СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ Российский патент 2005 года по МПК B23K20/16 

Изобретение относится к технологии получения неразъемного соединения диффузионной сваркой в вакууме через прослойку и может быть использовано в электронной, ювелирной промышленности и других областях техники.

Известен способ диффузионной сварки, при котором на одной из свариваемых поверхностей выполняют глухие цилиндрические отверстия и размещают промежуточную прокладку, через которую производят соединение деталей (см. SU 1463415, МПК 7 В 23 К 20/14, 1989). Недостатком данного способа является трудоемкость изготовления перфорированных отверстий, а также высокие энергозатраты.

Известен способ диффузионной сварки, при котором в процессе пиролиза прокачиваемого между свариваемыми поверхностями вещества на них образуется металлическая прослойка, после чего осуществляют изотермическую выдержку под давлением (см. SU 1750897, МПК 7 В 23 К 20/16, 30.07.1992).

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа можно считать способ диффузионной сварки по RU 2025241, МПК 7 В 23 К 20/16, 30.12.1994, согласно которому, по крайней мере, на поверхности одной из свариваемых деталей выполняют полость и заполняют ее защитно-активирующей средой в виде экзотермической смеси. Подготовленные к сварке детали сжимают, нагревают до температуры сварки с высокой скоростью, осуществляют изотермическую выдержку и после образования соединения детали охлаждают. Под действием температуры и давления происходит вытеснение защитно-активирующей среды из полости и ее подача на разогретые свариваемые поверхности, что приводит к получению качественного соединения за счет удаления окисных пленок и смятия микрошероховатостей. Однако защита свариваемых поверхностей от окисления оказывается недостаточной, приводит к снижению качества сварки.

Задачей изобретения является снижение энергозатрат и повышение качества соединения за счет снижения верхнего предела температуры экзотермической выдержки.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе диффузионной сварки, включающем размещение в зоне сварки материала, обеспечивающего экзотермическую реакцию между входящими в него компонентами, приведение свариваемых деталей в контакт и изотермическую выдержку их под давлением, упомянутый материал получают путем заполнения термореагирующим порошком полой герметичной металлической оболочки, при этом в зоне сварки размещают, по меньшей мере, одну упомянутую оболочку, нагревают ее путем пропускания тока для инициирования экзотермической реакции между входящими в термореагирующий порошок компонентами и испаряют оболочку электрическим взрывом с получением металлической прослойки на поверхностях свариваемых деталей, а изотермическую выдержку проводят в атмосфере инертного газа, предпочтительно азота.

В качестве термореагирующего порошка может быть использован порошок, содержащий компоненты, обеспечивающие реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), при этом оболочку вакуумируют. В этом случае оболочку изготавливают из сплава пермендюр. В качестве термореагирующего порошка может быть использован порошок, содержащий компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением, при этом галлий предварительно насыщают азотом, а оболочку перед герметизацией заполняют азотом. В этом случае оболочку изготавливают из никеля или никелевого сплава. В зависимости от соединяемых материалов можно использовать, по меньшей мере, одну оболочку одного состава или, по меньшей мере, две оболочки с различным составом, при этом их испарение проводят последовательно.

По первому варианту использования термореагирующих порошков применены порошки с компонентами, обеспечивающими реакцию СВС. Известны технические решения, касающиеся синтеза материалов (нитридов, карбидов) по реакции СВС. Однако в заявленном решении проводят в одном технологическом цикле синтез и напыление покрытия на поверхность соединяемых деталей при пропускании тока через оболочку с порошком СВС, при этом плазмой разряда проводят очистку свариваемых поверхностей. Зная скорость реакции СВС, возможно получение ювенальных поверхностей, что обеспечивает высокую адгезию напыленного материала.

В экспериментах использовались порошки, содержащие графит, вольфрам и алюминий.

По второму варианту использования термореагирующих порошков применяют порошки, содержащие компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением. Известны технические решения использования термореагирующих порошков для ремонта деталей машин, например, гильз двигателя внутреннего сгорания. Известны также технологические приемы и режимы получения неразъемных соединений с помощью диффузионно-твердеющих паст на основе галлия. Галлий при повышении температуры растворяет в себе металлы, кварцевое стекло, газы и т.д. Известно также, что азот в молекулярном состоянии это защитный газ, а, растворяясь галлием, переходит в атомное состояние и становится чрезвычайно активным.

В заявленном техническом решении термореагирующие порошки совместно с галлием, насыщенным азотом, обеспечивают в процессе экзотермической реакции 100% диффузионное твердение и получение неразъемного соединения прочностью до 50 МПа. Галлий при температуре 30°С и выше растворяет в себе все металлы, оксиды и т.д. При этом галлий является только катализатором, растворяя все металлы, входящие в термореагирующий состав, позволяя синтезировать нитриды растворенных металлов и не участвуя в процессе синтеза. Повышение прочности соединения авторы объясняют получением пересыщенных твердых растворов.

В экспериментах использовались порошки преимущественно с избытком алюминия (7-10%) на основе меди и никеля. В процессе диффузионного твердения сплав переходит в равновесное состояние, а разорвавшиеся связи алюминия замещаются атомарным азотом; формируется пространственная сетка из нитридов, синтезированных на галлиевом катализаторе, что обеспечивает высокую прочность соединения.

Использование одной или более оболочек одного или различного составе обусловлено материалом соединяемых деталей. Предложенный способ позволяет осуществлять соединение как трудносвариваемых металлов, так и неметаллов в различных сочетаниях.

Изготовление оболочек с термореагирующим порошком осуществляют следующим образом.

I вариант. Используют смесь для реакции СВС: чистый порошок графита 60 весовых частей, чистый порошок вольфрама - 40 весовых частей с добавлением порошка алюминия - 2 весовых части. Упомянутые порошки загружают в оболочку из пермендюра и профилируют в виде прямоугольной трубки. Оболочку герметизируют и вакуумируют.

II вариант. Технический галлий Гл. 0,96 по известной технологии предварительно насыщают азотом. В оболочку из никеля помещают термореагирующий порошок марки ПТ-19М-01 и галлий в содержании 1:1 по весу, предварительно помешав. Оболочку с одной стороны герметизируют, заполняют по известной технологии азотом, герметизируют и помещают в холодильник.

На чертеже показана схема установки диффузионной сварки.

В вакуумной камере 1 между рабочим столом 2 и пуансоном 3 размещают свариваемые детали 4 и 5 с установленными между ними оболочкой 6, содержащей смесь термореагирующих порошков 7. Оболочку соединяют с держателями высоковольтных электродов 8. Держатели включены в цепь генератора импульсного тока 9. Нагреватель 10, расположенный в технологической камере, служит для проведения изотермической выдержки. Для подачи газа в камеру служит система подачи газа 11.

Пример выполнения способа, в котором используются две оболочки различного состава.

На пуансоне и рабочем столе закрепляют свариваемые детали, изготовленные, например, из кварца 12В1 и молибдена МВ4П, на державках закрепляют оболочки с термореагирующими порошками, между которыми проходит экзотермическая реакция по двум вариантам. Камеру герметизируют и вакуумируют, приблизительно до давления 1,33×10^-2 Па. Затем первую оболочку (с порошком СВС) прямым пропусканием тока от силового трансформатора 10 нагревают в течение 20-25 сек до температуры 1000°С и электрическим взрывом испаряют, коммутируя электрическую цепь на 2 UT, с запасенной энергией 20 Кдж. Затем аналогичную операцию проводят со второй оболочкой (компоненты в смеси с галлием), только температура нагрева оболочки составляет 750°С.

После испарения последней оболочки в технологическую камеру подают азот через систему подачи газа и включают нагреватель изотермической выдержки. Скорость подъема температуры не ограничена, но она должна исключать термоудар свариваемой детали.

После достижения температуры свариваемых деталей 200°С их приводят контакт под давлением 5,0 МПа. Температурный интервал изотермической выдержки не определяют, т.к. он может быть от 40°С до 1000°С в зависимости от свариваемых материалов.

Преимуществом заявляемого способа диффузионной сварки через прослойку является предельно низкая температура изотермической выдержки (от 40°С) и малые давления (от 1,0 МПа).

Далее приведены примеры сварки с использованием оболочек с порошками, способными к реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), с различными сочетаниями составов порошков и материалов соединяемых деталей.

ПРИМЕР 1.

Известно, что только два способа напыления проходят с диффузией в подложку. Это напыление из плазменных фокусов и электрическим взрывом. Предлагается способ формирования опоры из карбида вольфрама для опор ротора гироскопа. Оболочка из сплава 29 КФ (пермендюр). Состав порошка - вольфрам плюс углерод в равных массовых долях и 2 мас.% алюминия. Оболочки такого состава испаряются в отверстии опоры до формирования тугоплавкой опоры толщиной до 1 мм, далее проводят диффундирующий отжиг и шлифовку. Преимущество способа заключается в том, что исключено использование технологии высоких температур и формирование покрытий спорами для удержания смазки.

ПРИМЕР 2.

Сварка сплава, например ВК8 с СТЗ, для высокотемпературной резки материалов, когда пайка таких материалов исключена. Оболочка имеет состав порошка такой же, как приведен в Примере 1. Материал оболочки должен иметь температуру не ниже температуры плавления стали. После испарения ряда проводников детали приводят в контакт с деформацией до 20% с последующим диффундирующим отжигом. Диффундирующий отжиг проводят в вакууме.

ПРИМЕР 3.

Использование оболочки с порошками, способными к термореагированию при нагреве и диффузионному твердению, для сварки тугоплавких материалов с материалами со сложноорганизованной структурой, нагрев которых выше 400-500°С при сварке недопустим (ситаллы, ферриты, пьезокерамика и т.д.).

Состав порошков - 50% термореагирующего порошка и 50% галлия (по массе). После испарения ряда проводников при температуре свариваемых образцов не выше 400°С свариваемые детали приводят в контакт, проводят диффундирующий отжиг с последующим охлаждением со скоростью не более 12°С в минуту. Диффундирующий отжиг проводят в атмосфере азота.

ПРИМЕР 4.

Выполнение сварки с использованием оболочек с составом, способным к реакции СВС, и порошков, способных к термореагированию и диффузионному твердению.

Сваривают нитрид алюминия с материалами, перечисленными в Примерах 1-2. Сварку осуществляют в вакууме с диффундирующим отжигом при температуре не выше 400°С в атмосфере азота.

При сварке образцы нагревают до 400°С, последовательно испаряют оболочки с порошками, способными к реакции СВС, и термореагирующими порошками. Детали приводят в контакт, проводят изотермическую выдержку и охлаждение со скоростью 12°С в минуту. Аналогично проводят сварку драгоценных металлов с полудрагоценными и драгоценными кристаллами, причем всегда первыми испаряют порошки, способные к реакции СВС.

Изобретение может быть использовано в электронной, ювелирной промышленности и других областях техники. В зоне сварки размещают материал, обеспечивающий экзотермическую реакцию между входящими в него компонентами. Упомянутый материал получают путем заполнения термореагирующим порошком полой герметичной металлической оболочки. В качестве термореагирующего порошка используют порошок, содержащий компоненты, обеспечивающие реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), или порошок, содержащий компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением. В зоне сварки размещают, по меньшей мере, одну упомянутую оболочку или две оболочки разного состава. Осуществляют ее нагрев путем пропускания тока для инициирования экзотермической реакции между входящими в термореагирующий порошок компонентами. Испаряют оболочку электрическим взрывом с получением металлической прослойки на поверхностях свариваемых деталей. Свариваемые детали приводят в контакт и проводят их изотермическую выдержку в атмосфере азота под давлением. Способ позволяет снизить энергозатраты и повысить качество соединения за счет снижения верхнего предела температуры экзотермической выдержки. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ диффузионной сварки, включающий размещение в зоне сварки материала, обеспечивающего экзотермическую реакцию между входящими в него компонентами, приведение свариваемых деталей в контакт и изотермическую выдержку их под давлением, отличающийся тем, что в качестве упомянутого материала используют заполненную термореагирующим порошком полую герметичную металлическую оболочку, при этом в зоне сварки размещают, по меньшей мере, одну упомянутую оболочку, нагревают ее путем пропускания тока для инициирования экзотермической реакции между входящими в термореагирующий порошок компонентами и испаряют оболочку электрическим взрывом с получением металлической прослойки на поверхностях свариваемых деталей, а изотермическую выдержку проводят в атмосфере инертного газа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термореагирующего порошка используют порошок, содержащий компоненты, обеспечивающие реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), при этом оболочку вакуумируют.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что оболочку изготавливают из сплава пермендюр.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве термореагирующего порошка используют порошок, содержащий компоненты в смеси с галлием, обеспечивающие экзотермическую реакцию с диффузионным твердением, при этом галлий предварительно насыщают азотом, а оболочку перед герметизацией заполняют азотом.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что оболочку изготавливают из никеля или никелевого сплава.6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что используют, по меньшей мере, две оболочки, заполненные различными составами, при этом их испарение проводят последовательно.