DE69904364T2

DE69904364T2 - Hartlötzusammensetzung und verfahren zum hartlöten von materialien auf aluminiumoxyd-basis mit dieser zusammensetzung

Info

Publication number: DE69904364T2
Application number: DE69904364T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Eustathopoulos; Adrien Gasse
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: EP1140416A1; FR2787737B1; US6616032B1; WO2000038875A1; FR2787737A1; EP1140416B1; DE69904364D1; ATE228913T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hartlötzusammensetzung und ein Verfahren zur Verbindung von Teilen aus Materialien auf der Basis von Aluminiumoxid mit sich selbst oder mit Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung durch reaktives oder nicht-reaktives Hochtemperaturlöten mit der Hartlötzusammensetzung, um Verbindungen, die vollständig aus Aluminiumoxid bestehen oder Aluminiumoxid und ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen, zu realisieren. Die Erfindung betrifft auch eine Hochtemperaturverbindungsstelle und eine Verbindung, die auf diese Weise erhalten wurden.
Unter Materialien "auf der Basis von Aluminiumoxid" sind im allgemeinen alle Materialien zu verstehen, deren Aluminiumoxidgehalt im "allgemeinen größer als oder gleich 90 Gew.-% ist, wobei diese Materialien auch die Verbundstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid umfassen.
Das technische Gebiet der Erfindung kann definiert werden als das Hartlöten bei hoher Temperatur, d. h. es werden hierbei Temperaturen von im allgemeinen höher als 1200ºC verwendet, was die Verwendung der erhaltenen Verbindung bei Anwendungen, die Temperaturerhöhungen, die über beispielsweise 900ºC hinausgehen können, und bis 1600ºC und noch darüber hinausgehen können, erfordern, ermöglicht.
Es ist bekannt, dass die Herstellung von Teilen mit großen Abmessungen aus Keramik, insbesondere aus Al&sub2;O&sub3; schwierig ist. Tatsächlich sind die Toleranzen nach einem Brennen von Primärkomponenten großer Abmessungen aus Aluminiumoxid schlecht kontrollierbar und die Bearbeitung dieser Komponenten aus Kostengründen inakzeptabel.
Des weiteren und aus den gleichen Gründen ist es im allgemeinen schwierig, Teile komplexer Form mit Keramiken des Oxidtyps, wie Aluminiumoxid, herzustellen.
Es ist daher oft günstig, die Teile oder Strukturen einer großen Abmessung und/oder einer komplexen Form ausgehend von Elementen aus Keramiken einer einfachen Form und/oder einer geringen Größe herzustellen und dann diese Elemente zu verbinden, um die Endstruktur zu realisieren.
Aufgrund der Tatsache der hohen Temperaturen, die beispielsweise bei 1000ºC liegen, die bei Anwendungen von Keramiken, wie Aluminiumoxid verwendet werden, ist die Verbindung dieser Keramiken durch Verkleben mit organischen Produkten ausgeschlossen, da diese Produkte Temperaturen über 200ºC nicht aushalten.
Andererseits sind die klassischen Verbindungsverfahren durch Schweißen, bei denen ein Energiestrahl mit oder ohne Metallzugabe eingesetzt wird (TIG-Schweißen, mittels Elektronenstrahl oder Laser) und ein partielles Schmelzen der zu fügenden Teile beteiligt ist, zum Fügen bzw. Verbinden von Keramiken aufgrund der Tatsache, dass ein Substrat oder ein Teil aus Keramik nicht geschmolzen werden kann, ohne es zu zerstören, da sich dieses vor dem Schmelzen zersetzen kann, nicht verwendbar.
Infolgedessen sind das Festphasendiffusionsschweißen, die Verbindung durch Brennen und das reaktive Hartlöten derzeit die häufigsten Verfahren zur Realisierung von Hochtemperaturverbindungen von Keramiken.
Das Festphasendiffusionsschweißen sowie das Verbinden durch Brennen besitzen den Nachteil, dass sie im Hinblickauf ihre Durchführung beschränkt sind.
Für das Festphasendiffusionsschweißen muss die Form der Teile einfach bleiben, wenn ein uniaxialer Druck verwendet wird, oder sie erfordert eine komplexe Ausrüstung und Vorbereitung, die beispielsweise die Herstellung einer Hülle, das dichte Verschließen unter Vakuum, die Anwendung von isostatischem Druck in der Wärme, die Endbearbeitung der Hülle umfasst, wenn CIC (isostatische Kompression in der Wärme) verwendet wird. Dieses Verfahren ist daher nicht wirtschaftlich durchführbar.
Im Falle einer Verbindung durch Brennen bestehen die gleichen Probleme (Form der Teile, Komplexität der Durchführung) mit ferner der Notwendigkeit, das Brennen eines Zugabepulvers, das zwischen die beiden zu verbindenden Materialien eingefügt wird, zu steuern.
Diese beiden Verfahren erfordern ferner die Verwendung von Stufen oder Zyklen langer Dauer (eine bis zu mehrere Stunden) bei hoher Temperatur, da bei den beteiligten Prozessen eine Diffusion im festen Zustand durchgeführt wird, was ferner im Falle eines Diffusionsgemischs das Größerwerden der Körner von Metalllegierungen, wenn eine Verbindung Metall-Keramik realisiert wird, begünstigt.
Hartlöten ist ein kostengünstiges, leicht durchzuführendes Verfahren, das am häufigsten verwendet wird. Teile einer komplexen Form können realisiert werden, indem ein Kapillarhartlöten durchgeführt wird, und die Arbeitsvorgänge beschränken sich darauf, dass Zufuhrmetall oder eine entsprechende Legierung, die als "Hartlot" bezeichnet wird, zwischen die oder in die Nähe der zu fügenden Teile zu bringen und das Hartlot zum Schmelzen zu bringen, um nach dem Abkühlen die Verbindung der zwei Teile zu erhalten.
Das Hartlöten von Keramiken muss das Grundproblem der schlechten Benetzbarkeit von Keramiken durch die Metalle überwinden. Tatsächlich benetzen die üblichen Hartlötzusammensetzungen, die aus Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Silber, Kupfer, Gold und deren Legierungen, bestehen, die Keramiken nicht, obwohl sie Metallmaterialien benetzen. Dieses Problem wird dadurch überwunden, dass vor dem Hartlöten eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird, spezielle Legierungszusammensetzungen ausgewählt werden und/oder gegebenenfalls ein reaktives Element zugegeben wird, wie dies im Falle des als "reaktives Hartlöten" bezeichneten Hartlötens der Fall ist.
Bei diesem letzteren Verfahren wird eine Zusammensetzung aus einer Metalllegierung, häufig auf der Basis von Kupfer und Silber, verwendet und ein reaktives Element, wie Ti, Zr, V, Hf, Nb zugegeben.
Das reaktive Element wirkt durch eine Zersetzung der Keramikoberfläche und eine Reaktion mit dieser unter Bil dung einer sehr stabilen Nitrid-, Oxid-, Silicid- oder Carbidverbindung entsprechend der Natur der verwendeten Keramik. Diese Schicht ermöglicht im allgemeinen ein sehr gutes Benetzen der Keramik und ein ausreichendes Haften an dieser.
Betrachtet man insbesondere Oxidkeramiken, so sind diese, und insbesondere Aluminiumoxid, sehr wenig reaktiv und daher folgt, abgesehen von den sehr reaktiven chemischen Elementen, wie Ti, Zr und Hf, durch die meisten Übergangsmetallelemente kein Benetzen und Haften an einer Aluminiumoxidoberfläche, was insbesondere für die Elemente Ni, Fe, Cu, N, Co, Pt, Au, Ag, Pd u. dgl. der Fall ist.
Es ist daher im allgemeinen die Durchführung einer Oberflächenbehandlung zur Metallisierung von Aluminiumoxid vor dem Hartlöten desselben erforderlich, d. h. die Ablagerung einer stark haftenden feinen Metallschicht auf der Keramik, die als Grenzfläche zwischen dem Hartlot und der Keramik fungiert.
Das zur Metallisierung der Keramiken auf Basis von Mangan am häufigsten verwendete Verfahren ist das als Molymangan bezeichnete Verfahren, wobei eine ein Pulvergemisch von Molybdän und Mangan enthaltende Suspension oder Paste auf die Keramik appliziert und in einer feuchten reduzierenden Atmosphäre von Wasserstoff oder Ammoniak erneut erhitzt wird. Eine derartige reduzierende Atmosphäre ist notwendig, um das Molybdän im Metallzustand zu halten, während ein bestimmter Wasserdampfgehalt die Oxidation des Manganmetalls ermöglicht.
Obwohl dieses Verfahren relativ gut mit den Keramiken mit 94-96% Aluminiumoxid funktioniert, ist es für Keramiken mit 99,5% Aluminiumoxid nicht verwendbar, weshalb in dem Dokument von K. White, D. Kramer, Materials Science and Engineering, 75 (1985), 207-213, "Microstructure and seal strengh relation in the molybdenum-manganese glass metallization of alumina ceramics", die Zugabe von Mangangläsern (MnO-SiO&sub2;-Al&sub2;O&sub3;) zu dem Molybdänpulver anstelle des reinen Metalls beschrieben ist.
Das Glas, das während des Neubrennens bei einer Temperatur von 1500ºC gebildet wird, dringt in die Kornverbindungen der Keramik ein und erzeugt eine Glasmatrix, in der die Metallteilchen eingefangen sind, was die Metallisierung begünstigt.
Die Ablagerung wird dann durch Elektrolyse mit einer Nickel- oder Palladiumschicht metallisiert und danach wird das Hartlöten, genauer gesagt, mit Hilfe einer Hartlötzusammensetzung auf der Basis von Silber durchgeführt.
Dieses Verfahren ist aufgrund der Verwendung einer reduzierende Wasserstoffatmosphäre und der Tatsache, dass es vier aufeinanderfolgende Stufen umfasst, komplex und schwer durchzuführen.
Ein zweites Verfahren, bei dem es sich um das des reaktiven Hartlötens handelt, besteht in allgemeiner Weise darin, die Aluminiumoxidoberfläche mit einem sehr reaktiven Element, das beispielsweise aus Ti, Zr und Hf, Nb, Al und Cr ausgebildet ist, reagieren zu lassen.
Das reaktive Hartlöten ist zur Verbindung von Oxidkeramiken, wie Aluminiumoxid, angepasst, da die Reaktivität beschränkt ist und das mechanische Verhalten der gebildeten Oxide zufriedenstellend ist.
Dieses zweite Verfahren umfasst an sich mehrere Varianten, von denen einerseits das indirekte reaktive Hartlöten und andererseits das direkte reaktive Hartlöten genannt seien.
Beim indirekten Hartlöten (das dem Metallisierungsverfahren ähnlich ist) wird im voraus auf dem Aluminiumoxid eine Schicht eines reaktiven Metalls, wie Titan, entweder in der Form einer durch PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) oder CVD (chemische Gasphasenabscheidung) realisierten Metallschicht oder in der Form eines Titanhydrids, abgeschieden.
Das indirekte Hartlöten ist ein kostenaufwendiges und schwer durchzuführendes Verfahren, da es zwei Stufen benötigt, ferner die Manipulierung von Titanhydrid delikat ist, da dieses Produkt sehr instabil ist, wobei das Hartlöten schließlich bei Temperaturen von im allgemeinen unter 950ºC durchgeführt wird und die Arbeitstemperatur der Verbindungen nicht über 400ºC hinausgeht.
Beim direkten Hartlöten wird eine Hartlötzusammensetzung verwendet, die bereits die reaktiven Elemente in Ver bindung mit einer aus einem klassischen Hartlotmetall gebildeten Matrix enthält.
So beschreibt das Dokument EP-A-0 135 603 (GTE Products Corporation) eine duktile Legierung zum Hartlöten beispielsweise von einem Teil aus Keramik und einem Teil aus einer Metalllegierung, die 0,25-4% eines reaktiven Metalls, das aus Titan, Vanadium, Zirconium und deren Gemischen gewählt ist, 20-85% Silber, 1-70% Kupfer oder Aluminium und 3-30% Palladium umfasst.
Das in diesem Dokument beschriebene Hartlot hat eine Liquidustemperatur von etwa 600-950ºC, was einer Arbeitstemperatur von nur 400ºC entspricht, die für Anwendungen bei hohen Temperaturen in der Nähe von 1000ºC oder mehr, beispielsweise bis 1600ºC klar unzureichend ist.
Ferner müssen, wie dies im Dokument von M. G. Nicholas, reactive Metal Brazing, Joining Ceramics Glass and Metals, Hrsg. W. Kraft, 1989, Bad Nauheim (Deutschland), S. 3-16, gezeigt ist, die Hartlötzusammensetzungen, die klassische Hartlotmetalle sowie Elemente, die aus Al, Cr, Hf, Nb, Ti und Zr ausgewählt sind, um die Benetzbarkeit der Keramiken, wie Al&sub2;O&sub3;, zu begünstigen, umfassen, zahlreiche sehr enge Kriterien erfüllen, die mit der Tatsache verbunden sind, dass es bei der Durchführung einer Verbindung von Keramiken untereinander oder mit einem Metall vorrangig ist, die verbliebenen Spannungen, die sich beim Abkühlen aufgrund eines unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den zwei zu vereinigenden Teilen, wenn deren Natur unterschiedlich ist, jedoch auch zwischen der Keramik und dem Hartlot im Falle einer Verbindung von zwei Keramiken der gleichen Natur entwickeln, zu beschränken.
Infolgedessen muss der Ausdehnungskoeffizient des Hartlots eng dem der zu vereinigenden Keramikteile entsprechen. Sonst sind die Hartlote, die ein aktives Metall umfassen, beispielsweise diejenigen, die durch Mitverwendung von Titan in einer eutektischen Cu-Ag-Legierung erhalten werden, härter und weniger duktil als die Hartlote aus klassischen Metallen.
Ferner können die aktive Metalle umfassenden Hartlotmittel nicht so leicht wie die Legierungen aus klassischem Hartlot verlaufen.
Schließlich ist in allen Verfahren von reaktivem Hartlöten die Steuerung der Reaktivität wesentlich, denn ein Reaktivitätsüberschuss beeinträchtigt die Festigkeit der Verbindungen, und diese Art einer Hartlötzusammensetzung verwendet stark oxidierbare Elemente, die bei den mittleren Verbindungstemperaturen das Arbeiten unter stärkerem Vakuum oder unter einem reduzierenden Gas erfordern.
Zahlreiche reaktive Hartlötzusammensetzungen wurden vorgeschlagen. So beschreibt das Dokument US-A-5 351 938 ternäre Legierungen zum reaktiven Hartlöten, die 70-85 Atom-% Zirconium, 15-30 Atom-% Ni sowie im Falle des Hartlötens bei niedriger Temperatur ("soldering") Titan enthalten. Die verbundenen Keramiken sind Keramiken des Oxidtyps, wie Al&sub2;O&sub3;.
Die starke Reaktivität von Ti und Zr mit Aluminiumoxid erfordert eine sehr starke Kontrolle des Hartlötzyklus, um die Bildung einer für die mechanische Festigkeit der Verbindung schädlichen dichten reaktiven Schicht zu vermeiden.
Das Dokument DE-A-16 71 265 offenbart eine Hartlötzusammensetzung, die aus 50-65% Ti, 20-35% Ni und 5-30% von einem oder mehreren Metallen der Gruppe Nb, V, Mo, W, Cr, Al, Fe, Zr und Mg besteht.
Das Dokument JP-A-02 088 482 beschreibt ein Verfahren zum Metallisieren oder Verbinden von Keramiken, insbesondere Al&sub2;O&sub3; mit Hartlötzusammensetzungen (englisch "solder") auf der Basis einer Legierung, die mindestens ein aus Ag, Cu, Ni, Al und Mn gewähltes Metall umfasst, mit Zusatz von Ti und/oder Zr. Das Metallisieren oder Verbinden wird unter vermindertem Druck eines Inertgases oder von Stickstoff oder einem Gemisch derselben durchgeführt. Die Hartlötzusammensetzung umfasst ferner mindestens ein aus In, Sn, Zn und Bi gewähltes Metall. Diese letzteren Elemente gelten als nicht sehr hoch schmelzend und sie sind Flußmittel, die zur Verminderung des Schmelzpunkts der Legierung verwendet werden. Die in diesem Dokument beschriebenen Legierungen sind daher für das Hochtemperaturlöten von Aluminiumoxid völlig ungeeignet und führen daher vom angestrebten Ziel weg.
Das Dokument JP-A-01 183477 schlägt vor, Teile aus Metall und Teile aus Keramik durch die Bildung einer dünnen Metallschicht auf der zu fügenden Oberfläche des Teils aus Keramik, beispielsweise aus Al&sub2;O&sub3;, zu verbinden. Das durch Ionenablagerung abgeschiedene Metall ist Aluminium, Titan oder Nickel. Das Hartlöten wird dann durch Schmelzen des Metalls durchgeführt.
Dieses Verfahren erfordert die Durchführung der Ablagerung einer dünnen Schicht und es verwendet ein einziges Metall. Mit reinem Al ist die Temperaturbeständigkeit der Verbindung auf 660ºC beschränkt; mit reinem Ti und einer Schmelztemperatur desselben ist es sehr schwierig, die Reaktivität aufgrund der Tatsache der sehr starken Reaktivität von Titan mit Aluminium zu steuern; schließlich ist bekannt, dass reines Ni, wie dies im vorhergehenden angegeben wurde. Aluminiumoxid nicht benetzt, was zu zahlreicher Porenbildung in der Verbindung führt und die Dichtheit und mechanische Festigkeit der Verbindung beeinträchtigt.
Das Dokument JP-A-61 178477 betrifft eine Zusammensetzung zum Metallisieren von Keramiken, wie Si&sub3;N&sub4;, SiC oder Aluminiumoxid, die ein Titanhydrid (2-50 Gew.-%) und Aluminium (50-98 Gew.-%) umfasst.
Einerseits erfordert das Metallisieren die Anwendung eines bedeutenden Drucks, was wegen der dadurch auferlegten Zwänge wirtschaftlich inakzeptabel ist, und andererseits ergibt die Verwendung eines Hydrids das Problem von dessen Stabilität und dessen delikater Handhabung. Der sehr hohe Anteil von Al verleiht der Legierung ferner eine mittelmäßige Wärmebeständigkeit, da vorgeschlagen wird, die metallisierte Keramik mit reinem Al zusammenzufügen.
Das Dokument FR-A-2584 391 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Metallen und Keramiken, wie Aluminiumoxid, mit sich selbst und miteinander, das darin besteht, zwischen die zu fügenden Teile eine Hartlötzusammensetzung, die aus einer Aluminiumverbindung mit Trinickel AlNi&sub3; (23-25 Atom-% Al) besteht, einzufügen und die Verbindung unter nicht-oxidierenden Bedingungen auf eine Temperatur von 1450-1550ºC zu bringen.
Dieses Verfahren ist gegenüber Sauerstoff sehr empfindlich, wie es die Streuung der Ergebnisse zeigt. Zwar macht es die Zugabe von C möglich, eine bessere Reproduzierbarkeit zu erhalten, doch benötigt dies die Anwendung eines hervorragenden Vakuums oder einer Atmosphäre von sehr hoher Reinheit. Ferner ist bekannt, dass die Trialuminiumverbindung von Ni an Aluminiumoxid nicht haftet, wie dies im Dokument von J. A. Champion, B. J. Keene, S. Allen, Wetting of refractory materials by molten metallides, Journal of Materials Science 8 (1973), 423-426, angegeben ist, wobei dieses Dokument die Benetzbarkeit von Keramiken, wie Al&sub2;O&sub3;, SiC, Si&sub3;N&sub4; und BN durch verschiedene intermetallische Verbindungen, wie TiAl&sub3;, TiSi&sub2;, TiNi, TiNi&sub3;, TiCr&sub2;, Cr&sub3;Si&sub2;, Fe&sub2;Al&sub5;, FeSi, Fe&sub2;Si&sub5;, CoSi, "CoSi&sub3;", Ni&sub2;Si und Nc&sub3;Al, durch Silicium und durch eine Nickellegierung untersucht und zeigt, dass Aluminiumoxid mit Siliciden, Silicium und Aluminiumverbindungen nicht reagiert und von diesen nicht benetzt wird. Es wird bestätigt, dass nur die Titan umfassenden Verbindungen Aluminiumoxid in einem gewissen Ausmaß benetzen.
Das Dokument von A. J. Moorhead, "Direct Brazing of Alumina Ceramics", Advanced Ceramic Materials, 2[2] 159-66 betrifft aktive Hartlötzusammensetzungen, Ni - 25 Al, Ni - 19 Al - 4 Ti - 0,2 B und Ni - 14 Al - 10 Ti - 0,2 B, deren Benetzbarkeit nicht zufriedenstellend ist, während die Beständigkeit der Verbindung in allen Fällen sehr schwach oder null ist.
Aus dem Genannten geht hervor, dass das Verhalten von Hartlötzusammensetzungen gegenüber Aluminiumoxid im Hinblick auf Benetzbarkeit und Haftung schwer vorhersehbar ist.
Selbst wenn die Verwendung eines Zugabeelements, wie Ti, zur Anwendung von Hartloten auf Aluminiumoxid weitverbreitet ist, zeigen die im vorhergehenden angeführten Dokumente klar, dass zahlreiche Zusammensetzungen ungeeignet sind, ohne dass es im voraus möglich ist, dies vorherzusehen.
Dies wird durch das Dokument von M. G. Nicholas, T. M. Valentine, M. J. Waite, The wetting of alumina by copper alloyed with titanium and other elements, Journal of Materials Science 15 (1980) 2 197 - 2 206, bestätigt, das die Benetzbarkeit von Aluminiumoxid mit ternären Legierungen aus Kupfer, Titan und Aluminium, Gallium oder Indium, Nickel oder Silber untersucht.
Die Zugabe von Titan ermöglicht ein Benetzen des Kupfers von Aluminiumoxid aufgrund der Bildung eines an Titan reichen Reaktionsprodukts an der Grenzfläche Keramik- Legierung. Eine Zugabe von Indium ist sehr vorteilhaft, eine Zugabe von Al, Gold oder Silber ist mäßig vorteilhaft und eine Zugabe von Gallium oder Nickel bringt wenig oder keine Vorteile.
Dieses Dokument zeigt, dass die Mechanismen, durch die die ternären Zugabeelemente das Benetzungsverhalten beeinflussen, nicht genau bekannt sind.
Ferner ist das Benetzen nur eines der zu erfüllenden Kriterien, damit ein Hartlot als zufriedenstellend betrachtet wird. Es gibt weitere, von denen die Bildung einer starken Grenzfläche zwischen der Keramik und dem verfestigten Hartlot genannt seien. Tatsächlich hängen die Eigenschaften der Benetzung und Haftung stark von der Natur und Dichte des Reaktionsprodukts an der Grenzfläche zwischen dem Hartlot und dem Aluminiumoxid ab. Die auftretenden Wechselwirkungen sind im Falle von binären Legierungen komplex und schwer vorhersehbar und im Falle von ternären Legierungen unmöglich vorhersehbar.
Das Dokument US-A-5 340 014 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden oder Beschichten von Teilen aus Metallen oder Keramiken mittels einer Suspension, die mindestens zwei Elemente umfasst, die aus den folgenden ausgewählt sind: TiO&sub2;, B&sub2;O&sub3;, Al, Si, Ti, B, Ni, P, Cr&sub2;O&sub3;, C, NB, Nz, Ta, Mo, Hf und V. Im Falle eines Verbindens sind die Elemente aus der Gruppe von TiO&sub2;, B&sub2;O&sub3;, Al, Ti, B, Ni und P; Ti und B; Ti, B, Ni und P; Cr&sub2;O&sub3;, C und Al ausgewählt. Sobald die Suspension auf die zu fügenden Oberflächen appliziert ist, wird diese geglüht, um eine exotherme Reaktion durch Verbrennung hervorzurufen. Die Elemente müssen daher derart gewählt werden, dass eine solche Reaktion erfolgt.
Die genauer beschriebenen Zusammensetzungen betreffen ausschließlich die Beschichtung und nicht das Verbinden von Keramiken und sie enthalten 60-68% Titan und 32-40% Aluminium (Beispiele 1 bis 5), wobei das Beispiel 2 das Merkmal einer Suspension, die 64% Titan und 36% Aluminium enthält, aufweist.
Die angegebenen Beispiele für Verbindungen sind nur Verbindungen von Metallen untereinander.
Wie aus dem Vorhergehenden bekannt, ist es für alle technischen Keramiken schwierig, Teile komplexer Form aus Aluminiumoxid herzustellen, daher häufig notwendig, Strukturen ausgehend von Elementen aus Keramik einer einfachen Form herzustellen und diese dann zu verbinden, um die Endstruktur zu realisieren.
Ferner bleibt die Herstellung von technischen Keramikteilen mit genauen Seiten immer sehr schlecht beherrschbar und die Bearbeitung dieser Teile ist, insbesondere aus Kostengründen inakzeptabel.
Es besteht daher derzeit ein Bedarf nach einer Hartlötzusammensetzung und nach einem Verfahren, das die Realisierung von starken, jedoch auch sehr hitzebeständigen Bindungen, d. h. die insbesondere Temperaturen, die bis zu 1500ºC gehen und noch darüber hinaus reichen, widerstehen können, zwischen zwei Keramiken der gleichen Natur, wie Aluminiumoxid, oder zwischen Aluminiumoxid und einem Metall oder einer Metalllegierung durch Hartlöten ermöglicht.
Keine(s) der in den Dokumenten des Standes der Technik beschriebenen Hartlötverfahren und Hartlötzusammensetzung stillt diesen Bedarf.
Insbesondere erfüllt keine der Zusammensetzungen des Standes der Technik gleichzeitig die folgenden, von den Erfindern der vorliegenden Erfindung ermittelten Kriterien, die zur Realisierung von Strukturbauteilen aus Keramik, wie Al&sub2;O&sub3;, oder aus Keramik und aus einem Metall oder einer Metalllegierung, die Verbindungen, insbesondere sehr hitzebeständige Verbindungen umfassen, grundlegend sind.
1 - Die Hartlötzusammensetzung muss die Realisierung einer starken Bindung zwischen den zwei Teilen aus Keramik, wie Aluminiumoxid, oder dem Teil aus Keramik und dem Teil aus Metall und einer Metalllegierung ermöglichen, was eine nicht-reaktive, d. h. mit Aluminiumoxid chemisch nicht kompatible. Hartlötzusammensetzung oder eine reaktive Zusammensetzung, deren Reaktivität jedoch dann vollständig kontrolliert ist und nicht zu einer Beeinträchtigung der keramischen Eigenschaften der Legierung führt, impliziert.
2 - Die Hartlötzusammensetzung muss das Siliciumcarbid gut benetzen und gut an diesem haften.
3 - Die Hartlötzusammensetzung muss einen Ausdehnungskoeffizienten, der an Aluminiumoxid angepasst ist, d. h. nahe dem Ausdehnungskoeffizienten desselben liegt, und/oder ein sehr duktiles Verhalten zur Verminderung jeglicher verbliebener Spannung, die im Inneren der Verbindung beim Abkühlen auftreten kann, aufweist und sicherstellen, dass es keine Rissauslösepunkte gibt, was für die mechanische Festigkeit der Verbindung schädlich wäre.
Der Ausdehnungskoeffizient muss auch an das Metall oder die Metalllegierung, die mit dem Aluminiumoxid verbunden werden soll, angepaßt sein.
4 - Das Hartlot muss duktil und leicht zu verarbeiten sein.
5 - Schließlich muss die Verbindung sehr hitzebeständig, d. h. bei einer sehr hohen Hartlöttemperatur, beispielsweise 1200-1700ºC, sein, was eine Beständigkeit bei Verbindungstemperaturen von 1500ºC und größer möglicht macht.
Ferner ist im Hinblick auf das im vorhergehenden Genannte klar, dass die Formulierung einer Hartlötzusammensetzung zum Hartlöten von Teilen auf der Basis von Aluminiumoxid mit sich selbst oder mit Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung nicht voraussagbar ist und nicht absolut von den Eigenschaften bekannter Hartlote abgeleitet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Hartlötzusammensetzung und eines Verfahrens zur Verbindung von Teilen oder Komponenten aus Materialien auf der Basis von Aluminiumoxid untereinander oder mit Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung durch Hartlöten, die u. a. den oben angegebenen Bedürfnissen genügen, sämtliche im vorhergehenden genannte Anforderungen und Kriterien erfüllen, die bei den Zusammensetzungen und Verfahren des Standes der Technik auftretenden Nachteile, Mängel, Beschränkungen beseitigen und die Realisierung von sehr hitzebeständigen Verbindungen ermöglichen.
Diese Aufgabe und noch weitere werden gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform durch eine hochschmelzende, gegenüber Aluminiumoxid nicht-reaktive Hartlötzusammensetzung, die aus 2-10 Atom-% Aluminium, 2-10 Atom-% Titan und 80-96 Atom-% einer Matrix, die aus Palladium, Nickel oder einer Legierung von Nickel und Palladium in allen Verhältnissen besteht, besteht, erreicht. In allen Verhältnissen bedeutet vorzugsweise 0-100% Ni und 0-100% Palladium.
Vorzugsweise besteht die hochschmelzende, gegenüber Aluminiumoxid nicht-reaktive Hartlötzusammensetzung aus 2- 5 Atom-% Aluminium, 2-5 Atom-% Titan und 90-96% einer wie im vorhergehenden beschrieben zusammengesetzten Matrix.
Die gleiche Aufgabe wird gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform durch eine hochschmelzende reaktive Hartlötzusammensetzung, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, die aus 2-48 Atom-% Aluminium, 10 -96 Atom-% Titan und 2-80 Atom -% einer Matrix, die aus Palladium, Nickel oder einer Legierung aus Palladium und Nickel in allen Verhältnissen besteht, unter der Bedingung, dass der Atomprozentgehalt von Titan über dem Atomprozentgehalt von Aluminium liegt, besteht, erreicht.
Vorzugsweise besteht die hochschmelzende reaktive Hartlötzusammensetzung, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, aus 15-30 Atom-% Aluminium, 20-35 Atom-% Titan und 45-60 Atom-% Nickel, immer unter der Bedingung, dass der Atomprozentgehalt von Titan über dem Atomprozentgehalt von Aluminium liegt, d. h. dass das Verhältnis Ti/Al des Atomprozentgehalts von Titan zum Atomprozentgehalt von Aluminium größer als 1 ist.
Eine weitere bevorzugte hochschmelzende reaktive Hartlötzusammensetzung, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, besteht aus 2-10 Atom-% Aluminium, 35-50 Atom-% Titan und 45-55 Atom-% Nickel, wobei die im vorhergehenden genannte Bedingung immer gilt.
Reaktives Hartlöten bzw. reaktives Hatlot bedeutet, dass zwischen dem Hartlot und dem Aluminiumoxid eine Reaktion erfolgt, die zu einem Grenzflächenreaktionsprodukt führt. Nicht-reaktives Hartlöten bedeutet, dass es kein intermediäres Reaktionsprodukt gibt, jedoch stattdessen eine starke Haftung zwischen dem Hartlot und dem Aluminiumoxid existiert.
Dennoch bestehen die reaktiven Hartlötzusammensetzungen als auch die nicht-reaktiven Zusammensetzungen gemäß der Erfindung beide aus einer Matrix aus Ni und/oder Pd, der gleichzeitig Aluminium und Titan zugesetzt wurden.
Die erfindungsgemäßen reaktiven oder nicht-reaktiven Hartlötzusammensetzungen entsprechen den Bedürfnissen, erfüllen die gesamten im vorhergehenden genannten Anforderungen und Kriterien und zeigen nicht die Nachteile von Hartlötzusammensetzungen des Standes der Technik.
Die erfindungsgemäßen Hartlötzusammensetzungen - reaktive oder nicht-reaktive - ermöglichen in einer überraschenden Weise das Erreichen einer signifikanten Verbesserung des Benetzens der Hartlötzusammensetzung von Aluminiumoxid sowie einer starken Haftung der Hartlötzusammensetzung am Substrat, und sie sind mit einer Solidustemperatur von im allgemeinen 950-1650ºC, was einer Betriebstemperatur der Verbindung von im allgemeinen 900-1500ºC entspricht, sehr hitzebeständig. Genauer gesagt, beträgt die Solidustemperatur für die nicht-reaktiven Zusammensetzungen im allgemeinen 1300-1500ºC und für die reaktiven Hartlötzusammensetzungen im allgemeinen 950-1650ºC, was jeweils Betriebstemperaturen der Verbindungen von im allgemeinen 1200-1450ºC bzw. 900-1600ºC entspricht.
Die reaktiven Zusammensetzungen besitzen einen großen Solidusbereich, wodurch sie für eine große Zahl von Anwendungen, die eine variable "Hitzebeständigkeit" erfordern, anpassbar sind.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ermittelten in überraschender Weise, dass, um die im vorhergehenden genannten Kriterien zu erfüllen, und insbesondere die Verbesserung des Benetzens und ein starkes Haften unter Beibehalten einer sehr hitzefesten Hartlötzusammensetzung zu realisieren, die speziellen, im vorhergehenden genannten Atomprozentgehaltbereiche, d. h. Bereiche, in denen eine nicht- reaktive Hartlötzusammensetzung oder eine reaktive Hartlötzusammensetzung, jedoch mit gesteuerter Reaktivität vorhanden ist, eingehalten werden müssen.
Die Zusammensetzungsbereiche der ternären oder quaternären Legierungen von Al, Ti, Pd und/oder Ni, in denen die Legierungen nicht-reaktiv sind oder eine gesteuerte Reaktivität zeigen, die beide zu den gewünschten Eigenschaften führen, sind absolut nicht vorhersehbar, wie dies in der Untersuchung des früheren Standes der Technik, der im vorhergehenden zitiert ist, angegeben ist.
Die erfindungsgemäßen speziellen Bereiche einer Hartlötzusammensetzung ermöglichen die Realisierung von sehr hitzefesten und sehr beständigen Verbindungen zwischen zwei Teilen auf der Basis von Aluminiumoxid und zwischen Teilen auf der Basis von Aluminiumoxid und Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung, die im Stand der Technik weder beschrieben noch nahegelegt sind.
Genauer gesagt, weiß man, dass im Falle von nicht- reaktiven Hartlötzusammensetzungen, wie dies im vorhergehenden angegeben wurde, Nickel und Palladium an Aluminiumoxid schwach haften, ohne dieses zu benetzen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung beobachteten in überraschender Weise, dass die Zugabe von geringen Mengen Aluminium und Titan - typischerweise unter oder gleich 10 Atom-% - zu diesen Metallen das Erreichen einer deutlichen Verbesserung des Benetzens unter Beibehalten einer guten Haftung der Legierung am Substrat ermöglichte.
Eine mikroskopische Betrachtung der Grenzfläche beweist das Fehlen eines Grenzflächenreaktionsprodukts. Anders gesagt, erhält man eine sehr gute chemische Kompatibilität, da keine Reaktion erfolgt, und eine sehr gute mechanische Kompatibilität, da die Haftung gut ist.
Das Fehlen einer Reaktivität schützt die Verbindung vor jeglichem Rissbildungsrisiko, das durch ein dichtes und schwächendes Reaktionsprodukt eingeführt werden könnte. Über die erfindungsgemäßen nicht-reaktiven Hartlötzusammensetzungen, die durch die speziellen Prozentangaben definiert sind, hinaus und bei Fehlen einer Reaktion wird eine Verbesserung des Benetzens, jedoch eine Verschlechterung der mechanischen Haftung beobachtet.
Genauer gesagt, beobachteten die Erfinder der vorliegenden Erfindung im Falle von reaktiven, jedoch mit einer gegenüber dem Aluminiumoxid gesteuerten Reaktivität gemäß der Erfindung, Hartlötzusammensetzungen, dass die Zugabe von bedeutenderen Mengen von Titan zu den erfindungsgemäßen nicht-reaktiven Hartlötzusammensetzungen zur Bildung eines Grenzflächenreaktionsprodukts, das Titan und Sauerstoff umfasste, und zur Bildung einer starken Grenzfläche zwischen dem Hartlot und dem Aluminiumoxid führte. Wenn diese Reaktion nicht gesteuert wird, führt sie zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der Legierung.
In überraschender Weise wurde durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die ergänzende Zugabe von Aluminium zum Hartlot innerhalb der erfindungsgemäßen speziellen Bereiche die vollständige Steuerung der Reaktion mit Aluminiumoxid, d. h. das Erhalten eines Reaktionsprodukts mit einer gesteuerten feinen Dichte und Zusammensetzung, die ein starkes Haften zwischen dem Aluminiumoxid und dem Hartlot sicherstellt, ermöglichte.
Ferner wird mit diesen Legierungen eine starke Verbesserung des Benetzens erhalten und der Kontaktwinkel des Hartlots am Aluminiumoxid wird kleiner als oder gleich 60º.
Dieser letztere Punkt ist äußerst wichtig, da er ein Kapillarhartlöten, d. h. ein Infiltrieren des Hartlots in die Hartlotverbindung ohne direktes Einfügen des Hartlots zwischen die zu fügenden Teile ermöglicht, was die Konzeption der Erfindungen stark erleichtert. Die gesteuerte Reaktivität sowie das Fehlen von Reaktivität schützt die Verbindung vor allen Rissauslösemöglichkeiten, die durch eine dichte und schwächende Reaktionszone eingeführt werden könnten.
Von den allen erfindungsgemäßen Hartlötzusammensetzungen, den nicht-reaktiven als auch den reaktiven, eigenen Vorteilen seien u. a. genannt:
- die an Aluminiumoxid angepassten Ausdehnungskoeffizienten;
- eine einfache und kostengünstige Durchführung, denn die Hartlötzusammensetzung enthält nur Elemente mit etwas höherem Preis.
Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen erfüllen unter anderem das zweifache Kriterium des Ausdehnungskoeffizienten und der Viskosität zur problemlosen Durchführung von Verbindungen, insbesondere engen Verbindungen - d. h. Verbindungen mit einer Dicke von im allgemeinen 0,1-0,5 mm.
Die Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung bieten die Möglichkeit des Hartlötens von Aluminiumoxid nicht nur mit sich selbst, sondern auch mit Metallen oder Metalllegierungen.
Die Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung bieten eine starke Oxidationsbeständigkeit, beispielsweise in stark oxidierenden Atmosphären aufgrund der Tatsache des Vorhandenseins von Titan und Aluminium, die beide zur Bildung einer passivierenden Oberflächenschicht führen.
Das Hartlot gemäß der Erfindung bietet auch den Vorteil, dass es wenig empfindlich gegenüber Korrosion, beispielsweise durch Oleum und Salpetersäure, ist.
Außerdem ist aufgrund der Tatsache, dass die Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung gegenüber Sauerstoff wenig empfindlich sind, was sowohl für die nicht-reaktiven Hartlote als auch - umso überraschender - für die reaktiven Hartlote mit gesteuerter Reaktivität gilt, die Qualität der Atmosphäre des Hartlötofens weniger kritisch und das Benetzen erfolgt sofort, selbst bei einer Atmosphäre mit einem nicht vernachlässigbaren Sauerstoffpartialdruck, wie beispielsweise mit Argon von Handelsqualität, und das Hartlöten kann unter Vakuum oder in einer einfachen (Schutz)- atmosphäre mit einem neutralen oder reduzierenden Gas durchgeführt werden. Ein derartiges Gas ist beispielsweise aus Wasserstoff, Argon, Stickstoff und deren Gemischen sowie Gemischen von Argon/Wasserstoff ausgewählt.
Von den speziellen Vorteilen der nicht-reaktiven Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung seien insbesondere die Tatsache, dass die Hartlote duktil sind und daher in Form von Bandeisen, Flittern oder anderen, durch beispielsweise Laminieren leicht verwendet werden können, sowie die Tatsache, dass diese Legierungen ihre Duktilität nach dem Hartlöten bewahren und daher zyklische Impulse absorbieren können, zu nennen.
Grob betrachtet sind die reaktiven Hartlötzusammensetzungen mit gesteuerter Reaktivität gemäß der Erfindung in gleicher Weise duktil. In allen Fällen können diese Zusam mensetzungen leicht in Form von Pulvern oder Bandeisen verwendet werden.
Gegenstand der Erfindung ist in gleicher Weise ein Verfahren zur Verbindung eines Teils aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid mit mindestens einem anderen Teil aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid und/oder mindestens einem Teil aus Metall oder einer Metalllegierung durch nicht-reaktives Hochtemperaturhartlöten, wobei gemäß einer ersten Ausführungsform die Teile mit einer gegenüber Aluminiumoxid nicht-reaktiven Hartiötzusammensetzung, wie dies im vorhergehenden beschrieben wurde, kontaktiert und die aus den Teilen und der Hartlötzusammensetzung gebildete Einheit so auf eine ausreichende Löttemperatur erhitzt werden, dass die Hartlötzusammensetzung schmilzt, wobei eine Hochtemperaturverbindung gebildet wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verbindung eines Teils aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid mit mindestens einem anderen Teil aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid und/oder mindestens einem Teil aus Metall oder einer Metalllegierung durch reaktives Hochtemperaturlöten, wobei gemäß einer zweiten Ausführungsform die Teile mit einer Hartlötzusammensetzung, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, wie dies im vorhergehenden beschrieben wurde, kontaktiert und die aus den Teilen und der Hartlötzusammensetzung gebildete Einheit so auf eine ausreichende Hartlöttemperatur erhitzt werden, dass die Hartlötzusammensetzung schmilzt, wobei eine Hochtemperaturverbindung gebildet wird.
Sowohl im Fall des nicht-reaktiven Hartlötens als auch im Falle des reaktiven Hartlötens mit gesteuerter Reaktivität liegt die Hartlöttemperatur im allgemeinen 25ºC und vorzugsweise 50ºC höher als die Liquidustemperatur der Hartlötzusammensetzung.
Für das nicht-reaktive Hartlöten beträgt die Hartlöttemperatur im allgemeinen 1400-1600ºC und für das reaktive Hartlöten beträgt die Hartlöttemperatur im allgemeinen 1000-1750ºC, zweckmäßigerweise 1050-1700ºC, vorzugsweise 1100-1700ºC.
In den beiden Fällen muss die Hartlöttemperatur unter der Schmelztemperatur des Metalls oder der Metalllegierung liegen, wenn eine Verbindung Aluminium/Metall realisiert werden soll.
Die meisten Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung sind die dem verwendeten Hartlot innewohnenden Vorteile und diese wurden bereits im vorhergehenden beschrieben.
Als weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie gemäß der ersten als auch der zweiten Ausführungsform (nicht-reaktiv oder mit gesteuerter Aktivität) seien auch genannt:
- eine kurze Dauer des Hartlötens, beispielsweise nur 5-10 min. wodurch im Falle einer Verbindung Aluminiumoxid/Metall oder Metalllegierung das Größerwerden der Körner von Metallen oder Hochtemperaturmetalllegierungen vermieden wird. Außerdem ist der Parameter der Dauer des Hartlötens nicht kritisch und falls es notwendig ist, beispielsweise im Falle des Hartlötens von Teilen großer Abmessungen und/oder einer thermischen Trägheit des Ofens kann die Dauer des Hartlötens ohne weiteres verlängert oder angepasst werden.
- eine große Vereinfachung, die die Gesamtkosten des Verfahrens gering macht, insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren Aluminiumoxid mit sich selbst oder mit Metallen in Metalllegierungen in einem einzigen Vorgang verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeine durchgeführt, indem ein Hartlötzusammensetzungspulver gebildet wird, dieses Pulver in einem organischen Bindemittel suspendiert wird und die Oberflächen der zu verbindenden Abschnitte der Teile mit der erhaltenen Suspension bestrichen werden. Diese Hartlötzusammensetzung kann auf die Oberflächen der zu verbindenden Abschnitte der Teile ("zwischen den Teilen") und/oder in der Nähe dieser Oberflächen, die zusammengefügt werden sollen, appliziert werden.
Die Hartlötzusammensetzung kann auch in die Form von Bandmetall oder Flittern gebracht werden, beispielsweise durch Laminieren und Aufbringen dieses Bandmetalls oder dieser Flitter zwischen die Oberflächen der zu verbindenden Teile und/oder in der Nähe dieser Oberflächen.
Vorzugsweise wird das Bandmetall zwischen die zu verbindenden Teile eingefügt.
Im vorhergehenden wurde tatsächlich gesehen, dass dies einer der Vorteile von Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung und insbesondere von nicht-reaktiven Hartlötzusammensetzungen war, dass sie duktil sind und daher problemlos in Form von Bandmetall durch Laminieren verwendet werden können.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Hartlötzusammensetzungen wurde festgestellt, dass die Durchführung eines Kapillarhartlötens, d. h. ein Infiltrieren des Hartlots in die Hartlötverbindung ohne eine direkte Ablagerung des Hartlots zwischen den zu verbindenden Teilen möglich ist.
Die Erfindung betrifft auch die Hochtemperaturverbindung, die durch das im vorhergehenden beschriebene Verfahren gemäß einer reaktiven oder nicht-reaktiven Ausführungsform erhalten wurde.
Eine derartige Verbindung zeigt im wesentlichen alle Vorteile, die der verwendeten Hartlötzusammensetzung und dem im vorhergehenden beschriebenen Verfahren innewohnen.
Beispielsweise sind die erfindungsgemäßen Verbindungen sehr hitzebeständig und sie können hohen Temperaturen, die bis zu 1600ºC reichen und darüber hinausgehen, widerstehen.
Alle durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Verbindungen besitzen eine sehr gute mechanische Festigkeit, die beispielsweise durch einen sehr hohen σr-Wert definiert ist, und bei einem mechanischen Test erfolgt ein Reißen immer in einem der Substrate aus Aluminiumoxid oder Metall, jedoch nie in der Verbindung selbst.
Da durch die nicht-reaktive Hartlötzusammensetzung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ein nicht- reaktiver Charakter gegeben ist, ist es möglich, bei Bedarf das Hartlot zu lösen und von neuem ein Hartlöten durchzuführen. Da keine Reaktion des Hartlots mit dem Aluminium erfolgt ist, ist ein Neulöten sowie eine Reparatur möglich.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die zur Erläuterung und nicht zur Beschränkung angegeben ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht zunächst aus der Herstellung einer Hartlötzusammensetzung, die Aluminium, Titan, Palladium und/oder Nickel in den im vorhergehenden angegebenen gewünschten Anteilen enthält.
Die Hartlötzusammensetzung präsentiert sich im allgemeinen in der Form von Bandmetall oder Flittern oder auch einer Pulverzusammensetzung. Die Hartlötzusammensetzung kann beispielsweise durch zunächst die Synthese einer intermetallischen Verbindung, die Aluminium, Titan, Palladium und/oder Nickel enthält, ausgehend von den reinen Elementen hergestellt werden.
Die Synthese einer derartigen intermetallischen Zusammensetzung erfolgt beispielsweise durch Einführen der verschiedenen Metalle, beispielsweise in Form von Drähten, Stücken, Stäben oder anderen, vorzugsweise Stäben in einen Tiegel, vorzugsweise aus Bornitrid, unter Erhitzen auf im allgemeinen eine Temperatur von 50ºC über der Liquidustemperatur, d. h. beispielsweise eine Temperatur von 1250- 1700ºC, vorzugsweise unter Vakuum, d. h. bei einem Druck von 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup4; Pa, oder in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise Argon, während eines Zeitraums von 5-10 min zum Schmelzen der verschiedenen Bestandteile der Zusammensetzung und Erhalten der schließlich gewünschten homogenen intermetallischen Verbindung.
Die erhaltene intermetallische Verbindung, die das Hartlot bildet, wird dann, beispielsweise durch Laminieren, geformt, um Flitter oder ein Bandmetall einer Dicke von allgemein 50-500 um, vorzugsweise 100-200 um, zu erhalten.
Der erste Bereich entspricht vor allem den als nicht- reaktiv bezeichneten Zusammensetzungen.
Die erhaltene intermetallische Verbindung, die das Hartlot bildet, kann auch zerkleinert werden, insbesondere wenn dessen Duktilität nicht zum Laminieren ausreichend ist, was häufig der Fall bei als "reaktiv" bezeichneten Hartlötzusammensetzungen ist.
Das Zerkleinern kann in jeder geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einem Mörser, zur Bildung eines Pulvers einer geeigneten Körnigkeit, d. h. dessen Körner beispielswei se einen Durchmesser von 1-250 um aufweisen, durchgeführt werden.
Das Hartlötzusammensetzungspulver wird in klassischer Weise in einem flüssigen organischen Lösemittel, das vorzugsweise relativ viskos ist, das beispielsweise zwischen 100 und 300ºC, ohne Spuren zu hinterlassen, zersetzt wird, suspendiert. Es kann sich beispielsweise um ein Bindemittel des Typs NICROBRAZ® handeln.
Statt synthetisiert zu werden, wie dies oben beschrieben ist, kann die intermetallische Verbindung auch ein Handelsprodukt, das bereits in der gewünschten Formulierung ist oder für die Erfordernisse des Verfahrens umgewandelt wurde, sein.
Die Oberflächen der zu verbindenden Teile, beispielsweise eine Zahl von zwei, werden in einem organischen Lösemittel, beispielsweise des Typs Keton, Ester, Ether, Alkohol oder einem Gemisch derselben u. dgl., wobei ein bevorzugtes Lösemittel Ethanol ist, entfettet und dann getrocknet.
Die zu verbindenden Teile sind im allgemeinen eine Zahl von zwei Teilen, sie können jedoch auch in einer viel größeren Zahl von Teilen, die bis zu 100 gehen kann, gleichzeitig verbunden werden.
Durch die Hartlötzusammensetzung und das Verfahren gemäß der Erfindung können Teile aus einem Material auf der Basis von Al&sub2;O&sub3; untereinander oder mit Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung verbunden werden.
Ein Teil aus Materialien auf der Basis von Aluminiumoxid und ein Teil aus Metall oder einer Metalllegierung bedeutet im allgemeinen jedes Element oder jede Einheit einer beliebigen Form, die beispielsweise nach dem Verbinden mit einem oder mehreren anderen Teilen Strukturen einer größeren Abmessung ergeben.
Ein Material auf der Basis von Aluminiumoxid bedeutet hier im allgemeinen alle Materialien, deren Gehalt an Aluminiumoxid größer als oder gleich 90 Gew.-% ist.
Dies umfasst beispielsweise Saphir (monokristallines Al&sub2;O&sub3;) oder gebranntes Aluminiumoxid sowie Komposita auf der Basis von Aluminiumoxid, wie die Komposita Al&sub2;O&sub3;/ZrO&sub2; (Matrix Al&sub2;O&sub3;), die Komposita Al&sub2;O&sub3;/Mullit (Matrix Al&sub2;O&sub3;), die Komposita Al&sub2;O&sub3;/SiC (Matrix Al&sub2;O&sub3;) und die Komposita Al&sub2;O&sub3;/Si&sub3;N&sub4; (Matrix Al&sub2;O&sub3;).
Ein Teil aus Metall oder einer Metalllegierung bedeutet im allgemeinen ein Teil aus einem Metall, das aus Ti, Al, Ni, Pt, Mo, Zr oder einer ihrer Legierungen gewählt ist.
Vorzugsweise ist das Metall oder die Metalllegierung aus den hochschmelzenden intermetallischen Verbindungen auf der Basis von hauptsächlich Titan und Aluminium; Nickel und Aluminium; den Legierungen auf der Basis von Titan; Platin und Molybdän ausgewählt.
Vorzugsweise müssen die Metalle oder Metalllegierungen eine gegenüber dem Hartlot begrenzte Reaktivität und einen dem von Aluminiumoxid angepassten Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Es ist anzumerken, dass es aufgrund der Hartlötzusammensetzung und des Hartlötverfahrens gemäß der Erfindung möglich ist. Metalllegierungen mit einer Solidustemperatur über 1300ºC - was bei den im vorhergehenden zitierten Legierungen der Fall ist - zu verwenden und die Verwendung von Verbindungen Aluminiumoxid-Metall/Legierung bis zu den hohen Temperaturen von 1200ºC und darüber sicherzustellen.
Für den Fall, dass Teile auf der Basis von Aluminiumoxid miteinander verbunden werden, können die zu verbindenden zwei oder mehreren Teile aus einem gleichen Material auf der Basis von Aluminiumoxid, beispielsweise einem Komposit, sein, oder jedes der Teile kann aus einem verschiedenen Material auf der Basis von Aluminiumoxid sein; dies gilt auch, wenn mehrere Teile auf der Basis von Aluminiumoxid mit einem oder mehreren Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung verbunden werden.
In gleicher Weise können, wenn die zu verbindenden Teile zwei oder mehrere Teile aus Metall oder einer Metalllegierung umfassen, die zwei oder mehreren Teile aus Metall oder einer Metalllegierung aus dem gleichen Metall oder der gleichen Legierung sein oder jedes der Teile kann aus einem verschiedenen Metall oder einer verschiedenen Metalllegierung sein.
Das Lötmittel in der Form von Bandmetall oder Flittern, das im vorhergehenden beschrieben ist, wird gerei nigt, mittels eines organischen Lösemittels, das analog zu dem im vorhergehenden genannten ist, vorzugsweise Ethanol, entfettet und dann getrocknet.
Das Bandmetall oder die Flitter werden dann vorzugsweise zwischen die Oberflächen der zu verbindenden Abschnitte der Teile gegeben. Ein Gewicht wird dann auf der auf diese Weise erhaltenen Einheit angebracht, um diese an Ort und Stelle zu halten. Dieses Gewicht ist im allgemeinen gering (größenordnungsmäßig 20-200 g) und für eine Hartlot Zusammensetzung typisch.
Wenn die Hartlötzusammensetzung eine Pulverzusammensetzung ist, werden die Oberflächen der zu verbindenden Bereiche der Teile mit der Suspension der Hartlötzusammensetzung bedeckt und danach die Oberflächen kontaktiert. Es können aber auch die Oberflächen der zu verbindenden Bereiche der Teile kontaktiert und dann die Suspension der Hartlötzusammensetzung in der Nähe der durch die zwei in Kontakt gebrachten Oberflächen gebildeten Verbindung appliziert werden.
Die dann zum Hartlöten vorbereiteten Teile werden dann in einen Ofen unter Vakuum oder Inertgasatmosphäre gebracht.
Vorzugsweise wird im Falle eines nicht-reaktiven Hartlötens unter Vakuum und im Falle eines reaktiven Hartlötens in einer Inertgasatmosphäre gearbeitet.
Im allgemeinen ist das Vakuum ein sekundäres Vakuum, d. h. der Druck beträgt 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup5; Pa, beispielsweise 10&supmin;&sup4; Pa.
Vorzugsweise ist das Inertgas Argon oder Stickstoff oder Wasserstoff oder Argon mit 5% Wasserstoff.
Gemäß der Erfindung kann auch Argon von Handelsqualität mit einem nicht vernachlässigbaren Sauerstoffpartialdruck verwendet werden.
Zunächst wird eine erste Temperaturstufe, die ein Entgasen der Einheit und eventuell ein Abdampfen des Bindemittels (Bindemittelentfernung) ermöglicht, durchgeführt, während eine zweite Temperaturstufe, einfach gesagt, das Hartlöten ermöglicht.
Die erste Stufe wird beispielsweise bei einer Temperatur von 100 bis 300ºC, vorzugsweise 200 bis 300ºC während eines Zeitraums von beispielsweise 0,5-1 h, vorzugsweise 1 h durchgeführt.
Die zweite Stufe wird bei einer der Schmelztemperatur der gewählten Hartlötzusammensetzung entsprechenden Temperatur durchgeführt, jedoch ist dies vorzugsweise eine Temperatur von mindestens 25ºC, vorzugsweise 50ºC über der Liquidustemperatur der Zusammensetzung.
Entsprechend den Zusammensetzungen variiert diese Liquidustemperatur von beispielsweise 1000 bis 1650ºC. Die Hartlöttemperatur variiert daher beispielsweise von 1050 bis 1700ºC.
Genauer gesagt, variiert sie für nicht-reaktives Hartlöten von 1400 bis 1600ºC und für reaktives Hartlöten von beispielsweise 1050 bis 1700ºC.
Eine derartige Schmelztemperatur der Zusammensetzungen ermöglicht gemäß einem weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verwendung der Verbindung insbesondere bis zu 1600ºC entsprechend der Hartlötzusammensetzung.
Die Dauer des Hartlötens, d. h. des Wärmezyklus der Durchführung der Verbindung ist gemäß der Erfindung im allgemeinen von kurzer Dauer: die notwendige Stufenzeit ist beispielsweise geringer als 30 min und zweckmäßigerweise 5-10 min und vorzugsweise 10 min.
Der Druck des Ofens ist im allgemeinen ein Druck des sekundären Vakuums von 10&supmin;³ bis 10&supmin;&sup5; Pa, beispielsweise 10&supmin;&sup4; Pa.
Wenn in einer Inertgasatmosphäre, vorzugsweise Argon, gearbeitet wird, beträgt der Druck 10&supmin;³ bis 1 atm.
Danach wird die Verbindung auf Umgebungstemperatur mit einer Rate von beispielsweise 5ºC pro min gekühlt.
Die Verbindungen von Teilen aus Aluminiumoxid und gegebenenfalls Teilen aus Metall oder einer Metalllegierung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Verbindungen bzw. Fügungen umfassen, ermöglichen die Realisierung von Strukturen, Vorrichtungen, Bauteilen komplexer Formen mit erhöhten Verwendungstemperaturen, die bis zu 1600ºC gehen, mit größerer Präzision.
Die interessanten Eigenschaften von Aluminiumoxid sind u. a.:
- eine große Härte;
- eine geringe Dichte;
- eine gute Abriebbeständigkeit;
- sowie interessante dielektrische Eigenschaften.
Ferner bietet Aluminiumoxid eine sehr gute chemische Beständigkeit gegenüber Korrosion, beispielsweise eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit, beispielsweise an Luft bei hoher Temperatur bis beispielsweise 1300ºC. Schließlich ist Aluminiumoxid eine technische Keramik, die unter den technischen Keramiken das interessanteste Verhältnis Herstellungskosten/Qualität zeigt.
Alle diese Eigenschaften machen daher Aluminiumoxid zum Material der Wahl für zahlreiche derzeitige und zukünftige Anwendungen bei hoher Temperatur.
So lassen sich unter den durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Anwendungen der Verbindungen u. a. angeben:
Wärmetauscher, Brenner, Reaktoren, Pumpenvorrichtungen, Heizwiderstände, jedoch auch Brennkammern für Kraftfahrzeuge, Bauteile für die Luftfahrtindustrie, Positionsfühler, die eine genaue Ermittlung des Abstands zwischen den festen und beweglichen Teilen eines Flugzeugmotors ermöglichen, Zündkerzen der Brennkammer für einen Flugzeugmotor sowie allgemein Strukturen, die für eine korrodierende Umgebung bei Temperaturen über 1600ºC bestimmt sind.
Alle diese Anwendungen erfordern die Verbindung von Teilen aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid mit sich selbst oder mit Metallen oder Metalllegierungen.

Beispiel 1

In diesem Beispiel werden die Eigenschaften des Benetzens und Haftens verschiedener als "nicht-reaktiv" bezeichneter Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung oder nicht gemäß der Erfindung bestimmt.
Die Hartlötzusammensetzungen werden hergestellt, indem reine Metalle in der Form von Stangen bei einer Temperatur von 50ºC über der Liquidustemperatur in einer Argonatmosphäre geschmolzen werden.
Eine geringe Menge der auf diese Weise erhaltenen Hartlötzusammensetzung wird entnommen und die Benetzuhgseigenschaften werden bestimmt.
Die Benetzbarkeit wird durch das als "abgelagerter Tropfen" bezeichnete Verfahren, das darin besteht, die untersuchte Hartlötzusammensetzung zu schmelzen und einen Tropfen auf einem Substrat abzulagern, bestimmt.
Die Benetzbarkeit der untersuchten Legierung wird auf klassische Weise durch den Kontaktwinkel, d. h. den Winkel zwischen der Oberfläche des Substrats und der Tangente an die Oberfläche des Tropfens im Kontaktpunkt mit der Oberfläche des Substrats definiert. Eine Benetzung soll stattfinden, wenn der Kontaktwinkel unter 90º ist, und es soll keine Benetzung stattfinden, wenn der Kontaktwinkel größer als 90º ist.
Tatsächlich bildet der flüssige Tropfen als Funktion der Wechselwirkungen zwischen der Hartlötzusammensetzung und dem Substrat eine Kugel (kein Benetzen) oder er verteilt sich (Benetzen).
Ferner wurden die Hafteigenschaften jeder Hartlötzusammensetzung bestimmt.
Die Ergebnisse der Messungen der Benetzbarkeit und des Haftens der unterschiedlichen Hartlötzusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle I angegeben, wo die Natur des Substrats, die Hartlötzusammensetzung, die Temperatur, bei der die Hartlötzusammensetzungen geschmolzen wurden, die Atmosphäre, in der das Schmelzen erfolgt ist, der Kontaktwinkel der Hartlötzusainmensetzung am Substrat und die Natur der erhaltenen Haftung angegeben sind. TABELLE I Ergebnisse des Benetzens und der Haftung von nicht- reaktiven Hartlötzusammensetzungen (Ni, Pd)-Al-Ti an Aluminiumoxid
(* Argon handelsüblicher Reinheit)
Die Zugabe von Al und Ti in geringen Anteilen (weniger als 10 Atom-%) ermöglicht die Verbesserung des Benetzens und die Bildung von Kontaktwinkeln nahe 90º unter Beibehalten einer starken Haftung zwischen Legierung und Aluminiumoxid. Ferner zeigt die Prüfung der Grenzfläche das Fehlen eines Reaktionsprodukts an der Grenzfläche. Jenseits dieser Zusammensetzungen und bei Abwesenheit einer Reaktion wird noch eine Verbesserung des Benetzens, jedoch mit einem schwachen Haften, wahrscheinlich aufgrund des Vorhandenseins von Bläschen an der Grenzfläche beobachtet.

Beispiel 2

Dieses Beispiel betrifft die mechanische Festigkeit einer Verbindung zwischen zwei Teilen aus gebranntem Aluminiumoxid, die durch Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde, wobei eine erfindungsgemäße nicht- reaktive Hartlötzusammensetzung, die - in Atom-% - aus 94% Ni, 3% Aluminium und 3% Titan bestand, verwendet wurde.

a) Herstellung der Hartlötzusammensetzung und der zu verbindenden Teile

Eine Zusammensetzung Ni - 3 Atom-% Al - 3 Atom-% Ti wird ausgehend von den reinen Metallen Ni, Al und Ti in Stangenform synthetisiert.
Die reinen Metalle werden in einen Tiegel aus Bornitrid eingeführt und dann 5 min lang bei 1500ºC unter Argon erhitzt, um die gewünschte und homogene Endzusammensetzung zu erhalten.
Das erhaltene Hartlot ist duktil und wird laminiert, um ein Bandmetall einer Dicke von 100-200 um zu erhalten. Das mit Alkohol gereinigte Bandmetall wird zwischen zwei Teile Aluminiumoxid, die zuvor in gleicher Weise mit Alkohol gereinigt wurden, gegeben.
Auf diese Einheit wird ein Gewicht zum Zusammenhalten gelegt; dieses Gewicht ist gering (20 g) und für eine Hartlotverbindung typisch.

b) Hartlöten

Die im vorhergehenden beschriebene Einheit wird in einen Ofen gegeben und der Hartlötzyklus wird unter sekundärem Vakuum durchgeführt.
Eine erste Stufe mit einer Temperatur von 300ºC wird zunächst während 1 h durchgeführt und danach wird das eigentliche Hartlöten unter den folgenden Arbeitsbedingungen durchgeführt:
- Hartlöttemperatur: 1500ºC;
- Dauer der Stufe: 10 min.
- Atmosphäre: sekundäres Vakuum (10&supmin;&sup5; mbar).
Die erhaltene Verbindung wird dann bis auf Umgebungstemperatur mit einer Rate von 5ºC pro min gekühlt.

c) Mechanischer Test der Verbindung

Ein mechanischer Test mit Scherung wurde an dieser Verbindung durchgeführt.
Es gab keinen Bruch der Verbindung mit einer Scherkraft von 272 MPa.

Beispiel 3

Dieses Beispiel betrifft die mechanische Festigkeit einer Verbindung zwischen zwei Teilen aus gebranntem Aluminiumoxid, die durch Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde, wobei eine erfindungsgemäße nicht- reaktive Hartlötzusammensetzung, die - in Atom-% - aus 94% Palladium, 3% Aluminium und 3% Titan bestand, verwendet wurde.

a) Herstellung der Hartlötzusammensetzung und der zu verbindenden Teile

Eine Zusammensetzung Ni - 3 Atom-% Al - 3 Atom-% Ti wird ausgehend von den reinen Metallen Pd, Al und Ti in Stangenform synthetisiert.
Die reinen Metalle werden in einen Tiegel aus Bornitrit eingeführt und dann 5 min lang bei 1600ºC unter Argon erhitzt, um die gewünschte und homogene Endzusammensetzung zu erhalten.
Das erhaltene Hartlot ist duktil und wird laminiert, um ein Bandmetall einer Dicke von 100-200 um zu erhalten.
Das mit Alkohol gereinigte Bandmetall wird zwischen zwei Teile Aluminiumoxid, die zuvor in gleicher Weise mit Alkohol gereinigt wurden, gegeben.
Auf diese Einheit wird ein Gewicht zum Zusammenhalten gelegt; dieses Gewicht ist gering (20 g) und für eine Hartlotverbindung typisch.

b) Hartlöten

Die im vorhergehenden beschriebene Einheit wird in einen Ofen gegeben und der Hartlötzyklus wird unter sekundärem Vakuum durchgeführt.
Eine erste Stufe mit einer Temperatur von 300ºC wird zunächst während 1 h durchgeführt. Danach wird das eigentliche Hartlöten unter den folgenden Arbeitsbedingungen durchgeführt:
- Hartlöttemperatur: 1600ºC;
- Dauer der Stufe: 10 min.
- Atmosphäre: sekundäres Vakuum.
Die erhaltene Verbindung wird dann bis auf Umgebungstemperatur mit einer Rate von 5ºC pro min gekühlt.

c) Mechanischer Test der Verbindung

Ein mechanischer Test mit Scherung wurde an dieser Verbindung durchgeführt. Der Bruch erfolgte bei 65 MPa.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurden die Eigenschaften des Benetzens und der Haftung von verschiedenen reaktiven Hartlötzusammensetzungen gemäß der Erfindung oder nicht gemäß der Erfindung bestimmt. Die Herstellung der Hartlötzusammensetzungen sowie die Messung der Benetzbarkeit und Haftung wurden gemäß obigem Beispiel 1 durchgeführt.
Die Ergebnisse der Messungen der Benetzbarkeit und Haftung der verschiedenen Hartlötzusammensetzungen sind in der folgenden Tabelle II angegeben. TABELLE II Ergebnisse des Benetzens und der Haftung von reaktiven Hartlötzusammensetzungen (Ni, Pd) - Al - Ti an Aluminiumoxid
(* Argon handelsüblicher Reinheit)
Durch die Zugabe bedeutender Mengen Al und Ti kann eine gute Benetzung mit einer starken Haftung zwischen der Legierung und dem Aluminiumoxid erhalten werden. Ferner ergibt die Prüfung der Grenzfläche ein sehr feines Grenzflächenreaktionsprodukt einer Dicke der Größenordnung von mehreren um. Durch diese Zusammensetzungen kann eine hinsichtlich Dicke und Zusammensetzung gesteuerte Reaktion des Hartlots erhalten werden.

Beispiel 5

Dieses Beispiel betrifft die mechanische Festigkeit einer Verbindung zwischen zwei Teilen aus gebranntem Aluminiumoxid, die durch Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde, wobei eine erfindungsgemäße reaktive Hartlötzusammensetzung, die - in Atom-% - aus 25% Aluminium, 50% Titan und 25% Nickel bestand, verwendet wurde.

a) Herstellung der Hartlötzusammensetzung

Eine Zusammensetzung Ni - 25 Atom-% Al - 50 Atom-% Ti wird ausgehend von den reinen Metallen Ni, Al und Ti in Stangenform synthetisiert.
Die reinen Metalle werden in einen Tiegel aus Bornitrit eingeführt und dann 5 min lang bei 1500ºC unter Argon erhitzt, um die gewünschte und homogene Endzusammensetzung zu erhalten.
Das erhaltene Hartlot ist duktil und wird laminiert, um ein Bandmetall einer Dicke von 100-200 um zu erhalten.
Das mit Alkohol gereinigte Bandmetall wird zwischen zwei Teile Aluminiumoxid, die zuvor in gleicher Weise mit Alkohol gereinigt wurden, gegeben.
Auf diese Einheit wird ein Gewicht zum Zusammenhalten gelegt; dieses Gewicht ist gering (20 g) und für eine Hartlotverbindung typisch.

b) Hartlöten

Die im vorhergehenden beschriebene Einheit wird in einen Ofen gegeben und der Hartlötzyklus wird unter Argonatmosphäre durchgeführt.
Eine erste Stufe mit einer Temperatur von 300ºC wird zunächst während 1 h durchgeführt und danach wird das eigentliche Hartlöten unter den folgenden Arbeitsbedingungen durchgeführt:
- Hartlöttemperatur: 1500ºC;
- Dauer der Stufe: 5 min.
- Argondruck: 1 bar.
Die erhaltene Verbindung wird dann bis auf Umgebungstemperatur mit einer Rate von 5ºC pro min gekühlt.

c) Mechanischer Test der Verbindung

Ein mechanischer Test mit Scherung wurde an dieser Verbindung durchgeführt. Ein Bruch wird bei 127 MPa erreicht.

Beispiel 6

Dieses Beispiel betrifft die mechanische Festigkeit einer Verbindung zwischen zwei Teilen aus gebranntem Alumi niumoxid, die durch Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde, wobei eine erfindungsgemäße reaktive Hartlot Zusammensetzung, die - in Atom-% - aus 20% Aluminium, 25% Titan und zum Rest Nickel bestand, verwendet wurde.

a) Herstellung der Hartlötzusammensetzung

Eine Zusammensetzung Ni - 20 Atom-% Al - 25 Atom-% Ti wird ausgehend von den reinen Metallen Ni, Al und Ti in Stangenform synthetisiert.
Die reinen Metalle werden in einen Tiegel aus Bornitrit eingeführt und dann 5 min lang bei 1500ºC unter Argon erhitzt, um die gewünschte und homogene Endzusammensetzung zu erhalten.
Das erhaltene Hartlot ist duktil und wird laminiert, um ein Bandmetall einer Dicke von 100-200 um zu erhalten.
Das mit Alkohol gereinigte Bandmetall wird zwischen zwei Teile Aluminiumoxid, die zuvor in gleicher Weise mit Alkohol gereinigt wurden, gegeben.
Auf diese Einheit wird ein Gewicht zum Zusammenhalten gelegt; dieses Gewicht ist gering (20 g) und für eine Hartlotverbindung typisch.

b) Hartlöten

c) Mechanischer Test

Während des Hartlötens drang das Hartlot durch Kapillarkräfte vollständig in die Verbindung ein, wobei eine sehr gute mechanische Festigkeit der Teile sichergestellt wurde.
Ein mechanischer Test mit Scherung wurde an dieser Verbindung durchgeführt. Ein Bruch wurde bei 177 MPa erreicht.

Claims

1. Hochschroelzende, gegenüber Aluminiumoxid nicht-reaktive Hartlötzusammensetzung, die - in Atomprozent - aus 2 bis 10% Aluminium, 2 bis 10% Titan und 80 bis 96% einer Matrix, die aus Palladium, Nickel oder einer Legierung von Nickel und Palladium in allen Verhältnissen besteht, besteht.

2. Hochschmelzende, gegenüber Aluminiumoxid nicht-reaktive Hartlötzusammensetzung nach Anspruch 1, die - in Atomprozent - aus 2 bis 5% Aluminium, 2 bis 5% Titan und 90 bis 96% einer Matrix, die aus Palladium, Nickel oder einer Legierung von Nickel und Palladium in allen Verhältnissen besteht, besteht.

3. Hochschmelzende reaktive Hartlot Zusammensetzung, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, die - in Atomprozent - aus 2 bis 48% Aluminium, 10 bis 96% Titan und 2 bis 80% einer Matrix, die aus Palladium, Nickel oder einer Legierung von Nickel und Palladium in allen Verhältnissen besteht, unter der Bedingung, dass der Atomprozentgehalt von Titan über dem Atomprozentgehalt von Aluminium liegt, besteht.

4. Hochschmelzende reaktive Hartlötzusammensetzung nach Anspruch 3, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, die - in Atomprozent - aus 15 bis 30% Aluminium, 20 bis 35% Titan und 45 bis 60% Nickel besteht.

5. Hochschmelzende reaktive Hartlötzusammensetzung nach Anspruch 3, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, die - in Atomprozent - aus 2 bis 10% Aluminium, 35 bis 50% Titan und 45 bis 55% Nickel besteht.

6. Verfahren zur Verbindung eines Teils aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid mit mindestens einem anderen Teil aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid und/oder mindestens einem Teil aus Metall oder einer Metalllegierung durch nicht-reaktives Hochtemperaturlöten, wobei die Teile mit einer hochschmelzenden nicht-reaktiven Hartlötzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2 kontaktiert und die aus den Teilen und der Hartlötzusammensetzung gebildete Einheit so auf eine ausreichende Löttemperatur erhitzt werden, dass die Hartlötzusammensetzung schmilzt, wobei eine Hochtemperaturverbindung gebildet wird.

7. Verfahren zur Verbindung eines Teils aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid mit mindestens einem anderen Teil aus einem Material auf der Basis von Aluminiumoxid und/oder mindestens einem Teil aus Metall oder einer Metalllegierung durch reaktives Hochtemperaturlöten, wobei die Teile mit einer hochschmelzenden Hartlötzusammensetzung, deren Reaktivität gegenüber Aluminiumoxid gesteuert ist, nach einem der Ansprüche 3 bis 5 kontaktiert und die aus den Teilen und der Hartlot Zusammensetzung gebildete Einheit so auf eine ausreichende Löttemperatur erhitzt werden, dass die Hartlötzusammensetzung schmilzt, wobei eine Hochtemperaturverbindung gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Löttemperatur 1400 bis 1600ºC beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Löttemperatur 1000 bis 1750ºC beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die Lötdauer 5 bis 10 Minuten beträgt.

11. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei ein Hartlötzusammensetzungspulver gebildet wird, dieses Pulver in einem organischen Bindemittel suspendiert wird, und die Oberflächen der zu verbindenden Abschnitte der Teile mit der erhaltenen Suspension bestrichen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die Hartlötzusammensetzung in die Form von Metallflittern oder Bandmetall gebracht ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei die Hartlot Zusammensetzung zwischen die zu verbindenden Teile und/oder in deren Nähe gebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Kapillarlöten durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei das Material auf der Basis von Aluminiumoxid einen Aluminiumoxidgehalt von größer als oder gleich 90 Gew.-% aufweist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei das Material auf der Basis von Aluminiumoxid aus Saphir, gebranntem Aluminiumoxid und Komposita auf der Basis von Aluminiumoxid ausgewählt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Komposita auf der Basis von Aluminiumoxid aus den Komposita Al&sub2;O&sub3;/ZrO&sub2;, den Komposita Al&sub2;O&sub3;/Mullit, den Komposita Al&sub2;O&sub3;/SiC, und den Komposita Al&sub2;O&sub3;/Si&sub3;N&sub4; mit Al&sub2;O&sub3;-Matrices ausgewählt sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, wobei das Metall oder die Metalllegierung aus Ti, Al, Ni, Pt, Mo, Zr und deren Legierungen ausgewählt ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Metall oder die Metalllegierung aus den hochschmelzenden intermetallischen Verbindungen auf der Basis von Titan und Aluminium; Metall und Aluminium; Legierungen auf der Basis von Titan; Platin und Molybdän ausgewählt ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 19, wobei das Löten unter Vakuum oder in der Atmosphäre eines inerten oder reduzierenden Gases durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Gas aus Wasserstoff, Argon, Stickstoff und deren Gemischen sowie den Gemischen Argon/Wasserstoff ausgewählt ist.

22. Verbindung, die durch das Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7 erhalten wurde.