Hoe wordt titanium aan aluminium, staal, koper of keramiek hardgesoldeerd?

Titanium hardsolderen met aluminium

Aluminium-titaniumconstructies combineren lage kosten, een hoge specifieke sterkte en corrosiebestendigheid, maar door de fysische onverenigbaarheid ontstaan er restspanningen en broze TiAl-intermetallische verbindingen. Het vulmateriaal moet beide zijden bevochtigen, de spleet opvullen en een reactie tussen meerdere componenten bevorderen die de vorming van TiAl beperkt.

De vulmaterialen Al30Ag10Cu, Al10Cu8Sn en Al10Si1Mg zijn gebruikt voor het vacuüm solderen van zuiver titanium aan zuiver aluminium bij 600–620 °C. Aan hun grensvlakken ontstaat TiAl₃ met Ag₂Al of CuAl₂, of Ti₇Al₅Si₁₂. Het Al-Si-Mg-vulmateriaal leverde in deze vergelijking de hoogste gerapporteerde afschuifsterkte op, namelijk 70 MPa. Door La en Pr toe te voegen aan Al8,4Si20Cu10Ge werd vacuümhardlodden in een oven van Ti-6Al-4V aan 6061-aluminium bij 530 °C mogelijk en nam de treksterkte toe tot 51 MPa.

Titanium hardsolderen met roestvrij staal

Gebruik vacuüm of argon om gasopname en oxidatie te voorkomen. Koolstof, chroom en nikkel uit roestvrij staal kunnen met titanium reageren en zo TiC-, TiCr- en TiNi-verbindingen vormen. Kies een vulmetaal met een smeltpunt onder de transformatietemperatuur van titanium en vermijd toevoegingen die in overmatige mate broze fasen vormen. Voor Ti-6Al-4V ten opzichte van 304 roestvrij staal vertoonde BNi7 de beste bevochtiging van de vier opties: 40Ti-20Zr-20Cu-20Ni, Ag-5Pd, BNi2 en BNi7; een hoger Ni-gehalte remde bovendien de groei van de bèta-fase. In de lucht kan een zilvervulmiddel met CuCl-AgCl-vloeimiddel plus een kleine toevoeging van LiF de bevochtiging verbeteren.

Titanium hardsolderen met koper

Bij vacuümhardsolderen van Ti-6Al-4V aan QCr0,8-chroombronzen met AgCu28 ontstaan vaste oplossingen van Ag en Cu, evenals CuTi-intermetallische verbindingen. Bij 890 °C gedurende 10 minuten bedroeg de gerapporteerde maximale afschuifsterkte 449 MPa. Met Ti-Ni-Zr-Cu-vulmetaal kan dunwandig Ti-6Al-4V worden verbonden met TU2 zuurstofvrij koper; een nikkelcoating van 10–20 μm kan de oplossing van titanium beperken. Bij het hardsolderen wordt de warmte naar de zijde met het lager smeltpunt (koper) geleid om het smelten van titanium en de vorming van TiCu te beperken.

Titanium hardsolderen met keramiek

Keramiek is hittebestendig, slijtvast en corrosiebestendig, maar is moeilijk te verwerken en heeft een lage taaiheid. Door middel van hardsolderen kan het worden verbonden met taaie titaniumconstructies, maar daarbij moeten twee problemen worden opgelost: slechte metallurgische bevochtiging als gevolg van ionische of covalente bindingen, en restspanning als gevolg van verschillen in thermische uitzetting. Breng vooraf een metaallaag aan op het keramiek of voeg een actief vulelement toe, en verminder de spanning door middel van een versterking met lage uitzetting, een tussenlaag of het ontwerp van de verbindingsgeometrie.

Actieve vulstoffen op basis van Ag-Cu-Ti en Ag-Ti komen veel voor. Ag-Cu-Ti bevochtigt keramiek effectief bij temperaturen rond 850–1.000 °C en kan beide substraten hechten; boven 1.000 °C neemt het voordeel op het gebied van keramische bevochtiging aanzienlijk af.