用于将材料接合的方法和材料复合结构与流程

本发明涉及一种用于将材料接合或连接的方法和一种材料复合结构或相应的复合材料。

背景技术：

例如材料能够以制成的构件的形式或部分被制造的构件的形式存在或提供。

提出的构件能够涉及使用在流体机械优选燃气轮机中的构件。构件优选由超合金、尤其镍基的或钴基的超合金构成。超合金能够是沉淀硬化的或是可沉淀硬化的。优选地，构件使用在流体机械，如燃气轮机的热气路径或热气区域中。

例如在ep1165941b1中描述一种用于燃气轮机的复合覆层，其包括金属衬底、承载结构和陶瓷填充材料，以及一种用于制造复合覆层的方法。

在将非同类的材料，例如金属和陶瓷例如通过焊接接合时，通常由于两种材料的受热量影响的膨胀特性或热膨胀系数不同而在连接部位(焊接部位)的区域中通常产生应力。

由于在材料的连接部位的区域中和/或在材料中产生的机械应力、热应力和/或热机械应力，不同的热膨胀降低强度特性。

由于提到的应力尤其能够在受高的热负荷的复合构件或复合材料的运行中产生在复合组成部分中的或各个层的裂缝和/或分离。这尤其是在被加载热气的涡轮机部件，例如叶片或其他热气部件中的问题。在最严重的情况下，不同的热膨胀甚至能够导致破坏两个材料中的至少一个的表征的特性。

提到的机械应力尤其损害相应的复合构件的强度，其方式在于：不仅在各个接合组成部分，例如金属的和/或陶瓷的材料之内产生温度梯度，而且也沿着相应的接合组成部分或复合组成部分产生温度梯度。

所述问题至今为止通过应用在例如一毫米或几毫米厚度的范围内的尤其可延展的中间层、粘附层或缓冲层来解决。这些层例如通过弹性的和/或塑性的变形至少部分地抵消接合部件的所描述的热引起的不同膨胀或引起例如在焊接连接的区域中产生的应力的削弱。缓冲层能够是基于铜、银和/或钛的层，所述层然而通常具有小的耐氧化性并且据此不适合于设计用于可承受高的热负荷的接合部件或要接合的构件。

这些缓冲层或中间层或粘附层的另一缺点涉及其仅能够以相对小的层厚度制造，因为层厚度能通过参与的接合材料的热膨胀系数的不匹配受到限制，或不能经由缓冲层抵消接合配合件的热膨胀的每个任意的“missmatch”(“错误匹配”的英文)。此外，这些中间层的参与使得接合过程变复杂并且可能将其他污染源带入到复合材料中。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是，提出一种用于将材料接合的改进方法，以及提出一种相应地改进的材料复合结构。尤其，提供一种改进的方法，所述方法能够在没有中间层的情况下并且在近似单级的接合过程，尤其焊接过程中实现接合非同类的连接件或部件。换言之，在接合参数之间不再设有中间层、缓冲层或粘附层。此外，不需要金属化，例如第二材料的金属化。

所述目的通过独立权利要求的主题实现。有利的设计方案是从属权利要求的主题。

本发明的一个方面涉及一种用于将材料接合的方法或一种用于制造材料复合结构或复合材料的方法。

所述方法包括提供第一材料或接合配合件和提供第二材料或接合配合件。

第一材料例如能够是金属材料。

第二材料例如能够是陶瓷材料。

所述方法还包括使第一材料在第一材料的接合部位或连接部位上设有栅格结构。连接部位优选表示材料的设置用于连接或接合的侧或棱边例如面。

在一个设计方案中，所述方法包括使栅格结构和/或第二材料设有焊料。

所述方法还包括将第二材料与栅格结构连接，尤其焊接或反之亦然，使得由第一材料和第二材料产生复合材料或材料复合结构，其中栅格结构构成为，使得通过栅格结构至少部分地或完全地抵消在材料中的应力。

通过使第一材料设有栅格结构，能够如上文所表明那样，有利地与缓冲层的作用方式类似地通过由栅格结构吸收应力实现应力减小。有利地，然而与中间层或缓冲层的应用相反，既不受特定的层厚度限制，也不存在将污染带入材料复合结构中的风险。这尤其是这种情况，因为栅格结构优选在第一材料的部件或构件的情况下固有地形成或提供并且据此优选由与第一材料完全相同的材料或同类的材料构成。出于所述原因，复合材料同样可以与例如包括中间层的复合结构相比更耐温地和/或更耐氧化地构成。

第一材料和第二材料两者能够以部件或构件的方式存在。

第二材料与栅格结构的连接或经由栅格结构与第一材料的连接优选是焊接，尤其硬焊。焊料例如能够是硬焊料和/或是活性焊料。

在一个设计方案中，第一材料是金属材料，尤其镍基或钴基的超合金或是由其构成的或包含合金的构件或相应的复合部件。据此，第一材料能够是涡轮机部件，例如是应用在燃气轮机的热气路径中的部件。提到的合金能够是沉淀硬化的或可沉淀硬化的超合金，例如是通过γ相或γ’相或通过其相沉淀而硬化的合金。

在一个设计方案中，第二材料是陶瓷材料，例如是陶瓷的纤维复合材料。

金属材料与陶瓷材料的连接或相反的连接尤其在制造涡轮机部件时可能是特别令人感兴趣的且功能性的组合。

在一个设计方案中，栅格结构由与第一材料相同的材料制造或由其构成。据此，第一材料例如能够与栅格结构一起形成功能独立的部件或构件。

在一个设计方案中，栅格结构是面心立方的或者说fcc栅格(fcc：英语“facecenteredcubic(面心立方)”)。

在一个设计方案中，栅格结构具有栅格支杆，所述栅格支杆具有在0.5mm和2.5mm之间的，尤其1.5mm的直径或宽度。

在一个设计方案中，栅格结构具有在4mm和8mm之间尤其6mm的、由栅格结构形成的栅格的相应的单位格的空间对角线。

所述设计方案对于实现本发明所基于的目的尤其是适宜的且有利的。尤其，通过所描述的几何结构和尺寸能够特别有利地如上文所描述那样实现应力消除。

借助于增材制造法，例如选择性激光熔化或电子束熔化制造栅格结构。换言之，第一材料优选借助于所描述的方法设有栅格结构。

在一个设计方案中，借助于增材制造法，例如选择性激光熔化或电子束熔化制造第一材料。

所述设计方案提供如下优点，即在没有方法技术方面的大耗费的情况下，栅格结构固有地与第一材料或是第一材料的或包括第一材料的部件一起被提供。

增材制造法可能总的来说首先能够实现栅格结构的构造，因为可能不能借助于传统的(减材的或切削去除的)生产来制造相应复杂的、交叉的和/或分叉的结构。此外，增材制造法已知地提供近似不受限制的设计自由度的优点。

生成或增材制造法例如包括选择性激光熔化(slm)或电子束熔化(ebm)。电子束焊接或激光堆焊(lmd)例如属于提到的光束焊接法。

增材制造法(英语：“additivemanufacturing”)对于复杂的或繁复的或细丝设计的构件，例如迷宫式结构、冷却结构和/或轻质结构被证实为有利的。尤其，增材制造由于特别短的工艺步骤链而是有利的，因为构件的制造步骤或生产步骤能够直接基于相应的cad数据实现。

在一个设计方案中，将栅格结构在同一制造方法中，优选直接地，与第一材料一起制造或提供，以便形成复合部件。

在一个设计方案中，提到的复合部件是燃气轮机的一部分，优选是燃气轮机的在燃气轮机运行中被加载热气的部分。

在一个设计方案中，第二材料经由栅格结构与第一材料焊接。

在一个设计方案中，提到的焊料是硬焊料和/或活性焊料并且例如包含银、铜和/或钛。

在一个设计方案中，将栅格结构适宜地在连接或焊接之前，用焊料-粘合剂-混合物和/或焊料-填充剂-混合物渗透或填充。这可能提供如下优点，即栅格结构能够进一步被机械稳定，其中不必放弃栅格结构在热引起的应力方面的削弱应力的特性。

提到的焊料-粘合剂-混合物或焊料-填充剂-混合物例如同样能够包括硬焊料和/或活性焊料。

本发明的另一方面涉及一种材料复合结构，所述材料复合结构根据上述方法优选地制造或能制造。

在一个设计方案中，栅格结构在提到的材料复合结构中直接地且材料配合地与第一材料连接。

在一个设计方案中，在栅格结构和第二材料之间和/或在栅格结构的栅格间隙中设置有硬焊料、活性焊料和/或提到的焊料混合物。

在一个设计方案中，活性焊料包含钛。所述设计方案能够实现材料复合结构的高的耐温性。此外，所述设计方案有利地通过次级相形成能够实现由焊料完全地润湿第二材料的表面或陶瓷表面。

在一个设计方案中，第一材料是燃气轮机部件，尤其是应用在燃气轮机的热气路径中的部件，或表示燃气轮机部件。

在一个设计方案中，材料复合结构不具有用于抵消机械应力的缓冲层或粘附层。相应地，材料复合结构优选不具有提到的缓冲层或粘附层。换言之，仅通过栅格结构的设计方案能够引起机械应力消除，或基本上由此能够引起机械应力消除。

当前涉及方法的设计方案、特征和/或优点还能够涉及材料复合结构或反之亦然。

下面，根据附图描述本发明的其他细节。

附图说明

图1示出根据本发明的材料复合结构的部件的示意剖视图或侧视图。

图2至少部分地示出材料复合结构的示意剖视图或侧视图。

图3示意地根据流程图表明根据本发明的用于将材料接合的方法的方法步骤。

图4至7示意地且简化地表明根据本发明的材料复合结构的应力情况。

在所述实施例和附图中，相同的或起相同作用的元件分别设有相同的附图标记。示出的元件及其彼此间的尺寸比例原则上不视为符合比例的，更确切地说，为了可更好地示出和/或为了更好的理解，能够夸大厚度或尺寸地示出各个元件。

具体实施方式

下面，根据附图描述根据本发明的用于将材料接合的方法或用于制造材料复合结构的方法。

所述方法是用于将材料，尤其第一材料w1和第二材料w2接合或连接的方法。优选地，所述方法描述用于将第一材料w1与第二材料w2焊接的焊接方法或反之亦然。

尤其，所述方法包括提供第一材料w1(参照图3中的a))。第一材料例如能够是金属材料。第一材料还能够以构件或部件，优选涡轮机部件或例如应用在燃气轮机的热气路径中的部件的形式存在。据此，第一材料能够包括超合金，例如镍基或钴基的超合金或由所述超合金构成。

提到的合金能够是沉淀硬化的或可沉淀硬化的超合金，例如是通过γ相或γ’相或通过其相沉淀而硬化的超合金。替选地，第一材料能够表示其他材料。

此外，所述方法包括提供第二材料w2。第二材料能够是陶瓷材料。尤其，第二材料能够是陶瓷纤维复合材料，例如是cmc材料(英语为“ceramicmatrixcomposite(陶瓷基复合材料)”)。替选地，第二材料能够表示其他材料。

第一材料w1在图1中在下方表明，并且第二材料w2在图1中在上方表明。同义地，能够分别用第一材料和第二材料表示相应的部件，例如第一部件和第二部件。

所述方法还包括使第一材料w1设有栅格结构gs，更确切地说在设计用于接合或连接的连接部位vs处设有栅格结构(参照图3中的b))。在图1中示出，第一材料已经优选材料配合地设有栅格结构gs或与栅格结构gs连接。

连接部位vs优选表示第一材料的或相应的构件的、要与第二材料w2连接或接合的上侧。

根据本发明，经由栅格结构gs优选应当引起用于由第一材料和第二材料产生的材料复合结构的应力消除。据此，栅格结构gs优选设置和构成为，使得能够至少部分地或显著地抵消或平衡应力，也就是说机械的、热的和/或热机械的应力，其例如在不设有栅格结构gs的情况下在将第一材料与第二材料连接或焊接时产生。

通过栅格结构gs能够有利地弃用中间层或缓冲层，所述中间层或缓冲层例如设计用于补偿要引导的部件的热膨胀系数的差。作为其他优点，根据本发明的经由相应的栅格结构gs进行的接合能够实现构成具有特别高的耐温性的材料复合结构，所述高的耐温性与具有基于银和/或铜的传统的中间层或缓冲层的材料相比是改进的。

根据本发明制造的材料复合结构同样有利地具有相对于传统的或传统地接合的复合材料改进的耐氧化性。

栅格结构gs例如能够具有在十分之一毫米直至数毫米或厘米的范围内的栅格间距和/或栅格直径。

栅格结构能够是面心立方的或者说fcc栅格。栅格结构gs还能够具有在0.5mm和2.5mm之间的，尤其1.5mm的直径的栅格支杆(未详尽地表示)并且具有在4mm和8mm之间尤其6mm的尺寸的、栅格的相应的单位格的空间对角线。

栅格结构gs同样能够在功能上与通过第一材料表示的部件相关联。换言之，根据本发明，由第一材料制造的、相应地要接合的构件能够在制造期间固有地设有栅格结构gs。

据此，第一材料和栅格结构优选由同一种材料或相同的材料制造或能制造。

为了有利地和/或适宜地制造第一材料w1的和/或栅格结构gs的部件，优选考虑增材制造法，例如选择性激光熔化(slm)、电子束熔化(ebm)或还有选择性激光烧结。

因此，在第一材料w1的结构中构成栅格结构gs或使第一材料w1设有栅格结构gs优选在同一制造法中，借助于逐层的增材法实现。

与之相应地，栅格结构gs优选材料配合地与第一材料连接并且直接设置在第一材料上。

第一材料的相应的连接部位和使该连接部位设有栅格结构gs用于与第二材料连接在此意义上已经能够在制造或提供第一材料时被考虑到。

设有栅格机构gs的第一材料优选是复合部件vk，所述复合部件设计用于紧接着与第二材料接合或连接。

复合部件vk例如能够是用于燃气轮机的整体地或由单件或同一材料或同类材料(金属)制成的或预制的部件或燃气轮机的热气部件。尤其，在此能够涉及尤其未被覆层的涡轮机叶片和/或涉及涡轮机叶片的或涡轮机燃烧室的优选还未设置有隔热保护层和/或防氧化保护层的部件。

所述方法还包括将第二材料w2与栅格结构gs连接，尤其焊接，使得(参照图3中的c))产生材料复合结构10(参照图2)。示意地，在图1中仅，对于复合部件vk附加地，表明焊料层l以及第二材料w2。

所述焊接优选通过本领域技术人员已知的手段并且在相应适宜的温度下，尤其在高于700℃，优选高于800℃，例如1050℃的温度下进行。

在焊接时，尤其使选自栅格结构gs和第二材料的至少一个部件设有焊料，并且分别将其他部件随后在相应的焊料温度下接合。如在图1中所示出，也能够使栅格结构gs以及第二材料w2首先同样在加热到焊料温度的情况下设有焊料并且随后接合。

图2示出材料复合结构10，其通过根据本发明的方法由第一材料和第二材料构成。

与在附图中的描述相反，栅格结构gs能够为了焊接而设有焊剂-粘合剂-混合物和/或焊剂-填充剂-混合物，或用提到的混合物填充或渗透栅格结构gs的栅格间隙。这能够不仅对于材料复合结构10的机械稳定性是有利的，而且对于根据本发明的目的，也就是说例如对于在材料复合结构10中的机械应力的抵消是有利的。

优选地，在图2中示出的材料复合结构10不具有用于抵消机械应力的缓冲层或粘附层。

图3借助于流程图示出根据本发明的方法步骤。

用附图标记a)表示的方法步骤涉及提供第一材料w1和第二材料w2。

方法步骤b)涉及使第一材料w1设有栅格结构gs，如上文所描述。

方法步骤c)涉及将第二材料w2与栅格结构gs连接，尤其焊接，使得如上文所描述那样产生材料复合结构10。

替选地，第一材料和第二材料的连接能够通过其他接合方法，例如通过焊接、挤压、粘贴、成形或烧结进行。

图4示意地示出设有栅格结构的第一材料w1的、类似于图1的描述的替选示图。沿水平方向，第一材料w1以及与其连接的栅格结构gs具有长度或宽度l1。所述长度在室温rt下优选对应于相应的部件的长度。

图5示意地示出图1中的相同的构造，其中然而附加地第二材料w2在温度tv下与栅格结构连接(参照上文)。温度tv例如对应于在800℃和1050℃之间的温度或也对应于更高或更低的温度。与图4的描述相反可见的是，由于热膨胀，第一材料w1或相应的材料复合结构10具有大于l1的长度l2。

图6示意地示出将材料复合结构10从温度tv(重新)冷却至室温rt。通过所述冷却，第一材料w1减小或收缩至长度l3(大于l1和l2)，其中然而第二材料w2的相应的长度或宽度(未详尽示出)由于其材料特性而没有减少相同的尺寸，使得第一机械应力应当经由在第一材料w1和第二材料w2之间的连接而存在或者通过栅格结构gs抵消。

在图7中最后示出在工作温度ta下的材料复合结构，其中第一材料w1，从室温rt开始，膨胀至长度l4(大于l3)。同时，由于温度升高，第二材料w2也例如略微在长度方面膨胀。然而借助于较小的长度差可见，从现在起存在第二机械应力，其同样通过栅格结构gs抵消。第二机械应力优选小于所描述的第一机械应力(参照图6)。

换言之，根据图4至7所描述，栅格结构gs优选被提供或第一材料w1设有栅格结构gs，使得应力消除尽可能适宜地匹配于热状态或匹配于工作温度ta，也就是说使得在所述热状态或运行状态中，在材料复合结构10中存在适宜地较小的机械应力并且据此优选也经由栅格结构gs被抵消或能够被抵消。

本发明不通过根据实施例的说明而局限于此，而是包括任意新的特征以及特征的任意组合。这尤其包含在权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求或实施例中给出时也如此。