RU2433026C1

RU2433026C1 - Method to join heat-resistant cobalt-based alloy and ceramics based on silicon nitride

Info

Publication number: RU2433026C1
Application number: RU2010128800/02A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Пономарев (RU); Сергей Иванович Пономарев; Сергей Викторович Прокопьев (RU); Сергей Викторович Прокопьев; Сергей Павлович Ереско (RU); Сергей Павлович Ереско; Татьяна Трофимовна Ереско (RU); Татьяна Трофимовна Ереско
Priority date: 2010-07-12
Filing date: 2010-07-12
Publication date: 2011-11-10

Abstract

FIELD: technological processes. ^ SUBSTANCE: invention relates to a technology for joining structural elements of products that operate under high thermomechanical loads. The method to join a heat-resistant cobalt-based alloy with ceramics based on silicon nitride includes diffuse welding at temperature of 90010C, pressure of 171 MPa for 180030 s. An intermediate material is previously applied onto welded surfaces. The intermediate material is a mechanical mixture with content of 0.1Ç0.3 wt % Cu, 0.1Ç0.3 wt % Co, the balance is Ni. The strength of the produced compound is âc=1005 MPa. ^ EFFECT: expansion of technological capabilities and increased strength of connection of heat-resistant cobalt-based alloy with ceramics on the basis of silicon nitride. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии соединения конструктивных элементов из жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния, служащих для производства изделий, работающих в условиях высоких термомеханических нагрузок.The invention relates to a technology for combining structural elements from a heat-resistant cobalt-based alloy with ceramics based on silicon nitride, which are used to produce products operating under high thermomechanical loads.

Известен способ диффузионной сварки элементов из спеченной неоксидной керамики (А.С. №2353486, МПК В23В 20/02). Способ соединения элементов из устойчивой к ползучести спеченной неоксидной керамики состоит в приведении этих элементов в контакт друг с другом, нагреве до температуры 1600°С и осуществлении диффузионной сварки в атмосфере защитного газа.A known method of diffusion welding of elements made of sintered non-oxide ceramics (AS No. 2353486, IPC V23B 20/02). The method of connecting elements from creep resistant sintered non-oxide ceramics consists in bringing these elements into contact with each other, heating to a temperature of 1600 ° C and performing diffusion welding in a protective gas atmosphere.

Известен способ соединения материалов на основе нитрида кремния (А.С. №1763425, МПК С04В 37/00). Сущность изобретения заключается в шлифовке соединяемых поверхностей, их сборке, предварительном нагреве в вакууме и последующей термообработке под давлением азота.A known method of connecting materials based on silicon nitride (AS No. 1763425, IPC C04B 37/00). The essence of the invention consists in grinding the surfaces to be joined, assembling them, preheating in vacuum and subsequent heat treatment under nitrogen pressure.

Данные способы позволяют соединять между собой однородные по составу конструктивные элементы.These methods make it possible to interconnect structural elements of uniform composition.

Известен способ соединения кремниевой керамики SiC с металлом при помощи пайки. Кремниевая керамика, обладающая высокой теплопроводностью и высоким электросопротивлением, используется при производстве каналов МГД - генераторов, а в качестве металлического элемента применяется медь или композит на основе меди, армированной углеродным волокном, например Сu-25 с коэффициентом термического расширения (КТР), равным 9,5 10^-6/°C, которые характеризуются высокой теплопроводностью, почти такой же, как и кремниевая керамика. Пайку осуществляют токами высокой частоты в среде Аr под нагрузкой 0,05 МПа припоем на основе эвтектического сплава Cu-Mn с температурой плавления 1143 К. Максимальная скорость нагрева 200°С/мин с одновременным охлаждением металлического элемента водой. В процессе пайки происходит образование продуктов реакции Мn₂₃С₆ и MnSi₆, обеспечивающих получение качественного спая без разрушения керамики. Полученный спай обеспечивает прочность 15 МПа (Ceramik-metal bonding research in Japan Eagar T.W. "Weld J. 1987, 66, №11, с.36-37).A known method of connecting silicon ceramics SiC with a metal by soldering. Silicon ceramics with high thermal conductivity and high electrical resistance is used in the production of MHD generator channels, and copper or a composite based on copper, reinforced with carbon fiber, for example, Cu-25 with a coefficient of thermal expansion (CTE) of 9, is used as a metal element. 5 10 ^-6 / ° C, which are characterized by high thermal conductivity, is almost the same as silicon ceramics. The soldering is carried out by high-frequency currents in an Ar medium under a load of 0.05 MPa, a solder based on a Cu-Mn eutectic alloy with a melting point of 1143 K. The maximum heating rate is 200 ° C / min with simultaneous cooling of the metal element with water. In the process of soldering, the formation of the reaction products Mn ₂₃ C ₆ and MnSi _{6 is formed} , providing a high-quality junction without destroying the ceramics. The resulting junction provides a strength of 15 MPa (Ceramik-metal bonding research in Japan Eagar TW "Weld J. 1987, 66, No. 11, pp. 36-37).

Известно, что соединения керамики с металлами, выполненные диффузионной сваркой, обладают некоторыми преимуществами по сравнению с соединениями, выполненными пайкой. Так, например, повышается рабочая температура металлокерамических узлов; соединения способны выдерживать многократные нагревы в вакууме без потери вакуумной плотности, более 15 термоударов в цикле 293…873…293 К; прочность соединений примерно в 1,5 раза выше прочности паяных соединений; узлы обладают более высокими изоляционными свойствами (Казаков Н.Ф., Абрамов В.В., Машкова Н.А. Исследование и разработка технологии диффузионной сварки магнитотвердых материалов с магнитомягкими с применением промежуточного слоя из порошка. - В кн.: Диффузионное соединение в вакууме металлов, сплавов и неметаллических материалов. 4.1. М.: ПНИЛДСВ, 1988, с 107-112).It is known that the connections of ceramics with metals made by diffusion welding, have some advantages compared with the joints made by soldering. So, for example, the working temperature of cermet assemblies rises; the compounds are able to withstand repeated heating in vacuum without loss of vacuum density, more than 15 thermal shocks in the cycle 293 ... 873 ... 293 K; the strength of the joints is about 1.5 times higher than the strength of soldered joints; nodes have higher insulating properties (Kazakov NF, Abramov VV, Mashkova NA Research and development of the technology of diffusion welding of hard magnetic materials with soft magnetic materials using an intermediate layer of powder. - In the book: Diffusion compound in vacuum metals, alloys and non-metallic materials. 4.1. M.: PNILDSV, 1988, p. 107-112).

За прототип принят способ соединения керамической или кварцевой трубки с металлической втулкой (А.С. №2024373, МПК В23K 20/00). При соединении материалов осуществляют нагрев конца втулки, на внутреннюю поверхность которой предварительно нанесен слой из пластичного металла, и запрессовку в него с натягом трубки. После запрессовки сплав втулки подвергают упрочнению термообработкой при температуре 1000+10 К в течение 6 ч.The prototype adopted a method of connecting a ceramic or quartz tube with a metal sleeve (AS No. 2024373, IPC V23K 20/00). When connecting materials, the end of the sleeve is heated, on the inner surface of which a layer of ductile metal is preliminarily applied, and pressed into it with a tightness of the tube. After pressing, the alloy of the sleeve is subjected to hardening by heat treatment at a temperature of 1000 + 10 K for 6 hours

Недостатком способа является необходимость дополнительной технологической операции - последующего упрочнения соединения термообработкой, что усложняет процесс, кроме того, этим способом невозможно осуществить соединение жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния.The disadvantage of this method is the need for additional technological operations — subsequent hardening of the compound by heat treatment, which complicates the process, in addition, this method cannot be used to connect a heat-resistant cobalt-based alloy with silicon nitride-based ceramics.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей и повышение прочности соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния.The objective of the invention is to expand technological capabilities and increase the strength of the connection of heat-resistant alloy on a cobalt basis with ceramics based on silicon nitride.

Поставленная задача достигается тем, что осуществляют диффузионную сварку жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния с использованием промежуточного материала при температуре 900±10°С, давлении 17±1 МПа в течение 1800±30 с, а в качестве промежуточного материала используют механическую смесь никеля, меди и кобальта, в которой содержится 0,1…0,3 вес. % Сu, 0,1…0,3 вес. % Со, остальное Ni.The problem is achieved by the fact that diffusion welding of a heat-resistant cobalt-based alloy with ceramic based on silicon nitride is carried out using an intermediate material at a temperature of 900 ± 10 ° C, a pressure of 17 ± 1 MPa for 1800 ± 30 s, and use as an intermediate material a mechanical mixture of nickel, copper and cobalt, which contains 0.1 ... 0.3 weight. % Cu, 0.1 ... 0.3 weight. % Co, the rest is Ni.

Изобретение поясняется микрофотографией, полученной методом металлографического анализа на микроскопе РЭММА-202.The invention is illustrated by a microphotograph obtained by metallographic analysis on a REMMA-202 microscope.

На микрофотографии представлена структура переходной зоны соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния (увеличение ×1000).The micrograph shows the structure of the transition zone of the connection of the heat-resistant alloy on a cobalt basis with ceramic based on silicon nitride (magnification × 1000).

Из микрофотографии видно, что при сварке происходит физический контакт, образована переходная зона, непровары отсутствуют, выделения интерметаллидных фаз не обнаружено. Это свидетельствует о диффузионном взаимодействии жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния.It is seen from the micrograph that during welding physical contact occurs, a transition zone is formed, lack of penetration is absent, no precipitation of intermetallic phases is detected. This indicates the diffusion interaction of the heat-resistant alloy on a cobalt basis with ceramic based on silicon nitride.

В качестве примера рассмотрим изготовление турбины турбонасосного агрегата, предназначенного для приведения во вращение насосов, подающих к двигателю компоненты топлива. Турбина работает при температуре порядка 1000°С и повышенных механических нагрузках. Турбина состоит из вала, выполненного из жаропрочного сплава на кобальтовой основе (07Х16Н6Ш) и ротора, изготовленного из нитрида кремния. Детали с предварительно обработанными свариваемыми поверхностями устанавливали в специальное приспособление, на свариваемые поверхности наносили механическую смесь никеля, меди и кобальта с содержанием 0,1…0,3 вес. % Cu, 0,1…0,3 вес. % Co, остальное Ni (либо никелевую фольгу НП 2МН, в составе которой содержится 0,2 вес. % Cu, 0,2 вес. % Co), нагревали до Т=900±10°С, прикладывали давление Р=17±1МПа и выдерживали в течение времени τ=1800±30 с.As an example, consider the manufacture of a turbine of a turbopump unit designed to drive pumps that feed fuel components to the engine. The turbine operates at a temperature of the order of 1000 ° C and increased mechanical loads. The turbine consists of a shaft made of a heat-resistant alloy on a cobalt basis (07X16H6Sh) and a rotor made of silicon nitride. Parts with pre-treated welded surfaces were installed in a special fixture, a mechanical mixture of nickel, copper and cobalt with a content of 0.1 ... 0.3 weight was applied to the welded surfaces. % Cu, 0.1 ... 0.3 weight. % Co, the rest Ni (or nickel foil NP 2MN, which contains 0.2 wt.% Cu, 0.2 wt.% Co), was heated to Т = 900 ± 10 ° С, pressure Р = 17 ± 1 MPa was applied and held for a time τ = 1800 ± 30 s.

Никель как промежуточный пластичный материал в процессе диффузионной сварки увеличивает прочностные характеристики при высоких температурах, медь увеличивает диффузию через межатомную дислокацию, кобальт положительно влияет на прочностные характеристики соединения.Nickel as an intermediate plastic material during diffusion welding increases strength characteristics at high temperatures, copper increases diffusion through interatomic dislocation, cobalt positively affects the strength characteristics of the compound.

Прочность полученного соединения составляет σ_сд=100±5 МПа, что удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к турбине.The strength of the obtained compound is σ _sd = 100 ± 5 MPa, which meets the technical requirements for the turbine.

Claims

The method of connecting a heat-resistant cobalt-based alloy with silicon nitride-based ceramics using an intermediate material, characterized in that the connection is carried out by diffusion welding at a temperature of 900 ± 10 ° C and a pressure of 17 ± 1 MPa for 1800 ± 30 s, and as an intermediate material use a mechanical mixture with a content of 0.1 ... 0.3 wt.% Cu, 0.1 ... 0.3 wt.% Co, the rest is Ni.