Blog

Mar 02, 2024

Diffusionsschweißen zum Verbinden unterschiedlicher Metalle

In der Luft- und Raumfahrt ist das Metalldiffusionsschweißen eine wesentliche Verbindungsmethode zur Erzielung einer hochreinen Grenzfläche, wenn zwei ähnliche Metalle eine überlegene strukturelle Integrität erfordern. Der Prozess beinhaltet die Bewerbung

In der Luft- und Raumfahrt ist das Metalldiffusionsschweißen eine wesentliche Verbindungsmethode zur Erzielung einer hochreinen Grenzfläche, wenn zwei ähnliche Metalle eine überlegene strukturelle Integrität erfordern. Bei diesem Prozess werden hohe Temperaturen und Druck auf Metalle ausgeübt, die in einer Heißpresse zusammengefügt werden. Dadurch vermischen sich die Atome auf festen Metalloberflächen und verbinden sich.

Das Heißpress-Diffusionsschweißen führt bei einer Reihe von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt zu gleichbleibend gleichmäßigen Ergebnissen bei der Materialverbindung. Der von Heißpressgeräten erzeugte Druck kann in Kombination mit Software und Rückkopplungssensoren für eine präzise Steuerung mit Mikrometergenauigkeit einen konstanten Druck über mehrere Quadratfuß für die Komponentenmontage erzeugen. Dies hat die Technologie für Konstrukteure in der Luft- und Raumfahrt-, Halbleiter- und Energieindustrie interessant gemacht.

Aufgrund seines hohen Grades an Prozesskontrolle wird das Diffusionsschweißen zunehmend kommerziell eingesetzt, um Titan mit Eisen-Nickel-Legierungen, Titanlegierungen mit rostfreiem Stahl und sogar etwas Aluminium mit anderen Metallanwendungen zu verbinden. Das Verfahren ermöglicht auch die Kopplung zwischen verschiedenen Legierungen derselben Materialgruppe, beispielsweise Weichstahl, Werkzeugstahl und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen.

Für den erfolgreichen Einsatz des Diffusionsbondens ist ein Verständnis der Komplexität der Grenzfläche und ihrer Auswirkungen auf die chemischen und thermomechanischen Eigenschaften der Bindung erforderlich. Laut Thomas Palamides, Senior Product & Sales Manager – Industrieöfen, PVA TePla AG, einem weltweiten Hersteller von Industrieöfen und PulsPlasma-Nitriersystemen, gibt es jedoch aufgrund des traditionellen Schwerpunkts der Branche auf Schweißen und Löten nur minimale formale Schulungen zum Thema Diffusionsschweißen.

„Die Kombination der vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Metalle ist der Hauptgrund für die Erforschung der Diffusionsbindung. Wenn sich jedoch Luft- und Raumfahrthersteller an uns wenden, sind die Konstrukteure oft nicht mit den besten Komponentendesignmethoden zur Optimierung der Verbindungsgleichmäßigkeit vertraut oder sind nicht mit der besten Oberflächenbeschaffenheit der Materialien vertraut“, sagt Palamides.

Die Bedeutung der Konstruktion einer Verbindung aus unterschiedlichen Metallen liegt oft in dem Wunsch, die richtige Metalloberfläche bestimmten Umgebungsbedingungen auszusetzen, bei denen eine einzelne Legierung möglicherweise nicht so gut funktioniert. Ein weiterer Grund besteht darin, Materialsysteme einzuführen, die leichter sind oder ein Maß an Korrosionsbeständigkeit bieten, das nur durch die Verpackung unterschiedlicher Metalle erreicht wird.

Diffusionsschweißen ist heute ein praktikables Verfahren zur Herstellung von Strukturhardware für die Luft- und Raumfahrt oder von Flüssigkeits- und Gasströmungsgeräten, einschließlich Wärmemanagementgeräten für Verteidigungswaffen, Flüssigbrennstoff-Raketentriebwerken und Millimeterwellen-Hybridantennenhörnern für die Land- und Weltraumüberwachung.

Die Geometrie von Antennen zur Erkennung polarisierter elektronischer Radiowellen ist das Herzstück dieser Technologie, und Diffusionsschweißen ermöglicht komplexere Designs für eine verbesserte Leistung.

Darüber hinaus ermöglicht das Diffusionsschweißen von Titan-, Stahl- und Kupferlegierungen die Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten mit komplexen Konfigurationen. Das Verfahren kann erfolgreich beim Blasformen eingesetzt werden, um endkonturnahe Luft- und Raumfahrtkomponenten herzustellen, darunter Hochdrucktanks zur Lageregelung von Raumfahrzeugen, eine Brennkammer mit Kupferkühlkanälen und leichte Strukturplatten.

Das Diffusionsschweißen hat auch ein enormes Anwendungspotenzial für die konforme Kühlung oder das Verbinden von Blechschichten, die maschinell bearbeitete Kanal-/Mikrokanalstrukturen enthalten. In Kombination können die Kanäle für Kühlung oder Wärmeableitung sorgen. Die Schichten können bis zu einer Stapelhöhe von 600 mm in der MOV-Diffusionsschweißpresse verbunden werden und behalten dabei die gleiche Festigkeit wie die Grundmaterialien.

Eine weitere Anwendung im Zusammenhang mit der konformen Kühlung sind Kunststoffspritzgussformen, die in zweischichtiger Ausführung aus niedrig legiertem Werkzeugstahl mit Edelstahl wie STAVAX hergestellt werden.

Obwohl es zu diesem Thema bereits umfangreiche Forschungsarbeiten gibt, kann es für Konstrukteure immer noch schwierig sein, die Informationen in die reale Fertigung eines bestimmten Teils umzusetzen. In diesem Fall kann es hilfreich sein, mit Experten zusammenzuarbeiten, die über eine umfangreiche Datenbank erfolgreicher Verarbeitungsparameter aus früheren Anwendungen und Zugang zu Geräten im industriellen Maßstab verfügen.

„In den meisten Fällen beginnen wir mit dem Luft- und Raumfahrthersteller Gespräche über die Einführung neuer Designs, beraten uns über mögliche Materialien und Designs und führen bei Bedarf auch Vorverklebungsläufe durch“, erklärt Palamides. PVA TePla bietet Unterstützung, einschließlich spezifischer Materialkombinationen, Verarbeitungszeiten und Temperaturen.

Er weist darauf hin, dass das richtige Design die Diffusionsverbindung von Baugruppen ermöglicht, sei es eine enge Schnittstelle oder mehrere Schnittstellen, die gleichzeitig planar parallel sind. Flächen, die nicht senkrecht zur Druckkraft des Hydraulikzylinders stehen, können jedoch nicht richtig haften.

Laut Palamides arbeitet der Hersteller zunächst mit seinen Teams für Mechanik, Thermik und Modellierung zusammen. Sobald ein Design abgeschlossen ist, besteht der nächste Schritt darin, Testmuster herzustellen, die den Eigenschaften der endgültigen Schnittstelle entsprechen.

Trotz seiner Vorteile wurde der Einsatz des Diffusionsschweißens in der Luft- und Raumfahrt bis vor Kurzem durch eher praktische Überlegungen eingeschränkt; Insbesondere die Größenbeschränkung der Ofenkammer und die Grenzen der Menge und Gleichmäßigkeit des Drucks, der über die gesamte Oberfläche des Teils ausgeübt wird. Auch die Laufzeiten sind lang und dauern oft einen ganzen Tag.

Fortschritte bei Hochvakuum-Heißpressen ermöglichen jetzt eine bessere Druckkontrolle und schnelle Kühlsysteme, um die Bindung zu verbessern, die Ausbeute zu erhöhen und die Zykluszeit deutlich zu verkürzen.

Für den Druck können integrierte Einzylinder-Hydraulikpressen eine konstante, messbare Kraft aufbringen. Dies bietet jedoch nur sehr wenig Kontrolle über große Teile mit komplexeren Geometrien. Um die Kraftverteilung zu verbessern, verbinden dicke Graphitpressplatten (10 bis 15 Zoll hoch) die Metallschichten mit einem gleichmäßigeren Druck miteinander. Leider nimmt dies Ofenraum in Anspruch und verlängert gleichzeitig die Zeit zum Erhitzen der Metalloberflächen.

Heute bieten Hersteller wie PVA TePla Mehrzylindersysteme mit großen Pressplatten an, die verschiedene Teile aufnehmen können. Der größte, der MOV 853 HP des Unternehmens, kann Substrate mit einer Größe von bis zu 900 mm x 1250 mm (35,43 x 49,21 Zoll) verarbeiten. Die Presskraft beträgt 4.000 kN.

Durch die unabhängige Steuerung jedes Zylinders sorgt die integrierte Presse für einen bemerkenswert gleichmäßigen Druck auf der gesamten Oberfläche. Der MOV verfügt außerdem über integrierte Druckwandler an der Unterseite der Pressplatte. Die einzelnen Hydraulikzylinder können per Software angepasst werden, um auf Basis des Sensor-Feedbacks eine Gleichmäßigkeit auch über große Flächen zu erreichen.

PVA TePla hat eine physikalische Tintentestmethode optimiert, die Bereiche auf dem Substrat identifiziert, auf die ungleichmäßiger Druck ausgeübt wird.

„Heutige Geräte liefern detaillierte Messungen der Materialeigenschaften während des Klebens“, sagt Palamides. „Dieses wertvolle Feedback kann zeigen, wie die Materialien komprimiert werden, ob sie zerkleinert werden, ob sich eine vorübergehende Flüssigkeitsschicht bildet und andere wichtige Leistungsindikatoren des Verfahrens.“

Um die Qualität der Schnittstelle sicherzustellen, empfiehlt Palamides die Analyse von Proben durch zerstörungsfreie Inspektionstechniken, wie z. B. akustische Rastermikroskopie (SAM) oder Rasterelektronenmikroskopie/energiedispersive Röntgenspektroskopie (SEM-EDS). Anschließend können Versuchsproben destruktiv analysiert und zu standardmäßigen mechanischen Testproben verarbeitet werden, um wiederholbare Daten zu sammeln.

Während das Interesse am Diffusionsschweißen wächst, erfordern alle Anwendungen gründliche Forschung, um den Verbindungsprozess zu optimieren. Nur wenige globale Unternehmen können mit Herstellern im Rahmen des Prozesses zusammenarbeiten, um sie bei der Einführung kommerzieller Systeme zu beraten. Die Zusammenarbeit mit einem Experten für Diffusionsschweißen verschafft Herstellern einen Wettbewerbsvorteil vom Teiledesign bis zum Produktionsanlauf.

Erfahren Sie mehr über diese Ausgabe und finden Sie die nächste Geschichte, die Sie lesen können.