RU2000910C1 - Способ диффузионной сварки металла с керамикой - Google Patents

Abstract

Использование: изготовление вводов и оболочек электровакуумных приборов. Сущность изобретени , процесс сварки раздел етс  на два этапа формирование физического контакта и собственно сварка, дл  чего детали сдавливают и выдерживают при температуре ниже температуры сварки, после чего нагревают до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают Полученное соединение обладает вакуумной плотностью и высокой механической прочностью 4 злф-лы, 1 табп, 1 ил

Description

Изобретение относитс  к электронной промышленности и предназначено дл  использовани  в производстве вводов и оболочек электровакуумных приборов, а также может найти применение в различных обла- ст х промышленности, где необходимы прецизионные, герметичные соединени  различных металлов и сплавов с вакуумноп- лотной корундовой керамикой.

Известен способ получени  вакуумной- лотного соединени  алюмини  с корундовой керамикой, заключающийс  в том, что между керамическими поверхност ми помещают алюминиевую проволоку определенного профил , нагревают 270-360°С а атмосфере гели  или в вакууме 10 Па, затем соедин емые детали сдавливают усилием 20-150 МПа в течение 10-60 мин, после чего нагрев выключают.

Известен также способ получени  сое- динени  алюмини  с корундовой керамикой , заключающийс , в том, что между керамическими поверхност ми помещают диск из алюмини  толщиной 1 мм, нагревают соедин емые детали до 400-700°С и сдавливают усилием 100-200 Ма в течение 180 мин, после чего нагрев выключают.

В обоих известных решени х усилие сдавливани  при температуре сварки значительно превышает предел текучести контак- тно-упрочненного материала (алюмини ), следствием чего  вл етс  больша  степень остаточной деформации алюмини  в пределах 50-95%, привод ща  к невозможности получени  прецизионных соединений а л ю- мини  с керамикой. Также к существенным недостаткам указанных способов относитс  относительно небольша  механическа  прочность получаемых соединений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению  вл етс  способ диффузионной сварки алюминиевого сплава AM ц с вакуумноплот- ной корундовой керамикой ВК94-1. заклю- чающийс  в том, что между образцами из керамики ВК94-1 помещают диск из сплава AM ц толщиной 0,3-0,45 мм диаметром 6 мм и собранную таким образом комбинацию элементов нагревают в вакууме - 6.65 Па до температуры сварки 540-620°С. сдавливают усилием 7,5-14 МПа и после выдержки 5-100 минут охлаждают (Сварочное производство. 1982. № 11, с.7- 8). Полученные таким образом однослойные (содержащие два торцовых соединени  металла и керамики) образцы имели деформацию контактно-упрочненного материала после сварки не более 5% и прочность на раст жение 120-200 МПа.

На основании известного описанного выше способа разработан способ получени  металло-керамических соединений (в частности, титано-керамических) через алюминиевую прокладку (Автоматическа  сварка , 1985, с.59-61). Согласно данному способу собранную комбинацию элементов (керамика - алюминиева  прокладка -титановый диск - алюминиева  прокладка - керамика ) нагревают до температуры сварки 630 ± 10°С, сдавливают усилием 6 ± 1 МПа и выдерживают в течение 40 мин, после чего охлаждают. В этом случае алюминиева  прокладка играет роль контактно-упрочн емого материала.

Наиболее близким к предлагаемыому изобретению  вл етс  способ получени  ва- куумноплотных металло-керамических сое- динеыний, заключающийс  в том, что соедин емые детали нагревают в вакууме до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают.

При этом режимные характеристики (конкретные величины температуры, ус и- ли . остаточного давлени , времени выдержки ) определ ютс  в каждом случае видом свариваемого и контактно-упрочненного материала, формой и размерами металлических элементов, составом примен емого оборудовани .

Например, оптимальна  температура сварки алюмини  или его термически неупрочн емых сплавов, а также при получении металло-керамических соединений через алюминиевую прокладку 600-630°С.

Недостатком известного способа  вл етс  низкое качество многослойных металло-керамических изделий, особенно при применении в составе одного издели  металлических элементов из разнородных материалов , выражающеес  в отсутствии вакуумной плотности и низкой механической прочности соединений (на уровне единиц МПа). Кроме того, известный способ не позвол ет получать прецизионные и герметичные металло-керамичекие издели  с применением в качестве конструкционных металлов алюмини  и его термически неупрочн емых сплавов системы алюминий - магний (АМг). нержавеющей стали, никили- евых сплавов (ковар. инвар), тантала, молибдена , циркони  и других.

Все вышеперечисленные недостатки  вл ютс  следствием того, что максимально возможное давление, не привод щее к накоплению обьемной деформации металлических элементов при температуре сварки, недостаточно дл  равномерного формировани  полного физического контакта соедин емых поверхностей. Увеличение

давлени  приводит к значительной деформации металлических элементов KDO- ме того, при температурах близких к температуре сварки, интенсивно протекают процессы окислени  на соедин емых поверхност х в зависимости от состава остаточных газов в сварочной вакуумной камере (наиболее важно парциальное давление паров воды) и в некоторых случа х формирование физического контакта при температуре сварки становитс  вообще невозможным , что приводит к резкому снижению процента выхода годных

Целью изобретени   вл етс  повышение качества (а именно вакуумной плотности и механической прочности) выхода годных многослойных и однослойных ме- талло-керамических изделий с применением в качестве конструкционных металлов алюмини  и его термически неупрочн емых сплавов, титана, никел  и его сплавов (ко- вар, инвар и другие) нержавеющей стали магни  и его сплавов тантала, циркони  молибдена и других

Способ заключаетс  в том что соедин емые детали нагревают до температуры ниже температуры сварки в вакууме сдавливают и выдерживают при усилии обесп чиваю- щем формирование полного физ веского контакта по всем соедин емым пове-рхно- ст м, нагревают до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают.

Особенностью способа  вл етс  гс что процесс осуществл етс  в два этапа t- РЖДО- му из которых соответствуют свои режимы по температуре и усилию сдавливани  что позвол ет осуществить принципиально но вую схему сварки, а именно сначала обеспечить формирование физического контакта, а затем произвести непосредственно сварку При этом принципиально важно что ка первом этапе (при формировании физического контакта) температура должна быть ниже температуры сварки что позвол ет повысить усилие сдавливани  и обеспечить тем самым равномерное формирование физичг- ского контакта по всем свариваемым поверхност м , поскольку чем ниже температура. тем выше усилие, при котором достигаетс  предел текучести

Таким образом увеличение усили  сдавливани  при температуре ниже температуры сварки обеспечивает в свою очередь равномерное формирование полного физического контакта по всем свариваемым поверхност м при минимальной деформации металлических элементов что особенно важно при сварке прецизионных многослойных металло-керамических конструкций . Кроме того при температурах ниже

температуры гьсцки суще- о Mt/ i нее протекают процессы нрьвсц шие к

yMthi iUCH .IO HdAKXHC 1 И фь 1ЧеСГО 0 iO i

такта (например окисление и поэтому фор 5 мирование физического контакта при температурах м- .емпературы сварка имеет следе шив дополнительное повышение качества сформированного физического контакта, что позвол ет повысить выход

0 годных изделий и уменьшить технологические потери упростить требовани  к примен емому технологическому оборудованию (по предельному вакууму состару остаточных газов и прочему) Это особенно важно при

5 получении соединений циркони , молибдена тантала через алюминиевую прокладку так ак позвол ет избежать образовани  итерматаллидоб и охрупчивани  о зоне свэ, ки Сварка указанных материалов

0 с керам ой по известном/способ1. вообще не представл етс  возможной

Критическа  температура, при которой активизируютс  процессы привод щие необратимой деградации спариваемых по5 геглностеп ле-кит в пределах 60-80% от температуры сварки Поэтому целесообразно в некоторых случа х проводить формиро- Паь ie физически чонтакт именно при jin г мтературох так как давление, необ0 -о -ЮР д-1  формирован,vi полис.о физическою контэк.о уменьшает-  при росте температуры -по приводит к повышению тр ь .зпонности получаемых соединении гт ке упрощаетс  конструкци  силовой час5 н примен емого оборудовани  и- оснастки

Таким образом температура, при кото- рею i ро зьод т формироь ние физического конгакта сдавливанием составл ет 60 30% от r Mnepaiypbt св&рки

0Н частности, при получении алюмо ер мических соединений можно мекгмендоG ;ть температуры в диапазоне 400-500°(,

что м i ниже температуры соарки

Иногда возникает н сб/одимость пол5 ч   вь сокопрецизионнь х метэллов-ке- гам чески изделий что требует малых пт;чпь х деформаций киитактно-упроч- hiMto o металла Это особенно важно при изготовлении прсцизиочных ал омокерами0 ческих услов Поэтому в изобретении в не котооых частных случа х оказываетс  пажи м то что формирование фиэичес1 tro контакте и сварка происход т вследствие пластических деформаций металлических

5 ементоь при усилии сдавливани , превы- ипющем предел текучести металла, при эгсм экспление объемной деформации ог- ран -чиеаетс  известным процессом контактного упрочнени  и /силие сдавливани  дл  еь сокопрецизионных элементов не должно

превышать значени , соответствующего 1 % остаточной деформации контактно-упрочненных металлических элементов (сами элементы , либо прокладки, через которые осуществл етс  сварка, как правило - алюминиевые ).

Таким образом, при использовании изобретени  дл  получени  высокопрецизионных соединений его можно дополнительно охарактеризовать следующими признаками: усилие сдавливани  как при сварке, так и при формировании физического контакта превышает предел текучести, но при этом не превышает значени , соответствующего 1% остаточной деформации контактно-упрочненных металлических элементов при соответствующей температуре.

После формировани  физического контакта усилие сдавливани  может быть сн то , а может быть изменено и продолжать сдавливать детали в процессе нагрева до температуры сварки. При этом возможно изменение усили  сдавливание по какому- либо закону в процессе роста температуры. При приложени  сдавливающего усили  в процессе нагрева от температуры формировани  физического контакта до температуры сварки снижаетс  суммарное среднее врем  выдержки изделий на обоих этапах процесса, с 5-100 мин согласно известному способу до 5-30 мин, что позвол ет повысить производительность предлагаемого способа по сравнению с известными. Важно , чтобы дополнительно прилагаемые усили  не приводили к накоплению деформации, поэтому прилагаемое усилие должно соответствовать упругому деформированию контактно-упрочненных металлических элементов.

В данном частном варианте решени  предлагаемый способ характеризуетс  дополнительно следующим признаком: при нагреве соедин емых деталей от температуры формировани  физического контакта до температуры сварки соедин емы детали сдавливают усилием, соответствующим упругому деформированию металлических элементов.

В обычном режиме, с целью упрощени  технологии, после формировани  физического контакта при 60-80% от температуры сварки усилие уменьшаетс  примерно на пор док, а затем вновь увеличиваетс  при температуре сварки, остава сь в 3-4 раза меньше усили , прикладываемого дл  обеспечени  физического контакта.

Таким образом, техническое решение в частном случае дополнительно характеризуетс  следующей совокупностью существенных признаков: при нагреве от температуры формировани  физического контакта в пределах 60-80% температуры сварки до температуры сварки свариваемые элементы сдавливают с усилием, соответствующим 20-40% от сдавливающего усили  при температуре сварки.

На чертеже представлено готовое ме- талло-керамическое изделие (элемент оболочки ).

Керамические элементы 1 сварены с

элементами из сплава АМц 2 и элементом из нержавеющей стали 3 через алюминиевые прокладки 4. В результате сварки контактное упрочнение испытывают элементы 2 и 4. ,, Суммарна  деформаци  оболочки не

превышает 2%. Непараллельность поверхностей А и В не превышает 0,1 мм. Выход годных при изготовлении оболочек по предлагаемому способу 95%.

Пример 1. Кольца из корундовой

керамики ВК94-1, имеющие наружный диаметр 13 мм и внутренний диаметр 9 мм, собирали под сварку с кольцами из технического алюмини  АД1, имеющими наружный диаметр 13 мм, внутренний 9 мм и толщину

в зоне сварки 0.35 ± 0,05 мм (п тислойна  оболочка). Собранный узел помещали в камеру установки дл  диффузионной сварки и нагревали при остаточном давлении 6.65 Па до 490°С, при которой детали

сдавливали усилием 10 МПа в течение 5 мин, затем нагрузку уменьшала до 1,5 МПа и детали нагревали до 615°С. сдавливали усилием 4 МПа в течение 15 мин, после чего детали охлаждали. Деформаци  металлических элементов фиксировалась в процессе сдавливани  по индикатору с целью ограничени  прилагаемой нагрузки на уровне 1 % остаточной деформации. По аналогичному режиму изготовлены оболочки, в которых в

качестве конструкционных материалов применены вакуумноплотна  корундова  керамика ВК100-2 и технический алюминий АД1. Пример 2. Собранные под сварку кольца из керамики ВК94-1 и сплава АМц

аналогично примеру 1 (п тислойна  оболочка) помещали в камеру дл  диффузионной сварки и нагревали при остаточном давлении 6,65 Па до 490°С. при которой детали сдавливали усилием 15 МПа в течение 15 мин,

после чего нагрузку уменьшали до 1,5 МПа и детали нагревали до 615°С. при которой детали сдавливали с усилием 1 МПа в течение 15 мин, после чего оболочка охлаждалась. Технические характеристики полученных металло-керамических соединений приведены в таблице.

(56) Журнал Сварочное производство, 1982. Ns 11,с,7-8.

200 циклов: погружение в жидкий азот 77 К - нагрев до 773 К.

Claims (5)

1. СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА С

КЕРАМИКОЙ, при котором соедин емые детали нагревают в вакууме до температуры сварки, сдавливают и после выдержки под давлением охлаждают, отличающийс  тем, что детали предварительно сдавливают и выдерживают при температуре ниже температуры сварки усилием, обеспечиваю- щим формирование полного физического контакта по всем соедин емым поверхност м .

2.Способ по п.1, отличающийс  тем, что температура формировани  физического контакта равна 60 - 80% от температуры сварки.

3.Способ по пп.1 и 2, отличающийс  тем, что усилие сдавливани  при сварке и

при формировании физического контакта больше предела текучести, но не превышает значени , соответствующего 1% остаточнойдеформации контактно-упрочненного свариваемого металла при соответствующей температуре.

4.Способ по пп.1 - 3, отличающийс  тем, что при нагреве деталей от температуры формировани  физического контакта до

температуры сварки детали сдавливают усилием, соответствующим упругому деформированию контактно-упрочненного металла.

5.Способ по пп.2 - 4, отличающийс  тем, что сдавливающее усилие в процессе нагрева составл ет 20 - 40% от сдавливающего усили  при температуре сварки.