In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.

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

Ein Schlüsselfeld der gegenwärtigen Biomaterialforschung ist die Modifizierung von Oberflächen mit Bestandteilen der extrazellulären Matrix (EZM) oder Molekülen, die bestimmte Funktionen nachahmen. Trotz einer Reihe positiver Ergebnisse in vitro und in vivo ist es mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Immobilisierungsmethoden nicht möglich, unterschiedliche Komponenten in einem Prozessschritt zu immobilisieren, definierte Freisetzungscharakteristika für gleiche und/oder unterschiedliche Moleküle zu realisieren und die Beschichtung der Oberflächen nach Sterilisation der Implantate vorzunehmen, um empfindliche bioaktive Substanzen, wie Proteine, vor Schädigung zu bewahren. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel an, ein nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem für Titanwerkstoffe zu entwickeln. Es wird zunächst am Beispiel eines Peptids mit der Aminosäuresequenz Arginin–Glyzin–Asparaginsäure (RGD) nachgewiesen, dass an der Grenzfläche Passivschicht/Elektrolyt von Titanwerkstoffen vorliegende Moleküle in durch anodische Polarisation verdickte Oxidschichten partiell eingebaut werden können und dabei ihre Funktionalität erhalten bleibt. Diese Immobilisierungsmethode wird zum Immobilisierungssystem erweitert, indem Nukleinsäureeinzelstränge mit der beschriebenen Methode als Ankerstränge (AS) in anodisch formierte Oxidschichten fixiert und in einem zweiten Prozessschritt mit komplementären Gegensträngen (GS) hybridisiert werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass das Peptid in einem weiten Parameterbereich der elektrochemischen Bedingungen immobilisiert werden kann. Demgegenüber führen im Falle des nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystems die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die Photoaktivität der Oxidschicht sowie mehrfache Trocknungen und Wiederbenetzungen zu einer Schädigung gebundener AS bis hin zu einem vollständigen Verlust der Hybridisierbarkeit. Durch Zugabe von Ethanol in hoher Konzentration während des Immobilisierungsschritts, Arbeit unter Lichtausschluss sowie Vermeidung mehrerer Trocknungen und Wiederbenetzungen können die Nebenwirkungen soweit eingeschränkt werden, dass alle immobilisierten AS hybridisierbar sind. Nach dessen Etablierung im Rahmen dieser Arbeit ist es in nachfolgenden Projekten möglich, das nukleinsäurebasierte Immboilisierungssystem zu einem modularen, nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystem zu erweitern, um die eingangs beschriebenen Grenzen etablierter Methoden zu umgehen. Dazu müssen im zweiten Prozessschritt Konjugate aus GS und bioaktiven Molekülen, wie z. B. Peptide oder Wachstumsfaktoren, eingesetzt werden. Weiterhin können durch die Nutzung verschiedener Längen und Basensequenzen die Hybridstabilität und damit die Freisetzungskinetik beeinflusst werden.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 7 2.1 Titanbasislegierungen als Implantatwerkstoff 7 2.2 Biochemische Modifizierung von Titanoberflächen 22 2.3 Modulares Immobilisierungssystem 38 3 Materialien und Methoden 45 3.1 Werkstoffe 45 3.2 Biologisch aktive Moleküle 46 3.3 Elektrochemische Versuchsanordnung 51 3.4 Untersuchungsmethoden 52 4 Experimentelle Ergebnisse 69 4.1 Immobilisierung des RGD-Peptids 69 4.2 Nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem 118 5 Diskussion der Ergebnisse 143 5.1 Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche 143 5.2 Fixierung adsorbierter Moleküle 155 6 Zusammenfassung und Ausblick 169 Literaturverzeichnis 175 Anhänge A Kodierung der Aminosäuren 209 B XPS-elementspektren ausgewählter Zustände 211 c Allgemeine Arbeitsvorschriften 215 D Geräte 221 / Surface functionalization with bioactive molecules is a main field in current biomaterial research. However, in vitro and in vivo results are heterogeneous. This may be at least partially attributed to the limits of the applied immobilization methods. With established immobilization methods possibilities are limited to immobilize different molecules in one step, to implement defined release kinetics for similar and/or different substances, or to carry out the immobilization after sterilization of the implant to save sensitive molecules from damage. Therefore in this thesis a nucleic acid based immobilization system for bioactive molecules is developed for titanium based materials. Using a peptide with the amino acid sequence arginine–glycine–aspartic acid (RGD) it is demonstrated at first, that small molecules, being present at the interface electrolyte/passive layer, can be immobilized by their partial incorporation in anodically formed oxide layers. The immobilization can be carried out in a wide range of electrochemical parameters and the peptide preserves its biological function under all conditions. This immobilization method is enhanced by utilizing single-stranded nucleic acids as anchor strands (AS), which can be hybridized by complementary strands (CS) in a second step. Contrary to the peptide, bound AS are damaged by the formation of reactive oxygen species during anodic polarization of the substrate, the photoyctivity of the titanium oxide layer and multiple drying and wetting cycles. These side effects must be constrained by adding ethanol in a high concentration to the electrolyte during the immobilization procedure, excluding light during preparation and avoiding multiple drying and wetting cycles. Applying these conutermeasures, a 100% hybridization of immobilized AS can be achieved. After establishing the nucleic acid based immobilization system it can be developed further to a modular, nucleic acid based immobilization system to overcome limitations of established immobilization methods. At first, conjugates of CS and bioactive molecules, such as peptides or growth factors, should be used in the hybridization step for a true functionalization of the surface. Furthermore, hybrid stability and thus release kinetics can be adjusted by using CS of different length and base sequences.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 7 2.1 Titanbasislegierungen als Implantatwerkstoff 7 2.2 Biochemische Modifizierung von Titanoberflächen 22 2.3 Modulares Immobilisierungssystem 38 3 Materialien und Methoden 45 3.1 Werkstoffe 45 3.2 Biologisch aktive Moleküle 46 3.3 Elektrochemische Versuchsanordnung 51 3.4 Untersuchungsmethoden 52 4 Experimentelle Ergebnisse 69 4.1 Immobilisierung des RGD-Peptids 69 4.2 Nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem 118 5 Diskussion der Ergebnisse 143 5.1 Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche 143 5.2 Fixierung adsorbierter Moleküle 155 6 Zusammenfassung und Ausblick 169 Literaturverzeichnis 175 Anhänge A Kodierung der Aminosäuren 209 B XPS-elementspektren ausgewählter Zustände 211 c Allgemeine Arbeitsvorschriften 215 D Geräte 221

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung partikelverstärkter Weich- und Weichaktivlote mit dem Ziel der Eigenschaftsverbesserung der Lötverbindungen. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik wird ein Konzept zur Einbringung von keramischen Verstärkungspartikeln in eine Sn-Basis-Lotmatrix erarbeitet und umgesetzt. Im Falle partikelverstärkter Weichaktivlote wird durch das zusätzliche Legieren der Lotmatrix mit dem reaktiven Element Titan die Ausbildung von zwei Reaktionszonen erreicht, welche die Haftung zwischen Partikel und Matrix steigern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden gegenüber der Partikelverstärkung ohne Aktivelement weiter verbessert. Zum Fügen der Aluminium- und Alumi-niummatrix-Verbundwerkstoffe (AMC) findet ein ultraschallunterstütztes Lötverfahren Anwendung, das eine Benetzung ohne den Einsatz von Flussmitteln ermöglicht. Die hergestellten Lötverbindungen zeichnen sich durch gesteigerte Verbindungsfestigkeiten, vor allem bei erhöhten Temperaturen, sowie eine verbesserte Kriechbeständigkeit aus. Aufgezeigt wird das Potenzial der Lote anhand von Zug- und Scherzugversuchen sowie Kriechuntersuchungen, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und sich daraus ergebenden Folgerung. Weiterhin liefert sie Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten auf diesem Gebiet. / This thesis deals with the development, manufacturing and characterisation of particle-reinforced solders and active solders to improve the mechanical properties of soldered joints. Based on the state of the art, a concept for embedding of ceramic particles in a Sn-based filler matrix is planed and realised. In the case of particle-reinforced active solders two interfacial reaction layers which increase the bonding between the particles and the filler matrix are formed due to the alloying by the reactive element Ti. The mechanical properties of these joints are improved in comparison to particle-reinforced solders without surface-active elements. For joining of aluminium and aluminium matrix composites (AMC), an ultrasound-supported soldering process was used, that accomplishes a fluxless wetting. The produced joints are featured by an improved joining strength, mainly at elevated temperatures, and an increased creep resistance. The potential of the developed solders is performed by tensile and shear as well as creep tests that are correlated with the results of the micro-structural and fractographical analysis. The Discussion and the drawn conclusions summarise the work and give new approaches for following investigations.

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.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung partikelverstärkter Weich- und Weichaktivlote mit dem Ziel der Eigenschaftsverbesserung der Lötverbindungen. Ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik wird ein Konzept zur Einbringung von keramischen Verstärkungspartikeln in eine Sn-Basis-Lotmatrix erarbeitet und umgesetzt. Im Falle partikelverstärkter Weichaktivlote wird durch das zusätzliche Legieren der Lotmatrix mit dem reaktiven Element Titan die Ausbildung von zwei Reaktionszonen erreicht, welche die Haftung zwischen Partikel und Matrix steigern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbindungen werden gegenüber der Partikelverstärkung ohne Aktivelement weiter verbessert. Zum Fügen der Aluminium- und Alumi-niummatrix-Verbundwerkstoffe (AMC) findet ein ultraschallunterstütztes Lötverfahren Anwendung, das eine Benetzung ohne den Einsatz von Flussmitteln ermöglicht. Die hergestellten Lötverbindungen zeichnen sich durch gesteigerte Verbindungsfestigkeiten, vor allem bei erhöhten Temperaturen, sowie eine verbesserte Kriechbeständigkeit aus. Aufgezeigt wird das Potenzial der Lote anhand von Zug- und Scherzugversuchen sowie Kriechuntersuchungen, die mit den Ergebnissen der Mikrostrukturanalyse und der fraktografischen Bewertung korreliert werden. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und sich daraus ergebenden Folgerung. Weiterhin liefert sie Ansätze für weitere Forschungstätigkeiten auf diesem Gebiet. / This thesis deals with the development, manufacturing and characterisation of particle-reinforced solders and active solders to improve the mechanical properties of soldered joints. Based on the state of the art, a concept for embedding of ceramic particles in a Sn-based filler matrix is planed and realised. In the case of particle-reinforced active solders two interfacial reaction layers which increase the bonding between the particles and the filler matrix are formed due to the alloying by the reactive element Ti. The mechanical properties of these joints are improved in comparison to particle-reinforced solders without surface-active elements. For joining of aluminium and aluminium matrix composites (AMC), an ultrasound-supported soldering process was used, that accomplishes a fluxless wetting. The produced joints are featured by an improved joining strength, mainly at elevated temperatures, and an increased creep resistance. The potential of the developed solders is performed by tensile and shear as well as creep tests that are correlated with the results of the micro-structural and fractographical analysis. The Discussion and the drawn conclusions summarise the work and give new approaches for following investigations.

Ein Schlüsselfeld der gegenwärtigen Biomaterialforschung ist die Modifizierung von Oberflächen mit Bestandteilen der extrazellulären Matrix (EZM) oder Molekülen, die bestimmte Funktionen nachahmen. Trotz einer Reihe positiver Ergebnisse in vitro und in vivo ist es mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Immobilisierungsmethoden nicht möglich, unterschiedliche Komponenten in einem Prozessschritt zu immobilisieren, definierte Freisetzungscharakteristika für gleiche und/oder unterschiedliche Moleküle zu realisieren und die Beschichtung der Oberflächen nach Sterilisation der Implantate vorzunehmen, um empfindliche bioaktive Substanzen, wie Proteine, vor Schädigung zu bewahren. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel an, ein nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem für Titanwerkstoffe zu entwickeln. Es wird zunächst am Beispiel eines Peptids mit der Aminosäuresequenz Arginin–Glyzin–Asparaginsäure (RGD) nachgewiesen, dass an der Grenzfläche Passivschicht/Elektrolyt von Titanwerkstoffen vorliegende Moleküle in durch anodische Polarisation verdickte Oxidschichten partiell eingebaut werden können und dabei ihre Funktionalität erhalten bleibt. Diese Immobilisierungsmethode wird zum Immobilisierungssystem erweitert, indem Nukleinsäureeinzelstränge mit der beschriebenen Methode als Ankerstränge (AS) in anodisch formierte Oxidschichten fixiert und in einem zweiten Prozessschritt mit komplementären Gegensträngen (GS) hybridisiert werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass das Peptid in einem weiten Parameterbereich der elektrochemischen Bedingungen immobilisiert werden kann. Demgegenüber führen im Falle des nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystems die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die Photoaktivität der Oxidschicht sowie mehrfache Trocknungen und Wiederbenetzungen zu einer Schädigung gebundener AS bis hin zu einem vollständigen Verlust der Hybridisierbarkeit. Durch Zugabe von Ethanol in hoher Konzentration während des Immobilisierungsschritts, Arbeit unter Lichtausschluss sowie Vermeidung mehrerer Trocknungen und Wiederbenetzungen können die Nebenwirkungen soweit eingeschränkt werden, dass alle immobilisierten AS hybridisierbar sind. Nach dessen Etablierung im Rahmen dieser Arbeit ist es in nachfolgenden Projekten möglich, das nukleinsäurebasierte Immboilisierungssystem zu einem modularen, nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystem zu erweitern, um die eingangs beschriebenen Grenzen etablierter Methoden zu umgehen. Dazu müssen im zweiten Prozessschritt Konjugate aus GS und bioaktiven Molekülen, wie z. B. Peptide oder Wachstumsfaktoren, eingesetzt werden. Weiterhin können durch die Nutzung verschiedener Längen und Basensequenzen die Hybridstabilität und damit die Freisetzungskinetik beeinflusst werden. / Surface functionalization with bioactive molecules is a main field in current biomaterial research. However, in vitro and in vivo results are heterogeneous. This may be at least partially attributed to the limits of the applied immobilization methods. With established immobilization methods possibilities are limited to immobilize different molecules in one step, to implement defined release kinetics for similar and/or different substances, or to carry out the immobilization after sterilization of the implant to save sensitive molecules from damage. Therefore in this thesis a nucleic acid based immobilization system for bioactive molecules is developed for titanium based materials. Using a peptide with the amino acid sequence arginine–glycine–aspartic acid (RGD) it is demonstrated at first, that small molecules, being present at the interface electrolyte/passive layer, can be immobilized by their partial incorporation in anodically formed oxide layers. The immobilization can be carried out in a wide range of electrochemical parameters and the peptide preserves its biological function under all conditions. This immobilization method is enhanced by utilizing single-stranded nucleic acids as anchor strands (AS), which can be hybridized by complementary strands (CS) in a second step. Contrary to the peptide, bound AS are damaged by the formation of reactive oxygen species during anodic polarization of the substrate, the photoyctivity of the titanium oxide layer and multiple drying and wetting cycles. These side effects must be constrained by adding ethanol in a high concentration to the electrolyte during the immobilization procedure, excluding light during preparation and avoiding multiple drying and wetting cycles. Applying these conutermeasures, a 100% hybridization of immobilized AS can be achieved. After establishing the nucleic acid based immobilization system it can be developed further to a modular, nucleic acid based immobilization system to overcome limitations of established immobilization methods. At first, conjugates of CS and bioactive molecules, such as peptides or growth factors, should be used in the hybridization step for a true functionalization of the surface. Furthermore, hybrid stability and thus release kinetics can be adjusted by using CS of different length and base sequences.

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.