Schweißen und verwandte Verfahren zum Fügen von Keramiken

Zu den verschiedenen Schweißverfahren und verwandten Prozessen, die zum Verbinden von Keramiken verwendet werden, gehören folgende: 1. Schmelzschweißen 2. Reibungsschweißen und Ultraschallbonden 3. Diffusionsbonden 4. Diffusionsbonden über Zwischenschichten 5. Isostatisches Bonden 6. Glasurbonden 7. Metallisieren und Löten 8. Adhäsiv Verbindung.

1. Schmelzschweißen:

Erfolgreiche Verwendung des Elektronenstrahlschweißens zum Bilden von Al 2 O 3 -Ta, ZrO 2 -Mo, ZrO 2 -Nb-Paaren mit beträchtlicher Haftfestigkeit wurde seit den 1960er Jahren berichtet. Die Anwendbarkeit von Schmelzschweißverfahren auf Keramik-Metall-Systeme ist jedoch sehr begrenzt. Es ist unerlässlich, die Schmelztemperatur und die thermischen Kontraktionseigenschaften der zu verbindenden Teile anzupassen.

2. Reibschweißen und Ultraschallkleben:

Vielversprechende Ergebnisse beim Reibschweißen von Aluminium von Aluminiumoxid, Aluminium mit Zirkoniumoxid und Aluminium mit Siliziumnitrid wurden von der Queens University of Belfast berichtet. Diese drei Keramiken können auch mit einigen anderen Metallen verschweißt werden, manchmal erfordert sie jedoch die Verwendung einer Zwischenschicht.

Unter den normalen atmosphärischen Bedingungen kann eine Ultraschallbindung von Aluminium mit einer Reihe von Metallen erreicht werden, während die Verbindung von Titan mit Keramik mit demselben Verfahren den Einsatz von Vakuum erfordert.

3. Diffusionsverklebung:

Bei diesem Verfahren werden die zu fügenden Bauteile zusammengepresst und für eine bestimmte Zeit einer hohen Temperatur ausgesetzt. Der verwendete Druck muss hoch genug sein, um eine Diffusion an den Passflächen zu bewirken, darf jedoch keine massive Verformung der zu fügenden Bauteile verursachen.

Die verwendete Temperatur liegt im Bereich von 0, 65 bis 0, 98 Tm, wobei Tm der Schmelzpunkt des Metalls in absoluten Graden ist. An der Grenzfläche finden komplexe physikalische und chemische Reaktionen statt, um eine Verbindung herzustellen. Ein breites Spektrum an Metallen, Keramiken und Gläsern bis Glaskeramiken kann durch dieses Verfahren erfolgreich verbunden werden, vorausgesetzt, die thermischen Kontraktionseigenschaften der zu verbindenden Teile sind identisch.

4. Diffusionsverklebung mittels Zwischenschicht:

Bei diesem Verfahren zum Verbinden von Keramiken mit Metallen wird eine duktile Metallzwischenschicht zwischen die zu fügenden Flächen eingebracht, so dass die Anwendung von hohem Druck nicht erforderlich ist. Diese Zwischenschicht hilft, die Spannungen an der Grenzfläche zu verteilen, wobei die Spannungskonzentration vermieden wird, und berücksichtigt einen Teil der unterschiedlichen Ausdehnung und Kontraktion der beiden Komponenten während des Erhitzens. Wenn die Temperatur der Zwischenschicht nicht sehr hoch ist, kann es möglich sein, die Komponenten zu binden, ohne die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks zu beeinträchtigen, selbst wenn es aus einer wärmebehandelbaren Legierung besteht.

Edelstahl kann mit Aluminium als duktile Schicht verbunden werden. Gold wurde als Zwischenschicht verwendet, um eine Reihe von Oxidkeramiken und -gläsern an Eisenlegierungen zu binden. Kupfer kann mit Aluminiumoxid verschweißt werden, indem es in einer leicht oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1060 bis 1080 ° C angeordnet wird. Dies führt zur Bildung einer eutektischen Flüssigkeit an der Oberfläche des Kupfers, die zu einer chemischen Bindung zwischen Kupfer und Aluminiumoxid führt. In einem Kernenergiefeld werden Aluminiumoxid-Isolierringe und Titanlegierungselektroden miteinander verbunden, indem 0, 1 mm dicke Zwischenschichten aus Aluminium vorgesehen werden.

5. Isostatische Bindung:

Dieser Prozess wird zur Herstellung relativ komplexer Teile verwendet, indem einfache Komponenten wie in Abb. 22.38 gezeigt verbunden werden.

Keramikpulver wird zu einfachen Formen gepresst:

(a) Verwenden von einachsigem Pressen oder isostatischem Pressen. Die einfach geformten Komponenten werden dann zusammengebaut

(b) Um eine komplexere Form zu bilden. Die zusammengebauten Teile werden anschließend beschichtet

(c) mit einer dünnen Schicht aus einem undurchlässigen, flexiblen, elastomeren Material. Die Beschichtung hilft, die Anordnung gegen das Hochdruckfluid während des nachfolgenden Betriebs der isostatischen Bindung abzudichten, und

(d) welche die beiden Komponenten verbindet.

Die verklebte Anordnung wird dann gesintert, um die volle Festigkeit zu erreichen, die mit der Festigkeit des Ausgangsmaterials vergleichbar ist. Mit diesem Verfahren können Teile aus Keramik wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Siliziumnitrid hergestellt werden. Die nach diesem Verfahren hergestellten Verklebungen zeigen eine vollständige Homogenität, als ob das Bauteil in einem einzigen Arbeitsgang ohne Fügen hergestellt worden wäre.

6. Glasurklebung:

Dieses Verfahren wird am häufigsten beim Zusammenbau großer komplexer Teile und beim Zusammenfügen unterschiedlicher keramischer Bauteile verwendet. Die zu verbindenden Flächen werden flach geschliffen und anschließend mit einem geeigneten Glasurschliff beschichtet. Die Oberflächen werden dann in Kontakt gebracht und fixiert, um die Glasur zu verschmelzen und die Teile miteinander zu verbinden.

Die meisten Oxidkeramiken können durch Silikatgläser oder Glasuren gebunden werden, und die Verbindungen können auch mit Gläsern auf Borat- und Phosphatbasis hergestellt werden. Nichtoxidische Keramiken sind durch dieses Verfahren schwieriger zu verbinden, da sie dazu neigen, mit den Glasuren zu reagieren, wobei Gasblasen freigesetzt werden, die die Verbindung schwächen. Für die Verbindung einiger Keramik- und Metallkombinationen stehen spezielle Glasuren zur Verfügung.

7. Metallisieren und Löten

Normalerweise wird dieses Verfahren zum Verbinden von Keramiken mit Metallen eingesetzt. Zum Hartlöten muss das verwendete Hartlot die zu fügenden Oberflächen benetzen. Die meisten Metalloberflächen können durch Hartlotlegierungen benetzt werden, Keramik dagegen nicht. Daher erhält die keramische Komponente zunächst eine Schicht aus einer kompatiblen Legierung durch Metallisieren.

Anschließend erfolgt das Löten mit den üblichen Legierungen. Eine andere Alternative besteht darin, aktive Metalllote zu verwenden. Die Auswahl hängt von chemischen Reaktionen ab, die an der Metall-Keramik-Grenzfläche auftreten, um die Benetzbarkeit zu fördern. Erfolg wurde durch die Verwendung von Hartloten auf der Basis von Silber-Kupfer-Eutektikum mit Zusätzen von Titan oder Zirkonium erzielt. Eine typische Hartlotlegierung kann 68, 8 Gew .-% Ag + 26, 7 Gew .-% Cu + 4, 5 Gew .-% Ti enthalten.

8. Klebeverbindung:

Spannungsfreie Verbindungen können durch Verkleben und Zementieren hergestellt werden, wenn keine hohen Temperaturen und Vakuumdichtigkeit auftreten. Kaltpolymerisate und Klebstoffe haften gut auf Keramiken. Die Leistung der Verbindung hängt von der Betriebstemperatur sowie von der Dauer und der Beanspruchungsrate ab.

Epoxid-, Phenol-, Acryl- und Polyurethan-Klebstoffe können für Anwendungen bis 200 ° C verwendet werden. Für Hochtemperaturanwendungen über 200 ° C werden Polyamide oder andere thermisch stabile Polymere verwendet.

Anorganische Zemente, zum Beispiel Portlandzement, werden manchmal zum Verbinden von Keramiken mit Metallen verwendet. Hochspannungs-Porzellanisolatoren werden oft durch Verbinden einzelner Abschnitte mit Zement hergestellt.