Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus gesintertem und insbesondere heißgepresstem Siliziumkarbid (SSiC).

Das Verbinden von keramischen Bauteilen wird notwendig, wenn entweder kompli- zierte Bauteile nicht monolithisch hergestellt werden können oder wenn der Ver wendungszweck einen Fügevorgang erfordert wie das Verschließen eines keramischen Behälters mit einem Deckel aus Keramik nach Befüllung des Behälters.

Für das stoffschlüssige Verbinden der Paarung Keramik-Keramik von gesinterten Bauteilen stehen bisher nur wenige Fügeverfahren zur Verfügung. Beispielsweise offenbart Brevier„Technische Keramik“, Fahner Verlag 2003 Löt- und Klebeverfahren unter Verwendung von Loten und Klebern. Bei Klebern und metallischen Loten ist es offensichtlich, dass die Fügenaht sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften vom Material der zu fügenden Bauteile unterscheidet. Diese artfremde Fügung ist eine kritische Schwachstelle, die die Verwendungsfähigkeit des so gefügten Körpers generell in Frage stellen kann, wenn z.B. die Hochtemperaturbeständigkeit und/oder das Korrosionsverhalten der Naht nicht den Parame- tern der Bauteile entsprechen und dadurch den Einsatzbedingungen nicht genügen. Aus US 7,462,25 B2 ist ferner ein Laserfüge-Verfahren bekannt. Obwohl das stoff- schlüssige Verbinden von Bauteilen aus gesintertem Siliziumkarbid (SSiC) durch dieses moderne Fügeverfahren gelingt, führt die Verwendung von Loten mit schmelzfähigen Anteilen (Glaslot) zwar zur Bildung von Siliziumkarbid in der Naht, doch es handelt sich um ein Flüssigphasen-Siliziumkarbid (LPSiC), also bezüglich der Bauteile um ein artfremdes Siliziumkarbid. Das LPSiC weist deutlich schlechtere Eigenschaften hinsichtlich Hochtemperatur- und Korrosionsbeständigkeit auf als die zu verbindenden Bauteile aus drucklos gesintertem Siliziumkarbid (SSiC).

Derzeit ist keine Technologie bekannt, die ein arteigenes Verbinden von Bauteilen aus gesintertem oder heißgepresstem Siliziumkarbid in einem effektiven Kurzzeit- Prozess ermöglicht und gleichzeitig die ausgezeichneten Eigenschaften der Bauteile für den gefügten Körper insgesamt erhält.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, dass eine arteigene stoffschlüssige Verbindung von Bauteilen aus gesintertem oder heißgepresstem Siliziumkarbid gewährleistet, die zudem sicher und dauerhaft ist und deren Herstellung nur einen kurzen, weitgehend auf die Fügezone begrenzten Energieeintrag erfordert, um andere benachbarte Materialien, wie beispielsweise das Füllgut in einem Behälter, thermisch möglichst wenig zu belasten.

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen aus gesintertem und insbesondere heißgepresstem Siliziumkarbid, mit den folgenden Schritten: Einbringen eines sinterfähigen Grünkörpers aus einer thermoplastischen SiC-Masse in einen Verbindungsbereich zwischen gegenüberliegenden Verbindungsflächen der Bauteile; Erhitzen des Grünkörpers und des Verbindungsbereichs auf Sintertemperatur unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum; und Verpressen der Bauteile mit dem erhitzten Grünkörper durch Beaufschlagung eines Sinterdrucks. Nach Abschluss des Sinterprozesses kann die Abkühlung erfolgen.

Die Aufgabe wird also gelöst durch Heißpressen in Kombination mit der Verwendung eines speziell auf die Bauteile und den Fügeprozess abgestimmten Grünkörpers. Es entsteht eine arteigene Verbindung der Bauteile. Ein sinterfähiger Grünkörper aus thermoplastischer SiC-Masse wird zwischen die zu verbindenden SSiC- Teile gebracht und unter Schutzgas, beispielsweise Argon, oder Vakuum, jedenfalls unter Sauerstoffausschluss auf Sintertemperatur erhitzt. Durch das Aufbringen einer Axialkraft senkrecht zur Fügenaht wird eindimensionale Schwindung erzwungen. Ein uniaxialer Pressdruck verhindert eine beim drucklosen Sintern oftmals auftretende dreidimensionale Schwindung, die Risse in der Fügenaht hervorrufen kann.

Aus dem Stand der Technik sind für ein Kurzzeit-Sintern das induktive Heißpressen (IHR) und das Spark-Piasma-Sintering SPS bzw. Pulsed Electric Current Sintering (PECS) bekannt. Das Charakteristische dieser beiden Sinterverfahren besteht in der kombinierten Einwirkung von hohen Temperaturen und Drücken auf das Sintergut. Beide Verfahren wurden bisher jedoch nur zur Herstellung gesinterter Bauteile aus pulverförmigen Ausgangsmaterialien eingesetzt. Erfindungsgemäß können Aspekte dieser Verfahren bei der Verbindung bereits gesinterter Teile Anwendung finden.

Der in den Verbindungsbereich eingebrachte Grünkörper weist eine auf die Füge flächengeometrie und Oberflächenbeschaffenheit der Fügeflächen der Bauteile abgestimmte Gestalt auf. Vorzugsweise liegt der Grünkörper in Form einer dünnen Schicht im Sinne einer Nahtfolie vor. Die Dicke der Nahtfolie kann beispielsweise 1 mm oder weniger betragen. In einer Ausführungsform wird der Grünling vor seiner Einbringung zwischen die Bauteile teilentbindert. Der Bindemittelgehalt soll so sein, dass Flexibilität und damit Handhabbarkeit und Anpassung an die Verbindungsflächen der Bauteile erhalten bleiben.

In einer Ausführungsform werden Grünlinge mit einer Gründichte von zwischen 1 ,5 und 2 g/cm ³ , vorzugsweise von zwischen 1 ,6 und 1 ,9 g/cm ³ verwendet.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sintertemperatur bei 1800-1950 °C liegt und/oder dass der Sinterdruck bei 20-40 MPa liegt und/oder dass Sinterdruck und Sintertemperatur für 5-15 Minuten aufrechterhalten werden. Die Druckbeaufschlagung beginnt vorzugsweise noch vor Erreichen der Sintertemperatur, aber nach der ersten Phase. Während der Sinterphase bei Sinterbedingungen (Druck und Temperatur) bildet sich die Verbindung zwischen den Bauteilen.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Erhitzen des Grünkörpers wenigstens zwei Phasen umfasst, wobei der Grünkörper in einer ersten Phase auf eine unterhalb der Sintertemperatur liegende Entgasungstemperatur und erst in einer zweiten Phase auf Sintertemperatur erhitzt wird, wobei vorzugsweise vorge sehen ist, dass der Verbindungsbereich während der ersten Phase des Erhitzens evakuiert wird und während der zweiten Phase mit Schutzgas beaufschlagt wird. Die zwei Phasen können im Rahmen eines konstanten T emperaturanstiegs aufeinander folgen, es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Temperatur nicht konstant zum Anstieg gebracht wird sondern über einen gewissen Zeitraum auf einer unterhalb der Sintertemperatur liegenden Entgasungstemperatur gehalten wird. So kann vorgesehen sein, dass die Aufheizung der Fügezone zunächst mit Teillast erfolgt, um bei Vakuum das Ausgasen des Grünkörpers und der Verbindungsberei- che zu unterstützen. Geeignete Restdrücke für das Vakuum umfassen 0,5-2 mbar. Die Entgasungstemperatur kann beispielsweise bei 300-800°C liegen. Sodann wird das Evakuieren beendet und der Reaktionsraum mit Schutzgas gefüllt. Geeignete Schutzgasdrücke liegen beispielsweise zwischen 1-2,5 mbar. Die weitere Aufhei- zung erfolgt nun mit Volllast.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Grünkörper vor dem Erhitzen zwischen den Verbindungsflächen fixiert wird. Das Verfahren beruht auf dem Ein- setzen einer Sandwich-Anordnung bestehend aus dem ersten Bauteil, dem Grün- körper und dem zweiten Bauteil in eine Presse und einer sanften Drucks uflastung zur Fixierung der Geometrie.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Erhitzen des Grünkörpers mittels Induktion erfolgt. Eine induktive Erhitzung ermöglicht die Konzentration des thermischen Energieeintrags auf die Naht und deren nächste Umgebung. Die Dauer der Einwirkung kann kurz gehalten werden.

Alternativ oder zusätzlich kann das Erhitzen auch mittels Widerstandsheizung erfolgen.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Grünkörper unter Verwendung eines Suszeptors erhitzt wird. Ein Suszeptor ist ein in unmittelbarer Nähe des Grünlings angeordnetes Bauteil aus einem Material, dass elektromagnetische Energie aufnehmen und in Hitze umwandeln kann. Ein geeignetes Material umfasst Graphit, alternativ eignen sich aber beispielsweise auch rostfreier Stahl, Molybdän, Alumini um oder SiC. Der Suszeptor kann beispielsweise in Form eines Ringes oder einer Scheibe eingesetzt werden. Wird das Verfahren zum Verschluss eines Behälters oder zum Verbinden von Rohrflanschen eingesetzt, ist es denkbar, dass ein Suszeptor an der von der Wärmequelle bzw. Spule abgewandten Seite der Bauteile angeordnet wird.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während des Verpressens eine vorzugsweise gepulste Gleichspannung über Verbindungsflächen der Bauteile und den Grünling gelegt wird. Das Anlegen einer gepulsten Gleichspannung über die Fügezone kann die Reaktionsfreudigkeit an den Verbindungsflächen erhöhen und somit den Sinterprozess beschleunigen und die Festigkeit der Verbindung erhöhen.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verschließen eines Behälters mit einem Deckel, wobei zumindest die Kontaktflächen des Behälters und Deckels aus gesintertem oder heißgepressten Siliziumkarbid (SiC) bestehen. Vorzugsweise bestehen Behälter und Deckel insgesamt aus gesintertem oder heißgepressten Siliziumkarbid (SiC). Die Anwendung auf Behälter und Deckel umfassend oder bestehend aus gesintertem SiC (SSiC) kann besonders bevorzugt sein. Soweit der Behälter mit einem Material befüllt ist, kann zwischen das Füllgut und dem Fügebereich ein thermischer Schild eingebracht werden, um das Füllgut vor thermischer Belastung zu schützen.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Behälter radioaktives oder toxisches Material enthält. Das Verfahren kann insbesondere bei der Endlagerung von radioaktivem Abfall in Behältern aus gesintertem oder heißgepresstem Siliziumkarbid (SiC) Anwendung finden. Die Behälter können dabei mit dem radioaktiven Material befüllt und mit einem Deckel verschlossen werden, wobei Behälter und Deckel anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden werden. Die verschlossenen Behälter können dann in einer Endlagerstätte aufbewahrt werden.

Weitere geeignete Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren umfassen das Verbinden von Rohren mit Rohrflanschen, zweier oder mehrerer Platten, eines Rads und einer Welle oder dergleichen, wobei zumindest die Kontaktflächen aus gesintertem oder heißgepressten Siliziumkarbid (SiC) bestehen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Figuren zeigen: Figur 1 : den Aufbau einer beispielhaften Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2: den Aufbau einer alternativen Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 3: den Aufbau einer beispielhaften Anlage zum Verschluss eines Behälters anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 4: den Aufbau einer alternativen Anlage zum Verschluss eines Behälters anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 5: eine schematische Darstellung der Prozessführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Anlage gemäß Figur 2;

Figur 6: Beispiele verschiedener Bauteilgeometrien, die anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden werden können; und

Figur 7: mikroskopische Aufnahmen einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Fügenaht.

Figur 1 zeigt den Aufbau einer beispielhaften Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zwischen die zu fügenden Bauteile A und B wird die Nahtfolie N gelegt und die Fügegeometrie durch einen leichten Druck zwischen Oberstempel 2 und Unterstempel 3 fixiert. Die Richtung der Presskraft ist mit den Pfeilen 4 veranschaulicht. Die Erwärmung der Fügezone erfolgt direkt über die Induktionsspule 1. Da der Sinterprozess eine Schutzgasatmosphäre bei niedrigem Gasdruck erfordert, umschließt die Schutzgas-Kammer 5 die gesamte Fügezone und die genannten Anlagenteile. Schutzgas kann durch Schutzgasanschluss 5a eingeleitet werden. Ein weiterer Anschluss 5b dient zum Evakuieren und Belüften. Beide Anschlüsse 5a und 5b sind mit Ventilen versehen.

Figur 2 zeigt den Aufbau einer alternativen Anlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Korrespondierende Teile sind mit identischen Bezugszeichen versehen.

In dieser Variante erfolgt eine indirekter Erwärmung der Fügezone durch Wärmeleitung von geeignet angeordneten Suszeptoren 6, die ihrerseits beispielsweise direkt induktiv anhand der Induktionsspule 1 oder durch Stromfluss aufgeheizt werden. Zur beschleunigten Einleitung des Sinterprozesses kann über die Fügezone eine gepulste Gleichspannung 7 angelegt werden.

Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer beispielhaften Anlage für das Verschließen eines gesinterten Behälters A mit dem gesinterten Deckel B anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wiederum sind korrespondierende Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.

Der Behälter umfasst Füllgut 9. Die Nahtfolie N ist in ihrer Form und Dicke an die Fügeflächengeometrie und die Oberflächenbeschaffenheit der Fügeflächen (Rautiefe, Parallelität) angepasst. Im einfachsten Fall erfolgt auch hier wieder die Erwärmung der Fügezone direkt induktiv.

Spezielle Anwendungsfälle können eine Erweiterung des Aufbaus gemäß Figur 4 vorteilhaft machen. Erneut sind korrespondierende Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.

Um die Sinterzeit kurz zu halten, erfolgt die Erwärmung der Fügezone sowohl direkt über die Induktionsspule 1 als auch indirekt über Wärmeleitung von den Suszepto- ren 6, die ihrerseits von der Induktionsspule 1 mit aufgeheizt werden. Zur be- schleunigten Einleitung des Sinterprozesses, verbunden mit einem zusätzlichen Energieeintrag zur Erwärmung kann eine über der Fügezone angelegte gepulste Gleichspannung 7 hilfreich sein. Zum Schutz des Füllgutes 9 vor unzulässiger thermischer Belastung dient der thermische Schild 8.

Figur 5 zeigt schematisch die Prozessführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Anlage gemäß Figur 2.

Die Ausgangssituation ist gekennzeichnet durch eine geöffnete Schutzgas-Kammer 5, die mit Luft vom Umgebungsdruck pU gefüllt ist. Die Pressstempel sind geöffnet, der Pressdruck P ist Null. Die induktive Heizung ist ausgeschaltet. Die zu fügenden Bauteile A und B haben die Umgebungstemperatur TU. Die Fügeflächen von A und B wurden hartbearbeitet und weisen eine gegebene Rautiefe und Planparallelität zu einander auf. Die Rautiefe beeinflusst den Entgasungsprozess der Nahtfolie, die Oberflächenaktivierung und den elektrischen Übergangswiderstand an den Grenzflächen zwischen der Nahtfolie und den Bauteilen A und B. Rautiefe und Planparallelität bestimmen die zu wählende Dicke d der Nahtfolie, die beispielsweise 1 mm oder weniger beträgt.

Die Prozessdurchführung beginnt mit dem Einsetzen der Sandwich-Anordnung bestehend aus dem Bauteil A, der Nahtfolie N und dem Bauteil B zwischen Unters tempel 3 und Oberstempel 2, dem Heranfahren des Oberstempels und einer sanften Druckauflastung PG zur Fixierung der Geometrie.

Anschließend wird die Schutzgas-Kammer geschlossen und evakuiert. Die induktive Aufheizung der Fügezone beginnt zunächst mit Teillast, um das Ausgasen der Nahtfolie zu unterstützen. Beim Druck pE wird das Evakuieren beendet und die Schutzgaskammer mit Schutzgas, beispielsweise Argon, bis zum Druck pS gefüllt. Die weitere Aufheizung erfolgt nun mit Volllast. Noch vor Erreichen der isothermen Sintertemperatur TS erfolgt die uniaxiale Druckauflastung mit dem Sinterdruck PS.

Zur Einleitung des Sinterprozesses, insbesondere an den Grenzflächen (An- dock-Phase), wird optional eine gepulste Gleichspannung DC eingeschaltet. Die Heizung der Fügezone wird so geregelt, dass bei der Temperatur TS eine isotherme Sinterung gewährleistet wird. Die eigentliche Sinterphase tS ist relativ kurz, bei- spielsweise 10 min. Sie ist gekennzeichnet durch die Herstellung der Verbindung zwischen den Bauteilen A und B und das eindimensionale Sinterschwinden der Nahtfolie N. Nach Beendigung der Sinterphase wird die Heizung abgeschaltet. Die Abkühlphase endet beim Erreichen der Umgebungstemperatur TU mit der Druckentlastung des Bauteils (P= 0) und Belüftung der Schutzgaskammer (p= pU). Die gesamte Zykluszeit tZ beträgt beispielsweise eine Stunde oder weniger.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich zum Verbinden verschiedener Bauteilgeometrien verwenden. Figur 6 zeigt einige Beispiele. So zeigt Figur 6a eine Sandwich-Anordnung mit einer Nahtfolie N, die zwischen den zu verbindenden Bauteilen A und B eingeschlossen ist. An den Außenseiten der Bauteile A und B sind Suszeptoren 6 angeordnet. Figur 6b zeigt einen Behälter (Bauteil A) mit Deckel (Bauteil B) in Seitenansicht und Schnittansicht. Figur 6c zeigt ein Rohr mit Flansch in Seitenansicht und Schnittansicht, wobei der Flansch eines Rohres Bauteil B und das Rohr Bauteil A darstellen kann. Figur 6d zeigt eine gestapelte Anordnung mehrerer Platten, entsprechend Bauteilen A, B, C, D in Seitenansicht und Schnittansicht. Derartige Aufbauten können beispielsweise als Wärmeübertrager oder in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen. Figur 6e zeigt eine Welle (Bauteil A) mit Rad (Bauteil B) in Seitenansicht und Schnittansicht. Die anhand eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Verbindung kann großen Drehmomenten standhalten.

Ausführungsbeispiel: Das Ausführungsbeispiel 1 bezieht sich auf eine Bauteilgeometrie gemäß Figur 6a in einer Anlage gemäß Figur 1 mit zusätzlichen Suszeptoren 6.

Die Bauteile A und B sind Oktagone aus gesintertem Siliziumkarbid (SSiC) mit einem Außenkreisdurchmesser von 37 mm und einer Höhe von 3,5 mm. Die Fügeflä- chen wurden nicht hartbearbeitet sondern blieben wie gesintert. Die Nahtfolie besteht aus einer thermoplastischen SiC-Masse mit gleichmäßig hoher Gründichte und ist soweit teilentbindert, dass Flexibilität und damit Handhabbarkeit und Anpassung an die Fügeflächen erhalten bleiben. Aus einem Graphit-Suszeptor 6, dem Bauteil A, der Nahtfolie N, dem Bauteil B und einem weiteren Graphit-Suszeptor 6 wurde eine Sandwich-Anordnung gestapelt und zwischen Unterstempel 3 und Oberstempel 2 eingespannt. Die Nahtfolie N besaß im Grünzustand eine Dicke von 0,5 mm und eine Gründichte von 1 ,701 g/cm ³ .

Anschließend begann der Fügeprozess wie in Figur 5 dargestellt. Die Schutzgas- Kammer wurde bis zu einem Restdruck von pF = 1 mbar evakuiert, um sicherzustellen, dass die Nahtfolie weitgehend entgast wurde. Danach erfolgt das Befüllen der Kammer mit Argon, bis zu einem Druck von pS = 2,0 mbar. Die isotherme Sinterung erfolgte bei 1850 °C über einen Zeitraum tS von 10 min. Der uniaxiale Pressdruck P lag bei 30 MPa. Durch die eindimensionale Schwindung der Nahtfolie betrug die Dicke der gesinterten Fügenaht ca. 0,27 mm. Die Fügenaht war poren- und rissfrei mit einer guten Haftung an den Fügeflächen der Bauteile, wie anhand der in Figur 7 dargestellten mikroskopischen Aufnahmen erkannt werden kann.

Der Einsatz einer gepulsten Gleichspannung war im beschriebenen Beispiel nicht erforderlich, könnte aber als Optionsreserve für eine weitere Verkürzung der isothermen Sinterphase betrachtet werden.