RU2813034C1 - Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью - Google Patents

Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью Download PDF

Info

Publication number
RU2813034C1
RU2813034C1 RU2023121596A RU2023121596A RU2813034C1 RU 2813034 C1 RU2813034 C1 RU 2813034C1 RU 2023121596 A RU2023121596 A RU 2023121596A RU 2023121596 A RU2023121596 A RU 2023121596A RU 2813034 C1 RU2813034 C1 RU 2813034C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
elements
welding
spot
magnetic steel
welded
Prior art date
Application number
RU2023121596A
Other languages
English (en)
Inventor
Константин Николаевич Каюров
Виктор Николаевич Еремин
Светлана Константиновна Напреева
Светлана Александровна Баранникова
Станислав Николаевич Мейснер
Василий Валерьевич Шмаков
Юрий Иванович Почивалов
Сергей Михайлович Карпов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры "Луч" (ООО НППГА "Луч")
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры "Луч" (ООО НППГА "Луч") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное предприятие геофизической аппаратуры "Луч" (ООО НППГА "Луч")
Application granted granted Critical
Publication of RU2813034C1 publication Critical patent/RU2813034C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к области получения вакуум-плотного термостойкого соединения керамика-металл и может быть использовано для герметичного соединения сложных элементов оборудования, элементы которых выполнены из разнородных материалов, в частности из корундовой керамики и немагнитной стали, например, в конструкции роторной управляемой системы. Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью включает сборку элементов, выполненных из указанных материалов с размещением между ними промежуточной прокладки из алюминиевой фольги с последующим проведением процесса сварки сборки. В качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу. Процесс сварки сборки осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона 10-2 – 10-3 Па с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта температуру 1020-1050 °С. Длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно. Свариваемые поверхности элементов обрабатывают до шероховатости Ra 1,6, а затем подвергают чистке в среде этанола. Обеспечивается получение вакуум-плотного термостойкого соединения, обеспечивающего герметичность и стойкость к эксплуатации при температурах от минус 20 до 200 градусов, а также обеспечение необходимой прочности сварочному соединению. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

Description

Изобретение относится к области получения вакуум-плотного термостойкого соединения керамика - металл и может быть использовано для прочного соединения сложных элементов оборудования, элементы которых выполнены из разных материалов, например, из корундовой керамики и немагнитной стали, например, в конструкции роторной управляемой системы.
Известен способ диффузионной сварки заготовок из керамики из патента РФ №2752820, опубл. 06.08.2021 [1].
Выполняют глухие отверстия на свариваемой поверхности, по крайней мере, одной из свариваемых керамических заготовок. Размещают в зоне их контакта промежуточную прокладку из металла более пластичного, чем материал свариваемых заготовок. Предварительно осуществляют перфорацию промежуточной прокладки лазерным лучом с получением сквозных микроотверстий с заданным расстоянием между ними. Проводят сварку заготовок в вакууме. Глухие отверстия на свариваемой поверхности керамических заготовок получают путем плавления и перемещения и/или испарения материала под действием лазерного луча импульсного высокопроизводительного лазера в каждом его положении на контактной керамической поверхности. Технический результат заключается в повышении прочности сварного соединения при снижении времени, давления и температуры процесса диффузионной сварки.
Недостатком известного изобретения является необходимость выполнения дополнительных отверстий в склеиваемых деталях, способных оказать негативное влияние на прочность деталей и увеличивающих трудоемкость получения соединения.
Известен способ диффузионной сварки керамоматричного композита с металлами из патента РФ №2593066, опубл. 27.07.2016 [2], принятый за прототип.
На элемент из керамоматричного композита наносят активирующий промежуточный слой и проводят сборку элементов с размещением между ними прослойки. В качестве активирующего слоя используют никель, серебро, золото или медь и наносят его в виде гальванического покрытия толщиной 3-9 мкм на элемент из керамоматричного композита. При сборке элементов размещают промежуточную прокладку толщиной 0,05-0,1 мм, выполненную из никелевой фольги или пористой ленты из ультрадисперсного порошка металла, выбранного из группы: никель, медь, серебро, золото. Сварку полученной сборки проводят при температуре 1050-1100 °C, удельном давлении сжатия не более 2,5 кг/мм2, времени выдержки не менее 60 мин, при этом скорость нагрева равна скорости охлаждения и не превышает 50 °C/мин. Способ обеспечивает получение сварного соединения высокого качества с требуемыми прочностными характеристиками. Пластическая деформация металлической детали составляет менее 5%, ее микроструктура не изменяется, пластическая деформация детали из керамоматричного композита отсутствует.
Недостатком известного изобретения является необходимость применения установки диффузионной сварки и высокая длительность изотермической выдержки, сопряженные с прогревом свариваемых деталей по всему объему до температур 1050-1100 °C, что способно оказать негативное влияние на прочностные характеристики металлических изделий в связи с рекристаллизационым ростом зерен.
Технической задачей изобретения является разработка способа диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью.
Техническим результатом является получение прочного вакуум-плотного термостойкого соединения, обеспечивающей герметичность, и стойкость к эксплуатации при температурах от минус 20 до плюс 200 °С, а также обеспечение необходимой прочности сварочному соединению.
Указанный технический результат достигается тем, что способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью включает сборку элементов, выполненных из указанных материалов с размещением между ними промежуточной прокладки из алюминиевой фольги с последующим проведением процесса сварки сборки, при этом в качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу, а процесс сварки сборки осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона порядка 10-2 – 10-3 Па с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта температуру 1020-1050°С, причем длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно.
При этом свариваемые поверхности элементы обрабатывают до шероховатости Ra 1,6, а затем подвергают чистке ультразвуком в среде этанола.
Используют алюминиевую фольгу марки АД31 толщиной 0,05-0,08 мм, которую перед сваркой подвергают чистке в ультразвуке в среде ацетона и электрохимическому травлению в течение 10 секунд в водном растворе, содержащем 10% фтороводородной кислоты, 1% азотной и 45% серной при напряжении 25 В и токе 1,5 А.
Раскрытие сущности изобретения.
В настоящее время очень актуальна разработка получения прочного вакуум-плотного термостойкого соединения керамика – металл, которое может быть использовано для прочного герметичного соединения сложных элементов оборудования, например, в конструкции роторной управляемой системы, например, в конструкции роторной управляемой системы, когда предусмотрено применение защитных элементов из немагнитного сплава с керамическими окнами-вставками из высокоплотного керамического материала на основе корунда. Указанные защитные элементы обеспечивают защиту составных частей системы каротажа в процессе бурения и обеспечивают высокую надежность и эффективность работы источника и детектора ионизирующего излучения при гамма-каротаже. Использование керамической вставки из корундовой керамики обеспечивает более высокую проницаемость для ионизирующего излучения по сравнению с твердыми сплавами и позволяет сохранить толщину и, следовательно, надежность элемента, применяемого для защиты системы гамма-каротажа. Высокая твердость и стойкость к износу корундовой керамики снижают скорость износа элемента в сравнении с металлическими защитными элементами. Исходя из изложенного, авторы данного изобретения решают проблему получения прочного вакуум-плотного термостойкого соединения корундовой керамики с немагнитной сталью с помощью диффузионной сварки.
Процесс диффузионной сварки включает сборку элементов, выполненных из указанных материалов с размещением между ними промежуточной прокладки в виде алюминиевой фольги. В качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу, предварительно подвергнутую чистке в ультразвуке в среде ацетона и электрохимическому травлению.
Сварку осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона с помощью сфокусированного электронного пучка при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта рабочую температуру сварки с заданной по времени выдержкой. Скорость нагрева элементов должна быть равной скорости охлаждения. Выбранные сварочные режимы и алюминиевая прокладка позволяют активировать диффузионную подвижность атомов материалов и тем самым обеспечить достаточно высокие механические свойства сварочного соединения.
Изобретение осуществляют следующим образом.
Процесс получения прочного вакуум-плотного соединения корундовая керамика –немагнитная сталь заключается в следующем.
Керамический элемент, выполненный из корундовой керамики с добавлением оксидов кремния, магния и кальция. Относительная плотность керамического элемента составляет 98,7%. Металлический элемент, геометрия которого отвечает геометрии керамической детали. Шероховатость свариваемых поверхностей доводят до Ra 1,6 с помощью паст полировальных алмазных, а затем подвергают чистке ультразвуком в среде этанола. Между металлическим и керамическим элементами, укладывается алюминиевая фольга марки АД31 толщиной 0,05-0,08 мм, предварительно подвергнутая чистке в ультразвуке в среде ацетона и электрохимическому травлению для удаления окислов.
Процесс сварки сборки осуществляют с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм в герметичной камере при остаточном давлении газа порядка 10-2–10-3 Па. Нагрев свариваемого соединения проводят путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей температуру в пятне контакта 1020–1050 °С. Длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно.
Скорость нагрева элементов при диффузионной сварке не должна превышать 68-70 °C/мин, время выдержки при максимальной рабочей температуре 20 мин. Затем охлаждают до комнатной температуры, при этом скорость охлаждения должна быть равной скорости нагрева.
Выбор температуры обусловлен тем, что при нагревании ниже 1020 °C не достигается диффузионная подвижность атомов и не обеспечивается высокая прочность сварного шва, а при нагревании выше 1050 °C возрастает риск пластической деформации металла вследствие локального перегрева. Выдержка 20 мин обеспечивает полное прохождение процессов: смачивания керамики, локализованной термоактивированной диффузии и формирования интерметаллидных соединений.
Полученные таким способом соединения обеспечивают герметичность при прочности на разрыв 25–30 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.
Измерения механических свойств сварочного соединения при температуре 20 °C, проводились по стандартным методикам испытания в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Берут керамический элемент, выполненный из корундовой керамики с добавлением оксидов кремния, магния и кальция в соотношении: 95:3,5:1,3:0,2 в форме диска с буртом и фаской. Относительная плотность керамического элемента составляет 98,7%. Металлический элемент выполнен из стали марки 08Х18Н6АГ10С в форме пластины со сквозным отверстием и фаской, геометрия которого отвечает геометрии керамического элемента. Зазор между металлическим элементом и керамическим, помещенным в отверстие, составляет не более 0,1 мм.
Свариваемые поверхности керамического и металлического элементов подвергали механической обработке до достижения шероховатости Ra 1,6 с помощью паст полировальных алмазных, а затем подвергали чистке ультразвуком в среде этанола (ГОСТ Р 51723-2001).
Алюминиевую фольгу подвергали чистке в ультразвуке в среде ацетона (ГОСТ 2768-84) и электрохимическому травлению в течение 10 секунд, для удаления окислов. Травление осуществлялось в водном растворе, содержащем 10% фтороводородной кислоты, 1% азотной и 45% серной при напряжении 25 В и токе 1,5 А.
В зазор между металлическим и керамическим элементами укладывалась алюминиевая фольга толщиной 0,08 мм, геометрия которой также повторяла геометрию соединяемых элементов.
Сварку элементов осуществляли с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона, сорт первый (ГОСТ 10157-2016) порядка 10-2–10-3 Па. Нагрев свариваемого соединения осуществляли путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей температуру в пятне контакта 1020 °С. Длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляло 15, 20 и 15 минут соответственно.
Полученное вакуум-плотное сварочное соединение обеспечивает герметичность при прочности на разрыв 25 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.
Пример 2
Выполнялся аналогично примеру 1.
Отличием являлось то, что металлический элемент был выполнен из стали марки Magnadur 501, а нагрев сварочного соединения осуществляли до рабочей температуры 1050 °С.
В зазор между элементами укладывалась алюминиевая фольга толщиной 0,06 мм.
Полученное вакуум-плотное сварочное соединение обеспечивает герметичность при прочности на разрыв 30 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.
Пример 3
Выполнялся аналогично примеру 1.
Отличием являлось то, что металлический элемент был выполнен из стали марки Hardox 400, а нагрев сварочного соединения осуществляли до рабочей температуры 1040 °С.
В зазор между металлическим и керамическим элементами укладывалась алюминиевая фольга толщиной 0,05 мм.
Полученное вакуум-плотное сварочное соединение обеспечивает герметичность при прочности на разрыв 28 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.
В результате использования предлагаемого способа расширяется диапазон применения сварных соединений из корундовой керамики с аустенитной коррозионностойкой немагнитной сталью и повышается их ресурс работы.

Claims (3)

1. Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью, включающий сборку элементов, выполненных из указанных материалов, с размещением между ними промежуточной прокладки с последующим проведением процесса сварки полученной сборки, отличающийся тем, что в качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу, а процесс сварки сборки осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона 10-2-10-3 Па с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта температуру 1020-1050 °С, причем длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свариваемые поверхности элементов обрабатывают до шероховатости Ra 1,6, а затем подвергают чистке в среде этанола.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют алюминиевую фольгу марки АД31 толщиной 0,05-0,08 мм.
RU2023121596A 2023-08-18 Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью RU2813034C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813034C1 true RU2813034C1 (ru) 2024-02-06

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU880669A1 (ru) * 1980-02-18 1981-11-15 Московский технологический институт мясной и молочной промышленности Способ диффузионной сварки разнородных материалов
SU1632705A1 (ru) * 1988-11-28 1991-03-07 Ленинградское научно-производственное объединение "Буревестник" Способ диффузионной сварки разнородных материалов
RU2593066C1 (ru) * 2015-03-03 2016-07-27 Закрытое акционерное общество "Авиационные технологии. Инжиниринг и консалтинг" Способ диффузионной сварки керамоматричного композита с металлами
CN106808078B (zh) * 2017-01-11 2019-05-24 首都航天机械公司 一种异种金属的扩散焊接方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU880669A1 (ru) * 1980-02-18 1981-11-15 Московский технологический институт мясной и молочной промышленности Способ диффузионной сварки разнородных материалов
SU1632705A1 (ru) * 1988-11-28 1991-03-07 Ленинградское научно-производственное объединение "Буревестник" Способ диффузионной сварки разнородных материалов
RU2593066C1 (ru) * 2015-03-03 2016-07-27 Закрытое акционерное общество "Авиационные технологии. Инжиниринг и консалтинг" Способ диффузионной сварки керамоматричного композита с металлами
CN106808078B (zh) * 2017-01-11 2019-05-24 首都航天机械公司 一种异种金属的扩散焊接方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oliveira et al. Welding and joining of NiTi shape memory alloys: a review
US5143590A (en) Method of manufacturing sputtering target assembly
CN110303154B (zh) 基于激光熔融沉积增材制造技术的梯度钎料层制备和一体化钎焊工艺
US20120000594A1 (en) Sputtering target assembly and method of making same
EP2612722A1 (en) Method for bonding aluminum-based metals
TWI498435B (zh) 具有低溫高強度接合的濺鍍靶材組合
CN105149720A (zh) 一种用于钎焊电真空管用tzm合金/瓷封合金对封结构的卡具及钎焊方法
US4145632A (en) Composite substrate for rotating x-ray anode tube
EP0117352A1 (en) A process for welding aluminium-based elements and a welded assembly
JP3305735B2 (ja) 高強度ろう接合部の製法
CN108637447A (zh) 一种钛合金与可伐合金的异种金属电子束焊方法
CN111014955B (zh) 一种适用于硅铝合金盒体气密性激光封焊的方法
RU2813034C1 (ru) Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью
JP6528257B1 (ja) アルミナ分散強化銅のろう付接合方法
US6586704B1 (en) Joining of materials using laser heating
US4689810A (en) Composite rotary anode for X-ray tube and process for preparing the composite
USRE31568E (en) Composite substrate for rotating x-ray anode tube
Zhan et al. Prevention of Crack Formation in Electron-Beam Welded Joints of Dissimilar Metal Compounds (TiNi/Ti6Al4V)
JP2997697B2 (ja) 高融点金属接合体およびイオン注入装置用イオンガン部品ならびにこれらの製造方法
US8715803B2 (en) Ceramic welds, and a method for producing the same
Karagiannis et al. Nd: YAG laser welding: an overview
Kumar et al. 9 Laser Opportunity Beam Welding: and Challenges
JPS5890385A (ja) 複合耐摩部材の製造法
RU2029753C1 (ru) Способ получения конусного охватывающего соединения алюмооксидной керамики с металлом
Biro et al. The effects of Ni and Au/Ni platings on laser welding of thin sheets