Newly developed active braze powders based on commercial nickel brazes using zirconium as active element for joining ceramic to metal
Authors: Bobzin K. , Schläfer T. , Kopp N. , Schlegel A. 
Published: June 2010

Die gestiegenen Anforderungen an hochbeanspruchte Bauteilkomponenten hinsichtlich Beständigkeit gegen thermische, oxidierende und korrosive Beanspruchungen, Härte sowie Verschleißbeständigkeit prädestinieren den Einsatz von ingenieurkeramischen Werkstoffen. Dem gegenüber stehen Eigenschaften wie hohe Sprödigkeit, zum Teil geringe Thermoschockbeständigkeit, schwierige Bearbeitbarkeit und daraus resultierende Einschränkungen bei der konstruktiven Gestaltung. Hybride Werkstoffkonzepte als Kombination ingenieurkeramischer Werkstoffe mit metallischen Konstruktionswerkstoffen können, sofern dazu geeignete und leistungsfähige Fügetechniken verfügbar sind, technologisch interessante Lösungen darstellen. Das Aktivlöten als eine in der Werkstoffauswahl sehr flexible Fügetechnologie bietet sich für die Erschließung neuer und innovativer Anwendungen wie beispielsweise der Hochtemperatur‐Brennstoffzellen‐Technik an. Derzeit in der industriellen Praxis eingesetzte Aktivlote auf Silber/Kupfer‐, Kupfer‐ und Silberbasis weisen bei etwa 500°C einen deutlichen Abfall bezüglich ihrer mechanischen Festigkeit auf. Gold‐ oder palladiumhaltige Aktivlote mit diesbezüglich besseren Eigenschaften finden aufgrund ihres hohen Preises äußerst selten Verwendung. Die hier vorgestellten Untersuchungen haben das Ziel, neue Aktivlotlegierungen bei vertretbaren Rohstoffkosten für Einsatztemperaturen oberhalb von 500°C zu entwickeln, die sich zudem beim Einsatz in kohlenwasserstoffhaltigen Umgebungen beständiger gegen korrosive Angriffe zeigen als Aktivlote auf Silber/Kupfer‐, Kupfer‐, und Silberbasis. Ausgehend von den Nickelbasisloten NI 102, NI 105 und NI 107 wurden Experimentallote mit Zirkon als grenzflächenaktivem Element hergestellt. Die Modifizierung der Basislote erfolgte zum einen pulvermetallurgisch unter der Verwendung von Zirkonhydrid durch Mischen oder mechanisches Legieren mit einer Hochenergiekugelmühle. Zum anderen wurden die Basislote schmelzmetallurgisch mit Zirkon legiert. Der Aktivmetallgehalt variierte zwischen 2 Gew.‐% und 10 Gew.‐%. Zur Charakterisierung diente die thermoanalytische Vermessung der Schmelzbereiche aller Experimentallote und die pulvermorphologische sowie röntgendiffraktometrische Analyse der pulvermetallurgisch hergestellten. Die Eignung der Experimentallote für das Aktivlöten wurde in Benetzungstests auf Aluminiumoxid in Hochvakuumlötversuchen experimentell untersucht und metallographisch bewertet.

The increased requirements of highly stressed components, concerning the resistance to thermal‐induced stresses, oxidation, corrosion, hardness as well as wear resistance make high‐performance technical ceramics ideally suited for such applications. On the other hand they exhibit properties like high brittleness, partly low thermal shock resistance, low workability and consequential limitations in the engineering design. Hybrid material concepts, as combination of high‐performance technical ceramics and metallic engineering materials, can offer interesting technological solutions, if suitable and joining technologies are available. Active brazing, which is a very flexible joining technology in respect of the material selection, arises for the development of new and innovative applications, such as high‐temperature fuel cells. Currently silver/copper, copper and silver active brazing filler metals are already used in the industry and are characterised by a decrease of their mechanical strength at approx. 500°C. Referring to this, gold and palladium active brazing filler metals show better features, but because of their high price, they are seldom used. The aim of the reported investigations is the development of active brazing filler metals with reasonable raw materials costs for working temperatures above 500°C and moreover to be used in hydrocarbonated environments with better corrosion‐resistance than silver/copper, copper and silver active brazing filler metals. Experimental brazing filler metals with zirconium as surface‐active element has been manufactured on the basis of nickel brazing filler metals NI 102, NI 105 and NI 107. The modification of each nickel brazing filler metal was carried out on the one hand by powder metallurgy, whereby zirconium hydride has been mixed or mechanically alloyed. On the other hand the nickel brazing filler metals have been alloyed with zirconium by melting metallurgy. The content of active metal varied between 2 weight‐% and 10 weight‐%. For the characterisation, the melting range of all experimental brazing filler metals has been determined by thermoanalytical methods and the ones, which have been manufactured by powder metallurgy, have been investigated by means of an x‐ray diffraction analysis and a morphological analysis of the powder particles. The suitability of the experimental brazing filler metals for the active brazing has been probed in wetting tests on alumina in high‐vacuum brazing trials and examined metallographically.