Auftragloten zum Verschleißschutz vonTitanwerkstoffenWear Protection of Titanium using Surface Brazing

K. Bobzin, F. Ernst, R. Nickel, J. Rosing, Y. Rojas

Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ulrich Dilthey zur Emeritierung

Titan und Titanlegierungen weisen hohe spezifische Festigkeitenbis zu einer Temperatur von ca. 600 �C auf, verbunden mit einerausgezeichneten Korrosionsbestandigkeit [1]. Ein entscheidendesHindernis fur den noch breiteren Einsatz stellt allerdings die gerin-ge Verschleißbestandigkeit dar. Insbesondere sind Titanwerkstoffegegenuber Reibermudung und Erosionsverschleiß anfallig. Um die-ser technischen Einschrankung zu begegnen, mussen Beschich-tungsverfahren entwickelt werden. Einen vielversprechenden An-satz stellt hierbei das Auftragloten dar. Hartstoffe gemischt mit Lo-ten auf Silber- und Titanbasis wurden im Hochvakuumofen gelotetund charakterisiert. Die Verschleißbestandigkeit wurde mit Ball-on-Disk-Untersuchungen quantifiziert und optimiert.

Schlusselworte: Loten, Auftragloten, Titanwerkstoffe, Ver-schleißbestandigkeit, Lot-Hartstoff-Matrix

Titanium and titanium alloys possess high specific strengths upto a temperature of about 600 �C in addition to an extraordinarycorrosion resistance [1]. The low wear resistance constitutes a cru-cial impediment for a much broader use. Titanium materials areespecially susceptible to friction fatigue and erosion. Coating tech-niques have to be developed in order to counteract this technicalconstraint. Surface brazing presents a promising approach. Hardmetals mixed with brazing filler metals on a silver and titaniumbasis were brazed in a vacuum furnace and subsequently character-ized. Wear resistance was quantified and optimized using ball ondisc measurements.

Keywords: Brazing, Surface Brazing, Titanium materials, wearresistance, Matrix of brazing-filler-metal and hard-metal

Einleitung

Aufgrund des Eigenschaftsprofils von Titan – hohe spezi-fische Festigkeit, verbunden mit ausgezeichneter Korrosions-bestandigkeit – werden Titanwerkstoffe in einer Vielzahl vonAnwendungsbereichen eingesetzt; exemplarisch seien an die-ser Stelle die Luft- und Raumfahrt, der chemische Anlagenbauoder auch die Medizintechnik genannt. Ein entscheidendesHindernis fur den noch breiteren Einsatz stellt allerdingsdie geringe Verschleißbestandigkeit dar. Insbesondere sind Ti-tanwerkstoffe gegenuber Reibermudung und Erosionsver-schleiß anfallig. Um dieser technischen Einschrankung zu be-gegnen, mussen Beschichtungsverfahren entwickelt werden.Einen vielversprechenden Ansatz stellt hierbei das Auftraglo-ten dar.

Der Begriff Tribologie wird in [2] als „dieWissenschaft undTechnik von aufeinander einwirkenden Oberflachen in Rela-tivbewegung“ definiert. Sie umfasst das Gesamtgebiet vonReibung und Verschleiß einschließlich Schmierung undschließt entsprechende Grenzflachenwechselwirkungen so-wohl zwischen Festkorpern als auch zwischen Festkorpernund Flussigkeiten oder Gasen ein. Die tribologische Charak-terisierung eines Materials muss stets im Zusammenhang mitdem Beanspruchungskollektiv (Tribosystem) geschehen. Da-her sind tribologische Eigenschaften nicht Werkstoff-, son-dern Systemgroßen. Dynamischer Tribokontakt tritt z.B.bei Gleitbewegungen auf, Beispiele hierfur sind Kupplungenund Federgelenke. Tribochemisch gebildete Verschleißparti-kel und das Auftreten von Mikrorissen konnen ebenfallsein Ermudungsversagen des betroffenen Bauteils verursa-chen. Die Erosion durch Festkorperpartikel ist ein Problembeim Einsatz von Titanwerkstoffen insbesondere in Flugtrieb-werken als Verdichterschaufel und -scheibe, als Hubschrau-

berrotor sowie bei der Anwendung als Verrohrungs-, Zentri-fugen- und Pumpenkomponenten im chemischen Anlagenbauund der Offshoretechnik. In Flugtriebwerken, in denen Titan-legierungen im Bereich des Niederdruckverdichters alsSchaufel- und Scheibenwerkstoff eingesetzt werden, trittSchwindungsverschleiß als lebensdauerbegrenzendes Phano-men auf. Die Beanspruchung tritt im Bereich des Schaufelfu-ßes auf, der in einer lockeren Spielpassung sitzt und erst durchdie auftretenden Fliehkrafte und die thermische Dehnungwahrend des Betriebes festen Halt bekommt.Titanwerkstoffe weisen eine relativ niedrige Mikroharte im

Vergleich zu anderen Konstruktionswerkstoffen auf [1]. Auf-grund einer grundsatzlich linearen Korrelation in der Ver-schleißhochlage zwischen Werkstoffharte und Abrasionswi-derstand (das angreifende Korn ist harter als der harteste Ge-fugebestandteil des beanspruchten Materials) weisen die rela-tiv weichen Titanwerkstoffe einen geringen Widerstand ge-genuber dem Strahlverschleiß durch keramische Partikelauf. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Titanoberflachebei einer Partikelbeaufschlagung im Prallstrahlbereich zurVerformung und Verfestigung neigt. Bei weiterer Expositionkommt es zur Einlagerung von Erodentpartikeln in der Ober-flache. Mit zunehmender Strahlzeit lost sich das verdichteteMaterial von der Oberflache ab, was zu hohen Massenverlu-sten fuhrt.Die tribologischen Eigenschaften von Titanwerkstoffen

werden wegen ihrer Neigung zumVerschweißen und Anlegie-ren allgemein als ungunstig angesehen [1]. Sie sind gekenn-zeichnet durch hohe Reibwerte und starken adhasiven Ver-schleiß. Ansatze in der Luftfahrtechnik, um das unbefriedi-gende Verschleißverhalten zu verbessern, bestehen im galva-nischen Aufbringen von Nickelschichten. Generell gibt eseine Vielzahl von Ansatzen, um Titanwerkstoffe fur unter-

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2007, 38, No. 7 DOI: 10.1002/mawe.200700164

F 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 533

schiedlichste Beanspruchungen zu schutzen und fur verschie-dene Anwendungen zu ertuchtigen. Dies beinhaltet das Auf-bringen von Festschmierstoffen, PVD-, Thermodiffusions-und Ionen-Implantationsverfahren sowie Elektroplattieren,Laserlegieren und thermisches Spritzen [2, 3, 4].

Die Ubertragung von etablierten Lottechniken (Auftraglo-ten von Ni-Cr/WC-Co-Schichten), die zurzeit Anwendung beiStahlen finden, werden im Folgenden vorgestellt. Das Auf-tragloten von Hartstoff-Verbundsystemen dient dem Ver-

schleißschutz vor allem bei abrasivem und erosivem Ver-schleiß. Fur eine erfolgreiche Umsetzung der Konzepte istaufgrund der metallurgischen Eigenschaften von Titanlegie-rungen eine Modifizierung bisheriger Prozesse notwendig.

2 Experimentelle Vorgehensweise

Die hier dargestellten Arbeiten lassen sich in zwei Bereichegliedern: Die Entwicklung geeigneter Schichten sowie diemechanische Charakterisierung der produzierten Schichten.Die ausgewahlten Grundwerkstoffe sind Ti3Al2,5V und

Ti6242, erstgenannter ist eine Standardlegierung mit Anwen-dungsgebieten als Konstruktionswerkstoff bei starken korro-siven Belastungen, das Ti6242 wird als Hochleistungswerk-stoff insbesondere im Turbinenbau eingesetzt. Die Herstel-lung dieser Schichtsysteme erfolgte nach dem so genanntenSuspensionsverfahren, wobei Hartstoffe (Korndurchmesser� 15lm) und Lotpaste zusammen vermischt und zu einer Sus-pension oder Paste verarbeitet wurden. Die Schichtmorpholo-gie wurde mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Mikroharte-messungen untersucht. Es wurden erwartungsgemaß hohereHarten als die des Ti-Substrats in den untersuchten Schichtenfestgestellt.In dieser Projektphase wurden Suspensionen durch Hart-

stoffpulver mit einem durchschnittlichen Korndurchmesservon 15 bis 45lm und Lotpaste TiBrazeJ 375 (TiZrCuNi)und BrazeTec D7200.4 (AgCu-Eutektikum) hergestellt. Dasuntersuchte Verbundsystem umfasste folgenden Versuchs-plan:Der Prozess wurde im Vakuumofen durchgefuhrt. Im Laufe

des Erwarmungsvorgangs entweicht als Erstes bei einer Tem-peratur von ca. 400 bis 450 8C der Binder dampfformig ruck-standsfrei aus der Lot- und Hartstoffsuspension. Bei der ein-gestellten Lottemperatur ist das Lot vollstandig aufgeschmol-zen und benetzt sowohl den Grundwerkstoff als auch die Hart-stoffpartikel. Die Lottemperatur betragt 830 8C bei demAgCu-Lot und 940 8C bei dem Titanbasislot.

Tabelle 1. Untersuchte Schichtsysteme

Table 1. Researched layer systems

Hartstoffgehalt TiBrazeJ 375Vol.-%

BrazeTecD7200.4Vol.-%

Titankarbid (-22,5lm) 15–30 15–30

Wolframkarbid-Kobalt 88:12 (-45lm) 15–30 15–30

Borkarbid (-45 lm) 15–30 15–30

Niobkarbid (-15 lm) 15–30 15–30

Tantalkarbid (-22,5 lm) 15–30 15–30

Nickel-Chrom 80:20 (-45lm) 15–30 15–30

Tabelle 2. Zusammensetzung der Karbidmischung

Table 2. Composition of the carbide mixture

Karbide Gew.-%

WC-Co (88:12) 79,74

B4C 5,22

NbC 4,02

TaC 5,42

TiC 5,57

Bild 1. Lichtmikroskopische Aufnah-me von auftraglotbeschichtetenTi3Al2,5V mittels a) AgCu-Lot undWC-Co, b) AgCu-Lot und NiCr, c)TiZrCuNi-Lot und TiC, d) TiZrCuNi-Lot und NbC, Vergroßerung 100x

Figure 1. Light microscopic image ofsurface brazed Ti3Al2,5V using a)AgCu-filler metal and WC-Co, b)AgCu-filler metal and NiCr, c) TiZrCu-Ni-filler metal and TiC, d) TiZrCuNi-filler metal and NbC, magnification100x

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Um Schichten mit hoher Harte, guter Verschleißfestigkeit,hoher Druckfestigkeit sowie guter Korrosionsbestandigkeitherzustellen, wurden ebenfalls Mischungen aus Lotpasteund verschiedenen Karbiden untersucht. Die Karbidmischunghatte folgende Zusammensetzung:

Zur Prufung des Reibverhaltens der auftraggelotetenSchichten wurden diese mit Aluminiumoxid-Kugeln (6mm)im Rotationstribometer fur 200m und einer Linear-Geschwin-

digkeit von 5 cm/s und einer Kraft von 5 N belastet. Alle Ver-suche wurden in Normalatmosphare bei Raumtemperaturdurchgefuhrt. Als Referenzprobe wurde das SubstratTi3Al2,5V untersucht.Die Schichtmorphologie wurde mit Hilfe der Lichtmikro-

skopie untersucht. Um die Morphologie der Verschleißspurzu untersuchen und zu quantifizieren, wurden sowohl aufden rotierenden als auch auf den stationaren ProbekorpernAufnahmen mit Hilfe eines Laserprofilometers gemacht.

3 Schichtentwicklung

Die mit dem Suspensionsverfahren erreichbaren Schicht-dicken sind vom Bindermaterial, der Viskositat, der Applika-tionstechnik, der Art der Warme- und Vorbehandlung derWerkstucke sowie von den Kornfraktionen der verwendetenPulver abhangig. Bei Verwendung von kommerziellerAgCu-Lotpaste wurden Schichtdicken von ca. 200 lm erzielt.Bei Verwendung von kommerziell erhaltlicher TiZrCuNi-Lot-paste sind die Schichtdicken geringer, es war moglich, geeig-nete Schichten von ca. 100 lm zu produzieren. Die Ergebnissemit AgCu-Lotpaste zeigten, dass die Zugabe von Hartstoffennur bis ca. 35 Vol.-% moglich ist, bei hoherem Hartstoffanteilmussen aktivierende Additive wie Titanpulver oder auch Ti-tanhydrid dem Pasten-/Hartstoffgemisch hinzugegeben wer-den, um noch gute Ergebnisse erzielen zu konnen.Die Anbindung des Lotes an die Hartstoff-Partikel wurde

mittels EDX untersucht, vor allem im System Ag-B4C. Eshat sich gezeigt, dass Titan aus dem Grundwerkstoff ausgelostwird und eine Reaktion zwischen der TiCu-Matrix und denKarbiden fur eine gute Anbindung der Partikel sorgt. Konkretbedeutet dies, dass Titan als Aktivelement wirkt und fur eineAnbindung zwischen Hartstoff und Lot sorgt.Die Anbindung des Lotes an die Hartstoff-Partikel wurde

mittels EDX untersucht, vor allem in Silberbasisschichten.Es hat sich gezeigt, dass Titan aus dem Grundwerkstoff aus-gelost wird und eine Reaktion zwischen TiCu-Matrix undKarbiden fur eine gute Anbindung der Partikel sorgt. Wahrenddes Lotprozesses muss daher in das Lot diffundiertes Titan ausdem Grundwerkstoff als Aktivelement wirken und so fur eineAnbindung der Hartstoffpartikel an die Matrix sorgen.Aufgrund des limitierten Fließverhaltens der verwendeten

Ti-Lotpaste ist die Zugabe von Hartstoffpartikeln in diesemSystem auf maximal 30 Vol.-% begrenzt. Die auf Titan basie-

Bild 2. Untersuchungen der Anbindung des Lotes (AgCu-Lotpa-ste) an die Hartstoff-Partikel a) B4C und b) TiC

Figure 2. Investigation of the connection between filler metal(AgCu-filler metal paste) and hard metal particles a) B4C and b)TiC

Bild 3. Untersuchungen der Anbindung des Lotes (AgCu-Lotpa-ste) an die Hartstoff-Partikel (Karbidmischung)

Figure 3. Investigation of the connection between filler metal(AgCu-filler metal paste) and hard metal particles (carbide mixture)

Bild 4. TiZrCuNi-Lot und Hartstoff-Partikel (Karbidmischung)

Figure 4. TiZrCuNi filler metal and hard metal particles (carbidemixture)

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renden Schichtsysteme weisen im Vergleich zu den Silberba-sisschichten viele Poren auf, nur bei den TiZrCuNi-Schichten,die mit Karbidmischungen vorbereitet wurden, konnte die Po-rositat deutlich reduziert werden. Bei diesem Schichtsystemwurde eine gute Anbindung von Lotmatrix-Hartstoffpartikelerreicht.

4 Charakterisierung der Schichten

Es konnte mit Tribometertests nachgewiesen werden, dassdie aufgetragenen Schichten deutlich niedrigere Verschleißra-ten als der Grundwerkstoff selbst aufweisen. Die besten Er-gebnisse wurden beim Silberbasislot mit B4C und beim Titan-basislot mit TiC erzielt. Die mikroskaligen Hartstoffpartikelfuhrten in Verbindung mit AgCu-Loten zu einer spezifischenVerschleißrate in der Großenordnung von 10-6 mm3/Nm. DieVerschleißrate des Grundmaterials liegt bei 10-3 mm3/Nm.Dieser Effekt ist ebenfalls auf der Verschleißkalotte zu beob-achten (Bild 5).

Da jeweils B4C und TiC als Hartstoff die besten Ergebnisseproduziert haben, wurden die entsprechenden Systeme weiteruntersucht. Zunachst wurde der Fullstoffgehalt systematisch

variiert. Bild 6 zeigt die Abhangigkeit der Verschleißratevon AgCu-Schichten vom Hartstoffgehalt. Ein Verschleißmi-nimum wird bei der Zugabe von ca. 20–30% Hartstoff er-reicht. Bei mehr als 30% Hartstoffgehalt werden Poren undFehlstellen beobachtet, die den Verschleiß wieder steigern.Auf jeden Fall aber liefert der Auftrag solcher Schichten bes-sere Ergebnisse im Vergleich zum Grundwerkstoff Ti3Al2,5V.Bei der Verwendung von jeweils WC-Co und NiCr als Hart-stoff konnte die Verschleißrate mit der Zugabe von Hartstof-fen nicht deutlich geandert werden. Ein Minimum wurdeschon bei der Zugabe von etwa 20–25% Hartstoff erreicht.Bei gleichen Testbedingungen lag die Verschleißrate von

porosen TiZrCuNi-Hartstoff-Schichten in der Großenordnungvon 10-5 mm3/Nm, wahrend die Verschleißrate des Grundma-terials bei 10-3 mm3/Nm liegt. Die besten Ergebnisse wurdendurch die Zugabe von ca. 20–30 Vol.-% Hartstoffpartikel inBezug auf den Pasteanteil erreicht. Bei hoheren Hartstoffan-teilen wird eine gute Anbindung der Partikel nicht mehr ge-wahrleistet und die Verschleißrate steigt wieder.

Bild 5. Lichtmikroskopische Aufnahme der Verschleißkalotten von a) Ag-B4C und b) Substrat Ti3Al2,5V (Tribometertests: 200m, Ge-genkorper aus Aluminiumoxid, Geschwindigkeit 5 cm/s und Kraft 5 N, mittlerer Ringdurchmesser: 3mm)

Figure 5. Microscopic image of the wear calottes of a) Ag-B4C and b) substrate Ti3Al2,5V (tribometer tests: 200m, antibody made ofaluminium oxide, velocity 5 cm/s und force 5 N, average size of ring: 3mm)

Bild 6. Einfluss des Hartstoffgehalts auf das Verschleißverhaltender AgCu-Schichten (Tribometertests: 200m, Gegenkorper ausAluminiumoxid, Geschwindigkeit 5 cm/s und Kraft 5 N)

Figure 6. Influence of hard metal contents on the wear resistanceof the AgCu layers (tribometer tests: 200m, antibody made of alu-minium oxide, velocity 5 cm/s und force 5 N)

Bild 7. Einfluss des Hartstoffgehalts auf das Verschleißverhaltender TiZrCuNi-Schichten (Tribometertests: 200m, Gegenkorperaus Aluminiumoxid, Geschwindigkeit 5 cm/s und Kraft 5 N)

Figure 7. Influence of hard metal contents on the wear resistanceof the TiZrCuNi layers (tribometer tests: 200m, antibody made ofaluminium oxide, velocity 5 cm/s und force 5 N)

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5 Ausblick

Mit den produzierten Schichten kann das Einsatzspektrumvon Titanlegierungen erheblich erweitert werden. Die Ein-satzmoglichkeiten reichen von praventiven Beschichtungenbei erwartetemVerschleiß bis hin zu Reparaturlotungen, nach-dem eine entsprechende Belastung bereits aufgetreten ist.

Danksagung

Die Untersuchungen wurden mit Haushaltmitteln des Bun-desministeriums fur Wirtschaft uber die Arbeitsgemeinschaftindustrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“e.V. (AiF-Nr. 14568N/DVS-Nr. 07.044) gefordert und vonder Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Ver-fahren e.V. des DVS unterstutzt. Fur diese Forderung und Un-terstutzung sei gedankt.

Literatur

1. M. Peters, C. Leyens, Titan und Titanlegierungen, WILEY-VCHVerlag GmbH & Co. KGaA Weinheim, 2002.

2. DIN 50323–3, Tribologie; Reibung; Begriffe, Arten, Zustande,Kenngroßen, Beuth-Verlag, Berlin, 1993.

3. F. Preißer, e.a., Hochdrucknitrieren von Titanwerkstoffen, Har-terei-Technische-Mitteilungen H. 6 (1991), S. 361/66.

4. J. Langan, Properties of Plasma Nitrided Titanium Alloys, Pro-ceedings of the Sixth World Conference on Titanium, Cannes1988.

5. H. Eschnauer, E. Lugscheider, Fortschritte beim thermischenSpritzen, Metall 1991, H. 5, S. 458/66.

Korrespondenzautor: Dipl.-Ing. Jurgen Rosing, RWTH Aachen,Institut fur Oberflachentechnik, Julicher Straße 344a, 52070 Aa-chen, roesing@iot.rwth-aachen.de

Eingegangen in endgultiger Form: 24. April 2007 T 164

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