Entwicklung eines Metall-Keramik-Verbundes für thermo-mechanisch hochbelastbare Sichtfenster

Für die Weiterentwicklung des Videoinspektionssystems GeoKam, ein System zur optischen Inspektion von Tiefenbohrungen, z.B. für die Tiefengeothermie, sind Untersuchungen zur Optimierung des Designs des Seitenkameragehäuses, zur Auswahl der am besten geeigneten Werkstoffe und den Ansprüchen im Einsatz der Sonde angepassten Aufbau- und Verbindungtechnik durchzuführen. Auf Seiten der Werkstoffauswahl ist hierbei die Wahlfreiheit eingeschränkt, da das Sondensystem auf den Werkstoffen Inconel® 718 und Perlucor® basiert. Als Verbindungstechnologie zwischen Perlucor® und Inconel® 718 bietet sich hier die Technik des Aktivlötens mit dem Aktivlot Incusil ™ ABA als erfolgversprechendste Möglichkeit an.
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Mit Hilfe detaillierter Auslegungsrechnungen mit der Finite Elemente Software ABAQUS® und dem Post-Prozessor STAU kann die Integrität des Seitenkameragehäuses im Betrieb gewährleistet werden. Im Zuge dieser Analysen wurde festgestellt, dass zur Reduzierung der auftretenden Spannungen - vor allem in der Keramik Perlucor® - der Einsatz einer Verbindungshülse zwischen Keramik und Metall notwendig ist. Ebenfalls zur Spannungsreduktion sind deshalb Optimierungen am Design der Verbindungshülse und dem Aktivlot als Verbindungsglied zwischen Perlucor® und Inconel® 718 durchzuführen. Das Ergebnis dieser Optimierungen zeigt, dass die beim Lötvorgang auftretenden thermo-mechanischen Spannungen und auch die Versagenswahrscheinlichkeiten innerhalb zulässiger Grenzen liegen.
Eine entscheidende Herausforderung besteht in der Gestaltung und Formgebung des Aktivlotes und der Verbindungshülse. Insbesondere müssen bei der Gestaltung der Verbindungshülse und der Kontur des Aktivlotes scharfe Kerben am Übergang (freier Rand) Metall-Keramik vermieden werden. Um dies zu realisieren, wird in einem mehrstufigen Prozess in Anlehnung an Mikrogussverfahren und Abformverfahren in der Dentaltechnik eine Form aus Paraffin, quasi als verlorene Gussform, hergestellt. Diese Gussform gibt als Negativform die Gestalt und vor allem die Kontur der aus den Berechnungen gewonnenen dreidimensionalen Kerbgeometrie als Kavität wieder und lässt sich am freien Rand des Verbundes platzieren. Mittels eines Dispensers wird die in dieser Gussform wiedergegebene Kavität über eine Bohrung mit Aktivlotpaste befüllt, während über eine zweite Bohrung die Gussform evakuiert wird bis das Aktivlot die Kavität bläschenfrei vollständig auffüllt. Auf diese Weise lässt sich die berechnete komplexe Form der Kerbgeometrie realisieren. Wie bei einem Gießprozess nach dem Guss, muss auch hier nach dem Füllen der Kavität und vor dem anschließenden Lötvorgang in einem beheizten Hexan-Bad die Gussform aus Paraffin wieder aufgelöst werden.
Durch diese optimierte Formgebung des Aktivlotes lassen sich sowohl Spannungsspitzen als auch die Versagenswahrscheinlichkeit reduzieren.
Die Ergebnisse der analytischen Rechnungen lassen sich durch nachfolgende Laborversuche verifizieren. Mikrostrukturelle Untersuchungen der Fügezone zwischen Perlucor®, Incusil ™ ABA und Inconel® 718 zur Charakterisierung des Gefüges sind zur Absicherung der bisherigen Ergebnisse und zur Ergänzung und Abrundung der Untersuchungen notwendig.

The video system GeoKam is a system for optical inspection of deep geothermal boreholes. In the course of further development and improvement, investigations are necessary in order to optimize the design of the side camera housings as well as the applied materials. Another aim of the current investigations is the development of an optimized technique for assembly and joining. The number of materials, which can be used is limited. The GeoKam system is based on the materials Inconel® 718 and Perlucor®, the latter is a transparent ceramic. Active soldering using the active brazing material Incusil ™ ABA promises to be a suitable technology for joining Inconel® 718 to Perlucor®.
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In order to guarantee the integrity of the side camera housing during operation detailed design calculations have to be performed using the Finite Element software ABAQUS® and the post processor STAU. During these analyses it could be realized that in order to reduce existing stresses, occurring mainly in the Perlucor® ceramic, the development of a sleeve as an adapter part between the Perlucor® and the Inconel® 718 cylinders is necessary. Design optimizations for the adapter sleeve and for the active brazing material, which acts as a connecting link between Perlucor® and Inconel® 718, are also necessary. Following this optimization, the thermo-mechanical stresses occurring during the brazing process, as well as the failure probability can be kept within tolerable limits.
A critical challenge is the design and shape forming of the active brazing material and of the adapter sleeve. Especially important is to avoid sharp edges and notches at the point of transition (the free edge) from metal to ceramic. This problem can be solved using a multi-step process. A casted Paraffin-mold - according to micro casting and molding in the dental technology - quasi serves as mold for dead-mold casting. This mold can reproduce the shape and especially the contour of the three-dimensional notch geometry as a cavity resulting from the calculations. It can be placed at the free edge of the composite. Using a dispenser nozzle, the cavity in the mold can be filled with the brazing paste while via a second nozzle the mold can be evacuated until the active brazing material has filled the cavity entirely and without voids. This processing solves the problem to realize the calculated complex shape of the notch geometry. Similar to a casting process, the paraffin must be removed by solving it in a heated Hexane bath after the cavity is filled and before the subsequent brazing process.
This optimized shaping technique leads to an appreciable reduction of stress peaks as well as of the failure probability.
The results of the calculations are verified by adjacent laboratory tests. Finally, microstructural investigations of the joining zone between Perlucor®, Incusil ™ ABA and Inconel® 718 have to be performed as a completion and additional assurance in order to characterize the microstructure of this region.