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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Reaktivlöten zur Verbindung von keramischen und metallischen Bauteilen

Das IEK-2 arbeitet seit einigen Jahren an mehreren Projekten mit RAB-Loten, deren Ziel es ist, keramische Bauteile in bestehende Systeme zu integrieren.

Bei den meisten kommerziell erhältlichen Lotsystemen zur Verbindung keramischer mit metallischen Bauteilen handelt es sich um sogenannte "Vakuum-Aktiv-Lote". Hier kommen typischerweise Titan oder Zirkon als Reaktivelemente zum Einsatz. Diese Metalle besitzen bei hoher Temperatur ein hohes Reduktionspotential, so dass sie bei ausreichend niedrigem Sauerstoffpartialdruck in der umgebenden Atmosphäre in der Lage sind, oxidkeramischen Werkstoffen an der Oberfläche Sauerstoff zu entziehen. Die entsprechend aktivierte Oberfläche ist dann besser vom Lotbasismaterial (typischerweise Edelmetalle oder Nickel) benetzbar. Trotzdem ist das Vakuum-Löten besonders bei Werkstoffen die bei hohen Temperaturen dazu neigen durch Reduktion beschädigt zu werden ungeeignet, besonders bei Anwendung im Hochtemperaturbereich wie oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) oder Gastrennmembranen für CO2 freie Kraftwerke.

Ein Verfahren, welches unter der Bezeichnung Reactive Air Brazing (RAB) bekannt geworden ist, hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen und stellt eine Alternative gegenüber dem Vakuumlöten dar. Das RAB-Löten hat sich als vorteilhaft erwiesen, da Werkstoffe die empfindlich auf reduzierende Atmosphären oder Vakuum reagieren verlötet werden können. Entwickelt hat sich das RAB-Löten aus dem seit den 60er Jahren bekannten "Direct-Copper-Bonding" (DCB)-Verfahren. RAB Lote bestehen aus einer Edelmetallkomponente und einer oxidischen Reaktiv-Komponente, meist CuO, die die Benetzung und Anbindung auf keramischen Werkstoffen und auch oxidierten Metalloberflächen verbessert. Daher kann der Lötvorgang in Luft erfolgen. Die Mehrkosten der auf Edelmetallen basierenden RAB-Lote gegenüber nickelbasierten Vakuum-Loten können potenziell über die im Vergleich zum Vakuumlöten niedrigen Anlageninvestitions- und Prozesskosten abgefangen werden.

Das IEK-2 arbeitet seit einigen Jahren an mehreren Projekten mit RAB-Loten, deren Ziel es ist, keramische Bauteile in bestehende Systeme zu integrieren. In den meisten Fällen bedeutet das, dass eine Keramik an Metallteile gefügt werden muss, wobei das RAB-Löten zum Einsatz kommt. Die Untersuchungen an RAB-gelöteten Werkstoffverbunden liefern ein grundlegendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung der Lote und Fügepartner, dem Lötprozess und der resultierenden Mikrostruktur der Fügung sowie deren Auswirkung auf Grenzflächenfestigkeit und dem mechanischen Verhalten der Werkstoffverbundsysteme. Neben der Erforschung der Verbunde im Ausgangszustand nach der Lötung, stellt deren Degradation bei Hochtemperaturbeanspruchung sowie Ermüdungsbelastung einen zentralen Aspekt der am IEK-2 durchgeführten Arbeiten dar.


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