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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen aus einem Berylliumbauteil und einem Kupferbauteil
bestehenden heißisostatisch
gepressten Körper
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Stand der
Technik
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In
letzter Zeit wird auf verschiedenen Anwendungsgebieten, etwa bei
Neutronenreflektoren von Materialprüfreaktoren, Neutronenbeschleunigern
und dergleichen, aufgrund seines hohen Neutronenreflektionsgrads
Beryllium als bedeutendes Material angesehen. Beryllium selbst hat
zwar eine verhältnismäßig gute Wärmeleitfähigkeit,
doch wenn ein Berylliumbauteil unter starker thermischer Beanspruchung
eingesetzt werden soll, wird das Berylliumbauteil häufig mit
einem Kupferlegierungsbauteil verbunden, damit sich eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit
ergibt. Als Verfahren zum Verbinden eines Berylliumbauteils und
eines Kupferlegierungsbauteils wird heißisostatisches Pressen (HIP)
als äußerst vielversprechender
Kandidat angesehen.
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Falls
das Berylliumbauteil und das Kupferlegierungsbauteil durch heißisostatisches
Pressen verbunden werden sollen, wurde es bislang als notwendig
erachtet, den HIP- Prozess
bei einer hohen Temperatur von nicht weniger als 700°C durchzuführen. Dies
liegt daran, dass auf der Berylliumoberfläche normalerweise ein Berylliumoxidfilm
vorhanden ist und sich nicht ausreichend die gewünschte Verbindung durch Interdiffusion von
Beryllium und Kupferlegierung einstellt, solange das Beryllium-
und das Kupferlegierungsbauteil nicht auf eine Temperatur von mindestens
700°C erhitzt
werden. Bei einem solchen Verbindungsverfahren kann es jedoch auch
dazu kommen, dass sich das Kupfer- und das Berylliumbauteil während dessen
aufgrund von Wärmeschwankungen
an ihren Grenzflächen
voneinander trennen. Eine solche Trennung ist oft durch das Vorhandensein
spröder
intermetallischer Verbindungen wie Be2Cu,
BeCu bedingt, welche die Tendenz haben, sich bei hoher Temperatur
an der Grenzfläche
zwischen dem Beryllium- und dem Kupferbauteil zu bilden. Abgesehen
davon ist das heißisostatische
Pressen bei hoher Temperatur in punkto Kosten- und Energieverbrauch nicht
besonders günstig.
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Angesichts
dessen wäre
es denkbar, das Oxid auf der Berylliumoberfläche in einer Vakuumatmosphäre zu entfernen,
um anschließend
auf der gereinigten Berylliumoberfläche durch Ionenplattieren oder
dergleichen einen Film aus reinem Kupfer aufzubringen. In diesem
Fall wäre
es selbst bei einer geringen HIP-Temperatur von 400 bis 550°C möglich, eine
starke Verbindung der Beryllium- und Kupferlegierungsbauteile zu
erzielen, da an der Grenzfläche
zwischen den Bauteilen aus reinem Kupfer und Beryllium keine Oxide
vorhanden sind und sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Bauteilen
keine intermetallischen Verbindungen bilden. Allerdings besteht
bei einem Einsatz des Verbundkörpers
bei einer Temperatur von nicht weniger als 400°C auch dann, wenn das Beryllium- und das Kupferlegierungsbauteil
auf die oben genannte Weise miteinander verbunden werden, die Tendenz,
dass sich an der Grenzfläche,
an der sich während
des Verbindungsvorgangs keine intermetallischen Verbindungen gebildet
haben, dennoch spröde
intermetallische Verbindungen aus Beryllium und Kupfer bilden, weswegen
der Verbundkörper
an der Grenzfläche
brechen kann.
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Um
diesen Problemen zu begegnen, könnte
das Berylliumbauteil mit einer Weichmetallschicht, etwa einer Aluminiumschicht,
versehen werden, die keine intermetallischen Verbindung mit Beryllium
eingeht, so dass die Weichmetallschicht mit dem Kupferlegierungsbauteil
eine Verbindung eingeht. Wenn mit dem Kupferlegierungsbauteil eine
Aluminiumschicht verbunden wird, kann es jedoch andererseits aufgrund
von spröden Verbindungen
aus Aluminium und Kupfer, die sich an der Grenzfläche zwischen
dem Kupferlegierungsbauteil und der Aluminiumschicht bilden, zu
einer unzureichenden Verbindung kommen. Daher ist es in diesem Fall wichtig,
an die Grenzfläche
zwischen die Aluminiumschicht und das Kupferlegierungsbauteil eine
die Aluminium/Beryllium-Diffusion verhindernde Schicht aus etwa
Titan einzubringen. Mit anderen Worten müsste für das Berylliumbauteil eine
Aluminiumzwischenschicht und für
das Kupferlegierungsbauteil eine Titanzwischenschicht vorgesehen
werden. Doch auch dann, wenn für
das Berylliumbauteil und das Kupferlegierungsbauteil jeweils Zwischenschichten
aus etwa Aluminium und Titan vorgesehen werden, lässt sich
dennoch kaum ein fester Verbindungszustand erzielen, da Aluminium
und Titan aktive Metalle sind und ihre Oberflächen demnach leicht oxidieren.
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Falls
ferner auf herkömmliche
Weise eine Metallfolie als Zwischenschicht Verwendung finden soll,
ist es aufgrund von Oxidfilmen auf ihren Oberflächen nur schwer möglich oder
praktisch unmöglich,
einen festen Verbindungszustand zu erzielen. Auch wenn die Metallfolie
auf ein relativ komplexes Strukturbauteil aufgebracht wird, tendiert
die Metallfolie selbst dann, wenn sie mit einer Titanfolie oder
einer Kupferfolie kombiniert wird, dazu, sich bezogen auf das Berylliumbauteil
oder das Kupferlegierungsbauteil zu verschieben, oder können Falten
auftreten, so dass es nach wie vor schwer ist, eine zuverlässige Verbindung
zu erzielen.
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Im „Journal
of Nuclear Materials (Conf. Proc. ICFRM-8, Sendai JP, October 26–31, 1997)", Bd. 258–263, Teil
A, 1998, S. 258–264
von T. Kuroda et al. ist eine Verbindungstechnologie für eine Be/Cu-Legierung
und für
Be/SS offenbart, bei der mal mit und mal ohne verschiedene Zwischenschichten
eine HIP-Technik Verwendung findet. Zur Grundcharakterisierung der
Verbindungsstellen wurden eine metallurgische Untersuchung und Scherversuche
durchgeführt.
Dabei stellte sich heraus, dass die höchste Verbindungsfestigkeit
mit einer Ti-Zwischenschicht und einer HIP-Temperatur von 800°C oder etwas mehr erzielt wurde.
Aufgrund des geringen Diffusionsvermögens von Be durch Ti werden
Titan und Chrom als Diffusionsbarrierenschicht dargestellt.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung dient zur Lösung
der oben genannten Probleme. Ihr liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
neuartigen, aus einem Berylliumbauteil und einem Kupferlegierungsbauteil
bestehenden heißisostatisch gepressten
Körper
sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu
stellen, wobei das Berylliumbauteil und das Kupferlegierungsbauteil
miteinander durch heißiso statisches
Pressen bei einer verhältnismäßig geringen
Temperatur verbunden werden sollen, so dass spröde Verbindungen daran gehindert
werden, sich während
des Verpressens oder durch eine Wärmeschwankung während des
Einsatzes zu bilden, um dadurch einen festen Verbindungszustand
des Verbundkörpers
zu bewahren.
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Durch
intensive Forschung und Untersuchungen gelangten die Erfindung bei
der Suche nach einer Lösung
für die
oben genannten Probleme zu den folgenden Erkenntnissen.
- (1) Bislang wurde es zwar mit Blick auf den Spannungsabbau an
der Grenzfläche
zwischen dem Berylliumbauteil und dem Kupferlegierungsbauteil als
notwendig angesehen, dass eine Diffusionsverhinderungsschicht ein
weiches Metall wie Aluminium umfassen muss. Doch kann auch ein hartes
Metall wie Chrom oder Molybdän
die Funktion als Diffusionsverhinderungsschicht ausreichend erfüllen, wenn
es eine geringe Dicke hat.
- (2) Ungeachtet dessen lässt
sich nur schwer eine ausreichende Verbindungsfestigkeit erzielen,
wenn auf den Berylliumoberflächen
vor dem Aufbringen eines harten, dünnen Films aus Chrom ein Oxidfilm
vorkommt, weshalb der Oxidfilm zuvor von der Berylliumoberfläche entfernt
werden muss.
- (3) Auf diese Weise lässt
sich ein heißisostatisch
gepresster Beryllium/Kupferlegierungskörper mit ausreichender Verbindungsfestigkeit
und Beständigkeit
gegenüber
thermischen Schwankungen erzielen. Diese Eigenschaften des Verbundkörpers lassen
sich in Anbetracht von Anwendungen, bei denen der Verbundkörper wiederholt
einer übermäßigen thermischen
Belastung ausgesetzt wird, weiter verbessern, indem als Spannungsabbauschicht
eine verhältnismäßig dicke
Aluminiumschicht vorgesehen wird, die eine ausreichende Beständigkeit
gegenüber
thermischer Belastung hat.
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Aufbauend
auf den oben genannten Erkenntnissen besteht eine Ausgestaltung
der Erfindung in einem heißisostatisch
gepressten Körper,
wie er in Anspruch 3 definiert ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in einem Verfahren zur
Herstellung eines heißisostatisch
gepressten Körpers,
wie es in Anspruch 1 definiert ist.
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Die
Diffusionsverhinderungsschicht umfasst vorteilhafterweise eine ungefähr 0,5 bis
50 μm dicke
Titanschicht, eine ungefähr
0,1 bis 5 μm
dicke Chromschicht, eine ungefähr
0,5 bis 20 μm
dicke Molybdänschicht oder
eine ungefähr
0,5 bis 10 μm
dicke Siliziumschicht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst außerdem
den Schritt Ausbilden einer Schicht aus reinem Kupfer oder reinem
Nickel als Verbindungsförderungsschicht
auf der Diffusionsverhinderungsschicht. Die Verbindungsförderungsschicht
hat eine Dicke von ungefähr
5 bis 500 μm.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst außerdem
den Schritt Ausbilden einer Aluminiumschicht als Spannungsabbauschicht
auf der Oberfläche
des Berylliumbauteils, wobei die Diffusionsverhinderungsschicht
auf der Spannungsabbauschicht ausgebildet wird. Die Spannungsabbauschicht
hat eine Dicke von 0,2 mm bis 2,5 mm.
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Bei
der Erfindung ist es besonders vorzuziehen, wenn das heißisostatische
Pressen bei einer Temperatur von ungefähr 400 bis 650°C und einem
Druck von ungefähr
20 bis 300 MPa erfolgt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
erläutert.
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Bei
der Erfindung wird auf der Oberfläche eines Berylliumbauteils
durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) oder durch ein thermisches
Spritzverfahren ein harter Metallfilm aus Ti, Cr, Mo oder Si ausgebildet, nachdem
die Aktivität
der Berylliumoberfläche
erhöht
wurde, um die Verbindungsfestigkeit zwischen der Oberfläche des
Berylliumbauteils und dem harten Metallfilm zu verbessern. Wenn
zum Ausbilden des harten Metallfilms ein PVD-Verfahren verwendet
werden soll, kann die Aktivität
der Berylliumoberfläche
erhöht
werden, indem von der Berylliumoberfläche unter einer Vakuumatmosphäre Oxidfilme
entfernt werden. Das bevorzugte Mittel zum Entfernen der Oxidfilme
ist Argonsputtern, Ionenbeschuss oder dergleichen. Wenn anstelle
dessen zum Ausbilden des Hartmetallfilms ein thermisches Spritzverfahren
verwendet werden soll, kann die Aktivität der Berylliumoberfläche durch
eine herkömmliche
Strahlbehandlung oder durch Säurereinigung/Entfettung mittels
Flusssäure,
Schwefelsäure,
Salpetersäure,
Phosphorsäure,
Chromsäure
oder dergleichen erhöht
werden.
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Auf
der aktivierten Oberfläche
des Berylliums wird als eine die Beryllium/Kupfer-Diffusion verhindernde
Schicht eine Titanschicht, Chromschicht, Molybdänschicht oder Siliziumschicht
ausgebildet. Die Dicke der die Beryllium/Kupfer-Diffusion verhindernden
Schicht beträgt
vorzugsweise ungefähr
0,5 bis 50 μm
für die
Titanschicht, ungefähr
0,1 bis 5 μm
für die
Chromschicht, ungefähr
0,5 bis 20 μm
für die
Molybdänschicht
und ungefähr
0,5 bis 10 μm
für die
Siliziumschicht. Wenn die Filmdicke dieser Schichten unter der jeweiligen
Untergrenze liegt, ergibt sich nämlich
nicht die gewünschte
Verhinderungswirkung, während
eine Filmdicke über der
jeweiligen Obergrenze zu der Tendenz führt, dass die Verbindungsgrenzfläche versprödet und
leicht bricht.
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Zum
Ausbilden der Diffusionsverhinderungsschicht wird beim PVD-Verfahren
vorteilhafterweise ein Vakuumabdampfvorgang, ein Sputtervorgang,
ein Ionenplattiervorgang oder dergleichen eingesetzt. Der Vakuumgrad
beträgt
während
des PVD-Vorgangs vorzugsweise nicht mehr als 1,3 × 10–2 Pa
(1 × 10–4 Torr)
da die Metallbauteile ansonsten während des PVD-Vorgangs leicht
oxidieren, wodurch sich nur schwer zufriedenstellende Filme erzielen
lassen. Abgesehen davon ist es unter dem Gesichtspunkt, dass sich
die Adhäsion
der Filme durch das Entfernen von Verunreinigungen oder absorbiertem
Gas auf der Verbindungsoberfläche
des Materials verbessert und Wärmespannungen
abgebaut werden können,
besonders vorzuziehen, wenn die Temperatur des Substrats möglichst
auf 200 bis 400°C
erhöht
wird.
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Wenn
die Diffusionsverhinderungsschicht anstelle dessen durch Flammspritzen
ausgebildet werden soll, finden vorzugsweise ein Vakuumplasmaspritzvorgang
(VPS), ein Niederdruckplasmaspritzvorgang (LPPS) oder ein Flammspritzvorgang
mit Al-Draht unter Außenluft-
oder Inertgasumgebung Anwendung. Beim Einsatz von VPS oder LPPS
zum Flammspritzen kann für
die angesprochene Aktivierung der Berylliumoberfläche ein
CTA-Reinigungsvorgang (CTA: cathode transfer arc) zum Einsatz kommen,
bei dem entlang der Plasmadüse
und dem mit dem Film auszubildenden Material eine Spannung angelegt
wird, so dass sich auf der Oberfläche des Materials mikroskopische
Kathodenlichtbogenpunkte bilden, wodurch die Oxidfilme auf der Materialoberfläche entfernt
werden.
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Falls
notwendig, wird anschließend
auf der Diffusionsverhinderungsschicht durch PVD oder Flammspritzen
eine Verbindungsförderungsschicht
ausgebildet, die eine Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel
umfasst. Wenn unmittelbar nach dem Ausbilden einer Be/Cu-Diffusionsverhinderungsschicht
wie etwa einer Titan-, Chrom-, Molybdän- oder Siliziumschicht auf
dem Berylliumbauteil das Berylliumbauteil mit einem Kupferlegierungsbauteil
verbunden würde,
ohne die Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel auszubilden,
würde sich,
sobald das Berylliumbauteil aus der Vakuumkammer in eine Außenluftumgebung
genommen wird, ein Oxidfilm aus Titan, Chrom, Molybdän oder Silizium
bilden, so dass sich nur schwer ein zufriedenstellender Verbindungszustand
zwischen der Diffusionsverhinderungsschicht und dem Kupferlegierungsbauteil erreichen
ließe.
Wenn das Berylliumbauteil dagegen mit dem Kupferlegierungsbauteil
mit der Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel auf der Be/Cu-Diffusionsverhinderungsschicht
des Berylliumbauteils verbunden wird, wird auch dann, wenn sich
auf der Be/Cu-Diffusionsverhinderungsschicht entsprechende Oxide
bilden, bei einer verhältnismäßig geringen
Temperatur von 400°C
bis 650°C
ein fest verbundener Körper
erzielt, da reines Kupfer und reines Nickel eine ausreichende Affinität zu der
Kupferlegierung haben, mit der sie verbunden werden sollen. Daher
ist es äußerst empfehlenswert,
wenn auf der Diffusionsverhinderungsschicht eine solche Schicht
aus reinem Kupfer oder reinem Nickel ausgebildet wird, insbesondere
auch dann, wenn eine Oxidation der Oberfläche der Be/Cu-Diffusions verhinderungsschicht
aus Titan, Chrom, Molybdän,
Silizium oder dergleichen berücksichtigt
werden muss.
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Wenn
während
des Einsatzes eines heißisostatisch
gepressten Körpers,
der nicht mit der Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel auf
der Diffusionsverhinderungsschicht versehen ist, die Temperatur
erhöht wird,
kann es auch aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu einer Ablösung
an der Grenzfläche
zwischen dem Kupferlegierungsbauteil und der harten Metallschicht
aus etwa Titan, Chrom, Molybdän,
Silizium oder dergleichen kommen. Indem zwischen dem Kupferlegierungsbauteil
und der harten Metallschicht eine Schicht aus reinem Kupfer oder
reinem Nickel eingefügt
wird, lässt
sich durch die Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel aufgrund
des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
wirksam die Spannung abbauen und aktiv verhindern, dass es an der
Grenzfläche
zu einem Ablösen
zwischen dem Kupferlegierungsbauteil und der harten Metallschicht
kommt.
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Die
Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel hat eine Dicke von
ungefähr
5 bis 500 μm.
Es stellte sich nämlich
heraus, dass sich die gewünschte
Wirkung nur schwer erreichen lässt,
wenn die Dicke der Verbindungsförderungsschicht
weniger als ungefähr
5 μm beträgt, während eine übermäßige Dicke
von ungefähr 500 μm unter ökonomischen
Gesichtspunkten nachteilig ist.
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Das
mit der Diffusionsverhinderungsschicht und mit der Schicht aus reinem
Kupfer oder reinem Nickel versehene Berylliumbauteil wird mit dem
Kupferlegierungsbauteil durch heißisostatisches Pressen verbunden, während die
Seite dieser Zwischenschichten des Berylliumbauteils an das Kupferlegierungsbauteil
grenzt. Der Vorgang des heißisostatischen
Pressens kann bei einer verhältnismäßig geringen
Temperatur von ungefähr 400
bis 650°C
erfolgen, einer Temperatur, die weitaus geringer als die herkömmliche
HIP-Temperatur ist, sowie unter einem Anpressdruck von ungefähr 20 bis
300 MPa. Als Kupferlegierung kommen bei der Umsetzung der Erfindung
durch Aluminiumoxid dispersionsgehärtetes Kupfer (DSCU), eine
Chrom/Zirkonium/Kupfer-Legierung und eine Beryllium/Kupfer-Legierung gemäß ASTM C17510
bzw. C17500 oder dergleichen in Frage.
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Auf
die oben beschriebene Weise lässt
sich also erfindungsgemäß, ohne
dass sich spröde
Verbindungen bilden, stabil ein heißisostatisch gepresster Körper erzielen,
der ein Berylliumbauteil und ein Kupferlegierungsbauteil umfasst
und eine hohe Verbindungsfestigkeit hat.
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Im Übrigen sollte
erwähnt
werden, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Berylliumbauteils und der harten Metallschicht aus etwa Titan,
Chrom, Molybdän
oder Silizium unterschiedlich sind. Wenn der heißisostatisch gepresste Körper daher
bei hoher Temperatur eingesetzt werden soll, ist es wichtig, aktiv
zu verhindern, dass es an der Grenzfläche zwischen dem Berylliumbauteil
und der harten Metallschicht aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zu einem Ablösen
des Berylliumbauteils und des Kupferlegierungsbauteils kommt. Zu
diesem Zweck wird zwischen dem Berylliumbauteil und der harten Metallschicht
eine Aluminiumschicht als Spannungsabbauschicht ausgebildet. Aluminium
ist ein verhältnismäßig weiches
Metall und ist daher zum Abbau der durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten
Spannungen geeignet. Außerdem leistet
Aluminium wirksam einen Beitrag als Diffusionsverhinderungsschicht
zwischen Beryllium und Kupfer.
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Auch
die Aluminiumschicht kann vor dem Ausbilden der harten Metallschicht
aus etwa Titan, Chrom, Molybdän
oder Silizium auf der aktiven Oberfläche des Berylliumbauteils,
die von Oxidfilmen befreit wurde, durch ein PVD-Verfahren oder Flammspritzen
ausgebildet werden, wobei die Dicke der Aluminiumschicht nicht weniger
als 200 μm
beträgt.
Dies ist dann günstig,
wenn auf den heißisostatisch
gepressten Körper
im Einsatz wiederholt eine übermäßige thermische
Belastung wirkt. Andererseits ist aus ökonomischen Gesichtspunkten und
deswegen, weil keine weitere Verbesserung im Hinblick auf den Spannungsabbau
erzielt werden kann, in vielen Fällen
eine Dicke von mehr als 2,5 mm unnötig. Daher beträgt die Obergrenze
für die
Dicke der Aluminiumschicht nicht mehr als 2,5 mm. Der bevorzugte
Bereich für
die Dicke der Aluminiumschicht liegt bei 0,5 bis 1,5 mm.
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Wie
oben erwähnt
wurde, kann die Aluminiumschicht durch ein PVD-Verfahren ausgebildet
werden. Allerdings kann es ökonomisch
nachteilig sein, zum Ausbilden einer Aluminiumschicht mit einer
Dicke von nicht weniger als 200 μm
ein PVD-Verfahren anzuwenden, da nicht nur eine beträchtliche
Zeitdauer erforderlich ist, um die Schichtbildung abzuschließen, sondern
weil auch eine entsprechende Vorrichtung verwendet werden muss,
die groß ist
und einen komplizierten Aufbau hat. Abgesehen davon erlaubt der
PVD-Vorgang in der Praxis in vielen Fällen nicht, eine Aluminiumschicht
mit einer Dicke von nicht weniger als 500 μm auszubilden. Es ist daher
vorzuziehen, wenn zum Ausbilden einer Aluminiumschicht mit einer
Dicke von nicht weniger als 200 μm
Flammspritzen eingesetzt wird.
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Wenn
auf der Berylliumoberfläche
durch Flammspritzen, etwa durch einen VPS- oder LPPS-Vorgang, eine
Aluminiumschicht ausgebildet wird, wird auf die Berylliumoberfläche als
Ausgangsmaterial ein Aluminiumpulver gesprüht, das durch ein Plasma aufgeschmolzen
wurde. VPS oder LPPS können
auch dazu eingesetzt werden, auf der Aluminiumschicht auf der Berylliumoberfläche eine
dünne Schicht
Titan, Chrom, Molybdän oder
Silizium und/oder auf dieser dünnen
Schicht eine Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel aufzubringen.
In diesem Fall lassen sich die gewünschten Zwischenschichten nacheinander
ausbilden, indem einfach das Ausgangsmaterialpulver gewechselt wird.
Wenn die Zwischenschichten nacheinander durch einen VPS- oder LPPS-Prozess
gebildet werden, mag es angemessen sein, die Oberfläche jeder
einzelnen Schicht vor dem Ausbilden der nächsten Schicht durch einen
CTA-Vorgang zu reinigen. Falls zum Ausbilden der Aluminiumschicht
ein Flammspritzvorgang mit Draht eingesetzt wird, muss ein VPS-
oder LPPS-Vorgang zum Einsatz kommen, wenn die Diffusionsverhinderungsschicht
in Form einer Titan-, Chrom-, Molybdän oder Siliziumschicht und/oder
die Verbindungsförderungsschicht
in Form der Schicht aus reinem Kupfer oder Nickel durch Flammspritzen
ausgebildet werden. In diesem Fall muss die Oberfläche der
Aluminiumschicht auf die oben genannte Weise gereinigt werden, um
von ihr Oxide und/oder Dämpfe
zu entfernen.
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Die
Oberfläche
der durch Flammspritzen gebildeten Aluminiumschicht ist im Allgemeinen
rau, weswegen es zu bevorzugen ist, wenn die Oberfläche der
durch Flammspritzen gebildeten Aluminiumschicht vor dem Reinigen
und dem nachfolgenden Ausbilden der Diffusionsverhinderungsschicht
aus Titan, Chrom, Molybdän oder
Silizium oder der Verbindungsförderungsschicht
in Form einer Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel durch
einen mechanischen Vorgang wie Schleifen oder Polieren geglättet wird.
Wenn die Oberfläche
der Aluminiumschicht geglättet
ist, lässt
sich die Diffusionsverhinderungsschicht aus Titan, Chrom, Molybdän oder Silizium
oder die Verbindungsförderungsschicht
in Form der Schicht aus reinem Kupfer oder reinem Nickel nicht nur
durch Flammspritzen, sondern auch durch einen PVD-Vorgang passend
ausbilden.
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Es
ist also möglich,
einen heißisostatisch
gepressten Körper
mit besseren Spannungsabbaueigenschaften zu erzielen, indem auf
der Oberfläche
des Berylliumbauteils nacheinander eine Aluminiumschicht, eine Diffusionsverhinderungsschicht
und eine Verbindungsförderungsschicht
ausgebildet werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden näher
anhand von Versuchsdaten erläutert.
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Versuch 1
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Es
wurden Beryllium und verschiedene Kupferlegierungen verwendet, um
Probekörper
mit einer Größe von jeweils
50 mm × 50
mm × 10
mm anzufertigen. Unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen
wurden auf der Berylliumoberfläche
Zwischenschichten ausgebildet. Jeder Probekörper wurde dann in ein Gehäuse aus
korrosionsbeständigem
Stahl gesetzt und unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen
durch heißisostatisches
Pressen verbunden.
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Dann
wurden aus den auf diese Weise erzielten heißisostatisch gepressten Körpern durch
elektrische Entladungsbearbeitung Scherversuchsstücke herausgeschnitten,
die eine Größe von 4
mm × 4
mm im Querschnitt hatten und die Bereiche auf beiden Seiten der
Verbindungsgrenzflächen
enthielten, wobei die Scherflächen
vor einer Messung der Vierpunkt-Biegefestigkeit poliert wurden.
Außerdem
wurden die erfindungsgemäßen heißisostatisch
gepressten Körper
in einem Versuch wiederholt thermischen Schwankungen zwischen einer
hohen Temperatur von 380°C
und einer tiefen Temperatur von –196°C (Temperatur von flüssigem Stickstoff)
ausgesetzt, um ihre Beständigkeit
gegenüber
Wärmeschwankungen
beurteilen zu können.
Die Ergebnisse der oben genannten Versuche sind in Tabelle 1 angegeben.
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Wie
sich aus der obigen Tabelle 1 ergibt, haben die heißisostatisch
gepressten Körper,
die mit einer dicken Aluminiumschicht als Spannungsabbauschicht
ausgebildet wurden, hervorragende Verbindungseigenschaften und eine
hervorragende Beständigkeit
gegenüber
Wärmeschwankungen,
so dass es selbst nach einem 3000-maligen Auftreten dieser Wärmeschwankungen
nicht zum Ablösen
kam. Es sei angemerkt, dass der Prüfkörper Nr. 5 ohne die Schicht
aus reinem Kupfer oder reinem Nickel ungefähr die gleiche hervorragende Verbindungsfestigkeit
und Beständigkeit
gegenüber
Wärmeschwankungen
zeigte wie die Prüfkörper, die
mit einer Verbindungsförderungsschicht
ausgebildet waren.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ermöglicht es
die Erfindung, stabil einen heißisostatisch
gepressten Körper
aus einem Berylliumbauteil und einem Kupferlegierungsbauteil zu
erzielen, der, ohne dass sich während
des heißisostatischen
Pressens oder während
des Einsatzes des Verbundkörpers
an der Verbindungsgrenzfläche
spröde
Verbindungen bilden, eine hohe Verbindungsfestigkeit und eine zufriedenstellende
Beständigkeit
gegenüber
Wärmeschwankungen
hat. Das heißisostatische
Pressen kann bei der Erfindung in einem deutlich niedrigeren Temperaturbereich
von ungefähr
400°C bis
ungefähr
650°C durchgeführt werden
als beim Stand der Technik, was unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung
und Kostenreduzierung äußerst vorteilhaft
ist.