СПОСОБ ПАЙКИ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ С КОРРОЗИОННО-СТОЙКИМИ, ЖАРОСТОЙКИМИ СТАЛЯМИ И НИКЕЛЕВЫМИ СПЛАВАМИ Российский патент 2009 года по МПК B23K1/19 

Изобретение относится к области соединений деталей пайкой и может быть применено при соединении разнородных металлов в ракетостроении, в частности в различных машинах, механизмах и аппаратах, работающих при высоких давлениях и температурах.

Главной сложностью соединения тугоплавких металлов как между собой, так и с коррозионно-стойкими, жаростойкими и никелевыми сплавами является то, что не все вышесказанные металлы и сплавы образуют химические соединения с тугоплавкими металлами до температуры их рекристаллизации. А это приводит, в свою очередь, к снижению физико-механических характеристик как самого тугоплавкого металла, так и паяного соединения в целом, а также требует применения дорогих припоев, состоящих из редкоземельных металлов.

Известен способ соединения деталей из рения и ниобия и их сплавов. Первая деталь изготовлена из рения, а вторая деталь изготовлена из ниобия или его сплава.

При соединении первой и второй деталей на поверхность рения и ниобия наносят слой рутения и нагревают покрытия обоих деталей, образуя в первой из них смешанный слой рутения и рения, а во второй - смешанный слой рутения и ниобия. После этого соединяемые поверхности обеих деталей вводят в контакт с противолежащими сторонами фольги из твердого припоя и нагревают сборку выше температуры плавления припоя. Затем детали охлаждают до комнатной температуры (патент US №96655036, кл. В23К 31/02 «Способ соединения деталей из рения и ниобия и их сплавов», опубликован 29.05.96 г.). Недостатком вышеуказанного способа является сложная, экологически вредная операция нанесения рутения на паяемые детали, а также высокая температура пайки, приводящая к рекристаллизации ниобия. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ пайки труб, при котором на паяемую поверхность трубы из тантала или ниобия наносят слой медного покрытия толщиной 20-25 мкм и после термической обработки в вакууме наносят слой медного покрытия толщиной до 1 мкм с последующей механической обработкой до получения ровной и гладкой поверхности, а на паяемую поверхность трубы из нержавеющей стали наносят слой никелевого покрытия толщиной 10-15 мкм. Паяемые поверхности выполняют конической формы, сборку осуществляют встык путем плотного прилегания паяемых поверхностей по конусу, причем труба, изготовленная из тугоплавкого металла, является охватывающей, размещение припоя, содержащего медь, производится со стороны трубы, трубы паяют в вакууме при температуре 1015-1020°С с выдержкой 5-7 минут, охлаждают их в вакууме до температуры 50±5°С, а затем на воздухе (патент РФ №2156183, кл. B23K 1/00 «Способ пайки труб», опубликован 20.09.2000 г.).

Недостатком этого способа является сложная технология нанесения медного и никелевого покрытия на тантал или ниобий и нержавеющую сталь, а также дополнительные операции вжигания медного покрытия в тантал или ниобий, а никелевого - в нержавеющую сталь, приводящие к удлинению технологического процесса изготовления деталей. Помимо вышесказанного невысокие скорости нагрева и продолжительное время выдержки при вжигании медного покрытия и пайки, приводят к собирательной рекристаллизации в тантале или ниобии, т.е. к интенсивному росту зерна и появлению выделений по границам зерна, приводящие к значительному снижению физико-механических свойств тантала или ниобия.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение работоспособности паяемых соединений тугоплавких металлов с жаростойкими сталями или никелевыми сплавами с помощью пайки.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленного способа, следующий:

- сохранение высоких физико-механических свойств тугоплавкого металла и паяного соединения;

- упрощение технологии изготовления деталей с помощью пайки за счет исключения из технологического процесса сложных операций гальванических покрытий.

Для решения поставленной задачи в известном способе между соединяемыми деталями, одна из которых выполнена из тугоплавкого металла, размещают припой. Предлагается в качестве припоя использовать медь. При пайке тугоплавких металлов с коррозионно-стойкими, жаростойкими металлами и никелевыми сплавами необходимо учитывать большое различие в коэффициентах термического расширения, что приводит к растрескиванию тугоплавкого металла и паяного соединения в целом. Применение медного припоя способствует снижению релаксации напряжений, возникающих в паяном шве. Нагрев осуществляют в вакууме до температуры 1200°С, т.е. на 120°С выше, чем температура плавления припоя. При достижении температуры 1200°С и вакууме не ниже 1·10^-3 мм рт.ст. происходит интенсивное растворение меди как в тугоплавком металле, так и в коррозионно-стойких, жаропрочных сталях и никелевых сплавах с образованием твердого раствора без образования хрупких зон в паяном шве. Данное взаимодействие происходит за счет того, что зерна тугоплавкого металла диспергируют вследствие адсорбционного понижения его прочности под действием расплавленного медного припоя.

Нагрев осуществляют до температуры 1200°С со скоростью не менее 200°С/сек, а выдержка при температуре 1200°С составила не более 1,5 сек. Предлагаемые скорости нагрева и время выдержки позволили до минимума снизить рекристаллизацию тугоплавкого металла и получить высокопрочные и пластичные паяемые соединения.

Пример 1. При пайке деталей, одна из которых выполнена из тантала (марки TAB-10), а другая из стали 12Х18Н10Т, по стыку деталей размещают припой медь марки Ml.

Собранные для пайки детали размещали в рабочем объеме вакуумной камеры установки ВЧГ1-60.

Устанавливаем электрические параметры установки ВЧГ1-60, которые должны соответствовать следующим величинам:

- анодное напряжение kV-3;

- сила тока сетки, А-0,5;

- сила тока анода, А-1,8.

Отвакуумировать камеру до остаточного давления 4·10^-5 мм рт.ст. Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:

- нагрев до температуры 1200°С со скоростью 200°С/сек;

- выдержка при температуре 1200°С - 1,5 сек;

- охлаждение до температуры 5±10°С производят в вакууме.

Температуру в вакуумной камере измеряли платино-платинородневой термопарой с точностью ±10°С, подключенной к регулятору температур «Минитерм-400».

Пример 2. При пайке деталей, одна из которых выполнена из ниобия (сплав марки Д36), а другая из жаростойкой стали 37Х12Н8Г8МФБ по стыку деталей размещают припой медь марки M1.

Собранные для пайки детали размещали в рабочем объеме вакуумной камеры установки ВЧГ1-60.

Устанавливаем электрические параметры установки ВЧГ1-60, которые должны соответствовать следующим величинам:

- анодное напряжение kV-3;

- сила тока сетки, А-0,5;

- сила тока анода, А-1,8.

Отвакуумировать камеру до остаточного давления 4·10^-5 мм рт.ст. Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:

- нагрев до температуры 1200°С со скоростью 200°С/сек;

- выдержка при температуре 1200°С - 1,5 сек;

- охлаждение до температуры 5±10°С производят в вакууме.

Температуру в вакуумной камере измеряли платино-платинородневой термопарой с точностью ±10°С, подключенной к регулятору температур «Минитерм-400».

Пример 3. При пайке деталей, одна из которых выполнена из вольфрама (сплав марки ВНЖ), а другая из никелевого сплава 29НК по стыку деталей размещают припой медь марки M1.

Собранные для пайки детали размещали в рабочем объеме вакуумной камеры установки ВЧГ1-60.

Устанавливаем электрические параметры установки ВЧГ1-60, которые должны соответствовать следующим величинам:

- анодное напряжение kV-3;

- сила тока сетки, А-0,5;

- сила тока анода, А-1,8.

Отвакуумировать камеру до остаточного давления 4·10^-5 мм рт.ст. Пайку осуществляли по следующему температурному режиму:

- нагрев до температуры 1200°С со скоростью 200°С/сек;

- выдержка при температуре 1200°С - 1,5 сек;

- охлаждение до температуры 5±10°С производят в вакууме. Температуру в вакуумной камере измеряли платино-платинородневой термопарой с точностью ±10°С, подключенной к регулятору температур «Минитерм-400».

Испытание спаянных деталей данным способом проводили на циклическую прочность избыточным давлением газообразного аргона, равным 274 МПа (288 кгс/см). В течение 10 минут. Количество циклов равнялось двум. Разрушение спаянных деталей после испытаний на циклическую прочность на наблюдалось. Далее спаянный узел проверяли на герметичность методом обдува гелия прибором с чувствительностью не ниже 1-10^-8 Па/сек, течь в пределах чувствительности припоя не наблюдалось.

Данный способ может быть реализован на распространенном термической оборудовании и позволяет получать изделия с высокими физико-механическими характеристиками.

Изобретение может быть использовано для соединения разнородных металлов, в частности при пайке изделий, к которым предъявляются высокие требования по физико-механическим свойствам паяного соединения, работающего при воздействии повышенного давления, температур и ударных нагрузок. Припой на основе меди размещают между паяемыми деталями, осуществляют нагрев до температуры 1200°С со скоростью нагрева не менее 200°С/сек и выдержкой при этой температуре 1,5 сек и последующее охлаждение. Пайку проводят в вакууме не ниже 1·10^-3 мм рт.ст. Способ обеспечивает повышение работоспособности паяных соединений при сохранении высоких физико-механических свойств тугоплавкого металла.

Способ пайки тугоплавких металлов с коррозионно-стойкими, жаростойкими сталями или никелевыми сплавами, включающий размещение припоя на основе меди между паяемыми деталями, нагрев до расплавления припоя и охлаждение, отличающийся тем, что осуществляют нагрев до температуры 1200°С со скоростью нагрева не менее 200°С/с и выдержкой при этой температуре 1,5 с, при этом пайку осуществляют в вакууме не ниже 1·10^-3 мм рт.ст.