Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Niedertemperaturfügen von Ni-Basis-Superlegierungen mit Ni-Nanopartikeln

Im Forschungsvorhaben sollen Ni-nanopartikelhaltige Pasten für das Fügen von Ni-Basis-Superlegierungen untersucht

werden. Dabei wird der Effekt der Schmelzpunktabsenkung von Nanopartikeln für ein Fügen bei vergleichsweise niedrigen

Temperaturen genutzt. Das Ziel besteht darin, Ni-Basis-Superlegierungen bei Temperaturen unter 1100 °C prozesssicher

fügen zu können, um unerwünschte Gefügeveränderungen zu vermeiden, kombinierte Füge- und

Wärmebehandlungsprozesse zu ermöglichen bzw. bereits ausscheidungsgehärtete Werkstoffe fügen zu können. Neben

der Herstellung verschiedener Ni-Nanosuspensionen und deren Charakterisierung, werden Fügeversuche mit Ni-Basis-

Superlegierungen unter Variation verschiedener Prozessparameter durchgeführt. Die Verbindungen werden bzgl. der

entstehenden Mikrostruktur und des Festigkeitsverhaltens charakterisiert. Im Ergebnis werden Anleitungen für die

Herstellung der Nanosuspensionen zur Verfügung gestellt, sodass Lot- bzw. Pastenhersteller diese herstellen und als

innovatives Produkt in ihr Angebotsportfolio aufnehmen können. Zudem werden mit den Fügeversuchen die

Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und resultierenden Produkteigenschaften aufgezeigt, sodass die

Ergebnisse direkt in die Praxis übertragen können. Mit der Vermeidung unerwünschter Gefügeveränderungen können KMU

im Service- und Dienstleistungsgeschäft für den Gasturbinenmarkt qualitativ höherwertige Verbindungen (Komponenten

mit längerer Lebensdauer) herstellen, aber auch gänzlich neue Anwendungen (Erweiterung der Produktpalette)

erschließen. Zudem ergibt sich mit den angestrebten Ergebnissen eine deutlich erhöhte Flexibilität und Wirtschaftlichkeit

bei der Fertigung (abgesenkte Fügetemperatur, kombinierter Füge und Wärmebehandlungsprozess).

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Vorhaben wird das Fügen von verschiedenen Nickelbasislegierung mit Nanopasten eingehend untersucht, da nanoskalige Materialien besondere Eigenschaften aufweisen. Dazu wurden verschiedene Nickel-Nanopartikel-haltige Pasten (Nanopasten) hergestellt und für umfangreiche Fügeversuche an drei verschiedenen Grundwerkstoffen genutzt. Verschiedene chemische Systeme für derartige Nanopasten wurden untersucht, um geeignete Zusammensetzungen daraus abzuleiten. An Proben, welche mit diesen Nanopasten gefügt wurden, fanden Untersuchungen zur Scherzugfestigkeit in Abhängigkeit der Fügetemperatur, Haltezeit und Fügedruck sowie des Grundwerkstoffes und weiteren Aspekten statt. Dafür wurde eine spezielle Fügeanlage erweitert und umgebaut. Insgesamt kann gezeigt werden, dass sich verschiedene Nickelbasis-Werkstoffe bei vergleichsweise tiefen Temperaturen gut mit Nanopasten fügen lassen. Die abgesenkten Temperaturen bieten Potenzial für Energieeinsparung und erweitern das Spektrum des Fügeprozesses im Allgemeinen. Selbst für die tiefste untersuchte Fügetemperatur (675°C) lassen sich zumindest im Fall der beiden Inconel-Werkstoffe noch Scherfestigkeiten von über 100 MPa erreichen. Die maximal ermittelte Scherfestigkeit liegt innerhalb aller Versuche bei 218,7 MPa. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Nanopasten mit 90 nm Ni-NP unerwarteter Weise zu besseren Fügeergebnissen führen, als die Paste mit 20 nm-Partikel. Mögliche Gründe dafür wurden erörtert. Für das Versagensverhalten der Fügeproben im Scherversuch konnten verschiedene Tendenzen festgestellt werden. Die Fügenähte bilden bei geeigneter Wahl der Fügeparameter eine dichte Mikrostruktur aus, welche nur wenige Defekte aufweist. Nur beispielsweise bei niedrigen Temperaturen oder im Fall der Paste mit 20 nm Ni-NP sind Porosität und die Häufigkeit von Anbindungsfehlern erhöht. Im fügenahtnahen Bereich der Grundwerkstoffe konnten Rekristallisationseffekte beobachtet werden.