СПОСОБ ПАЙКИ ЦИРКОНИЯ С КОНСТРУКЦИОННЫМ МЕТАЛЛОМ Российский патент 1997 года по МПК B23K1/20 

Изобретение относится к пайке, в частности, к способу пайки циркония с конструкционным металлом.

Известен способ пайки циркония с другими металлами, такими, как ниобий, тантал, молибден и гафний без нанесения покрытия с применением припоев систем цирконий-ванадий, цирконий-кобальт, титан-медь (1).

Соединения, паяные этими припоями, обеспечивают теплостойкость до температур 1200-1300^oC (1473-1573 К). Широкое применение этих припоев ограничено рядом недостатков: первое это высокая температура пайки (1250^oC), что существенно влияет на механические свойства металлов из-за их рекристаллизации, второе дефицитность и дороговизна металлов, составляющих припои, и третье велика вероятность образования твердых растворов и интерметаллидов с температурами плавления выше, чем в циркония.

Из известных способов пайки циркония с конструкционными металлами наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является способ пайки циркония с другими металлами железом, никелем и их сплавами (2), включающий предварительное облуживание поверхности циркония, сборку паяемых деталей и пайку легкоплавким припоем при температуре 700-800^oC c последующим охлаждением.

Известный способ позволяет получать герметичные и вакуум-плотные спаи для изделий электровакуумной промышленности.

Однако, несмотря на хорошую смачиваемость циркония и обеспечение вакуумной плотности соединения, он не дает возможности регулировать процесс взаимодействия циркония с припоем и паяемым металлом, что может привести к возникновению напряженного состояния паяного соединения, вызванного большой разницей физико-механических свойств и, в частности, температурных коэффициентов линейного расширения циркония и другого конструкционного металла.

Изобретение направлено на повышение качества паяного соединения циркония с другими конструкционными металлами путем регулирования процесса взаимодействия циркония с припоем и паяемым металлом.

Задача решается тем, что в способе пайки циркония с конструкционным металлом, включающем предварительное обслуживание поверхности циркония, сборку паяемых деталей и пайку легкоплавким припоем при температуре 700-800^oC с последующим охлаждением, обслуживание осуществляют легкоплавким припоем, перегретым до 900-1000^oC (1173-1273 К).

В качестве легкоплавкого припоя можно использовать олово.

Температурно-временной режим пайки выбран таким образом, чтобы за счет процессов массопереноса (диффузии и диспергирования) количество жидкого легкоплавкого припоя уменьшить до концентрации, соответствующей предельной растворимости последнего в конструкционном металле.

В результате такого ведения процесса пайки паяный шов композиционируется частицами конструкционного металла, а межчастичные прослойки в результате диффузии и растворения по составу и температуре плавления соответствуют сплаву с температурой плавления, превышающей температуру пайки.

Облуживание и пайку ведут в вакууме с остаточным давлением менее 1•10^-3 Па. Большие остаточные давления недопустимы из-за окисления циркония и прекращения смачивания его легкоплавким припоем. Меньшие остаточные давления нецелесообразны из-за увеличения времени их достижения с помощью вакуумных средств откачки без улучшения качества паяного шва.

Обслуживание циркония необходимо вести при 900-1000^oC (1173-1273 К). Снижение температуры ведет к нарушению сплошности покрытия циркония легкоплавкой составляющей, а увеличение к катастрофическому росту толщины интерметаллидной прослойки и росту вероятности ее отслоения от поверхности циркония вследствие возникающих внутренних напряжений.

Время изотермической выдержки при облуживании ограничивается 1-3 мин из-за высокой диффузионной подвижности олова в цирконии и необходимости формирования интерметаллидной прослойки на цирконии необходимой толщины.

Пайку циркония с другим конструкционным металлом следует вести при температуре 700-800^oC (973-1073 K). Снижение температуры ниже указанного предела тормозит процесс диспергирования конструкционного металла и ведет к неполному расходованию легкоплавкого припоя, а превышение верхней границы температурного интервала приводит к диффузионному пробою интерметаллидного слоя на цирконии и образованию эвтектики цирконий-конструкционный металл, вызывающей охрупчивание циркония и сквозную эрозию второго металла.

Использование предлагаемого способа позволяет достичь при пайке циркония ряда положительных эффектов: во-первых, за счет использования барьерного подслоя удается исключить возможность непосредственного контактирования циркония с другим конструктивным металлом и вследствие этого избежать образования слоя более хрупких интерметаллидов цирконий-конструкционный металл; во-вторых, удается исключить из состава припоя драгоценные и редкие металлы; в-третьих, вести пайку при температурах, не превышающих температуру полиморфного превращения циркония; в-четвертых, появляется возможность эксплуатации получаемого соединения при температурах, соизмеримых или несколько превышающих температуру пайки; в-пятых, обеспечивается не только герметичность, но и прочность паяного соединения, т.к. при этом способе пайки достигается относительная пластичность паяных швов и как следствие создаются благоприятные условия для релаксации внутренних напряжений, возникающих из-за разницы в температурных коэффициентах линейного расширения разнородных металлов.

Пример применения. Для установки плазменно-дуговой сварки и резки металлов производили пайку катодов из меди М1 с электродной активной вставкой из сплава циркония Н-2,5.

На первом этапе производили обслуживание электродной активной вставки легкоплавким припоем, в качестве которого использовали олово ОВЧ000. Облуживание производили в вакууме 1•10^-3 Па окунанием электродной активной вставки в расплав припоя, перегретый до температуры 900-1000^oC (1173-1273 К) с изотермической выдержкой 2 мин. Затем производили сборку обслуженной электродной активной вставки с медным корпусом катода.

На втором этапе собранный катод помещали в графитовый нагревательный блок, который разогревали токами высокой частоты в вакууме 1•10^-3 Па, температура пайки составляла 750^oC (1023 K), время изотермической выдержки 3 мин.

Последующее охлаждение паяного узла производили в графитовом блоке в вакууме до температуры 80^oC (353K).

Оценка работоспособности медно-циркониевого катода показала, что он выдерживает вчетверо большее количество включений по сравнению с известным вариантом запрессовки электродной активной вставки из циркония в медный корпус. Такое повышение ресурса работы паяных катодов плазмотронов обусловлено стабильными температурными условиями из-за отсутствия нарушений теплового контакта в результате термокачек, возникающих при возбуждении и погасании плазменной дуги.

Использование: пайка циркония с конструкционным металлом, в частности, медно-циркониевого катода плазмотрона. Сущность изобретения: способ пайки циркония с конструкционным металлом включает предварительное облуживание поверхности циркония легкоплавким припоем, перегретым до 900-1000^oC, сборку паяемых деталей и пайку легкоплавким припоем при 700-800^oC с последующим охлаждением. В качестве легкоплавкого припоя может быть использовано олово. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ пайки циркония с конструкционным металлом, включающий предварительное облуживание поверхности циркония, сборку паяемых деталей и пайку легкоплавким припоем при температуре 700 800^oС с последующим охлаждением, отличающийся тем, что облуживание осуществляют легкоплавким припоем, перегретым до 900 1000^oС (1173 1273 К)
2. Способ пайки по п.1, отличающийся тем, что в качестве легкоплавкого припоя используют олово.