DE60028281T2

DE60028281T2 - Verfahren zur Herstellung eines durch heissisostatisches Pressen verbundenen Beryllium-Kupfer Körpers und der durch heissisostatisches Pressen verbundener Körper

Info

Publication number: DE60028281T2
Application number: DE60028281T
Authority: DE
Inventors: Takaharu Handa-city Iwadachi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-22
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: US6286750B1; EP1043111A3; EP1043111A2; EP1043111B1; DE60028281D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren zum Herstellen von durch heißisostatisches Pressen (HIP) verbundenen Körpern. Weiter im Besonderen, aber ohne Beschränkung auf die besondere Ausführungsform, die nachstehend beschrieben ist gemäß dem besten Modus der Ausführung, bezieht sich diese Erfindung auf durch heißisostatisches Pressen verbundene Körper, umfassend ein Berylliumelement und ein Kupferlegierungselement, sowie auf das Verfahren zum Herstellen von durch heißisostatisches Pressen verbundenen Beryllium-Kupferlegierungs-Körpern.
Stand der Technik
Beryllium hat kürzlich in der Industrie Aufmerksamkeit auf sich gezogen in Folge seiner bemerkenswerten neutronenreflektierenden Eigenschaften. Industrielle Anwendungen, die einbeziehen Neutronenherstellung und Manipulation, wie Materialtestöfen, Reflektoren elektromagnetischer Energie und Neutronbeschleuniger von großem Format ziehen einen großen Nutzen aus dieser Eigenschaft. Allerdings unterziehen die meisten dieser Anwendungen das Beryllium beträchtlichen thermischen Belastungen. Auch wenn Beryllium ausgezeichnete thermische Leitfähigkeitseigenschaften besitzt, ist es notwendig, das Beryllium mit einer weiteren Verbindung zu kombinieren, um die thermische Leitfähigkeit des Berylliums zu erhöhen. Die im Allgemeinen am häufigsten verwendete Verbindung, Aluminiumoxiddispersionsverstärkte Kupfer-Legierung („DSCu"), wird im Allgemeinen gebunden an das Beryllium durch heißisostatisches Pressen („HIP").
Konventionelles Binden durch heißisostatisches Pressen von Beryllium und einer Kupferlegierung erfordert Verarbeitungstemperaturen, die 700°C übersteigen, um die Erzeugung eines unerwünschten Oxidationsfilms auf der Oberfläche des Berylliumelements zu verhindern, die bei Temperaturen unterhalb von 700°C auftreten kann. Der Oxidfilm hemmt die Zwischendiffusion des Berylliumsubstrats und der Kupferlegierung bei Temperaturen von nicht weniger als 700°C. Zusätzlich bilden sich brüchige intermetallische Fällungen wie Be₂Cu oder BeCu an der Grenzfläche des Berylliumsubstrats und der Kupfer-Legierung, und setzen die Bindungsstärke herab. Darüber hinaus erhöhen die hohen Temperaturen, die für das Binden durch traditionelles heißisostatisches Pressen der Beryllium-Kupferlegierungs-Körper erforderlich sind, die Produktionskosten in Folge des extremen Energiebedarfs.
Der unerwünschte Oxidfilm auf dem Berylliumelement kann entfernt werden in einer Vakuumatmosphäre durch Ionenplattierung und dergleichen. Gewöhnlich wird eine Schicht aus reinem Kupfer abgeschieden auf der Berylliumoberfläche, um die Zwischendiffusion des Berylliums und der Kupferlegierungselemente zu fördern. Dieses Verfahren führte zu durch heißisostatisches Pressen verbundenen Beryllium-Kupferlegierungs-Körpern, erzeugt bei Temperaturen im Bereich von 400°C bis 550°C. Wenn allerdings der durch das vorstehend erwähnte Verfahren erzeugte Körper verwendet wird in einer Anwendung, in der er Temperaturen höher als 400°C ausgesetzt wird, werden brüchige intermetallische Verbindungen an der Grenzfläche Beryllium-Kupfer gebildet, was zu dem vorstehend erwähnten Problem führt. Es wurde auch gefunden, dass eine unvollständige Kupferdiffusion auftritt bei Temperaturen unterhalb von 600°C, in Folge der Wirkungen des Oxidfilms.
Im Versuch, die oben diskutierten Probleme zu bewältigen, schlug der Erfinder ein Verfahren zum Binden eines Berylliumelements an ein Kupferlegierungselement vor, wie in 1 gezeigt. Dieses Verfahren ist ausführlich beschrieben in der US-Patentanmeldung Serie Nr. 09/243,664 ( EP 09347498 A ). Das Verfahren, gezeigt in 1, verwendet eine Aluminiumschicht, gebildet am Berylliumelement, um als eine Belastungsrelaxationsschicht zu arbeiten, die für den Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Beryllium und den Kupferlegierungselementen aufkommt. Eine Diffusionsinhibierungsschicht wie Ti wird danach gebildet auf der Aluminiumschicht, um die Diffusion des Berylliums und des Kupfers aus den jeweiligen Elementen zu unterdrücken, und somit die Erzeugung der brüchigen intermetallischen Verbindungen, wie oben diskutiert, zu unterdrücken. Eine bindungsfördernde Schicht wie Cu wird danach gebildet auf der diffusionsinhibierenden Schicht, um zu ermöglichen, dass das Kupferlegierungs-Element (DSCu) gebunden wird an der Ti-Schicht. Der Be-Al-Ti-Cu-Unteraufbau wird danach durch heißisostatisches Pressen gebunden an das Kupferlegierungs-Element.
Auch wenn das Verfahren, gezeigt in 1, eine deutliche Verbesserung über dem oben diskutierten Stand der Technik ist, erzeugt es weiterhin eine Bindung von relativ niedriger Stärke zwischen dem Beryllium und den Kupferlegierungselementen. Insbesondere muss der Schritt des Bindens durch heißisostatisches Pressen durchgeführt werden bei einer Temperatur, die niedriger als 600°C ist, um das Schmelzen der Aluminiumschicht zu verhindern. Die Diffusionsfähigkeit von Cu bei einer derart geringen Temperatur ist allerdings relativ gering, und somit ist die Verbindung zwischen der bindungsfördernden Cu-Schicht und dem Kupferlegierungselement relativ schwach (auch wenn sie viel stärker ist als die Verbindungen des oben diskutierten Stands der Technik).
Hartlöt- bzw. Brazing-Techniken wurden bewertet im Verfahren des Verbindens von Beryllium an Kupfer im Artikel von C. H. Cadden et al. „Aluminum-assisted joining of beryllium to copper for fusion applications" in Fusion Engineering and Design 37(1997), 287–298. Aluminium-basierende Füllmetalle wie Al-12% Si-Füllmetall wurden verwendet in Verbindung mit Aluminiumbeschichtungen auf sowohl Beryllium- als auch Kupfersubstraten.
Es ist daher sehr wünschenswert, stärkere Bindungen durch heißisostatisches Pressen von Beryllium-Kupferlegierung zu erzeugen durch Vermeiden der Erzeugung von Oxidfilmen und intermetallischen brüchigen Verbindungen, die ein Abschälen während des HIP-Verfahrens verursachen, unter gleichzeitigem Fördern der vollständigen Kupferdiffusion des Kupferlegierungselements.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung dient dazu, die oben erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bereitzustellen einen neuartigen, durch heißisostatisches Pressen verbundenen Körpers, umfassend ein Berylliumelement und ein Kupferlegierungselement, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben, wobei das Berylliumelement und das Kupferlegierungselement unterzogen werden HIP-bindenden Temperaturen, ausreichend, um die vollständige Diffusion der Metalle in die Grenzfläche dazwischen zu ermöglichen, um somit zu Bindungen mit verbesserter Festigkeit gegenüber den Bindungen von Beryllium-Kupferlegierung des Stands der Technik zu führen. Die vorliegende Erfindung soll auch verhindern die Erzeugung von brüchigen intermetallischen Verbindungen während des Stadiums des Bindens und während der Verwendung, um auf diese Weise eine feste Bindung an der Grenzfläche zwischen beiden Elementen beizubehalten.
Basierend auf dem Vorstehenden basiert ein Aspekt der vorliegenden Erfindung auf einen HIP-verbundenen Beryllium-Kupferlegierungs-Körper, wie definiert in Anspruch 16.
Vorzugsweise ist eine Kupfer- oder Kupferlegierungs-Schicht eingefügt zwischen dem Kupferlegierungselement und der diffusionsinhibierenden Schicht.
Insbesondere bevorzugt wird eine Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-bindungsfördernde Schicht vor dem HIP-Binden erzeugt auf der Oberfläche der Grenzfläche des Berylliumelements. Diese Schicht dient auch als eine Belastungs-Relaxations-Schicht.
Der Legierungseinfügungskörper kann verwendet werden in loser Form bzw. Bulk-Form, oder als Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Kernmaterial mit Aluminium-Magnesium- oder Aluminium-Silicium-Magnesium-Legierungsoberflächenschichten, die darauf gebildet sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines HIP-verbundenen Beryllium-Kuperlegierungs-Körper, wie in Anspruch 1 definiert.
Insbesondere wird eine Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-bindungsfördernde Schicht erzeugt auf der äußeren oder exponierten Oberfläche der diffusionsinhibierenden Schicht. Es wird auch bevorzugt, zu erzeugen eine Kupfer- oder Kupferlegierungsbindungsfördernde Schicht auf der Oberfläche des Kupferlegierungselements vor dem Abscheiden der diffusionsinhibierenden Schicht darauf.
Vorzugsweise wird auch eine Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-bindungsfördernde Schicht erzeugt auf dem Berylliumelement vor dem HIP-Binden mit dem Legierungseinfügungskörper. Diese Schicht dient auch als eine Belastungs-Relaxations-Schicht.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung bewältigt die Rückschläge, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, durch Erzeugen der notwendigen Schichten auf den Beryllium- und Kupferlegierungs-Elementen, bevor das HIP-Binden durchgeführt wird. Die Schichten, erzeugt auf dem Kupferlegierungselement, können erzeugt werden durch Abscheidung aus der Dampfphase, thermisches Spritzen oder dergleichen, um eine gute Bindungsfestigkeit zwischen den jeweiligen Schichten und dem Kupferlegierungselement zu erreichen. Dasselbe gilt mit der bindungsfördernden Schicht, erzeugt auf dem Berylliumelement. Der Aluminium-Magnesium- oder Aluminium-Silicium-Magnesium-Legierungseinfügungskörper bindet in einfacher Weise am Berylliumelement (entweder in direkter Weise oder über die eingefügte bindungsfördernde Schicht) und der diffusionsinhibierenden Schicht (entweder in direkter Weise oder über die eingefügte bindungsfördernde Schicht), weil das Aluminium, enthalten im Einfügungskörper, in einfacher Weise bindet an das angrenzende Element und/oder Schichten während des HIP-bindenden Verfahrens, auch bei Temperaturen, die geringer sind als die Schmelzpunkttemperaturen von all den einbezogenen Elementen und beschichteten Schichten.
Im Falle, dass Aluminium- oder Aluminiumlegierungsbindungsfördernde Schichten erzeugt sind auf dem Berylliumelement und der diffusionsinhibierenden Schicht, ist der HIP-bindende Schritt sehr effizient, auch wenn die derartigen Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Schichten vor dem HIP-Binden oxidieren. Der Erfinder entdeckte, dass das Magnesium im Einfügungskörper in effizienter Weise den Sauerstoff entfernt von den oxidierten Oberflächen der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Schichten, um auf diese Weise zu ermöglichen, dass das Aluminium aus dem Einfügungskörper in direkter Weise mit dem Aluminium aus den bindungsfördernden Schichten bindet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine HIP-bindendes Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
2(a)–2(d) zeigen HIP-bindende Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3(a)–3(d) sind ähnlich den 2(a)–2(d), mit der Ausnahme, dass eine Kupfer-bindungsfördernde Schicht eingefügt ist zwischen der Ti-diffusionsinhibierenden Schicht und dem Kupferlegierungselement.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf 2(a) erzeugt die vorliegende Erfindung feste Beryllium-Kupferlegierungs-Bindungen durch Anwenden einer diffusionsinhibierenden Schicht (z.B. Ti), einer bindungsfördernden Schicht (z.B. Al) und einem Al-Mg- oder Al-Si-Mg-Legierungseinfügungskörper, um die Aktivität der Beryllium- und Kupfer-Oberflächen zu erhöhen, um die Bindungsfestigkeit zu verbessern. Vor dem Unterziehen der Beryllium- und Kupferlegierungs-Elemente einem HIP-Binden wird die diffusionsinhibierende Schicht in direkter Weise abgeschieden auf dem Kupfer-Legierungselement (DSCu). Diese diffusionsinhibierende Schicht kann zusammengesetzt sein aus Titan, Vanadium, Niob, Chrom, Molybdän oder Silicium. Allerdings wird Titan bevorzugt. Die diffusionsinhibierende Schicht wird erzeugt auf der Oberfläche der Kupferlegierung durch Abscheidung aus der Dampfphase (PVD), thermisches Spritzen oder dergleichen. Es wird bevorzugt, dass die diffusionsinhibierende Schicht eine Dicke von 0,5 μm bis 200 μm hat. Es wurde entdeckt, dass eine diffusionsinhibierende Schicht von weniger als 0,5 μm nicht in adäquater Weise funktioniert, und dass kein Vorteil geschöpft wird aus Dicken, die 200 μm übersteigen. Der Zweck der diffusionsinhibierenden Schicht ist das Unterdrücken der Erzeugung von brüchigen intermetallischen Beryllium-Kupfer-Intermediaten wie Be₂Cu oder BeCu, durch Verhindern, dass Be aus dem Berylliumelement und Cu aus dem Kupferlegierungselement in direkter Weise miteinander kombinieren.
Die Al- oder Al-Legierungs-bindungsfördernde Schicht wird danach aufgebracht auf der äußeren Oberfläche der diffusionsinhibierenden Schicht durch Abscheidung aus der Dampfphase, thermisches Spritzen oder dergleichen. Es wurde erkannt, dass Vakuumabscheidung, Sputtern und Ionenplattierung die bevorzugten PVD-Methoden des Abscheidens der Aluminiumschicht auf der diffusionsinhibierenden Schicht sind, während Vakuumplasma-Sprühen (VPS), Niedrigdruck-Inertatmosphären-Plasmasprühen (LPPS), Draht-thermisches Spritzen, durchgeführt in Luft oder einer Inertatmosphäre, und explosionssprühende Verfahren wie Detonation-Gun (D-Gun), Jet-Coat und HVOF (High Velocity Oxygen Free) Verfahren die am geeignetsten thermischen Sprühverfahren sind. In optimaler Weise sollte die Dicke der Aluminium- oder Aluminiumlegierungsbindungsfördernden Schicht zwischen 0,5 μm bis 200 μm betragen. Eine Dicke unterhalb dieses Bereichs ist nicht wirksam, während eine Dicke oberhalb dieses Bereichs nicht kostengünstig ist.
Es wurde erkannt, dass unmittelbar nach dem Erzeugen der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-bindungsfördernden Schicht auf der diffusionsinhibierenden Schicht das Aluminium anfängt, zu oxidieren, um einen unerwünschten Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Film zu erzeugen, der zu einer Barriere wird, die die Festigkeit der Bindung gefährdet. Es ist unmöglich, den Al₂O₃-Film vor dem HIP-Binden zu entfernen, da er sich sehr schnell abermals bilden wird. Um den nachteiligen Effekt des oxidierten Films abzumildern, wird ein Legierungseinfügungskörper, zusammengesetzt aus einer weichen Aluminiumlegierung, die Magnesium enthält, oder vorzugsweise Magnesium und Silicium in Kombination, angrenzend zwischen dem Berylliumelement und dem Kupferlegierungselement, hergestellt mit mindestens der diffusionsinhibierenden Schicht, wie vorstehend ausgeführt, während des HIP-bindenden Verfahrens. Es wird bevorzugt eine Aluminiumlegierung, die weniger als 3 Gew-% Magnesium enthält, zu verwenden. Der Einfügungskörper verhindert die Erzeugung von Aluminiumoxidverbindungen, weil Magnesium ein starkes Reduktionsmittel ist, das fähig ist, Sauerstoff vom Al₂O₃-Film auf der Oberfläche der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-bindungsfördernden Schicht zu entfernen. Die reinigenden Effekte des Magnesiums lässt reines Aluminium zurück, um mit dem Aluminium, enthalten in der Einfügungslegierung, zu binden. Dies wiederum gewährleistet das direkte Binden zwischen dem Aluminium im Einfügungskörper und dem Aluminium in der bindungsfördernden Schicht, erzeugt auf der diffustionsinhibierenden Schicht. Der Legierungseinfügungskörper sollte eine Dicke von etwa 0,02 mm bis 5,0 mm besitzen.
Das HIP-bindende Verfahren, gezeigt in 2(b), ist ähnlich dem in 2(a) gezeigten, mit der Ausnahme, dass eine bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung erzeugt ist auf der Oberfläche des Berylliumelements durch chemische Gasphasenabscheidung, thermisches Sprühen, oder dergleichen, bevor das HIP-bindende Verfahren gestartet wird. Die Dicke der Aluminiumschicht oder Aluminiumlegierung, aufgebracht auf dem Berylliumelement, sollte innerhalb eines Bereiches von 0,02 mm bis 5,0 mm betragen. Es wurde erkannt, dass Dicken außerhalb dieses Bereichs uneffizient sind und in unerwünschter Weise als Spannungs-Erleichterungs-Schicht agieren können.
Die Magnesiumkomponente im Legierungseinfügungskörper funktioniert auf die gleiche Weise hinsichtlich einer oxidierten Schicht, die sich auf der äußeren Oberfläche dieser Aluminium- oder Aluminiumlegierungsbindungsfördernden Schicht bilden kann. Als Ergebnis kann das Aluminium aus dem Legierungseinfügungskörper in direkter Weise mit dem Aluminium aus der bindungsfördernden Schicht, erzeugt auf der Oberfläche des Berylliumelements, binden.
Ein Einfügungskörper, zusammengesetzt aus einem inneren Kern aus reinem Aluminium, mit einer Verkleidung, hergestellt aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung oder Aluminium-Silicium-Magnesium-Legierung (2(c)–2(d)) hat sich als insbesondere vorteilhaft erwiesen beim Verhindern der Oxidbildung unter Förderung der Bindungserzeugung. Der innere Kern des Aluminiums funktioniert in effizienter Weise als Belastungs-Entspannungs-Schicht. Die Beryllium-Aluminium- oder Aluminium-Aluminium-Grenzfläche wird sehr bevorzugt, weil diese Arten von Grenzflächen weich sind, geringe Schmelzpunkte haben, und die Diffusion erleichtern. Als Ergebnis werden starke HIP-Bindungen erzeugt, auch bei Temperaturen unterhalb von 600°C.
Die Bindungstemperatur der vorliegenden Erfindung muss geringer sein als die Schmelzpunktstemperatur der Materialien des Einfügungskörpers. Der Grund für dieses Erfordernis liegt darin, dass bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Einfügungskörpers, lösliche Stoffe, enthalten in den bindenden Materialien, während der Verfestigungsphase des Bindungsverfahrens miteinander aggregieren, und grobe Verbindungen erzeugt werden, die die Integrität des HIP-Bindens herabsetzen. Diese groben Verbindungen können die Bindung zerstören, wenn die Bindung einem thermischen Kreislauf unterzogen wird. Wenn der bevorzugte Einfügungskörper verwendet wird, sollte die HIP-Bindungstemperatur vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 500°C bis 559°C sein.
3(a)–3(d) zeigen HIP-bindende Verfahren, ähnlich den 2(a)–2(d), mit der Ausnahme, dass eine bindungsfördernde Schicht, umfassend reines Kupfer oder eine weiche Kupferlegierung, auf dem Kupferlegierungselement erzeugt ist durch Abscheidung aus der Dampfphase, thermisches Sprühen oder dergleichen. Es wurde gefunden, dass diese Schicht die Erzeugung einer festeren Bindung mit der diffusionsinhibierenden Schicht fördert infolge ihrer Affinität mit der Kupferlegierung, an die sie gebunden ist. Die Kupfer- oder Kupferlegierungs-Schicht dient auch in effizienter Weise dazu, die Belastung, verursacht durch den Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Berylliumelement und dem Kupferlegierungselement, zu reduzieren. Dies wiederum verhindert die Abtrennung bei der Grenzfläche zwischen dem Kupferlegierungselement und der diffusionsinhibierenden Schicht.
Vorzugsweise besitzt die Kupfer- oder Kupferlegierungs-Schicht eine Dicke, die etwa 1,0 μm bis 5,0 mm beträgt. Es wurde gefunden, dass eine Dicke unterhalb von 1,0 μm dazu führt, dass diese Kupferschicht nicht wirksam ist. Eine bindungsfördernde Kupferschicht mit einer Dicke oberhalb von 5,0 mm erreicht eine Sättigung als Bindungserleichterer und ist nicht kostengünstig.
In der insbesondere bevorzugten Ausführungsform, gezeigt in 3(b) und 3(d), vor Beginn des HIP-bindenden Verfahrens, wird das Berylliumelement hergestellt mit einer äußeren Schicht, auf deren Oberfläche bindungserleichterndes Aluminium oder Aluminiumlegierung aufgebracht ist, wie in 2(b) und (d). Auch vor Beginn des HIP-Verfahrens wird eine bindungsfördernde Schicht aus reinem Kupfer oder einer weichen Kupferlegierung aufgebracht auf dem Kupferlegierungselement, eine diffusionsinhibierende Schicht aus Titan wird erzeugt auf der bindungsfördernden Schicht, und auf der exponierten Oberfläche der Titanschicht wird eine bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung aufgebracht. Das Berylliumelement und das Kupferlegierungselement werden nach dem Unterziehen der Oberflächenverarbeitung, wie beschrieben, danach dem HIP-bindenden Verfahren unterzogen, bei dem die äußerste beschichtete Schicht jedes Elements anstößt an den Legierungseinfügungskörper, wie obenstehend beschrieben. Das Aluminium, das im Legierungseinfügungskörper enthalten ist, bindet mit der Schicht aus Aluminium, erzeugt auf dem Berylliumelement, und der äußeren Schicht aus Aluminium, erzeugt auf dem Kupferlegierungselement. Dies führt zu einer extrem starken und beständigen Bindung.
Das HIP-Verfahren wird durchgeführt bei Temperaturen zwischen 500°C bis 559°C, um eine vollständige Diffusion zu fördern, aber um das Schmelzen des Einfügungsmaterials zu verhindern.
Kupferlegierungen, die besonders geeignet sind für das Durchführen der vorliegenden Erfindung, schließen ein Aluminiumoxiddispersions-gefestigtes Kupfer (DSCu), Chrom-Zirkonium-Kupfer und Beryllium-Kupfer (z.B. C17510, C17500). Al-Mg-Legierungen, geeignet für den Einfügungskörper, schließen ein JIS 5005, JIS 5052, und dergleichen. Al-Si-Mg-Legierungen, geeignet für den Einfügungskörper, schließen ein Hartlöt-Materialien, wie BA4003, BA4004, BA4005, BA4N04 oder verkleidende Materialien wie BA3PC, BA4PC, BA7PC, BA8PC, BA9PC, BA10PC, BR17PC, BA18PC, wobei die Hartlöt-Schichten oder Kernmaterialien davon ersetzt sind mit Aluminium, JIS 1050, JIS 1100, oder dergleichen.
Beispiele
Beryllium und jede Art der vorstehend erwähnten bevorzugten Kupferlegierungen wurden verwendet als Testkörper (Länge = 25 mm, Breite = 25 mm, Dicke = 15 mm). Nachdem jede Art von Zwischenschicht gebildet wurde gemäß der ausführlichen Beschreibung der Erfindung und Tabelle 1, wurde die Beryllium-Kupferlegierungs-Probe gegeben in einen Vakuumbehälter mit 1,5 mm Edelstahl (SUS304), der von Luft befreit wurde und durch Schweißen abgedichtet wurde. HIP-Binden wurde danach durchgeführt gemäß den Bedingungen, angegeben in Tabelle 1.
Nach Vervollständigen des HIP-Bindens wurde eine 4 mm-rechteckige Probe entfernt durch Bearbeiten mit elektrischer Entladung, hauptsächlich von der Grenzfläche Beryllium-Kupferlegierung, um die Beschaffung einer Probe, die die HIP-Bindung enthält, zu gewährleisten. Die Probe wurde poliert und die 4-Punkte-Biegefestigkeit der Probe wurde gemessen.
Ein wiederholter Wärmekreislauftest wurde danach durchgeführt. Die beschaffte Probe wurde Temperaturen unterzogen von 350°C und –196°C (die Temperatur von flüssigem Stickstoff). Die Absicht dieses Experiments war, die Beständigkeit der Probe gegenüber periodischem Durchlaufen von Wärme festzustellen. Die Probe wurde in wiederholter Weise sich verändernden Temperaturen ausgesetzt, bis die Bindung anfing, sich abzuschälen. Die Ergebnisses dieses Experiments sind in Tabelle 1 gezeigt.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, wiesen die HIP-Bindungen, erreicht durch die vorliegende Erfindung, Festigkeiten auf, die 200 MPa überstiegen, und einen Bindungsbeständigkeitsfaktor, der 4000 Wärmezyklen überstieg, wurde vor dem Zerbrechen beobachtet. Daraus kann geschlossen werden, dass die vorliegende Erfindung zu festeren Beryllium-Kupferlegierungs-HIP-Bindungen führt, auch bei HIP-bindenden Temperaturen unterhalb von 600°C.
Auch wenn bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden sind, ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
HIP-verbundener Körper aus einem Berylliumelement und einem Kupferlegierungselement. Vor dem Unterziehen der Elemente einem HIP-Bearbeiten wird eine diffusionsinhibierende Schicht aufgebracht auf der äußeren Oberfläche des Kupferlegierungselements. Eine bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierung wird danach auf der diffusionsinhibierenden Schicht erzeugt. Während des HIP-bindenden Schritts wird eine Einfügung, zusammengesetzt aus Aluminium-Magnesium- oder Aluminium-Silicium-Magnesium-Legierung nebeneinander gestellt zwischen die äußere Aluminiumschicht des vorbehandelten Kupferlegierungs-Elements und dem Berylliumelement.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines durch heissisostatisches Pressen verbundenen Beryllium-Kupferlegierung-Körpers, umfassend die Schritte: Beschichten einer diffusionsinhibierenden Schicht auf einer Oberfläche eines Kupferlegierungselements, wobei die diffusionsinhibierende Schicht umfasst ein Metall, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Niob, Chrom, Molybdän und Silicium; Erzeugen einer bindungsfördernden Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf der exponierten Oberfläche der diffusionsinhibierenden Schicht; Aneinanderstoßenlassen des beschichteten Kupferlegierungselements mit einem Berylliumelement über einen eingeschobenen Legierungs-Einfügungskörper, umfassend eine Aluminium-Magnesium-Legierung oder Aluminium-Silicium-Magnesium-Legierung, wobei die Legierung Magnesium in einer Menge enthält, die Aluminiumoxid-Verbindungen auf der exponierten Oberfläche eines Aluminiums oder einer Aluminiumlegierung reduziert; und heissistostatisches Pressen des Berylliumelements, des Kupferlegierungselements und des Legierungs-Einfügungskörpers, um das Berylliumelement an das Kupferlegierungselement über den Legierungs-Einfügungskörper zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die diffusionsinhibierende Schicht eine Dicke, die von etwa 0,5 μm bis etwa 200 μm reicht, hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Dicke von etwa 0,5 μm bis etwa 200 μm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Legierungs-Einfügungskörper weniger als 3 Gewichtsprozent Magnesium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die diffusionsinhibierende Schicht und die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erzeugt werden durch Abscheidung aus der Dampfphase oder thermisches Spritzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kupferlegierungselement umfasst eines von Aluminiumoxiddispersions-verstärktem Kupfer, Chrom-Zirconium-Kupfer oder Beryllium-Kupfer.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend den Schritt des Erzeugens einer bindungsfördernden Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf der exponierten Oberfläche des Berylliumelements vor dem Schritt des Aneinanderstoßenlassens.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf dem Berylliumelement mit einer Dicke erzeugt wird, die von etwa 0,02 mm bis etwa 5,0 mm reicht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf dem Berylliumelement durch Abscheidung aus der Dampfphase oder thermisches Spritzen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, weiter umfassend den Schritt des Erzeugens einer bindungsfördernden Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf der Oberfläche des Kupferlegierungselements vor dem Erzeugen der diffusionsinhibierenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine Dicke hat, die von etwa 1,0 μm bis 5,0 mm reicht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf dem Kupferlegierungselement durch Abscheidung aus der Dampfphase oder thermisches Spritzen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Legierungs-Einfügungskörper umfasst einen Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit verkleidenden Schichten aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung an dessen entgegengesetzten Oberflächen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aluminium-Magnesium-Legierungs-Einfügungskörper eine Dicke, die von etwa 0,02 mm bis 5,0 mm reicht, hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das heissisostatische Pressen bei einer Temperatur, die von 500°C bis 559°C reicht, durchgeführt wird.
Durch heissisostatisches Pressen verbundener Beryllium-Kupferlegierungs-Körper, umfassend: ein Kupferlegierungselement; eine diffusionsinhibierende Schicht, erzeugt auf einer Oberfläche des Kupferlegierungslements, wobei die diffusionsinhibierende Schicht umfasst ein Metall, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Vanadium, Niob, Chrom, Molybdän und Silicium; eine bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, erzeugt auf einer Oberfläche der diffusionsinhibierenden Schicht; einen Legierungs-Einfügungskörper, umfassend eine Aluminium-Magnesium-Legierung oder eine Aluminium-Silicium-Magnesium-Legierung, wobei die Legierung enthält Magnesium in einer Menge, die Aluminiumoxid-Verbindungen auf der exponierten Oberfläche eines Aluminiums oder einer Aluminiumlegierung reduziert, und wobei eine Seite des Legierungs-Einfügungskörpers durch heissisostatisches Pressen verbunden ist mit dem Kupferlegierungselement über die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und die diffusionsinhibierende Schicht; und ein Berylliumelement, durch heissistostatisches Pressen verbunden mit der anderen Seite des Legierungs-Einfügungskörpers.
Körper nach Anspruch 16, wobei die diffusionsinhibierende Schicht eine Dicke, die von etwa 0,5 μm bis etwa 200 μm reicht, besitzt.
Körper nach Anspruch 16, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Dicke, die von etwa 0,5 μm bis etwa 200 μm reicht, besitzt.
Körper nach Anspruch 16, wobei der Legierungs-Einfügungskörper weniger als 3 Gewichtsprozent Magnesium enthält.
Körper nach Anspruch 16, wobei das Kupferlegierungselement umfasst eines von Aluminiumoxiddispersions-verstärktem Kupfer, Chrom-Zirconium-Kupfer oder Beryllium-Kupfer.
Körper nach Anspruch 16, weiter umfassend eine bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zwischen dem Legierungs-Einfügungskörper und dem Berylliumelement.
Körper nach Anspruch 21, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zwischen dem Legierungs-Einfügungskörper und dem Berylliumelement eine Dicke, die von etwa 0,02 mm bis 5,0 mm reicht, hat.
Körper nach Anspruch 16 oder 21, weiter umfassend eine bindungsfördernde Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zwischen dem Kupferlegierungselement und der diffusionsinhibierenden Schicht.
Körper nach Anspruch 23, wobei die bindungsfördernde Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine Dicke, die von etwa 1,0 μm bis etwa 5,0 mm reicht, hat.
Körper nach Anspruch 16, wobei der Legierungs-Einfügungskörper umfasst einen Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit verkleidenden Schichten aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung an dessen entgegengesetzten Oberflächen.
Körper nach Anspruch 16, wobei der Aluminium-Magnesium-Legierungs-Einfügungskörper eine Dicke, die von etwa 0,02 mm bis 5,0 mm reicht, hat.