In der vorliegenden Arbeit wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik für Ver-fahren und Werkstoffe des Titanlötens das Kaltgasspritzen in seiner Eignung als Vorbelo-tungsprozess beim löttechnischen Fügen von Titanlegierungen untersucht und qualifiziert. Die Parameter des Beschichtungsvorgangs werden dabei mit den resultierenden Schichtgefügen und späteren Lötergebnissen korreliert, wodurch eine Bewertung ermöglicht und ein Beitrag zum Verständnis der Mechanismen einer spritztechnischen Vorbelotung geliefert wird. Es werden dabei sowohl materialografische als auch mechanische Charakterisierungen durchge-führt. Ergänzt werden die Arbeitspunkte durch eine hochauflösende TEM-Untersuchung der Grenzfläche von kaltgasgespritzten Zink-Schichten und Aluminium-Substraten, die der Über-prüfung theoretischer Erkenntnisse zum Haftungsmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf Leichtmetallsubstraten dient. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und Fol-gerung und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet. / The present work qualifies the cold gas dynamic spray process (CGS) as a process for the application of braze filler coatings onto titanium alloy substrates. The work program results from needs and problems that were identified in the state-of-the-art of science and technology. The parameters of the coating process are correlated with the resulting coating microstruc-tures and the posterior brazing results. Materialographic and mechanic characterisations of the filler coatings and braze seams are carried out. Thereby, an evaluation of the braze filler ap-plication by cold gas spraying is permitted. In addition, high-resolution TEM investigations within the interfaces of a cold sprayed zinc coating and an aluminium base material proof the theory of the bonding mechanisms of CGS coatings on light weight metals. The work dis-cusses the achieved results and gives an outlook to continuative investigations in this field of science.

In der vorliegenden Arbeit wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik für Verfahren und Werkstoffe des Titanlötens das Kaltgasspritzen in seiner Eignung als Vorbelotungsprozess beim löttechnischen Fügen von Titanlegierungen untersucht und qualifiziert. Die Parameter des Beschichtungsvorgangs werden dabei mit den resultierenden Schichtgefügen und späteren Lötergebnissen korreliert, wodurch eine Bewertung ermöglicht und ein Beitrag zum Verständnis der Mechanismen einer spritztechnischen Vorbelotung geliefert wird. Es werden dabei sowohl materialografische als auch mechanische Charakterisierungen durchgeführt. Ergänzt werden die Arbeitspunkte durch eine hochauflösende TEM-Untersuchung der Grenzfläche von kaltgasgespritzten Zink-Schichten und Aluminium-Substraten, die der Überprüfung theoretischer Erkenntnisse zum Haftungsmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf Leichtmetallsubstraten dient. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und Folgerung und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet.:1 Einleitung und Problemstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Leichtmetalle als Konstruktionswerkstoffe 2.1.1 Aluminium 2.1.2 Magnesium 2.1.3 Titan 2.2 Titan und Titanlegierungen als Konstruktionswerkstoffe 2.3 Stoffschlüssiges Fügen von Titan und Titanlegierungen 2.3.1 Kleben und Schweißen von Titanwerkstoffen 2.3.2 Löten von Titanwerkstoffen 2.3.2.1 Begriffe des Lötens 2.3.2.2 Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.3 Hartlote zum Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.4 Das Dreistoffsystem Titan-Kupfer-Nickel 2.4 Thermisches Spritzen 2.4.1 Begriffe des Thermischen Spritzens 2.4.2 Verfahren des Thermischen Spritzens 2.4.3 Kaltgasspritzen 2.4.3.1 Prozesstechnische und physikalische Grundlagen des Kaltgasspritzprozesses 2.4.3.2 Haftungsmechanismen kaltgasgespritzter Schichten 2.4.3.3 Eigenschaften kaltgasgespritzter Schichten 3 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 4 Zielsetzung 5 Versuchsdurchführung 5.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 5.1.1 Metallografische TEM-Untersuchungen 5.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 5.2.1 Versuchsplanung 5.2.2 Kaltgasspritzen von Lotschichten 5.2.3 Vakuumdiffusionslöten 5.2.4 Metallografische Charakterisierung 5.2.5 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 6 Ergebnisse 6.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 6.1.1 AlSi 12-CGS-Lotschichten 6.1.2 Zn-basierte CGS-Lotschichten 6.1.3 Metallografische TEM-Untersuchungen 6.1.4 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse mit Aluminiumsubstraten 6.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 6.2.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten 6.2.2 Lötverbindungen 6.2.2.1 Metallografische Charakterisierung der Ti-Cu-Ni-Schichtlotfolien 6.2.2.2 Metallografische Charakterisierung der Lötverbindungen 6.2.2.3 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 7 Ergebnisdiskussion 7.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten auf TiAl 6 V 4-Substraten 7.2 Charakterisierung von TiAl 6 V 4-Lötverbindungen 7.3 Bewertung der Ergebnisse mit TiAl 6 V 4-Substraten 8 Folgerungen 9 Zusammenfassung 10 Quellennachweis / The present work qualifies the cold gas dynamic spray process (CGS) as a process for the application of braze filler coatings onto titanium alloy substrates. The work program results from needs and problems that were identified in the state-of-the-art of science and technology. The parameters of the coating process are correlated with the resulting coating microstructures and the posterior brazing results. Materialographic and mechanic characterisations of the filler coatings and braze seams are carried out. Thereby, an evaluation of the braze filler application by cold gas spraying is permitted. In addition, high-resolution TEM investigations within the interfaces of a cold sprayed zinc coating and an aluminium base material proof the theory of the bonding mechanisms of CGS coatings on light weight metals. The work discusses the achieved results and gives an outlook to continuative investigations in this field of science.:1 Einleitung und Problemstellung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Leichtmetalle als Konstruktionswerkstoffe 2.1.1 Aluminium 2.1.2 Magnesium 2.1.3 Titan 2.2 Titan und Titanlegierungen als Konstruktionswerkstoffe 2.3 Stoffschlüssiges Fügen von Titan und Titanlegierungen 2.3.1 Kleben und Schweißen von Titanwerkstoffen 2.3.2 Löten von Titanwerkstoffen 2.3.2.1 Begriffe des Lötens 2.3.2.2 Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.3 Hartlote zum Löten von Titan und Titanlegierungen 2.3.2.4 Das Dreistoffsystem Titan-Kupfer-Nickel 2.4 Thermisches Spritzen 2.4.1 Begriffe des Thermischen Spritzens 2.4.2 Verfahren des Thermischen Spritzens 2.4.3 Kaltgasspritzen 2.4.3.1 Prozesstechnische und physikalische Grundlagen des Kaltgasspritzprozesses 2.4.3.2 Haftungsmechanismen kaltgasgespritzter Schichten 2.4.3.3 Eigenschaften kaltgasgespritzter Schichten 3 Folgerungen aus dem Stand der Wissenschaft und Technik 4 Zielsetzung 5 Versuchsdurchführung 5.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 5.1.1 Metallografische TEM-Untersuchungen 5.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 5.2.1 Versuchsplanung 5.2.2 Kaltgasspritzen von Lotschichten 5.2.3 Vakuumdiffusionslöten 5.2.4 Metallografische Charakterisierung 5.2.5 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 6 Ergebnisse 6.1 Voruntersuchungen mit Aluminiumsubstraten 6.1.1 AlSi 12-CGS-Lotschichten 6.1.2 Zn-basierte CGS-Lotschichten 6.1.3 Metallografische TEM-Untersuchungen 6.1.4 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse mit Aluminiumsubstraten 6.2 Untersuchungen mit TiAl 6 V 4-Substraten 6.2.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten 6.2.2 Lötverbindungen 6.2.2.1 Metallografische Charakterisierung der Ti-Cu-Ni-Schichtlotfolien 6.2.2.2 Metallografische Charakterisierung der Lötverbindungen 6.2.2.3 Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen 7 Ergebnisdiskussion 7.1 Kaltgasspritzen von Lotschichten auf TiAl 6 V 4-Substraten 7.2 Charakterisierung von TiAl 6 V 4-Lötverbindungen 7.3 Bewertung der Ergebnisse mit TiAl 6 V 4-Substraten 8 Folgerungen 9 Zusammenfassung 10 Quellennachweis

In Gasturbinenbrennern kommen Nickelbasiswerkstoffe für thermisch hoch belastete Komponenten standardmäßig zum Einsatz. Die Bauteile liegen strömungstechnisch vor der stattfindenden Verbrennung, wodurch es zu einer stark einseitigen thermischen Belastung kommt. Ein wirtschaftlich effizienter Einsatz von Nickelbasiswerkstoffen kann daher in Kombination mit kostengünstigen warmfesten Stählen für die weniger stark thermisch belasteten Bauteilbereiche erreicht werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Prozessentwicklung zum Hochtemperaturlöten von im Brennerbau häufig verwendeten Nickelbasislegierungen und dem niedriglegierten warmfesten Stahl 16Mo3 (1.5415). Im Entwicklungsprozess wurden die Mikrostruktur der Verbunde charakterisiert, die Auswirkungen thermischer Ausdehnungsunterschiede evaluiert und die erreichbare Festigkeit erfasst. An einem Demonstrator wurden die Erkenntnisse im Rahmen der industriellen Fertigung getestet.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick / Nickel-base alloys for thermally high loaded components are widely used for gas turbine burner parts. By means of flow direction burner parts are located prior to the combustion. They are therefore one-sided thermally loaded. An economical efficient use of nickel based alloys can be achieved in combination with low alloyed steels for thermally less loaded components. The aim of this work is the development of brazing processes for GT-burner manufacturing related nickel based alloys and the low alloyed steel 16Mo3 (1.5415) using nickel based filler materials. The development includes a microstructural characterization of the brazed compounds, the evaluation of thermal expansion behavior and the maximum strength. A final test examines the feasibility by means of industrial manufacturing.:1 Einführung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Stand von Wissenschaft und Technik 1.3 Schlussfolgerungen und Zielsetzung 2 Technologische Grundlagen 2.1 Der Hochtemperaturlötprozess 2.2 Thermische Ausdehnung 2.3 Diffusion 2.4 Metallurgische Prozesse 3 Experimentelle Durchführung 3.1 Grund- und Lotwerkstoffe 3.2 Lötprozesse und Probengeometrien 3.3 Mikrostrukturelle, thermische und mechanische Charakterisierung 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Mikrostrukturcharakterisierung 4.1.1 Grundwerkstoffe 4.1.2 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 625 4.1.3 Lötsystem 16Mo3 – Nimonic 75 4.1.4 Lötsystem 16Mo3 – Hastelloy X 4.1.5 Lötsystem 16Mo3 – INCONEL 718 4.1.6 Normalisierungsgefüge von 16Mo3 4.1.7 Zusammenfassung der Mikrostrukturcharakterisierung 4.2 Thermische Ausdehnung 4.2.1 Maßänderung 4.2.2 Eigenspannungen 4.3 Mechanische Eigenschaften 4.3.1 Zugversuch 4.3.2 Zugscherversuch 4.3.3 Ermittlung der kritischen Überlapplänge 4.4 Demonstrator 5 Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Co-Basislote entwickelt, welche zum Hochtemperaturlöten von Co-Basis-Superlegierungen eingesetzt werden können. Diese werden hinsichtlich ihres Schmelzverhaltens, ihrer Mikrostruktur und ihrer mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die wesentliche Herausforderung besteht in der Vermeidung von Sprödphasenbändern im Lötgut, welche die Eigenschaften der Verbindungen verschlechtern, auch bei großen Spaltbreiten. Hierzu wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik wird ein Legierungskonzept erarbeitet und umgesetzt. Es werden Schmelztemperaturen im Bereich kommerzieller Co-Basislote erreicht ohne dass nachteilige Sprödphasenbänder gebildet werden. Bei den mit kommerziellen Loten besonders kritischen zu lötenden großen Spaltbreiten zeichnen sich die entwickelten Legierungen durch erhöhte Zugfestigkeit und Duktilität aus. Das Potenzial der Lote wird anhand von Zugversuchen bei geringen und großen Spaltbreiten aufgezeigt, deren Ergebnisse mit der Mikrostruktur und in-situ Analysen zum Rissfortschritt korreliert werden. / This thesis deals with the development of novel Co-based brazing fillers, which can be employed for brazing of Co-based superalloys. The developed filler alloys are characterized with regard to their microstructure and their mechanical properties. The main challenge is the prevention of brittle intermetallic phase seams inside the braze metal, especially at high gap width. These phase seams deteriorate the mechanical properties of the joints significantly. For this purpose a new alloying concept is investigated. The melting temperatures of the developed filler alloys are similar to commercially available Co based fillers. Detrimental intermetallic phase seams do not occur. At high gap width, the developed filler alloys exhibit superior mechanical properties in comparison to commercially available fillers. The capability of the developed filler alloys is demonstrated using monotonic tensile tests at low and high gap width at different test temperatures. The results are correlated with the microstructure and in-situ analyses of the mechanisms of crack growth.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.

In der vorliegenden Arbeit werden nanopartikelhaltige Suspensionen auf Ag- und Ni-Basis sowie Ag-Precursoren, die während des Erwärmungsprozesses Nanopartikel bilden, bezüglich ihrer Eignung zum Fügen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Dabei wird die, im Vergleich zum entsprechenden Massivmaterial, verringerte Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln ausgenutzt. Da nach dem Schmelz- und Sinterprozess der Partikel die thermischen Eigenschaften des Massivmaterials vorliegen, ergibt sich ein großes Potential für die Herstellung hochfester und temperaturbeständiger Verbindungen bei gleichzeitig niedrigen Fügetemperaturen, was für eine Vielzahl von Fügeaufgaben von großem Interesse ist. In der Arbeit wird zunächst eine kommerzielle Ag-Nanopaste insbesondere bezüglich ihres thermischen Verhaltens charakterisiert. In der Folge werden Fügeverbindungen mit Cu-Substraten hergestellt, die in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter bzgl. der Festigkeiten, der Mikrostruktur sowie der Bruchflächen detailliert charakterisiert werden. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Fügedruck einen signifikanten Einfluss auf die erreichbaren Festigkeiten ausübt. Mit hohen Fügedrücken können bei einer Fügetemperatur von 300 °C höhere Verbindungsfestigkeiten als mit einem konventionellen Hartlot auf AgCu-Basis (Löttemperatur: 780 °C) erreicht werden. Weiterhin werden erste Ergebnisse zum Fügen von Stählen mit einer Ni-Nanopaste vorgestellt, mit der hohe Verbindungsfestigkeiten erzielt werden können. Schließlich wird mit Ag-Precursoren eine weitere Klasse möglicher Fügewerkstoffe vorgestellt, die erst während des Erwärmungs- bzw. Fügeprozesses Nanopartikel bilden, was in einer deutlich vereinfachten Handhabbarkeit resultiert. Die Arbeit liefert zudem Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten. / In this thesis, Ag- and Ni-based nanoparticle-containing suspensions and Ag precursors, which form nanoparticles during heating, are examined with regard to their suitability for joining at low temperatures. Nanoparticles exhibit a decrease in sintering and melting temperature in comparison to the corresponding bulk material. After melting and sintering of the nanoparticles, the material behaves like the bulk material. Therefore, high-strength and temperature-resistant joints can be produced at low temperatures, which is of great interest for various joining tasks. First, a commercially available Ag nanopaste is characterized in particular regarding to its thermal behavior. Subsequently, joints (substrate: Cu) are prepared with the Ag nanopaste. The influence of different process parameters on the strength behavior of the joints, the microstructure and the fracture surfaces is investigated. It is shown, that in particular the joining pressure exerts an essential influence on the achievable strengths. With high joining pressures, the strengths of conventionally brazed joints (AgCu brazing filler metal, brazing temperature: 780 °C) can be exceeded at a joining temperature of only 300 °C. Furthermore, first results for the joining of steels with a Ni nanopaste are presented, whereby high strengths can be achieved. Finally, with Ag precursors, an additional class of possible joining materials is presented, which form nanoparticles only during heating. This results in a significantly simplified handling. The work also provides approaches for further research activities.