Published on 11/25/2016
Categories: Aerospace

Diffusionsschweißen von Titan: Der Definitive Leitfaden

Diffusionsschweißen von Titan: Der Definitive Leitfaden

In diesem Artikel möchte ich mich insbesondere auf das Titan konzentrieren, denn von allen gängigen Engineering-Materialien kann es am einfachsten durch Diffusionsschweißen verbunden werden, aufgrund seiner Fähigkeit, bei Schweißtemperaturen sein eigenes Oxid aufzulösen. Lassen Sie uns also im Detail anschauen, wie Diffusionsschweißen funktioniert, warum es die bevorzugte Verbindungsmethode für Titan (Ti) und Titanlegierungen ist und welcher Hitzezyklus beim Diffusionsschweißen von Titan in Vakuumöfen erforderlich ist. Außerdem möchte ich Ihnen einige Beispiele für Anwendungen des Diffusionsschweißens vorstellen.

Wie das Verfahren des Diffusionsschweißens funktioniert

Das Diffusionsschweißen ist ein Verbindungsverfahren in festem Zustand. Diese Schweißtechnik basiert auf der atomaren Diffusion von Elementen an der Verbindungsschnittstelle. Das Diffusionsschweißen ist ein sehr attraktives Verfahren für feste Verbindungen von ungleichen Engineering-Materialien, um Engineering-Vorrichtungen und Strukturen zu formen. Dieses Verfahren wurde umfassend im Bereich der Luft- und Raumfahrt angewendet, zum Verbinden von Materialien und zur Schaffung von Formen, die sonst nicht möglich gewesen wären (wie zum Beispiel mehrfach gerippte Kanäle und Wabenkonstruktionen).

Das Verbinden ungleicher Materialien mit unterschiedlichen thermo-physikalischen Eigenschaften, was mit anderen Verfahren nicht möglich ist, kann mit dem Diffusionsschweißen erreicht werden. Metalle, Legierungen, Keramik und Pulvermetallurgie-Produkte können mittels Diffusionsschweißen miteinander verbunden werden, bei einer minimalen makroskopischen Deformierung. Hochpräzise Komponenten mit komplizierten Formen oder Querschnitten können hergestellt werden, ohne dass eine anschließende maschinelle Bearbeitung erforderlich ist. Das bedeutet, dass bei den Produkten wirklich gute Maßtoleranzen erzielt werden können. Beim Diffusionsschweißen können die chemischen Heterogenitäten minimiert werden. Darüber hinaus können mit dieser Technik gewöhnliche Mängel wie Risse, Verzerrungen und Segregationen vermieden werden.

Zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung zwischen ungleichen Metallen, ist eine schnellere Diffusionsrate erforderlich, die durch höhere Schweißtemperaturen und längere Haltezeiten zwischen den Materialien erzielt wird. Heutzutage werden die meisten Verbindungsvorgänge in Vakuumöfen durchgeführt. Das Diffusionsschweißen ist abhängig von Temperatur, Druck, Zeit und (ultraniedrigen) Vakuumstufen, um einen atomaren Austausch entlang der Verbindungsstelle zwischen den Materialien zu ermöglichen.

Warum Diffusionsschweißen für Titan angewendet wird

Titan (Ti) ist ein ausgezeichnetes Material, das bei Industrieanwendungen häufig benutzt wird, wegen seiner hohen spezifischen Festigkeit, seiner guten Erosionsbeständigkeit und seiner günstigen Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Es ist um 30 Prozent fester als Stahl, obwohl es um 40 Prozent leichter ist. Im Vergleich zu Aluminium ist es um 60 Prozent schwerer, aber doppelt so fest. Darüber hinaus wird Titan zusammen mit Aluminium (Al), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Molybdän (Mo) und anderen Metallen verwendet, um seine beträchtliche Festigkeit noch weiter zu steigern, insbesondere bei hohen Temperaturen (Raketenantrieb-Kraftstoffe) und wegen seiner korrosionsbeständigen Eigenschaften.

In der Luft- und Raumfahrt wird Titan zur Herstellung struktureller Komponenten von Tragflächen eingesetzt, aber auch für Außenbeschichtungen von Hydrauliksystemen in Flugzeugen, für verschiedene Bauteile von Flugzeugmotoren und für die Kabinen von Raumfahrzeugen, wo die Qualitäten unersetzlich sind. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften wird es auch in marinen Umgebungen eingesetzt, für Schiffsschrauben und andere Teile, die der Korrosion ausgesetzt sind, sowie für Unterwasserausrüstungen. Im Militärsektor werden Titan und Titanlegierungen zur Herstellung von Raketen, Lenkflugkörpern und sonstiger Ausrüstung verwendet. Im medizinischen Sektor wird Titan bei künstlichen Hüft- und Kniegelenken, bei Herzschrittmachern, bei Knochenplatten und -schrauben und bei kranialen Implantaten verwendet. Die Nachfrage nach Titan nimmt auch in der petrochemischen Industrie und auf Ölbohrplattformen zu, sowie bei der Produktion von Motorrädern.

Vor dem Hintergrund des zunehmenden Gebrauchs von Titan und seinen Legierungen, sind die Verfahren zum Verbinden von Titan und seinen Legierungen von großem Interesse. Leider ist das Schweißen von Titan und Titanlegierungen sehr schwierig, da sie bei hohen Temperaturen chemisch hochreaktiv sind und bei sehr geringem Sauerstoff-Partialdruck zum Oxidieren tendieren. Während des Schweißverfahrens nehmen Titanlegierungen sehr leicht Sauerstoff und Stickstoff aus der Atmosphäre auf. Aus diesem Grund ist das Vakuumdiffusionsschweißen die bevorzugte Verbindungsmethode für Titan und Titanlegierungen.

Schauen wir uns nun das Vakuumdiffusionsschweißen im Hinblick auf den Hitzezyklus an, der beim Diffusionsschweißen von Titan erforderlich ist. Außerdem möchte ich Ihnen einige Beispiele für Anwendungen des Diffusionsschweißens vorstellen.

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Wie Vakuumöfen beim Diffusionsschweißen von Titan funktionieren

Im Hinblick auf den Hitzezyklus, der beim Diffusionsschweißen von Titan erforderlich ist, muss der Vakuumofen bei hohen Temperaturen und mit Argongas unter hohem Druck betrieben werden. Das Vakuum ist erforderlich, um selbst die kleinsten Spuren von Wasserstoff zu eliminieren, aber auch von anderen Gasen und Dämpfen, einschließlich Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf. Das Vakuum spielt zudem eine zentrale Rolle im Hinblick auf die Reinheit der Teile, eine entscheidende Voraussetzung zur Sicherstellung einer erfolgreichen Behandlung, insofern, als das Vakuum es möglich macht, Öl- oder Lösemitteldämpfe und Spuren von Feuchtigkeit bei niedrigen Temperaturen zu eliminieren, und es kann einen Hinweis dafür liefern, ob der Zyklus aufgrund der Verdampfung von Verunreinigungen abgebrochen werden sollte, bevor die Hitze ruiniert wird. Das Vakuum wird aufrecht erhalten, bis die Schweißtemperatur erreicht wird, und erst wenn diese Temperatur erreicht ist, erreicht der Gasdruck die Verfahrensvoraussetzungen. Da diese Einrichtungen für gewöhnlich sehr groß sind, ist eine beträchtliche Menge an Argon erforderlich. Diese Methode erlaubt jedoch eine Reduzierung der erforderlichen Argonmenge, da die Anwendung der Temperatur dazu beiträgt, den Druck zu erhöhen.

Hohe Temperaturen und hoher Druck sind keine typischen Eigenschaften herkömmlicher Vakuumöfen für Hitzebehandlungen, die mit einer wassergekühlten Vakuumkammer und einer Hitzekammer ausgestattet sind, wobei die Hitzezone von der kalten Wand des Behälters isoliert ist. Das druckbeaufschlagte Gas tendiert dazu, die Isolationsfähigkeiten des in der Hitzekammer verwendeten Materials zu neutralisieren und je höher die Gasdurchlässigkeit des Materials ist, desto ausgeprägter wird dieser Effekt sein. In Vakuumöfen, die bei extrem hohen Temperaturen (2000 °C) und bei extrem hohem Druck (mehrere hundert Bar) betrieben werden, werden Schutzschilder verwendet, die von den Behältern unabhängig sind, um diese zu schützen, und zwar indem der Hitzefluss durch den Einsatz eines wassergekühlten Kreislaufes, der speziell zu diesem Zweck installiert ist, unterbrochen wird. Da der Behälter sehr dick ist, um den hohen Druck auszuhalten, wäre eine Kühlummantelung zur Beschränkung der Höchsttemperatur an der Innenwand nicht effektiv. Es bestünde die Gefahr, dass der Behälter explodiert!

In Öfen für das Diffusionsschweißen von Titan erreichen die Temperaturen rund 1000 °C bei Bar-Druckwerten im oberen zweistelligen Bereich. Das bedeutet, dass es immer noch möglich ist, eine Graphitplatte zum Isolieren der heiße Zone zu verwenden. Die Temperatur-Stratifizierung, die durch die Konvektionsströme eingeführt wird, muss jedoch ausgeglichen werden, indem sichergestellt wird, dass die Hitzekammer vertikal asymmetrisch konstruiert ist, sowohl bezüglich der Hitzeisolierung (uneinheitliche Dicke) als auch bezüglich des Widerstands. Diese Konfiguration ist vollkommen anders als beim gewöhnlichen Design von Vakuumöfen, bei denen durch die höchstmögliche Symmetrie aller Bedingungen eine gleichmäßige Bestrahlung erzielt wird, und sie erfordert mehr Erfahrung seitens des Herstellers.

Wo Diffusionsschweißen am besten geeignet ist

Heutzutage kann das Diffusionsschweißen dazu angewendet werden, Turbinenschaufeln herzustellen, indem die beiden lateralen Elemente der Schaufel mit einer anderen Titanform in der Mitte zusammengeschweißt werden. Die nicht bedeckten Oberflächen der Innenform werden mit einer Schicht Keramikstaub überzogen. Nach Abschluss der Schweißbehandlung wird Druck angewendet, um die Seiten auszublasen und die Ecken des Zwischenmetalls anzuheben. Diese Lösung stellt eine Alternative zur Wabenkonstruktion dar. Das Teil wird dann gedreht, so wie es für Tragflügel typisch ist, durch das Heißpressen in einer Form. Die mit dieser Methode hergestellten Schaufeln tragen zur Steigerung der Motorleistung bei. Wir glauben, dies ist auf den höheren Formwiderstand bei hohen Temperaturen zurückzuführen.

Eine weitere Anwendung bezieht sich auf die Produktion von Wärmetauschern aus Titan zur Anwendung in marinen Umgebungen und im Kontakt mit Meerwasser. Die gleiche Technik, wie sie oben beschrieben wird, wird in einem vergleichbaren Ofen angewendet. In diesem Fall wird auch zwischen den Elementen eine Schicht Keramikstaub eingefügt, wodurch die Bereiche festgelegt werden, in denen keine Diffusion stattfinden kann. Nachdem die unterschiedlichen Elemente des Wärmetauschers verschweißt wurden, wird druckbeaufschlagtes Gas eingeführt, welches die nicht geschweißten Oberflächen voneinander trennt, wodurch ein interner Durchgang der Flüssigkeit durch den Wärmetauscher geschaffen wird. Im Allgemeinen sind diese Produkte sehr groß und daher hängen die Vorteile dieses Materials nicht allein von der Korrosionsbeständigkeit ab, sondern auch von ihrem Gewicht, ein Aspekt, der je nach anvisiertem Einsatzbereich wichtig wird.

Schließlich wird das Diffusionsschweißen in Vakuumöfen verwendet, um Bauelemente für Kraftfahrzeuge herzustellen. Diese Anwendung löst die Probleme im Zusammenhang mit dem herkömmlichen Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen). Die Verbindungen beim WIG-Schweißen bieten nicht die gleichen Garantien wie beim Diffusionsschweißen. Beim WIG-Schweißen ist die Naht diskontinuierlich und porös, und daher ist es besonders schwierig, ein gutes Finish zu erzielen.

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