Nickelreaktivlot / Oxidkeramik-Fügungen als elektrisch ... - JuSER

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heute noch eingesetzt – wobei die Herstellung von Pellets in der Regel nur in der
Grundlagenforschung Verwendung findet.
Als Lotbasiswerkstoff steht seit jeher Silber, legiert mit Kupfer und dem Reaktivelement Titan im
Vordergrund. Wie von S. Mandal publiziert, kommt es in diesem Dreistoffsystem zu einer
Entmischung der Schmelze in eine silber- sowie eine titan-kupfer-haltige Phase, wobei der
titanreiche Anteil eine stark gesteigerte Reaktivität aufweist [93, 98]. Zur weiteren Verbesserung
der Eigenschaften der Lotmatrix und des Fügeverbundes kommen zudem unter anderem Indium
[99], Aluminium [100] sowie Palladium [101] zum Einsatz.
Eine Reihe kupferbasierter Reaktivlote wurde wegen ihres geringeren Werkstoffpreises
entwickelt [102, 103]. Aufgrund ihrer geringen Korrosionsbeständigkeit werden sie aber genauso
wie zinn- und bleibasierte Weich-Reaktivlote nur für wenige spezielle Anwendungen eingesetzt.
Letztere besitzen zwar nur eine maximale Einsatztemperatur von circa 250 – 400°C, müssen
jedoch über 650°C verlötet werden, da sonst die Reaktivreaktion nicht stattfindet. Die späte
Erstarrung und hohe Duktilität dieser Lote sorgt jedoch dafür, dass die kumulierten
Eigenspannungen in der Fügung minimiert werden können [91].
Im Gegensatz dazu decken die hochschmelzenden Edelmetalllote auf Basis von Gold mit in der
Regel sehr guten Korrosionseigenschaften das andere Ende der Temperaturskala ab. Durch die
gezielte Einstellung binärer und ternärer Eutektika wurden Legierungen entwickelt, die
Verbindungen von Refraktär-, Eisen- und Nickelbasislegierungen mit Keramiken ermöglichen.
Technisch eingesetzte Lote hierfür basieren überwiegend auf AuNi, AuNiPd oder AuCu
[104, 105].
Mit einer Schmelztemperatur von 942°C stellt das titanreiche Eutektikum Ni-72Ti (in Gew.-%)
eine interessante alternative Legierung als potenzielles Reaktivlot dar [106]. In der technischen
Umsetzung werden derzeit davon ausgehend zwei Ansätze verfolgt. Zum einen kann per
Lichtbogen-Schmelzverfahren (30h, 900°C, Vakuum [107]) eine Folie mit einer in eine Ti 2 Ni-
Matrix eingebettete titanreiche Phase hergestellt werden, die für den späteren Einsatz als
Reaktivlot geeignet ist. Ein anderer Ansatz nutzt Diffusionsvorgänge zwischen in den Lotspalt
eingelegten Titan- und Nickelfolien. Zunächst bildet sich dann im Fügeprozess ab 942°C eine
flüssige Phase im Bereich der Grenzfläche, die in der Folge dann die restlichen Folien löst. Im
letzten Schritt werden die Substrate durch das „in-situ“ entstandene Reaktivlot benetzt
(sogenanntes Transient Liquide Phase Bonding: TLP-Bonding). Basierend auf diesem Ansatz
wurde von J. E. Indacochea et al. bereits die Anwendbarkeit dieses Verfahrens zur Fügung von
ZrO 2 /Y 2 O 3 -Elektrolyten der SOFC an den Interkonnektor-Stahl untersucht [58, 59].
Um die entstehenden sehr harten und spröden Ni-Ti-Verbindungen zu umgehen, wurden von
Locatelli et al. durch die Aufbringung von Kupfer- und Gold-Beschichtungen auf die Substrate
und die Zulegierung von Gold oder Kupfer erfolgreiche Möglichkeiten zur Optimierung
aufgezeigt [108]. Dabei haben sich besonders die vergleichsweise kostengünstigen TiCuNi-
Lotsysteme (Wesgo Inc.) zum Verbinden von hochlegierten Stählen, Wolfram, Zirkon- und
Titanlegierungen mit Keramiken und Diamant inzwischen etabliert [109].
Ausgehend von den zeitgleich entwickelten und evaluierten niedrigschmelzenden Nickel-
Basislegierungen [110- 114] wurden 1984 von H. Mizuhara (Wesgo Inc. / USA) in einer
Patentschrift erstmals technisch relevante Nickel-Titan-Reaktivlote mit den schmelzpunktsenkenden
Elementen Bor und Silizium beschrieben, deren Löttemperaturen unter 1000°C
liegen und die zum Fügen von Keramiken und schwer benetzbaren Metallen geeignet sind