СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ Российский патент 1995 года по МПК C04B37/02 

Описание патента на изобретение RU2035440C1

Изобретение относится к способам соединения корундовых (высокоглиноземистых) керамик с металлом и может быть использовано при получении спаев повышенной радиационной стойкости.

Известны простые способы соединения корундовых керамик с металлической арматурой при помощи пайки с использованием, например, стеклоприпоев.

Недостатком способа являются сам факт применения стеклоприпоев и низкая радиационная стойкость соединений, вызванная появлением в припое под действием облучения изотопов инертных газов, которые приводят к нарушению герметичности соединения. Способы, основанные на применении твердых припоев, также не свободны от недостатков из-за вжигания паст в поверхность керамического материала. Один из путей устранения указанных недостатков является попытка организовать на поверхности контакта металла с керамикой промежуточный слой, улучшающий смачиваемость керамики. Так, например, предлагается использовать в качестве припоя фольгу с оксидным слоем, однако к существенному увеличению радиационной стойкости соединения это не приводит.

Известен способ соединения керамических изделий, состоящий в том, что обожженные керамические изделия нагревают до температуры выше 1700оС. При этом присутствующие в керамике примеси в количестве 1-10% служат плавкой и обеспечивают автогенное спаивание двух изделий. Таким образом, вместо того, чтобы использовать между металлизированными изделиями стеклянный порошок или припой, изделие нагревают до температуры выше 1700оС. Однако указанный способ касается соединения керамических изделий, причем каждое из них должно иметь по крайней мере одну плоскую поверхность. Попытка организовать на поверхности контакта металла с керамикой промежуточный слой, улучшающий смачиваемость керамики, или дополнительно ввести такой слой в конструкцию соединения часто приводит к тому, что нагрев спаиваемых изделий проводится уже с регламентируемой скоростью.

Известен способ соединения корундовой керамики с металлом, включающий регламентированный по скорости высокотемпературный нагрев. Спаиваемое соединение (сборку), содержащее припойную прокладку на медной основе с двухсторонним никелевым покрытием (активный металл), при нагреве подвергают вначале изотермической выдержке при 900-930оС, а затем нагревают со скоростью 5-15оС/мин до 950-970оС и проводят последующее охлаждение со скоростью 5-10оС/мин до 850-800оС.

Недостаток изобретения относительно низкая радиационная стойкость паяного соединения, достигающая (как показали эксперименты) от 10Е19 до 10Е20 н/см2.

Цель изобретения повышение эксплуатационных характеристик спаев керамики с металлом, в частности повышение радиационной стойкости соединения с сохранением герметичности и механической прочности.

В предлагаемом способе соединение корундовой керамики с металлом, включающем регламентированный по скорости высокотемпературный нагрев спаиваемого соединения, содержащего припойную прокладку на медной основе и контактирующий с керамикой слой активного металла, спаиваемое соединение нагревают равномерно по объему керамики до температуры, близкой к температуре стеклования стеклофазы, входящей в состав керамики. После этого скорость нагрева увеличивают до 100 ± 40оС/с и завершают нагрев при температуре спая, предельно близкой к температуре плавления металлической арматуры.

Описание реализации способа и происходящих процессов приводится на примере спая керамического трубчатого изолятора из керамики типа микролит с металлической арматурой из нержавеющей стали.

Предварительный нагрев спаиваемого соединения производится без особой регламентации скорости подъема температуры с целью размягчения и последующего расплавления стеклофазы, входящей в состав керамики. Поэтому конечная температура первой ступени нагрева определяется как температура, близкая к температуре стеклования стеклофазы (850 ± 50ос). Нижний предел температуры определяется собственно температурой плавления стеклофазы, верхний тем, чтобы оставшийся температурный интервал не был узким и позволил осуществить вторую ступень нагрева. Требование обеспечения примерно равномерного по объему керамики нагрева преследует цель устранить излишние температурные напряжения в керамике, которые могли бы возникнуть в ней при больших градиентах температуры. По завершении первой стадии нагрева скорость подъема температуры значительно увеличивается и составляет 100 ± 40оС/с. Практически нагрев производился с помощью коаксиальной электронно-лучевой пушки увеличением тока и энергии электронного пучка. Интенсивный поверхностный теплоподвод со стороны спая приводит как к повышению температуры спаиваемой поверхностей, так и к образованию в керамике градиента температуры, убывающего от поверхности вглубь материала. При этом происходит принудительное выдавливание стеклофазы из глубинных слоев керамики на ее поверхность и обогащение контактной поверхности стеклофазой, создающей благоприятные условия для получения паяного соединения. Подвод тепла на этой ступени нагрева производится со скоростью, обеспечивающей градиент температуры, предельно допустимый по условиям прочности керамики. В зависимости от конкретных теплофизических и механических характеристик керамики, от геометрических размеров керамического изделия скорость подъема температуры может находиться в указанных выше пределах. Верхний предел ограничен не только возможным появлением трещин в керамике, но и сокращением длительности нагрева, поскольку верхний предел температуры ограничен температурой плавления арматуры, в результате чего стеклофаза не успевает мигрировать на поверхность спая в достаточном количестве. Нижний предел скорости нагрева также ограничен величиной, при которой градиент температуры недостаточен для эффективной мигpации стеклофазы (величина его установлена эмпирически).

В качестве примера приведем технологические режимы изготовления и результаты испытания спаев проходных (трубчатых) керамических изоляторов диаметром 5,6 мм из корундовой (высокоглиноземистой) керамики ЦМ-332 (микролит) с металлической арматурой из стали 11Х8Н10Т. Посадочная поверхность выполнена на конус. Толщина спаиваемой с керамикой металлической обечайки арматуры 0,8 мм. Осевое усилие поджатия около 1 кг. Коническая поверхность керамики после обезжиривания защищалась слоем титана (активный металл), нанесенным методом втирания титановым карандашом, поверх которого гальванически был нанесен слой меди (твердый припой). На ряде образцов в качестве активного металла использовались также никель и вольфрам, а в качестве твердого припоя никель. Сборка нагревалась до 800оС в течение 3 мин, после чего темп нагрева увеличивался до 100оС/с и поддерживался таковым до достижения температуры на поверхности сборки, равной 1250оС. Далее следовала процедура выдержки и охлаждения.

Реакторные испытания образцов спаев, изготовленных по данной технологии, продемонстрировали сохранение вакуумной плотности и прочности соединения керамики с арматурой вплоть до флюенса 5,1 ˙ 10Е20 н/см2, при котором практически прерывалось дальнейшее испытания из-за его длительности и возрастающей стоимости. Испытание спаев, изготовленных с температурными режимами, отличными от предлагаемых, показало как существенно более низкие характеристики (по радиационной стойкости, механической прочности соединения) и более высокий процент брака. Электронно-микроскопические исследования сечения спаев и структуры прилегающей зоны керамики, а также ее поверхности после нагрева по предлагаемому способу подтвердили гипотезу и результаты расчетов о миграции стеклофазы к поверхности спая.

Похожие патенты RU2035440C1

название год авторы номер документа
ИМПУЛЬСНЫЙ ТОКОНЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АППАРАТА 1992
  • Филатов В.В.
RU2031462C1
ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ И ПРОДОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПРОКАЧКИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ 1993
  • Бодакин Л.В.
  • Макаревич А.А.
  • Манукян Г.Ш.
  • Туманов И.А.
RU2065242C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ УЗЛОВ 1995
  • Харичева Д.Л.
  • Виноградов Б.А.
  • Костюков Н.С.
RU2099312C1
Способ изготовления металлокерамических узлов 1989
  • Аитов Адил
  • Костюков Николай Сергеевич
  • Муминов Мухтар Ибрагимович
  • Нурматов Халмат
  • Скрипников Олег Юрьевич
SU1708800A1
СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ МАГНИТНАЯ СИСТЕМА 1991
  • Акопян Д.Г.
RU2017273C1
ТОРОИДАЛЬНАЯ ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА С ВЫТЯНУТЫМ СЕЧЕНИЕМ ПЛАЗМЫ 1992
  • Садаков С.Н.
RU2029996C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНУСНОГО ОХВАТЫВАЮЩЕГО СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ 1992
  • Юсупов З.Ф.
  • Виноградов Б.А.
RU2029753C1
ТОКОНЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АППАРАТА 1991
  • Филатов В.В.
RU2027235C1
УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОЛЕНОИДА 1991
  • Акопян Д.Г.
RU2017272C1
ЦИКЛОТРОН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАДИОАКТИВНЫХ ГАЗОВ 1992
  • Степанов А.В.
RU2057405C1

Реферат патента 1995 года СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ

Использование: при получении спаев повышенной радиационной стойкости. Сущность изобретения: способ заключается в создании специального температурного режима нагрева спаиваемого соединения, состоящего в том, что нагрев соединения от температуры, близкой к температуре стеклования стеклофазы, входящей в состав керамики, производится со скоростью 60 - 140°С/с и заканчивается при температуре спая, близкой к температуре плавления металлической арматуры. Указанный режим приводит к появлению на поверхности керамики градиента температуры и принудительному выдавливанию части стеклофазы из внутренних слоев керамики на контактную поверхность, что способствует получению более прочного и радиационно стойкого соединения керамики с металлом.

Формула изобретения RU 2 035 440 C1

СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ, включающий регламентированный по скорости высокотемпературный электронно-лучевой нагрев спаиваемого соединения, содержащего припойную прокладку на медной основе, и контактирующий с керамикой слой активного металла, отличающийся тем, что спаиваемое соединение нагревают равномерно по объему керамики выше температуры плавления стеклофазы, входящей в состав керамики, после чего скорость нагрева увеличивают до 60 140 град/с и завершают нагрев при температуре спая, предельно близкой к температуре плавления металлической арматуры.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1995 года RU2035440C1

Костюков Н.С
и др
Герметичные изоляторы для атомной энергетики
Благовещенск: ДВО АН СССР, с.240-265.

RU 2 035 440 C1

Авторы

Нурматов Холмат[Uz]

Одинцов Вячеслав Николаевич[Ru]

Фефелов Петр Агеевич[Ru]

Даты

1995-05-20Публикация

1992-09-23Подача