rasterelektronenmikro- skop-Aufnahme im Querschliff (Probe Nr. 1 , vgl. Tabelle 1 ). Man erkennt in Figur 1 den ersten Teil aus TiB2 (A, dunkler Bereich) auf der linken Seite der Abbildung, den zweiten Teil bestehend aus Kupfer (C, heller Bereich) auf der rechten Seite der Abbildung. Die Anbindung des ersten Teils an den zweiten Teil ist vollflächig über eine Übergangszone vollzogen und es sind keine Risse oder Fehlstellen erkennbar. Die Übergangszone (B) breitet sich mehr oder weniger halbkreisförmig ausgehend von der Oberfläche des TiB2 hin zum Kupfer aus und zeigt eine mittlere Dicke von ca. 15 pm. Eine genaue Bestim- mung der Schichtdicke der Übergangszone ist bei dieser Probe schwierig, da auf Grund der Schichtbildung beim Kaltgasspritzprozess und der geringen Schichtdicke (im Verhältnis zur Pulvergröße) keine vollständige Bedeckung der TiB2-Rondenoberfläche mit einer Zwischenschicht erfolgte. Die Tiß2-Ronden- Oberfläche nach Aufbringen der zweiten Kupfer-Zwischenschicht mittels CGS ist in Figur 2 dargestellt. Der oberflächliche Bedeckungsgrad der mittels CGS- aufgebrachten Zwischenschichten beträgt ca. 50 %. Die ursprüngliche Bede- ckung der Rondenoberfläche mit den Zwischenschichten bleibt auch nach dem Hintergießen im Querschliff erkennbar und ist in Figur 1 deutlich sichtbar. Trotz der eher geringen Bedeckungsrate von ursprünglich ca. 50% zeigen derart über Hintergießen hergestellte Tiß2-Kupfer-Verbindungen eine vollflächige Anbin- dung zwischen Kupfer und T1B2 ohne Risse oder Fehlstellen im Übergangsbe- reich. FIG. 1 shows the TiB 2 / copper transition in a scanning electron micrograph in transverse section (sample No. 1, see Table 1). 1 shows the first part of TiB 2 (A, dark area) on the left side of the figure, the second part consisting of copper (C, bright area) on the right side of the figure. The connection of the first part to the second part is completed over the entire surface via a transition zone and there are no cracks or flaws recognizable. The transition zone (B) spreads more or less semicircular starting from the surface of the TiB 2 toward the copper and has an average thickness of about 15 pm. An exact determination of the layer thickness of the transition zone is difficult in this sample, as due to the layer formation in the cold gas spraying process and the low Layer thickness (in relation to the powder size) was not complete coverage of the TiB2 Rondenoberfläche with an intermediate layer. The Tiss2-Ronden- surface after application of the second intermediate copper layer by means of CGS is shown in Figure 2. The superficial degree of coverage of the CGS-applied intermediate layers is approximately 50%. The original covering of the surface of the round blank with the intermediate layers remains recognizable even after the back-casting in cross-section and is clearly visible in FIG. Despite the rather low coverage rate, which was originally around 50%, Tiss2-copper compounds produced in such a way by casting show a full-area connection between copper and T1B2 without cracks or defects in the transition region.
Die Figur 3 zeigt den Übergang Tiß2/Kupfer in einer Rasterelektronenmikro- skop-Aufnahme im Querschliff (Probe Nr. 2, vgl. Tabelle 1 ). Man erkennt in Figur 3 den ersten Teil aus T1B2 (A, dunkel) auf der linken Seite der Abbildung, den zweiten Teil bestehend aus Kupfer (C, hell) auf der rechten Seite der Abbildung. Die Anbindung des ersten Teils an den zweiten Teil ist vollflächig vollzogen. Die Übergangszone (B) breitet sich vollflächig von der Oberfläche des T1B2 ausgehend hin zum Kupfer aus und zeigt eine mittlere Dicke von ca. 200 pm. Auf Grund der deutlich dicker aufgebrachten Zwischenschichten bei Probe Nr. 2, verglichen mit Probe Nr. 1 (Figuren 1 und 2), wird die Oberfläche des T1B2 vollständig durch die Zwischenschichten bedeckt, was auch im dargestellten Querschnitt in Figur 3 deutlich zu erkennen ist. FIG. 3 shows the transition Tiss2 / copper in a scanning electron micrograph in transverse section (sample No. 2, see Table 1). FIG. 3 shows the first part of T1B2 (A, dark) on the left side of the figure, the second part consisting of copper (C, light) on the right side of the figure. The connection of the first part to the second part is completed over the entire area. The transition zone (B) spreads over the entire surface from the surface of the T1B2 starting to the copper and shows an average thickness of about 200 pm. Due to the significantly thicker deposited intermediate layers in Sample No. 2, compared to Sample No. 1 (Figures 1 and 2), the surface of the T1B2 is completely covered by the intermediate layers, which is clearly visible in the illustrated cross section in Figure 3.
Figur 4 zeigt eine Mikrohärtemessung im Übergangsbereich (B) der Probe Nr. 1 nach DIN EN ISO 6507, und Figur 5 zeigt eine Mikrohärtemessung im hinter- gossenen zweiten Teil bestehend aus Kupfer (C), der Probe Nr. 1 . Der hinter- gossene zweite Teil zeigt eine Mikrohärte von im Mittel 83 HV0,1 und die Übergangszone zeigt eine Mikrohärte von im Mittel 159 HV0,1. Das heißt, die mittlere Härte im Übergangsbereich der Probe Nr. 1 ist um mehr als 90 % höher als die mittlere Härte des zweiten Teils, bestehend aus im Wesentlichen reinem Kupfer. FIG. 4 shows a microhardness measurement in the transition region (B) of sample no. 1 according to DIN EN ISO 6507, and FIG. 5 shows a microhardness measurement in the cast-off second part consisting of copper (C), sample no. The back-poured second part shows a mean microhardness of 83 HV0.1 and the transition zone shows a microhardness of 159 HV0.1 on average. That is, the average hardness in the transition region of Sample No. 1 is more than 90% higher than the average hardness of the second part, consisting of substantially pure copper.

Claims

Ansprüche  claims
1 ) Verbundkörper umfassend einen ersten Teil und einen zweiten Teil, sowie eine Übergangszone, welche sich zwischen einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche des ersten Teils und einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche des zweiten Teils befindet und den ersten Teil mit dem zweiten Teil stoffschlüssig verbindet, wobei 1) A composite body comprising a first part and a second part, and a transition zone, which is located between a surface or a portion of a surface of the first part and a surface or a portion of a surface of the second part and the first part with the second part cohesively connects, where
- der erste Teil aus einem Borid, einer Borid-Mischkeramik, einem dotier- tem Borid oder einer dotierten Borid-Mischkeramik besteht,  the first part consists of a boride, a boride mixed ceramic, a doped boride or a doped boride mixed ceramic,
- der zweite Teil aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, und - the second part consists of copper or a copper alloy, and
- die Übergangszone Ti und Kupfer beinhaltet und eine Schmelztempera- tur > 600°C aufweist. - The transition zone includes Ti and copper and has a melting temperature> 600 ° C.
2) Verbundkörper nach Anspruch 1 , wobei die Übergangszone einen Element- gehalt von Indium, Zinn, Germanium, Silber, Palladium, Nickel, Platin, Ko- balt, Mangan oder Gold von jeweils < 5000 ppm zeigt. 2) A composite body according to claim 1, wherein the transition zone shows an elemental content of indium, tin, germanium, silver, palladium, nickel, platinum, cobalt, manganese or gold of <5000 ppm each.
3) Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Teil aus TiB2, einer TiB2-Basiskeramik mit mindestens 50 mol % TiB2 oder aus kohlenstoffdotier- tem TiB2 besteht. 3) Composite body according to claim 1 or 2, wherein the first part of TiB 2 , a TiB2 base ceramic with at least 50 mol% of TiB 2 or of carbon-doped TiB 2 consists.
4) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 4) Composite body according to one of the preceding claims, wherein the
Übergangszone eine Dicke zwischen 5 und 500 pm aufweist. 5) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl die Konzentration des Kupfers in der Übergangszone, als auch die Konzent- ration des Titans in der Übergangszone, ausgehend von der Oberfläche des ersten Teils, hin zur Oberfläche des zweiten Teils, jeweils einen gradierten Konzentrations-Verlauf zeigen. Transition zone has a thickness between 5 and 500 pm. 5) Composite body according to one of the preceding claims, wherein both the concentration of the copper in the transition zone, as well as the concentration of titanium in the transition zone, starting from the surface of the first part, towards the surface of the second part, each a graded concentration Show run.
6) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die 6) Composite body according to one of the preceding claims, wherein the
mittlere Härte in der Übergangszone, um mindestens 10 % höher, als die mittlere Härte des zweiten Teils ist.  average hardness in the transition zone, at least 10% higher than the mean hardness of the second part.
7) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindes- tens 50 % der Übergangszone eine metallurgische stoffschlüssige Anbin- dung zu der Oberfläche des ersten Teils sowie zu der Oberfläche des zwei- ten Teils zeigt. 7) A composite body according to any one of the preceding claims, wherein at least 50% of the transition zone exhibits metallurgical cohesive bonding to the surface of the first part and to the surface of the second part.
8) Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer Zugbelastung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil, mit einer Belastungsrichtung normal zu den über eine Übergangszone verbundenen Oberflächen des ersten und zweiten Teils, die Bruchspannung mindestens 15 MPa beträgt, wobei die Bruchspannung auf den angebundenen Teil der8) A composite according to any one of the preceding claims, wherein at a tensile load between the first part and the second part, with a loading direction normal to the transition zone connected surfaces of the first and second part, the fracture stress is at least 15 MPa, wherein the fracture stress on the tailed part of the
Übergangszone bezogen ist. Transition zone is related.
9) Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers bestehend aus einem 9) A process for producing a composite body consisting of a
ersten Teil und einem zweiten Teil, sowie mindestens einer Übergangszone welche zwischen einer Oberfläche oder einem Oberflächenbereich des ers- ten Teils und einer Oberfläche oder einem Oberflächenbereich des zweiten Teils ausgebildet wird, charakterisiert durch folgende Schritte: first part and a second part, as well as at least one transition zone which between a surface or a surface region of the first formed part and a surface or a surface region of the second part, characterized by the following steps:
- Pulvermetallurgische Herstellung des ersten Teils aus einem Borid, einer Borid-Basiskeramik, einem dotiertem Borid oder einer dotierten Borid- Basiskeramik,  Powder metallurgical production of the first part from a boride, a boride base ceramic, a doped boride or a doped boride base ceramic,
- Beschichten von mindestens einem Oberflächenabschnitt des ersten Teils mit mindestens einer Zwischenschicht, welche Titan oder alternativ Titan und Kupfer beinhaltet,  Coating at least one surface portion of the first part with at least one intermediate layer comprising titanium or alternatively titanium and copper,
- Herstellung des zweiten Teils des Verbundkörpers durch Hintergießen der mit der Zwischenschicht beschichteten Oberfläche des ersten Teils mit Kupfer oder einer Kupferlegierung oder durch CGS-Beschichten der mit der Zwischenschicht beschichteten Oberfläche des ersten Teils mit Kupfer oder einer Kupferlegierung,  The second part of the composite body is produced by back-casting the interlayer-coated surface of the first part with copper or a copper alloy or by CGS-coating the interlayer-coated surface of the first part with copper or a copper alloy,
- Dadurch ausbildend eine Übergangszone zwischen ersten und zweiten Teil.  - Forming a transition zone between the first and second part.
10) Verfahren nach Anspruch 9, wobei der erste Teil aus einem TiB2 oder einem kohlenstoffdotierten TiB2 oder einer TiB2-Basiskeramik mit mind. 50 mol. % TiB2 hergestellt wird. 10) The method of claim 9, wherein the first part of a TiB 2 or a carbon-doped TiB 2 or a TiB 2 base ceramic with min. 50 mol. % TiB 2 is produced.
1 1 ) Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Zwischenschicht über1 1) Method according to claim 9 or 10, wherein the intermediate layer via
Kaltgasspritzen (cold gas spraying; CGS) oder Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebracht wird. 12) Verfahren nach Anspruch 9 bis 1 1 , wobei die Zwischenschicht über PVD oder CVD oder über eine Slurry-Beschichtung (Suspensionsbeschichtung) aufgebracht wird. 13) Verfahren nach Anspruch 9 bis 12, wobei die Zwischenschicht mehrlagig aufgebracht wird und wobei die einzelnen Lagen der mehrlagigen Zwischen- schicht eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen können. Cold gas spraying (CGS) or low pressure plasma spraying is applied. 12) The method of claim 9 to 1 1, wherein the intermediate layer via PVD or CVD or via a slurry coating (suspension coating) is applied. 13) The method of claim 9 to 12, wherein the intermediate layer is applied in multiple layers and wherein the individual layers of the multilayer intermediate layer may have a different composition.
14) Verfahren nach Anspruch 9 bis 13, wobei die Zwischenschicht oder eine Lage der Zwischenschicht, mit mindestens 10 pm Schichtdicke aufgebracht wird. 14) The method of claim 9 to 13, wherein the intermediate layer or a layer of the intermediate layer is applied with at least 10 pm layer thickness.
15) Verfahren nach Anspruch 9 bis 14, wobei eine im Wesentlichen reine Titan-Zwischenschicht oder bei einem mehrlagigen Aufbau der Zwischen- Schicht, eine Lage der Zwischenschicht bestehend aus im Wesentlichen reinem Titan, mit einer Schichtstärke von maximal 100 pm aufgebracht wird. 15) The method of claim 9 to 14, wherein a substantially pure titanium intermediate layer or in a multi-layer structure of the intermediate layer, a layer of the intermediate layer consisting of substantially pure titanium, is applied with a maximum thickness of 100 pm.
16) Verfahren nach Anspruch 9 bis 15, wobei eine Kupfer-Titan- Zwischenschicht oder bei einem mehrlagigen Aufbau der Zwischenschicht, eine Lage der Zwischenschicht bestehend aus im Wesentlichen reinem Kup- fer oder eine Lage der Zwischenschicht bestehend aus Kupfer und Titan, mit einer Schichtstärke von maximal 500 pm aufgebracht wird. 16) The method of claim 9 to 15, wherein a copper-titanium intermediate layer or in a multilayer structure of the intermediate layer, a layer of the intermediate layer consisting of substantially pure copper or a layer of the intermediate layer consisting of copper and titanium, with a layer thickness of a maximum of 500 pm is applied.
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