СПОСОБ ПАЙКИ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛАМИ И НЕМЕТАЛЛАМИ Российский патент 2008 года по МПК B23K1/00 B23K1/19 B23K103/18 

Изобретение относится к соединению разнородных материалов, в частности к пайке, и может быть использовано в электронной, радиотехнической промышленности и прецизионном приборостроении, там, где к изделиям предъявляются высокие требования по вакуумной плотности, термостойкости, влагостойкости, коррозионностойкости при воздействии высоких давлений, высоких температур и ударных нагрузок.

Известен способ вакуум-плотного соединения керамики с металлами, согласно которому сначала осуществляют металлизацию керамического изделия путем нанесения металлизированного слоя и последующего его спекания (операцию повторяют дважды), а затем металлизированное керамическое изделие подвергают никелированию, сначала химическому, а затем электролитическому, а пайку осуществляют медно-серебряным припоем (патент Франция №2217.290 «Способ соединения металлического и керамического изделия спаиванием», опубликованный 11.10.1974, МПК В23К 1/19).

Недостатками этого способа является сложная технология нанесения металлизированного покрытия на керамику, дополнительная операция спекания металлизированного спая, а также применение в качестве припоя медно-серебряного сплава.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ пайки керамики с металлами и неметаллами, при котором между паяемыми поверхностями деталей размещают фольгу припоя на основе меди и титана с добавкой легкоплавких металлов из группы олово, свинец, индий и их сплавов, нагрев осуществляют в вакууме 10^-3-10^-1 мм рт.ст. до температуры плавления и охлаждения (авторское свидетельство СССР №1742269, МПК В23К 1/19 «Способ пайки керамики с металлами и неметаллами» опубликовано 23.11.89). Недостатком данного способа является применение припоя с карбидообразующим металлом таким, как титан. Расплавленный припой, содержащий титан, хорошо смачивает керамику, однако при взаимодействии с последней они образуют твердые карбидные фазы, что приводит к образованию трещин в паяном шве, а следовательно, к отсутствию герметичности паяного шва. Исправление этого дефекта может быть осуществлено только повторной подпайкой, но и повторная подпайка не всегда приводит к устранению вышеупомянутого дефекта. Еще одним существенным недостатком применения медно-титанового припоя является низкая коррозионная стойкость в условиях повышенной влажности и температуры.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение герметичности и коррозионной стойкости паяного шва.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого способа, следующий:

- получение герметичного паяного шва (1·10^-8 МПа·м³/с);

- коррозионная стойкость паяного шва при воздействии высокой влажности, давления и высоких температур.

Для решения поставленной задачи в известном способе между соединяемыми деталями, одна из которых выполнена из керамики, размещают припой и осуществляют нагрев до температуры плавления припоя. В качестве припоя использован сплав эвтектического состава медь-титан с добавкой легкоплавких металлов олово, индий.

Нагрев производят до температуры образования эвтектики медь-титан и выдерживают при этой температуре не менее 20 минут. В результате чего происходит взаимное растворение титана, олова и индия в меди и получение активного сплава, что обеспечит при температуре плавления активного сплава смачивание паяемых материалов. Охлаждение производят до температуры 700...750°С с выдержкой при этой температуре не менее 20 минут. Дальнейшее охлаждение производят до комнатной температуры. Пайку осуществляют в вакууме 1·10^-3-1·10^-4 мм рт.ст. Спаянный узел извлекается из рабочего объема электровакуумной печи и на паяемый шов наносится состав для пайки, содержащий смесь пентабората лития, обеспечивающее следующее содержание компонентов в составе для пайки, мас.%:

- пентабората лития 15

- вода остальное

Полученный состав для пайки кистью или пульверизатором наносят на паяный шов, после чего эту поверхность сушат на воздухе до образования сплошного покрытия. Затем узел с нанесенным покрытием помещают в рабочий объем электровакуумной печи и нагревают до температуры не менее 850°С и с выдержкой при этой температуре не менее 2 минут.

При данной температуре и выдержке происходит химическое взаимодействие паяного шва, металла, керамики с пентаборатом лития. Это взаимодействие происходит за счет ионов лития, входящих в состав пентабората лития. Ионы лития обладают высоким электростатическим полем. Эти свойства ионов лития приводят к сильному флюсующему эффекту, что позволяет расплавленному пентаборату лития затекать в трещины паяного шва и герметизировать его. Кроме того, оксид лития, входящий в состав пентабората лития, обладает высокой химической активностью и способностью образовывать с титаном, находящимся в паяном шве, и с окислом алюминия (Al₂O₃), являющимся составной частью керамики, титаниты и алюминиты лития, которые снижают температуру повторной пайки и обеспечивают прочное сцепление паяного шва, металла и керамики с пентаборатом лития при более низкой температуре (850°С). И при охлаждении до комнатной температуры образует стекловидную пленку, которая защищает паяный шов от воздействия высокой влажности и температуры. Нагрев осуществляют в вакууме 1·10^-3-1·10^-4 мм рт.ст.

Пример. При пайке экрана для СВЧ-излучателя, состоящего из обечайки (сплав 29НК) и керамической детали (марки ВК94-1), по стыку деталей размещали припой из медно-титановой фольги эвтектического состава. Собранные для пайки детали размещают в рабочем объеме электровакуумной печи ВП-575-13-3.

Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:

- нагрев до температуры 700°С со скоростью 5°С/мин;

- выдержка при температуре 700°С в течение 20 минут;

- нагрев до температуры плавления припоя 960±10°С со скоростью 5°С/мин;

- выдержка при температуре плавления припоя в течение 2 минут;

- охлаждение до температуры 700°С со скоростью 5°С/мин;

- выдержка при температуре 700°С в течение 15 минут.

Дальнейшее охлаждение осуществляли с печью до комнатной температуры. Температура в печи измерялась платино-платинородневой термопарой с точностью ±10°С. После этого спаянный металлокерамический узел извлекали из рабочего объема электровакуумной печи. Качество паяного шва оценивали по герметичности. Герметичность паяного шва составила 1·10^-5 м³Па/c, что не удовлетворяет требованиям конструкторской документации по герметичности.

И после этого готовим состав для повторной пайки следующим образом. В стеклянную или металлическую емкость наливают водопроводную или дистиллированную воду в заданном количестве. Воду подогревают до температуры порядка 60-70°С и добавляют в нее порошок пентабората лития, обеспечивающее следующее содержание компонентов в составе для пайки, мас.%:

пентабората лития 15

вода остальное

Перемешивают указанный порошок в воде до его полного растворения. Состав для пайки готов к применению.

Полученный раствор наносят на поверхность паяного шва, после чего покрытую поверхность сушат на воздухе в течение 10 часов до образования сплошного покрытия.

Повторную пайку осуществляли по следующему температурному режиму:

нагрев до температуры 850°С со скоростью 5°С/мин;

выдержка при температуре 850°С в течение 2 минут;

охлаждение до температуры 400°С со скоростью 5°С/мин.

Дальнейшее охлаждение осуществляли вместе с печью. Температуру в печи, как и в первом случае измеряли платино-платинородневой термопарой с точностью ±10°С. Качество паяного спая оценивали по герметичности до и после нагрева до эксплуатационной температуры 650°С. До и после нагрева герметичность не изменилась и составила по натеканию гелия не более 1·10^-8 МПа·м³/с. Данный способ пайки может быть реализован на распространенном электровакуумном термическом оборудовании и позволяет получать изделия с высокими физико-механическими характеристиками.

Изобретение может быть использовано в электронной, радиотехнической промышленности и прецизионном приборостроении для пайки изделий с высокими требованиями по вакуумной плотности, термостойкости, влагостойкости, коррозионностойкости при воздействии высоких давлений, высоких температур и ударных нагрузок. Между соединяемыми поверхностями размещают припой, содержащий титан. Нагревают в вакууме до температуры плавления припоя и охлаждают. На паяный шов наносят состав, содержащий пентаборат лития. Производят повторный нагрев в вакууме до температуры не менее 850°С с выдержкой не менее 2 минут и последующим охлаждением до комнатной температуры. Повторная пайка обеспечивает прочное сцепление паяного шва, металла и керамики. При охлаждении на поверхности паяного шва образуется стекловидная пленка, обеспечивающая его защиту от воздействия высокой влажности и температуры.

Способ пайки керамики с металлами и неметаллами, включающий размещение между соединяемыми поверхностями припоя, содержащего титан, нагрев в вакууме до температуры плавления припоя и охлаждение, отличающийся тем, что на паяный шов наносят состав, содержащий пентаборат лития, и производят повторный нагрев в вакууме до температуры не менее 850°С с выдержкой не менее 2 мин и последующим охлаждением до комнатной температуры.