Grünendick, T.

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IMW - Institutsmitteilung Nr. 25 (2000) 19Löten in der LuftfahrtindustrieGrünendick, T.Das Löten ist in der Luftfahrtindustrie ein unver-zichtbares Verfahren geworden. Die angewendetenLötverfahren dienen zur Herstellung hochfester,oxidationsbeständiger Bauteile mit komplexerGeometrie und unterschiedlichen Werkstoffkomb i-nationen sowie zur Rekonditionierung von ver-schlissenen Komponenten.Brazing is getting an absolutely essential procedurein the aviation industry. The used methods are forthe production of heavy strong and steady oxidationresistants materials with complex geometry anddifferent material combinations as well as for re-condition of worn components.1 Ursprung des LötensDie DIN 8505 beschreibt das Löten wie folgt:„Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoff-schlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstof-fen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzeneines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion anden Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. DieSolidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nichterreicht.“ /1/Sucht man mit dieser Definition nach den Anfängendes Lötens, so wird als erstes geschichtliches Da-tum der Löttechnik etwa das Jahr 5000 v. Chr. ge-nannt. Hierbei handelte es sich zunächst um mittelsdem Lötverfahren gefertigte Gold- und Silber-schmuckstücke. Aber auch als Substitution desNietens wurde das Löten eingesetzt, wie z.B. fürdie Grabbeigaben des Pharao Tut-ench-Amun.Im Verlauf der Geschichte war die Löttechnik vonvielen Zufällen begleitet, die durch unkonventionelleDenkprozesse vieler Handwerker eine kontinuierli-che Entwicklung erfuhr. So erscheint es auch nichtverwunderlich, dass die Philosophen Hypokratesund Theophrast die Beschreibung des Lötverfah-rens in ihren Werken aufnahmen.Als ein Beispiel der Kreativität auf dem Gebiet derLöttechnik sei das Patent des Engländers Durandgenannt. Dieses Patent erhielt er 1810 auf einegelötete kombinierte Fügeverbindung (Form-schluss-Stoffschluss-Verbindung) zur Herstellungund zum Dichtlöten von Konservendosen. Eherzufällig wurde dagegen 1906 bei General Motorsdas Schutzgas-Hartlöten entdeckt, /2/.Mit dem Beginn intensiver Arbeiten auf dem Gebietder Luft- und Raumfahrt wurde die Forderung derIndustrie nach hochfesten und oxidationsbeständi-gen Lötverbindungen immer stärker, insbesonderefür Verbindungen mit unterschiedlichen Werkstof-fen. Zu Anfang erfüllten die Gold-Basis-Lote (B-Au4 [82 Au 18 Ni]) alle Wünsche der Luft- und Raum-fahrtkonstrukteure, da sie die nötige Festigkeit, Zä-higkeit und Heißgaskorrosionsbeständigkeit ge-währleisten. Doch die hohen Kosten verdrängtendie Gold-Basis-Lote überwiegend durch die Nickel-Basis-Lote, die bei ähnlichen Eigenschaften um einvielfaches kostengünstiger sind. Aber auch andereLote, meist auf Edelmetallbasis (Silber, Palladium),wurden entwickelt. Hergestellt werden diese Löt-verbindungen, die überwiegend für die Triebwerk-stechnologie eingesetzt werden, in einem Vakuum-hartlotverfahren.2 Das HochtemperaturvakuumlötenDas Löten im Vakuumofen hat sich für das Fügenhochbeanspruchter Konstruktionen aus Nickel, Ti-tan, Zirkonium, Cobalt und hochwarmfesten Stäh-len im Flugzeugbau bestens bewährt. Durch diegleichmäßige Wärmeführung im Ofen werden Ver-formungen der Werkstücke und Wärmespannungenvermieden. Eine Regenerierung der Grundwerk-stoffeigenschaften durch geeignete Wärmevor- und-nachbehandlung lassen sich ebenfalls durchführen(Spannungsarmglühen oder Ausscheidungsglü-hen).Bild 1: Kernverbund mit Gewindeeinsatz und Ab-schlußprofil, /3/20 IMW - Institutsmitteilung Nr. 25 (2000)Das Vakuum (bis 10-6 mbar) und der Einsatz vonInertgas verringert die Oxidation derart, dass ohneFlussmittel gearbeitet werden kann und somit enge-re Lötspalte vorgesehen werden können. Oft sindenge Spalte metallurgisch erforderlich, um Verbin-dungen hoher Festigkeit zu erhalten. Dies ist be-sonders wichtig bei der Herstellung hochbean-spruchter Teile, wie Turbinenschaufeln aus hoch-hitzebeständigen Werkstoffen, Verdichterlaufrädernsowie Honigwabenkonstruktionen, (Bild 1 und Bild2). Werden die engen Lotspalte beispielsweisebeim Nickel-Basis-Lot nicht eingehalten, so bildensich in der Lötnaht sehr harte intermetallische Pha-sen, die zum Versagen der Verbindung führen.Weniger problematisch ist dies beim Gold-Basis-Lot; hier nimmt die Festigkeit mit steigendemLötspalt nur langsam ab. Tab. 1 zeigt die Lötspalt -breite in Abhängigkeit von Lottyp, Lötverfahren undArbeitstemperatur.Lottyp Lötspalt inmmHerstellungs-verfahrenArbeits-temperatur0,1 bis 0,15 mit FlussmittelL-Ag 0,01 bis 0,05 Vakuum, reduzierendeAtmosphäre900°C -1000°CL-Au 0,01 bis 0,05 Vakuum, reduzierendeAtmosphäre950°CL-Ni 0,01 bis 0,05 Vakuum, reduzierendeAtmosphäre900°C -1200°CL-Co 0,01 bis 0,05 Vakuum, reduzierendeAtmosphäre1150°CL-Ti 0,01 bis 0,07 Vakuum, reduzierendeAtmosphäre940°CTab. 1: Lötspaltbreite in Abhängigkeit von Lottypund LötverfahrenDie minimal geforderte Lötspaltbreite muss natür-lich unter Berücksichtigung der Formabweichun-gen, der Dehnungen und der Vorrichtungen zur Fi-xierung der Lötteile auch bei Erwärmung auf dieLöttemperatur gegeben sein. Dabei sollte derLötspalt parallel oder verengend in Flussrichtungdes Lotes verlaufen und eine Mittenrauhigkeit vonRa = 12,5 µm nicht übersteigen. Bereiche, die nichtmit Lot benetzt werden dürfen, können durch oxid-keramische Lot-Stop-Pasten abgegrenzt werden.Diese Pasten werden aufgetragen und nach derLötung wieder mit Reinigern abgewaschen. DieBilder 3 bis 5 zeigen einige Beispiele.Bild 2: Hochtemperatur-Löten von Kernverbund-Turbinendichtungen, /3/Außerdem werden im Vakuum beispielsweise beiTitan und Zirkonium, die mit der Atmosphäre rea-gieren, ein schädliches Verspröden der Werkstoffevermieden. Titanlegierungen (TiAl6V4) sind auf-grund ihrer speziellen Eigenschaften (bei ca. 60%des Stahlgewichtes weisen Titanlegierungen einesehr hohe Festigkeit und Korrosionsbeständikeitauf) ein in der Luftfahrtindustrie oft verwendeterWerkstoff, insbesondere für Anwendungen, bei de-nen geringe Massenkräfte gefordert werden. ZumFügen von Titanlegierungen untereinander und inKombination mit anderen Werkstoffen werden nied-rigschmelzende Titan-Basis-Lote verwendet, diewerkstoffähnliche mechanische Eigenschaften auf-weisen.a)  b)Bild 3: a) unzweckmäßige lötgerechte Gestaltungb) Lot in Richtung der Verengung fließen    lassen, /3/a)  b)Bild 4: a) unzweckmäßige lötgerechte Gestaltungb) zweckmäßige lötgerechte Gestaltung,    da das Lot von innen nach außen fließt,    /3/IMW - Institutsmitteilung Nr. 25 (2000) 21a)  b)Bild 5: a) unzweckmäßige lötgerechte Gestaltungb) zweckmäßige lötgerechte Gestaltung    zur Übertragung größerer Torsions-    kräften, /3/Das Lot kann als Formteil, Paste oder Pulver ve r-wendet werden. Trotz der Selbstreinigungseffekteim Vakuumofen sollte die Lötstelle von Oxiden, Fettund Schmutz chemisch oder mechanisch gereinigtsein. Dieser Selbstreinigungseffekt entsteht durchdie unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizi-enten der Oxide und des Metalls, die ein Aufreissender Oxidhaut bewirken und dem Lot das Benetzendes Metalls durch unterwandern der Oxidhaut er-möglichen. Die Affinität der Metalle bei hohen Tem-peraturen eine bestimmte Oxidmenge aufzuneh-men und die Reduzierung der Oxide von im Vaku-um befindlichem Restgas tragen außerdem zumSelbstreinigungeffekt positiv bei.Neben der Herstellung hochbeanspruchter Lötver-bindungen, z. B. zum Einlöten von Verdichter-schaufeln, eignet sich das Hochtemperaturlöten zurRekonditionierung von beschädigten Schaufelnoder Labyrinthdichtstege. Die Schaufeln verschlei-ßen im Blattbereich durch Erosion und thermischerErmüdung. Zur Reparatur dieser beschädigten Flä-chen werden Lötfolien aufgetragen und bei hoherTemperatur festgelötet. Dabei erreichen diese Be-schichtungen die Festigkeitswerte des Grundmate-rials und in einigen Fällen sogar höhere.3 DiffusionslötenBeim konventionellen Löten wird das flüssige Löt-gut durch Wärmeabfuhr unterkühlt und es erfolgteine thermische Erstarrung (Bindung). Im Gegen-satz zum konventionellen Löten wird beim Diffusi-onslöten die Löttemperatur solange gehalten, bisdurch Diffusion zwischen Grundwerkstoff und flüss-sigem Lot das Lotgut bei Löttemperatur erstarrt. Eingroßer Vorteil ist hierbei die erhöhte Wiederauf-schmelz- oder Auslösetemperatur der Lötverbin-Bild 6: Diffusionslötung mit hoher Festigkeit einer Laufschaufel aus einfachen Gussteilen (Prototypen), /4/22 IMW - Institutsmitteilung Nr. 25 (2000)dung. Damit wird die Verbindung auch bei Tempe-raturen oberhalb der Löttemperatur mechanischbelastbar. Bild 6 zeigt einen Prototypen einer Lauf-schaufel, die mittels Diffusionslötung aus einzelnenGussteilen gefügt wird. Hier kommen überwiegendNickel-Bor-Folien zum Einsatz.4 Perspektiven der LöttechnikDie Löttechnik wird auch in Zukunft insbesonderefür inkompatible Werkstoffe, die wegen ihrerschlechten Benetzbarkeit und teilweise stark unter-schiedlichen Eigenschaften (z.B. Ausdehnungsver-halten) äußerst schwierig zu verbinden sind, einegute Fügealternative bieten. So wird in zahlreichenArbeiten /5/, /6/ das Fügen von Oxid- und Nichto-xidkeramiken untereinander bzw. mit metallischenWerkstoffen untersucht. Das Löten kann sowohl aufkonventioneller Weise mit metallisierter Oberfläche,über Diffusionslöten als auch mit Aktivloten erfol-gen. So wird z.B. Nickel-Basis-Lot zum Verbindenvon Siliziumnitrid-Molybdän-Verbunden (Anwen-dungstemperatur ca. 1200°C) und Silber-Kupfer-Basis-Aktivlot im Vakuumofen für Aluminium-Siliziumcarbid-Verbunde eingesetzt.Ein weiteres vielversprechendes Gebiet erschließtsich für das Löten von Werkstoffen auf der Basisvon intermetallischen Verbindungen, wie z.B. Titan-und Nickelaluminide. Diese Werkstoffe besitzen Ei-genschaften, die zwischen denen der metallischenund der keramischen Werkstoffe liegen und eige-nen sich besonders für Anwendungen bei hohenTemperaturen (Turbinenbau). Zum Fügen der Alu-minide sowohl artgleich als auch artfremd mitaustenitischen oder warmfesten Stählen haben sichNickelbasislote bewährt. Bei den Titanaluminiden(Ti46Al2NbCrMn, Ti48Al2Cr) erhält man hoheScherfestigkeiten bei der Verwendung von Ni-Mn-Pd-Lot. Die Nickelaluminiden (NiAl) lassen sich gutmit Ni-Cr-Si-Lote fügen, /7/.Für die form- und werkzeugfreie Fertigung vonBauteilen könnte die Löttechnik eine größere Be-deutung gewinnen. Nach einer vorausgegangenCAD – Modellierung wird mit einem rechnerge-stützten Laser Sintering Prozess ein 3-D Bauteilgefertigt, welches dann aus einem porösen metalli-schen Werkstoff besteht. Ergänzt man diesen Bau-prozeß anschließend durch ein Benetzen mit Lot,so werden die Poren geschlossen und man erhältein funktionsfähiges Bauteil. Auch die Fertigungvon Gradientwerkstoffen lässt sich auf diesem We-ge realisieren.5 ZusammenfassungDas Löten ist in der Luftfahrtindustrie zum Verbin-den unterschiedlicher und schwer benetzbarerWerkstoffe ein etabliertes stoffschlüssiges Füge-verfahren. Die neuen Impulse, die aus den Gebie-ten der Ingenieurkeramiken und intermetallischenVerbindungen kommen, werden weitere Entwick-lungen speziell im Hochtemperaturbereich bewir-ken, beispielsweise für effiziente Brennkammer-und Turbinenbaugruppen. Auf diese Entwicklungendarf man sicherlich gespannt sein.6 Literatur/1/ N., N.: Löten, Allgemeines, Begriffe, DIN8505 T 1, Beuth Verlag, 1979/2/ Wittke, K.: Verfahren der Löttechnik – vonder Antike bis ins Industriezeitalter, JahrbuchSchweißtechnik ´97, S. 247-265, DVS VerlagDüsseldorf, 1997/3/ N., N.: Hart- und hochtemperaturgelöteteBauteile, DIN 65169, Beuth Verlag, 1986/4/ Adam, P.: Fertigungsverfahren vonTurboflugtriebwerken, Birkhäuser Verlag,1998/5/ Lugscheider, E.: Herstellungsmöglichkeitenvon hochtemperaturbeständigen Verbundennichtoxidischer Ingenieurkeramik mittels ve r-schiedener Lotkonzepte, DVS Berichte, DVS-Verlag Düsseldorf, 1994/6/ Weise, W.; Malikowski, W.; Krappitz, H.:Verbinden von Keramik mit Keramik oderMetall durch Aktivlöten unter Argon oder Va-kuum, Degussa/7/ Lison, R.: Schweißen und Löten von Werk-stoffen auf der Basis intermetallischer Pha-sen, Schweißen & Schneiden, S. 80-89,DVS-Verlag Düsseldorf, 2/2000

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