Wie wird Titan mit Aluminium, Stahl, Kupfer oder Keramik hartgelötet?

Hartlöten von Titan mit Aluminium

Aluminium-Titan-Strukturen vereinen niedrige Kosten, eine hohe spezifische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, doch ihre unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften führen zur Entstehung von Restspannungen und spröden TiAl-Intermetallverbindungen. Der Füllstoff muss beide Seiten benetzen, den Spalt ausfüllen und eine Mehrkomponentenreaktion fördern, die die Bildung von TiAl begrenzt.

Die Füllmetalle Al30Ag10Cu, Al10Cu8Sn und Al10Si1Mg wurden verwendet, um reines Titan bei 600–620 °C mit reinem Aluminium vakuumzulöten. An ihren Grenzflächen bilden sich TiAl₃ mit Ag₂Al oder CuAl₂, bzw. Ti₇Al₅Si₁₂. Das Al-Si-Mg-Lot erzielte in diesem Vergleich mit 70 MPa die höchste bisher gemessene Scherfestigkeit. Durch Zugabe von La und Pr zu Al8,4Si20Cu10Ge wurde das Vakuumlöten von Ti-6Al-4V an 6061-Aluminium bei 530 °C im Ofen ermöglicht und die Zugfestigkeit auf 51 MPa erhöht.

Hartlöten von Titan mit Edelstahl

Verwenden Sie Vakuum oder Argon, um die Gasaufnahme und Oxidation zu verhindern. Kohlenstoff, Chrom und Nickel aus Edelstahl können mit Titan reagieren und TiC-, TiCr- und TiNi-Verbindungen bilden. Wählen Sie einen Zusatzwerkstoff, dessen Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur von Titan liegt, und vermeiden Sie Zusätze, die übermäßig spröde Phasen bilden. Bei der Verbindung von Ti-6Al-4V mit Edelstahl 304 zeigte BNi7 die beste Benetzung unter den Legierungen 40Ti-20Zr-20Cu-20Ni, Ag-5Pd, BNi2 und BNi7; ein höherer Ni-Gehalt hemmte zudem das Wachstum der Beta-Phase. An der Luft kann ein Silberzusatz mit CuCl-AgCl-Flussmittel sowie einer geringen LiF-Zugabe die Benetzung verbessern.

Hartlöten von Titan mit Kupfer

Beim Vakuumlöten von Ti-6Al-4V an QCr0,8-Chrombronze mit AgCu28 entstehen Ag- und Cu-Mischkristalle sowie CuTi-Intermetallverbindungen. Bei 890 °C für 10 Minuten betrug die gemessene maximale Scherfestigkeit 449 MPa. Mit einem Ti-Ni-Zr-Cu-Lot lässt sich dünnwandiges Ti-6Al-4V mit sauerstofffreiem TU2-Kupfer verbinden; eine 10–20 μm dicke Nickelbeschichtung kann die Titanauflösung begrenzen. Beim Hartlöten wird die Wärme auf die Seite des niedriger schmelzenden Kupfers geleitet, um das Schmelzen von Titan und die Bildung von TiCu zu begrenzen.

Hartlöten von Titan mit Keramik

Keramiken sind hitze-, verschleiß- und korrosionsbeständig, lassen sich jedoch nur schwer formen und weisen eine geringe Zähigkeit auf. Durch Hartlöten lassen sie sich mit zähen Titanstrukturen verbinden, doch dabei müssen zwei Probleme gelöst werden: eine schlechte metallurgische Benetzbarkeit aufgrund ionischer oder kovalenter Bindungen sowie Restspannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht werden. Die Keramik sollte vormetallisiert oder mit einem aktiven Füllelement versetzt werden, und die Spannungen lassen sich durch eine Verstärkung mit geringer Ausdehnung, eine Zwischenschicht oder eine geeignete Gestaltung der Verbindungsgeometrie reduzieren.

Häufig kommen aktive Füllstoffe wie Ag-Cu-Ti und Ag-Ti zum Einsatz. Ag-Cu-Ti benetzt Keramik bei Temperaturen um 850–1.000 °C effektiv und kann beide Substrate verbinden; oberhalb von 1.000 °C nimmt seine Benetzungswirkung auf Keramik deutlich ab.