Способ диффузионной сварки металла с керамикой

Комитет Российской Федерации пе патентам и товарным знакам ПИСАНИЕ ТЕНТУ(Я) СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ МЕтааД С КЕРАМИКОЙ(57) Использование: изготовление вводов и оболочек эпектровакуумных приборов. Сущность изобретения. процесс сварки разделяется на два этапа формирование физического контакта и собственно сварка, для 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 табл, 1 ил.40Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ диффузионной сварки алюминиевого сплава АМц с вакуумноплотной корундовой керамикой ВК 94-1, эаклю чающийся в том, что между образцами из керамики ВК 94-1 помещают диск из сплава АМц толщиной 0,3-0,45 мм диаметром 6 мм и собранную таким образом комбинацию элементов нагревают в вакууме 50 10 - 6,65 10 Па до температуры сварки 540 - 620 С. сдавливают усилием 7,5-14 МПа и после выдержки 5-100 минут охлаждают (Сварочное производство, 1982. М 11, с.7- 8). Полученные таким образом однослойные 55 (содержащие два торцовых соединения металла и керамики) образцы имели деформацию контактно-упрочненного материала после сварки не более 5 и прочность на растяжение 120-200 МПа. Изобретение относится к электронной промышленности и предназначено для использования в производстве вводов и оболочек электровакуумных приборов, а также может найти применение в различных областях промышленности, где необходимы прецизионные, герметичные соединения различных металлов и сплавов с вакуумноплотной корундовой керамикой,Известен способ получения вакуумноплотного соединения алюминия с корундовой керамикой, заключающийся в том, что между керамическими поверхностями помещают алюминиевую проволоку определенного профиля, нагревают 270-60 С в атмосфере гелия или в вакууме 10 Па, затем соединяемые детали сдавливают усилием 20 - 150 МПа в течение 10-60 мин, после чего нагрев выключают.Известен также способ получения соединения алюминия с корундовой керамикой, заключающийся, в том, что между керамическими поверхностями помещают диск иэ алюминия толщиной 1 мм, нагревают соединяемые детали до 400-700 С и сдавливают усилием 100 - 200 Ма в течение 180 мин, после чего нагрев выключают.В обоих известных решениях усилие сдавливания при температуре сварки значительно превышает предел текучести контактно-упрочненного материала (алюминия), следствием чего является большая степень остаточной деформации алюминия в пределах 50-95, приводящая к невозможности получения прецизионных соединений алюминия с керамикой, Также к существенным недостаткам указанных способов относится относительно небольшая механическая прочность получаемых соединений. 5 10 15 20 25 30 35 На основании известного описанного выше способа разработан способ получения металло-керамических соединений (в частности, титано-керамических) через алюминиевую прокладку (Автоматическая сварка, 1985, с.59-61). Согласно данному способу собранную комбинацию элементов (керамика - алюминиевая прокладка - титановый диск - алюминиевая 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 алюминиевая прокладка играет роль контактно-упрочняемого материала.Наиболее близким к предлагаемыому изобретению является способ получения вакуумноплотных металло-керамических соединеыний, заключающийся в том, что соединяемые детали нагревают в вакууме до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают.При этом режимные характеристики (конкретные величины температуры. усилия, остаточного давления, времени выдержки) определяются в каждом случае видом свариваемого и контактно-упрочненного материала. формой и размерами металлических элементов. составом применяемого оборудования.Например, оптимальная температура сварки алюминия или его термически неупрочняемых сплавов, а также при получении металло-керамических соединений через алюминиевую прокладку 600-630 С,Недостатком известного способа является низкое качество многослойных металло-керамических изделий, особенно при применении в составе одного иэделия металлических элементов иэ разнородных материалов, выражающееся в отсутствии вакуумной плотности и низкой механической прочности соединений (на уровне единиц МПа), Кроме того, известный способ не позволяет получать прецизионные и герметичные металло-керамичекие изделия с применением в качестве конструкционных металлов алюминия и его термически неупрочняемых сплавов системы алюминий - магний (АМг). нержавеющей стали, никилиевых сплавов (ковар, ин вар), тантала, молибдена, циркония и других,Все вышеперечисленные недостатки являются следствием того, что максимально возможное давление. не приводящее к накоплению обьемной деформации металлических элементов при температуре сварки, недостаточно для равномерного формирования полного физического контакта соединяемых поверхностей, Увеличениедавления приводит к значительной деформации металлических элементов Кроме того, при температурах. близких к температуре сварки, интенсивно протекают процессы окисления на соединяемых поверхностях в зависимости от состава остаточных газов в сварочной вакуумной камере (наиболее важно парциальное давление паров воды) и в некоторых случаях формирование физического контакта при температуре сварки становится вообще невозможным, что приводит к резкому снижению процента выхода годных,Целью изобретения является повышение качества (а именно вакуумной плотности и механической прочности), выхода годных многослойных и однослойных металло-керамических изделий с примененивм в качестве конструкционн,ых металлов алюминия и его термически неупрочняемых сплавов, титана, никеля и его сплавов (ковар, инвар и другие), нержавеющей стали, магния и его сплавов, тантала, циркония, молибдена и других.Способ заключается в том. что соединяемые детали нагревают до температуры ниже температуры сварки в вакууме, сдавливают и выдерживают при усилии, обеспечивающем формирование полного физическогоконтакта по всем соединяемым поверхностям, нагревают до температуры сварки, сдавливают и после выдержки охлаждают.Особенностью способа является то что процесс осуществляется в доа этапа, аждому из которых соответствуют свои режимыпо температуре и усилию сдавпивания что позволяет осуществить принципиально но вую схему сварки, а именно сначала обеспечить формирование физического контакта, а затем произвести непосредственно сварку. Приэтом принципиально важно, что на первом этапе (при формировании физического контакта) температура должна бьть ниже температуры сварки, что позволяет повысить усилие сдавливания и обеспечить тем самым равномерное формирование физичс.ского контакта по всем свариваемым пооер. хностям, поскольку чем ниже температура, тем выще усилие, при котором достигается предел текучести,Таким образом, увеличение усилия сдавливания при температуре ниже температуры сварки обеспечивает в свою очередь равномерное формирование полного физического контакта по всем свариоаемым поверхностям при минимальной деформации металлических элементов. что особенно важно при сварке прецизионных. многослойных металло-керамических конструкций. Кроме того. при температурах ниже5 10 15 20 25 30 45 50 55 т лгпературы г,варки сугце,ео м;, ее протекают г роцессы., риоодяшие к умеьшс.о над."жнсс 1 и фь з 1 ческо о о такта (например, окисление) и поэтому формирование физического контакта при температурах. же емпературы сварки имеет спедсоие дополнительное повышение качества сформированного физического контакта, что позволяет повысить выход одных изделий и уменьшить технологические потери, упростить требования к приме. няемому технологическому оборудованию (по предельному вакууму, состаеу остаточных газов и прочему), Это особенно важно при получении соединений циркония, молибдена, тантала через алюминиевую прокладку, так как позволяет избежать образования итерл еталидоо и олрупчивания о зоне соа,ки. Сварка указанных материалов с керам,ой по известному способу вообще е представляется возможной.Критическая температура, при которой актиоизируотся процессы, приводящие к необоатимой деградации соариваемых пооерлносгей. лежит в пределах 60-80;ь от температуры сварки, Позтому целесообразно в некоторых случаях проводить Формирооаие физического контакта имгнно при з 1 и г"мпературах .ак как давление, необ. ;,с"ое дпя формрооанил полно:о физическоо контакга, уменьшает.я при росте температур , чго приводит к повышению пр;.тайености получаемых соединении. ;аг ке упрошаетс конструкция силовой части применяемого оборудования и оснастки.1 акил" образом, температур:. при которойрсизьодят формирование физического котакта сдавпиванием составляет ббл-ЛО",ь сг т:. мпературы сваркиВ частности, при получении алюмокераь,иеских соединений можноекомендооэть температуры в диапазоне 400-500 г., по; ,ОС ниже температуры сварки,",ногдз оозникает необходимость полу".1 п оысокопрецизионнг.х металлов-керал 1;", госки;. издал 1 й, что требует малых о:тзточых дефорл 1 ац 1 й контактно-упрочивлго металла Это особенно важно при изготовлении прецизио них ллгомокерамическил узлов Поэтому о изобретении о некоторых частных случаях оказывается оаж.,м то что формирование физичес; ого котакт и сварка происходят вследствие пластических деформаций металлических :"л ентоо при усилии сдзопивания, преоышагощем предел текучести металла, при згол 1 накопление объемной деформации огра,чиоается известным процессом контактного упронения и усилие сдаопивания дпя оысокопрециэионных элементов не должнопревышать значения, соответствующего 1 остаточной деформации контактно-упрочненных металлических элементов (сами элементы, либо прокладки, через которые осуществляется сварка, как правило - алюминиевые).Таким образом, при использовании изобретения для получения высокопрецизионных соединений его можно дополнительно охарактеризовать следующими признаками: усилие сдэвливания как при сварке, так и при формировании физического контакта превышает предел текучести, но при этом не превышает значения, соответствующего 1 остаточной деформации контактно-упрочненных металлических элементов при соответствующей температуре.После формирования физического контакта усилие сдавливания может быть снято, а может быть изменено и продолжать сдавливать детали в процессе нагрева до температуры сварки. При этом возможно изменение усилия сдавливание по какому- либо закону в процессе роста температуры. При приложения сдавливающего усилия в процессе нагрева от температуры формирования физического контакта до температуры сварки снижается суммарное среднее время выдержки изделий на обоих этапах процесса, с 5-100 мин согласно известному способу до 5-30 мин, что позволяет повысить производительность предлагаемого способа по сравнению с известными. Важно, чтобы дополнительно прилагаемые усилия не приводили к накоплению деформации, по. этому прилагаемое усилие должно соответствовать упругому деформированию контактно-упрочненных металлических элементов,В данном частном варианте решения предлагаемый способ характеризуется дополнительно следующим признаком; при нагреве соединяемых деталей от температуры формирования физического контакта до температуры сварки соединяемы детали сдавливают усилием. соответствующим упругому деформированию металлических элементов,В обычном режиме, с целью упрощения технологии, после формирования физического контакта при 60-80 от температуры сварки усилие уменьшается примерно нэ порядок, а затем вновь увеличивается при температуре сварки, оставаясь в 3-4 раза меньше усилия, прикладывэемого для обеспечения физического контакта,Таким образом, техническое решение в частном случае дополнительно характеризуется следующей совокупностью существенных признаков: при нагреве от температуры формирования физического контакта в пределах 60 - 80 температуры сверки до температуры сварки свариваемые элементысдавливают с усилием, соответствующим20-40 от сдавливающего усилия при тем 5 перэтуре сварки.На чертеже представлено готовое металло-керамическое изделие (элемент оболочки),Керамические элементы 1 сварены с10 элементами иэ сплава АМц 2 и элементом изнержавеющей стали 3 через алюминиевыепрокладки 4, В результатесварки контактное упрочнение испытывают элементы 2 и 4.Суммарная деформация оболочки не15 превышает 2. Непараллельность поверхностей А и В не превышает 0,1 мм. Выходгодных при изготовлении оболочек по предлагаемому способу 95,П р и м е р 1. Кольца иэ корундовой20 керамики ВК 94-1, имеющие наружный диаметр 13 мм и внутренний диаметр 9 мм,собирали под сварку с кольцами из технического алюминия АД 1, имеющими наружныйдиаметр 13 мм, внутренний 9 мм и толщину25 в зоне сварки 0,35 . 0,05 мм (пятислойнаяоболочка), Собранный узел помещали в камеру установки для диффузионной сварки инагревали при остаточном давлении6,65 10 Па до 490 С, при которой детали30 сдавливали усилием 10 МПа в течение 5 мин,затем нагрузку уменьшала до 1,5 МПа идетали нагревали до 615 ОС. сдавливали усилием 4 МПэ в течение 15 мин, после чегодетали охлаждали, Деформация металличе 35 ских элементов фиксировалась в процессесдавливания по индикатору с целью ограничения прилагаемой нагрузки на уровне 1остаточной деформации. По аналогичномурежиму изготовлены оболочки, в которых в40 качестве конструкционных материалов применены вакуумноплотная корундовая керамика ВК 100-2 и технический ааоминий АД 1.П р и м е р 2, Собранные под сваркукольца из керамики ВК 94-1 и сплава АМц45 аналогично примеру 1(пятислойная оболочка)помещали в камеру для диффузионной сваркии нагревали при остаточном давлении6,65 10 Па до 490 ОС, при которой деталисдавливали усилием 15 МПа в течение 15 мин,50 после чего нагрузку уменьшали до 1,5 МПа идетали нагревали до 615 С, при которой детали сдавливали с усилием% МПа в течение 15мин, после чего оболочка охлаждалась.Технические характеристики получен 55 ных металло-керамических соединений приведены в таблице,(56) Журнал "Сварочное производство",1982, М 11, с,7-8.Скорость натекания по гелию,То л/сПрочность соединения на растяжение,МПа Металлы, соединяемые с керамикой10 - 10 150 - 200 Алюминий и сплавы нет на уровне 1050 - 100 Тантал и коний, молиб ен 200 циклов: погружение в жидкий азот 77 К - нагрев до 773 К. Составитель Т.ОлесоваРедактор Н.Федорова Техред М,Моргентал Корректор А.Коэориэ Заказ 3102 Тираж Подписное НПО" Поиск " Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Формула изобретения 1. СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА С кеРАмикОЙ, при котором соединяемые детали нагревают в вакууме до температуры сварки, сдавливают и после выдержки под давлением охлаждают, отличающийся тем, что детали предварительно сдавливают и выдерживают при температуре ниже температуры сварки усилием, обеспечиваю- . щим формирование полного физического контэкта по всем соединяемым поверхностям.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура формирования физического контакта равна 60 - 80 от температуры сварки.Э. Способ по пп,1 и 2, отличающийся тем,что усилие сдавливания при сварке и при формировании физического контакта больше предела текучести, но не превышает значения, соответствующего 1 остаточной деформации контактно-упрочненного свариваемого металла при соответствующей температуре.4, Способ по пп,1 - Э, отличающийся тем, что при нагреве деталей от температуры формирования физического контакта дотемпературы сварки детали сдавливают усилием, соответствующим упругому деформированию контактно-упрочненного металла.5. Способ по пп.2 - 4, отличающийся тем, что сдавливающее усилие в процессе нагрева составляет 20 - 407 ь от сдавливающего усилия при температуре сварки.