СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК B23K20/16 

Изобретение относится к диффузионной сварке химически активных разнородных металлов и сплавов под давлением при нагреве через промежуточный слой, например деталей соединения трубопроводов (переходников), одна или обе из которых может быть выполнена с проточками или канавками на свариваемой поверхности, и может быть использовано в атомной, криогенной технике и других областях.

Диффузионная сварка используется в тех случаях, когда требуется соединить детали из металлов и сплавов без расплавления свариваемых поверхностей при относительно высоких температурах за счет взаимной диффузии их компонентов.

Например, в патенте РФ №1278162 описан способ диффузионной сварки деталей из стали Ст.45 и ЭП682. Перед сборкой деталей на их свариваемые поверхности наносят в качестве промежуточной прослойки слой поверхностно-активного вещества, например эпоксидной смолы, собранную конструкцию нагружают под давлением, затем нагревают до температуры 0,8 температуры плавления под нагрузкой. Наличие эпоксидной смолы позволяет защитить сварное соединение от окисления. Однако использование названного способа не обеспечивает высокой плотности и прочности соединения, что может послужить причиной разрушения конструкции.

Известен способ диффузионной сварки (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с.6, 9), при котором соединение разнородных материалов осуществляется за счет пластической деформации деталей при повышенных температурах (Т_св=0,5-0,7 Т_пл материала с более низкой температурой плавления). Наличие деформированных деталей требует проведения последующей механической обработки деталей, а приведенный температурный диапазон не всегда обеспечивает достаточную механическую прочность сварных соединений. Для снижения термодеформационного воздействия на свариваемые материалы и уменьшения пластической деформации деталей, исключения образования интерметаллидов в зоне соединения и получения равнопрочного соединения предложены способы диффузионной сварки с применением промежуточных прокладок в виде фолы, проволок, гальванических или напыленных слоев, порошков (Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976, с.154, 202 и др., А.С. 1492588, А.С. 824578, Заявка РФ 2003114291, патент РФ 2184018).

Известен способ диффузионной сварки деталей, одна из которых выполнена из нержавеющей стали, под давлением и при нагреве, включающий размещение между свариваемыми поверхностями промежуточного слоя металла, например меди в виде фольги, порошка или покрытия, расположение собранной конструкции в печи, диффузионную сварку при 0,7-0,8 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффузионных металлов, при этом на конструкцию оказывают давление, обеспечивающее получение качественного сварного соединения за счет взаимной диффузии сродственных друг с другом металлов промежуточного слоя и материала подложки, а именно меди и никеля, входящего в состав нержавеющей стали (А.С. №833393).

Недостатком всех названных способов при сварке химически активных материалов является высокая вероятность сохранения либо вторичного образования перед сваркой на активной поверхности окисных пленок, препятствующих диффузионным процессам и снижающих прочность соединения.

Известен способ диффузионной сварки деталей из металлов и сплавов, включающий нанесение на одну из свариваемых поверхностей детали промежуточного слоя в виде покрытия металла, сродственного по крайней мере с одним из элементов материала подложки, сборку конструкции, нагрев и диффузионную сварку с приложением к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов в сварном соединении, отличающийся тем, что промежуточный слой наносят толщиной, соответствующей количеству металла, способного в процессе сварки полностью продиффундировать в металл подложки с образованием монолита, а сварку проводят при температуре 0,9-0,95 температуры плавления наименее тугоплавкого из диффундирующих металлов (Патент РФ 2253554).

Использование данного способа для сварки материалов с высокой химической активностью позволяет получить сварное соединение, но в условиях высоких длительных нагрузок, характерных для атомной техники, прочность соединения недостаточна и существенно (до 2-2,5 раз) отличается от образца к образцу.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по назначению является способ сварки деталей, одна из которых выполнена из материала с высокой химической активностью, в частности биметаллических переходников, раскрытый в RU 2156911 С2, 27.09.2000. В соответствии с упомянутым способом осуществляют сборку конструкции, нагрев и приложение к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов, с образованием сварного соединения.

Недостатком известного способа является невысокая прочность сварного соединения и разброс ее значений в связи с образованием в зоне сварки окисных пленок, препятствующих диффузии и формированию сварного соединения. Неконтролируемый состав окислов приводит к нестабильности показателя прочности от образца к образцу. Использование промышленного вакуума 10^-5-10^-6 мм рт.ст. не обеспечивает отсутствие окисных пленок, так как при таких остаточных давлениях время их повторного образования составляет доли секунды.

Задача изобретения - разработка технологии диффузионной сварки разнородных химически активных материалов через промежуточный слой.

Технический результат заключается в обеспечении высокой чистоты свариваемой поверхности химически активного материала и повышенной прочности сварного соединения, а также снижения разброса прочности от образца к образцу и азимутально по образцу.

Сущность изобретения по первому варианту заключается в том, что в способе диффузионной сварки деталей, одна из которых выполнена из химически активных металлов или сплавов, включающем сборку конструкции, нагрев и приложение к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов, с образованием сварного соединения, предварительно свариваемую поверхность детали из химически активных металлов или сплавов подвергают бомбардировке в разреженной атмосфере рабочего газа ионами металла, имеющего сродство, по крайней мере, с одним из элементов материала детали, для проведения очистки упомянутой поверхности, и осуществляют последующее нанесение покрытия в виде защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия, имеющего толщину, соответствующую количеству металла, способного в процессе сварки полностью диффундировать в материал подложки с образованием монолита, при этом нанесение покрытия осуществляют вакуумным ионно-плазменным методом при давлении 1·10^-5-9·10^-3 мм рт.ст. и энергии ионов 10-300 эВ, а сварку осуществляют при температуре в диапазоне 0,5-0,95 температуры плавления менее тугоплавкого из свариваемых материалов.

Сущность изобретения по второму варианту заключается в том, что в способе диффузионной сварки деталей, одна из которых выполнена из химически активных металлов или сплавов, включающем сборку конструкции, нагрев и приложение к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов, с образованием сварного соединения, предварительно свариваемую поверхность детали из химически активных металлов или сплавов подвергают бомбардировке ионами рабочего газа в разреженной атмосфере для осуществления ее очистки и осуществляют последующее нанесение покрытия в виде защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия, имеющего толщину, соответствующую количеству металла, способного в процессе сварки полностью диффундировать в материал подложки с образованием монолита, при этом нанесение покрытия осуществляют вакуумным ионно-плазменным методом при давлении 1·10^-5-9·10^-3 мм рт.ст. и энергии ионов 10-300 эВ, ионами металла, имеющего сродство, по крайней мере, с одним из элементов материала детали, а сварку осуществляют при температуре в диапазоне 0,5-0,95 температуры плавления менее тугоплавкого из свариваемых материалов.

Кроме того, для первого и второго вариантов характерны следующие признаки.

В качестве рабочего газа используют азот.

Одна из свариваемых поверхностей может быть выполнена с проточками.

Покрытие наносят на обе свариваемые поверхности.

Упомянутую очистку свариваемой поверхности и нанесение на нее покрытия дополнительно осуществляют на второй детали

Формирование защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия осуществляют после ионной очистки поверхности при снижении энергии потока ионов за счет плавного уменьшения напряжения на подложке.

Защитный подслой и слои многослойного покрытия формируют из материала, отличающегося по составу.

Перед нанесением промежуточного слоя на поверхность химически активного материала последняя подвергается ионной бомбардировке ионами металла (по первому варианту), входящего в состав материала промежуточного слоя, или ионами рабочего газа (с энергией ионов 0,5-3 кэВ) (по второму варианту) в разреженной атмосфере рабочего газа при давлениях n·10^-4 мм рт.ст. Бомбардирующие ионы разрушают окисные пленки на поверхности, тогда как рабочий газ препятствует повторному образованию окисной пленки. Нанесение промежуточного слоя выполняют вакуумным ионно-плазменным способом. После очистки энергию бомбардирующих ионов снижают для осаждения до 10-300 эВ и наносят слой 1-5 мкм. При нанесении слоя могут использоваться дополнительные источники ионов, обеспечивающие подачу ионов других металлов для формирования слоя сложного состава. Толщина слоя определяется шероховатостью и рельефом исходной поверхности. Таким образом, на поверхности химически активного металла сформирован защитный слой из менее химически активного металла или металлов (например, никеля, ниобия, титана-никеля, стали Х18Н10Т и т.п. на детали из циркониевого сплава). Деталь с покрытием помещается в сборку, сборку помещают в вакуумную камеру и выполняют сварку разнородных материалов приложением давления и температуры.

Предложенный способ применим для диффузионной сварки конструкционных элементов атомной и криогенной техники, например соединений трубопроводов цирконий - коррозионно-стойкая нержавеющая сталь, титан - коррозионно-стойкая нержавеющая сталь, алюминий - сталь и др.

Пример использования приведенного способа для сварки трубчатого модельного переходника сплав цирконий - ст. 06Х18Н10Т наружным диаметром 60 мм, внутренним 20 мм (макет).

Конструкция переходника сплав Zr-2,5% Nb - сталь 06Х18Н10Т состоит из двух коаксиально соединяемых деталей, поверхности которых выполнены ступенями различного диаметра. Внутренняя деталь изготавливается из сплава Zr-2,5% Nb, а наружная охватывающая деталь - из стали марки 06Х18Н10Т.

Ступенчатое изменение диаметров соединяемых деталей обеспечивает плавное распределение напряжений по длине соединения.

Поверхность внутренней детали из циркониевого сплава подверглась очистке ионами никеля при энергии 1-1,5 кэВ в среде рабочего газа, при давлениях n·10^-4 мм рт.ст, затем энергию уменьшили до 50 эВ и нанесли слой никеля толщиной 3-5 мкм (по различным частям рельефа детали). Подготовленную циркониевую деталь поместили в сборку со стальной деталью.

Технология сварки переходника заключалась в нагреве сборки из стальной и циркониевой детали в вакуумной камере до температуры активного взаимодействия соединяемых металлов (~900°С) и обеспечения плотного контакта в зоне соединения. Сварочное давление обеспечивается специальным дорном путем его запрессовки в сборку на заданную глубину.

В процессе диффузионной сварки переходника сталь 06Х18Н10Т - сплав Zr-2,5% Nb происходит взаимная диффузия элементов стали и циркониевого сплава с образованием переходных зон. Состав получаемых переходных зон определяет в значительной степени прочностные и коррозионные свойства переходника и его работоспособность в целом. Исследования показали отсутствие металлической прослойки никеля и получение стабильной по структуре и химическому составу переходной зоны между сталью и циркониевым сплавом толщиной не более 5 мкм.

В соответствии со вторым вариантом реализации способа очистку проводят в разреженной атмосфере ионами рабочего газа (азота), после чего осуществляют нанесение покрытия из никеля. Остальные операции способа аналогичны первому примеру.

Сравнение прочности переходников, сваренных с применением очистки и покрытия, и аналогичных, сваренных с покрытием, но без использования при очистке рабочего газа, а также сваренных без очистки и покрытия показывает, что прочность соединений, изготовленных заявляемым способом, в 1,4-1,8 раз выше, чем при сварке без очистки и покрытия, и в 1,3-1,5 раз выше, чем при сварке с покрытием без использования при очистке рабочего газа (очистка в вакууме ~n·10^-5 мм рт.ст.). Разброс прочности от образца к образцу при использовании заявляемого способа уменьшился в 1,3-1,4 раза по сравнению с вышеназванными способами.

Таким образом, при проведении сварки по первому или второму варианту получена возможность диффузионной сварки разнородных химически активных материалов через промежуточный слой, обеспечивающей высокую чистоту свариваемой поверхности химически активного материала, повышенную прочность и снижение разброса прочности от образца к образцу и азимутально по образцу.

При этом одна из свариваемых поверхностей может быть выполнена с проточками.

Изобретение может быть использовано для сварки конструкционных элементов атомной и криогенной техники, например соединений трубопроводов цирконий - коррозионно-стойкая нержавеющая сталь, титан - коррозионно-стойкая нержавеющая сталь, алюминий - сталь и др. Согласно способу предварительно свариваемую поверхность детали из химически активных металлов или сплавов подвергают бомбардировке в разреженной атмосфере рабочего газа ионами металла, имеющего сродство, по крайней мере, с одним из элементов материала детали, для проведения очистки упомянутой поверхности. Осуществляют последующее нанесение покрытия в виде защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия, имеющего толщину, соответствующую количеству металла, способного в процессе сварки полностью диффундировать в материал подложки с образованием монолита. Нанесение покрытия осуществляют вакуумным ионно-плазменным методом при давлении 1·10^-5-9·10^-3 мм рт.ст. и энергии ионов 10-300 эВ. Сварку осуществляют при температуре в диапазоне 0,5-0,95 температуры плавления менее тугоплавкого из свариваемых материалов. Очистку поверхности можно проводить путем бомбардировки ионами рабочего газа. Способ обеспечивает высокую чистоту свариваемых поверхностей, обусловливающую высокую прочность сварного соединения и снижение разброса прочности от образца к образцу и азимутально по образцу. 2 н. и 10 з.п. ф-лы.

1. Способ диффузионной сварки деталей, одна из которых выполнена из химически активных металлов или сплавов, включающий сборку конструкции, нагрев и приложение к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов, с образованием сварного соединения, отличающийся тем, что предварительно свариваемую поверхность детали из химически активных металлов или сплавов для ее очистки подвергают бомбардировке в разреженной атмосфере рабочего газа ионами металла, имеющего сродство, по крайней мере, с одним из элементов материала детали, и осуществляют последующее нанесение покрытия в виде защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия, имеющего толщину, соответствующую количеству металла, способного в процессе сварки полностью диффундировать в материал подложки с образованием монолита, при этом нанесение покрытия осуществляют вакуумным ионно-плазменным методом при давлении 1·10^-5-9·10^-3 мм рт.ст. и энергии ионов 10-300 эВ, а сварку осуществляют при температуре в диапазоне 0,5-0,95 температуры плавления менее тугоплавкого из свариваемых материалов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют азот.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что одна из свариваемых поверхностей выполнена с проточками.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что упомянутую очистку свариваемой поверхности и нанесение на нее покрытия дополнительно осуществляют на второй детали.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия осуществляют после ионной очистки поверхности при снижении энергии потока ионов за счет плавного уменьшения напряжения на подложке.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нижний подслой и последующие слои многослойного покрытия формируют из материала, различающегося по составу.

7. Способ диффузионной сварки деталей, одна из которых выполнена из химически активных металлов или сплавов, включающий сборку конструкции, нагрев и приложение к ней нагрузки, способствующей протеканию диффузионных процессов, с образованием сварного соединения, отличающийся тем, что предварительно свариваемую поверхность детали из химически активных металлов или сплавов для ее очистки подвергают бомбардировке ионами рабочего газа в разреженной атмосфере и осуществляют последующее нанесение покрытия в виде защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия, имеющего толщину, соответствующую количеству металла, способного в процессе сварки полностью диффундировать в материал подложки с образованием монолита, при этом нанесение покрытия осуществляют вакуумным ионно-плазменным методом при давлении 1·10^-5-9·10^-3 мм рт.ст. и энергии ионов 10-300 эВ, ионами металла, имеющего сродство, по крайней мере, с одним из элементов материала детали, а сварку осуществляют при температуре в диапазоне 0,5-0,95 температуры плавления менее тугоплавкого из свариваемых материалов.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют азот.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что одна из свариваемых поверхностей выполнена с проточками.

10. Способ по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что упомянутую очистку свариваемой поверхности и нанесение на нее покрытия дополнительно осуществляют на второй детали.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что формирование защитного подслоя или подслоя многослойного покрытия осуществляют после ионной очистки поверхности при снижении энергии потока ионов за счет плавного уменьшения напряжения на подложке.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что защитный подслой и слои многослойного покрытия формируют из материала, отличающегося по составу.