СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ АЛЮМООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ И ПРЕЦИЗИОННЫХ СПЛАВОВ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2004 года по МПК B23K31/02 B23K1/00 C04B37/02 

Изобретение относится к области металлургии применительно к мелкоразмерным деталям космической техники, в частности к вакуумной термической обработке и пайке деталей из вакуумно-плотной алюмооксидной керамики и прецизионных сплавов с согласованными КЛТР (коэффициентами линейного термического расширения) и может найти применение также в электротехнике, приборостроении.

Известен способ вакуумной пайки и термической отработки деталей из ковара 29НК и керамики ВК 94-1 (22ХС) с металлизацией или без нее, предусматривающий нагрев, выдержку и охлаждение с регламентированными скоростями после проведения пайки [1].

Однако данный способ недостаточно эффективен для соединения деталей с резкими переходами сечений, хотя предусматривает незначительные энергетические затраты на осуществление.

Известен способ обработки деталей катодных узлов электрических ракетных двигателей малой тяги (ЭРД МТ), включающий подготовку металлических деталей образивно-струйной обработкой, химико-термическую обработку и вакуумную пайку при 1000...1500^oС [2].

Однако данный способ не исключает негерметичности соединений в двухступенчатых переходах от керамики к металлам.

Наиболее близким заявленному является способ вакуумной термической обработки и вакуумной пайки прецизионных деталей ЭРД ТМ и технологических источников плазмы, включающий ступенчатое охлаждение от температур пайки и замедленное охлаждение с печью в интервалах температур от 600...650^oС до 80... 100^oС с последующей выгрузкой на воздух [3].

Существенным недостатком известной технологии является повышенная склонность к трещинообразованию деталей сложной конфигурации, тонкостенных соединений из металлов и керамики, изготавливаемых вакуумной пайкой, в условиях знакопеременных нагрузок.

При создании изобретения решались задачи повышения ресурса, работоспособности и надежности, повышения выхода годных паяных деталей, работающих в составе ЭРД МТ.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе, включающем механическую обработку металлических деталей, вакуумный нагрев и охлаждение с регламентированными скоростями при пайке, согласно изобретению вышлифованные алмазными кругами керамические заготовки и механически обработанные в окончательный размер детали из прецизионных сплавов ковара, титана и высоколегированных сталей вначале отжигают в вакууме по режимам паечного нагрева при температуре 950...1180^oС в течение 5...20 мин с охлаждением со скоростью 30...300^oС/мин до 600...800^oС, а затем собранную керамику паяют в вакууме 10^-2...10^-3 Па со ступенчатым охлаждением в течение 3...5 мин при температуре 750...800^oС и далее с печью до температуры 80...100^oС за 120... 360 мин.

При этом алмазную обработку керамики по наружной поверхности под пайку проводят с чистотой Ra 1,25...4,5 мкм, не обрабатывая внутреннюю поверхность керамики. Металлизированные керамические детали зачищают по металлизированной поверхности со снятием барьерного слоя химникеля. Отжиг керамических деталей проводят в присутствии геттеров с размещением на приспособлениях из термостойких керамик. Металлические детали перед вакуумным отжигом и пайкой подвергают оперативно-структурной обработке по поверхностям пайки. Нагрев при вакуумном отжиге и при пайке проводят с одинаковой скоростью 15... 120^oС/мин до 840. ..900^oС с выдержкой на этой ступени 5...10 мин. Выдержку при отжиге после механической обработки проводят в течение 5...20 мин, а при паечном нагреве 0,3...1,0 мин. Тонкостенные неметаллизированные керамические детали отжигают и паяют с выдержкой при ступенчатом нагреве в течение 10... 20 мин и такой же выдержке, как при температуре отжига перед пайкой.

Алмазное шлифование керамики с формированием заданного класса шероховатости с образованием плавных радиусных переходов сечений на наружной поверхности в соответствии с требованиями конструкторской документации позволяет получать после вакуумной пайки соединения с минимальными тепловыми напряжениями, при этом снижается трещинообразование в околошовных зонах, повышается работоспособность и надежность изделий при знакопеременных нагрузках.

Снятие барьерного слоя химникеля перед вакуумной пайкой улучшает смачиваемость припоем керамической заготовки и повышает прочность соединения, растет надежность катодного блока в сборе. Проведение отжига в присутствии геттерных поглотителей также улучшает заполнение припоем тонких зазоров между металлом и керамикой, повышается прочность паяного шва, снижается степень непропаев, повышается качество пайки. Решению этой же задачи служит абразивно-струйная обработка поверхностей перед вакуумной пайкой.

Уменьшение деформации и, как следствие, повышение равномерности и однородности паяного шва достигается проведением вакуумного отжига и пайки с идентичными скоростями охлаждения 15...120^oС/мин до 840...900^oС при выдержке на ступени 5...10 мин. В результате растет выход годных паяных деталей. Выбранные интервалы температур и выдержек при отжиге после механической обработки, составляющие 5...20 мин при отжиге и 0,3...1,0 мин при пайке, а для тонкостенных деталей из керамики ВК 94-1 в течение 10...20 минут при ступенчатом нагреве позволяют снизить напряжения в паяном шве и переходных зонах, повышается надежность и ресурс работы деталей в условиях частых теплосмен в составе ЭРД МТ.

В процессе разработки технологии проведены опыты и исследования с определением макро-, микроструктуры, прочностных характеристик соединений при обработке при параметрах в пределах заявляемых и за их пределами. Схемы паяных соединений, внешние виды и микроструктура приведены на фиг.1 для пайки неметаллизированной, механически обработанной керамики с титановым корпусом после предварительного отжига при 1000^oС и вакуумной пайки медненым титаном. На фиг.2 приведена фотография взаимного расположения деталей узла после рентгенографирования в зонах вакуумной пайки металлизированной керамики с коваром 29НК с предварительным отжигом по заявленному способу (фотоснимок с рентгеновской пленки узла). На фиг.3 показан паяный узел пускового электрода ЭРД МТ, где 1 - керамика ВК 94-1; 2 - корпус из титана ВТ1-0, а на фиг.4 показан вакуумный ввод, где 1 - керамика ВК 94-1 (22ХС), 2 - металлизированный слой, 3 - припой, 4 - наконечники из ковара 29НК.

Примеры осуществления способа для названных сочетаний керамики вакуумплотной алюмооксидной ВК 94-1 (22ХС) приведены ниже, а также в табл.1 и табл.2.

Пример 1. Паяный узел пускового электрода ЭРД МТ изготавливали и обрабатывали по предложенному способу. Керамические тонкостенные заготовки из алюмооксидной керамики ВК94-1 подвергали шлифованию алмазными кругами в соответствии с заданной геометрией (фиг. 3) и отжигали в вакууме в печи СГВ-2.4/15И2 при температуре 1100^oС в течение 20 минут с охлаждеием 150^oС/мин до 620^oС. Последующую вакуумную пайку с титановым корпусом проводили в вакууме 10^-2 Па при этой же температуре 1100^oС со ступенчатым охлаждением до 100^oС за 240 минут.

Обработка позволила исключить образование трещин, повысилось качество и прочность паяного шва, в таблице 1 приведены результаты измерений при обработке по предложенному и известному способам.

Улучшилась прочность паяных узлов при проведении виброиспытаний на различных режимах и нагрузках, исключено преждевременное разрушение в зонах резких переходов сечений. Получены стабильные терморадиационные характеристики поверхностей металлических деталей.

При классе чистоты алмазного шлифования Ra=2,0 мкм наблюдалось снижение остаточных напряжений и залечивание рисок на поверхности керамических деталей в процессе вакуумного отжига, что оказало положительное влияние на усталостную прочность околошовной зоны. Кроме того, провоцирующий вакуумный нагрев со скоростью 60...120^oС/мин позволил своевременно отбраковать керамические детали по поверхностным дефектам, исключив вероятность попадания на пайку и отбраковку дорогостоящих изделий на последующих операциях.

Пример 2. Токоподводы и газоподводы рабочего тела ЭРД МТ, паянные из ковара (сплав 29НК) и металлизированных конических деталей из керамики ВК 94-1, изготавливали и обрабатывали по предложенному способу.

После вышлифовывания опорных буртиков металлизированные керамические детали отжигали в вакууме при 1180^oС в течение 5 минут при скорости нагрева 60^oС/мин до 900^oС, охлаждение вели до 800^oС со скоростью 300^oС/мин, далее с печью произвольно.

Перед вакуумной пайкой проводили абразивно-струйную обработку конусов под пайку, затем паяли детали на приспособлениях из керамики БГП-10 припоем ВПР-4 со ступенчатой выдержкой при 800^oС в течение 3-х минут при охлаждении от температур пайки. В таблице 2 приведены сравнительные свойства узлов при обработке по предложенному и известному способам.

В результате вакуумного отжига и последующей пайки по предложенной технологии были получены токоподводы со стопроцентной герметичностью, практически не наблюдалось образования трещин, ресурс работы изделия с паяными деталями из ковара и керамики превысил 6000 часов.

Пример 3. Вакуумные вводы из сплава 29НК и керамических металлизированных изоляторов из керамики ВК 94-1, диаметром 8...12 мм изготавливали и обрабатывали по предложенному способу (фиг.4). Конические детали из прутков ковара диаметром до 22 мм перед вакуумной пайкой подвергали абразивно-струйной обработке, а керамику предварительно отжигали и подвергали тонкой зачистке по металлизированному слою. Вакуумный отжиг керамики проводили при 1080^oС в течение 15 минут с нагревом со скоростью 80^oС/мин до 860^oС, с выдержкой 8 минут на этой ступени и далее до температуры отжига произвольно. Охлаждение вели со скоростью 180^oС/мин до 620^oС, далее в вакууме 10^-3 Па до 100^oС произвольно с печью. Вакуумную пайку на приспособлениях из керамики проводили по идентичному режиму с охлаждением всей садки паяемых деталей до выгрузки за 4 часа с выдержкой на ступени 800^oС в течение 5 минут.

Обработка позволила достичь повышенной прочности и стабильной герметичности конусных наконечников с керамикой при прочности на 20...30% выше, чем в известном способе. Практически исключено образование трещин по керамике в местах резких переходов сечений даже в случаях наличия литейных дефектов типа пор и утяжин на керамике.

Узлы с деталями, изготовленными предложенным способом, имели высокую надежность, а ресурс работы превысил 7000 час.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авт. свид. 1222450, БИ 13, 1986.

2. Патент РФ 2119 550, БИ 27, 1998.

3. Тарасов А.Н. Сварочное производство. 1999. 11, стр.42...45 - прототип.

Способ может быть использован при изготовлении мелкоразмерных деталей космической техники. Вышлифованные алмазными кругами керамические заготовки и механически обработанные в окончательный размер детали из прецизионных сплавов ковара, титана и высоколегированных сталей отжигают в вакууме по режимам паечного нагрева при 950-1180^oС в течение 5-20 мин с охлаждением со скоростью 30-300^oС/мин до 600-800^oС. Собранную керамику паяют в вакууме 10^-2-10^-3 Па со ступенчатым охлаждением в течение 3-5 мин при 750-800^oС и далее с печью до 80-100^oС за 120-360 мин. Способ позволяет повысить ресурс работоспособности и надежности паяных деталей, повысить выход годных деталей, работающих в составе электроракетных двигателей малой тяги. 7 з.п.ф-лы, 2 табл., 4 ил.

1. Способ изготовления и термической обработки деталей из алюмооксидной керамики и прецизионных сплавов электроракетных двигателей малой тяги, включающий механическую обработку керамических и металлических деталей, вакуумный нагрев и охлаждение с регламентированными скоростями при пайке, отличающийся тем, что вышлифованные алмазными кругами керамические заготовки и механически обработанные в окончательный размер детали из прецизионных сплавов ковара, титана и высоколегированных сталей вначале отжигают в вакууме по режимам паечного нагрева при 950-1180°С в течение 5-20 мин с охлаждением со скоростью 30-300°С/мин до 600-800°С, а затем собранную керамику паяют в вакууме 10^-2-10^-3 Па со ступенчатым охлаждением в течение 3-5 мин при 750-800°С и далее с печью до 80-100°С за 120-360 мин.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что алмазную обработку керамики по наружной поверхности под пайку производят с чистотой Ra 1,25-4,5 мкм, не обрабатывая внутреннюю поверхность керамики.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлизированные керамические детали зачищают по металлизированной поверхности со снятием барьерного слоя химникеля.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг керамических деталей проводят в присутствии геттеров с размещением на приспособлениях из термостойких керамик.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлические детали перед вакуумным отжигом и пайкой подвергают абразивно-струйной обработке по поверхностям пайки.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев при вакуумном отжиге и при пайке проводят с одинаковой скоростью 15-120°С/мин до 840-900°С с выдержкой на этой ступени 5-10 мин.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержку при отжиге после механической обработки проводят в течение 5-20 мин, а при паечном нагреве - 0,3-1,0 мин.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что тонкостенные неметаллизированные керамические детали отжигают и паяют с выдержкой при ступенчатом нагреве в течение 10-20 мин и такой же выдержке, как при температуре отжига перед пайкой.