Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью Российский патент 2024 года по МПК B23K20/16 B23K20/227 B23K20/233 B23K20/24 B23K103/18 

Изобретение относится к области получения вакуум-плотного термостойкого соединения керамика - металл и может быть использовано для прочного соединения сложных элементов оборудования, элементы которых выполнены из разных материалов, например, из корундовой керамики и немагнитной стали, например, в конструкции роторной управляемой системы.

Известен способ диффузионной сварки заготовок из керамики из патента РФ №2752820, опубл. 06.08.2021 [1].

Выполняют глухие отверстия на свариваемой поверхности, по крайней мере, одной из свариваемых керамических заготовок. Размещают в зоне их контакта промежуточную прокладку из металла более пластичного, чем материал свариваемых заготовок. Предварительно осуществляют перфорацию промежуточной прокладки лазерным лучом с получением сквозных микроотверстий с заданным расстоянием между ними. Проводят сварку заготовок в вакууме. Глухие отверстия на свариваемой поверхности керамических заготовок получают путем плавления и перемещения и/или испарения материала под действием лазерного луча импульсного высокопроизводительного лазера в каждом его положении на контактной керамической поверхности. Технический результат заключается в повышении прочности сварного соединения при снижении времени, давления и температуры процесса диффузионной сварки.

Недостатком известного изобретения является необходимость выполнения дополнительных отверстий в склеиваемых деталях, способных оказать негативное влияние на прочность деталей и увеличивающих трудоемкость получения соединения.

Известен способ диффузионной сварки керамоматричного композита с металлами из патента РФ №2593066, опубл. 27.07.2016 [2], принятый за прототип.

На элемент из керамоматричного композита наносят активирующий промежуточный слой и проводят сборку элементов с размещением между ними прослойки. В качестве активирующего слоя используют никель, серебро, золото или медь и наносят его в виде гальванического покрытия толщиной 3-9 мкм на элемент из керамоматричного композита. При сборке элементов размещают промежуточную прокладку толщиной 0,05-0,1 мм, выполненную из никелевой фольги или пористой ленты из ультрадисперсного порошка металла, выбранного из группы: никель, медь, серебро, золото. Сварку полученной сборки проводят при температуре 1050-1100 °C, удельном давлении сжатия не более 2,5 кг/мм², времени выдержки не менее 60 мин, при этом скорость нагрева равна скорости охлаждения и не превышает 50 °C/мин. Способ обеспечивает получение сварного соединения высокого качества с требуемыми прочностными характеристиками. Пластическая деформация металлической детали составляет менее 5%, ее микроструктура не изменяется, пластическая деформация детали из керамоматричного композита отсутствует.

Недостатком известного изобретения является необходимость применения установки диффузионной сварки и высокая длительность изотермической выдержки, сопряженные с прогревом свариваемых деталей по всему объему до температур 1050-1100 °C, что способно оказать негативное влияние на прочностные характеристики металлических изделий в связи с рекристаллизационым ростом зерен.

Технической задачей изобретения является разработка способа диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью.

Техническим результатом является получение прочного вакуум-плотного термостойкого соединения, обеспечивающей герметичность, и стойкость к эксплуатации при температурах от минус 20 до плюс 200 °С, а также обеспечение необходимой прочности сварочному соединению.

Указанный технический результат достигается тем, что способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью включает сборку элементов, выполненных из указанных материалов с размещением между ними промежуточной прокладки из алюминиевой фольги с последующим проведением процесса сварки сборки, при этом в качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу, а процесс сварки сборки осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона порядка 10^-2 – 10^-3 Па с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта температуру 1020-1050°С, причем длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно.

При этом свариваемые поверхности элементы обрабатывают до шероховатости Ra 1,6, а затем подвергают чистке ультразвуком в среде этанола.

Используют алюминиевую фольгу марки АД31 толщиной 0,05-0,08 мм, которую перед сваркой подвергают чистке в ультразвуке в среде ацетона и электрохимическому травлению в течение 10 секунд в водном растворе, содержащем 10% фтороводородной кислоты, 1% азотной и 45% серной при напряжении 25 В и токе 1,5 А.

Раскрытие сущности изобретения.

В настоящее время очень актуальна разработка получения прочного вакуум-плотного термостойкого соединения керамика – металл, которое может быть использовано для прочного герметичного соединения сложных элементов оборудования, например, в конструкции роторной управляемой системы, например, в конструкции роторной управляемой системы, когда предусмотрено применение защитных элементов из немагнитного сплава с керамическими окнами-вставками из высокоплотного керамического материала на основе корунда. Указанные защитные элементы обеспечивают защиту составных частей системы каротажа в процессе бурения и обеспечивают высокую надежность и эффективность работы источника и детектора ионизирующего излучения при гамма-каротаже. Использование керамической вставки из корундовой керамики обеспечивает более высокую проницаемость для ионизирующего излучения по сравнению с твердыми сплавами и позволяет сохранить толщину и, следовательно, надежность элемента, применяемого для защиты системы гамма-каротажа. Высокая твердость и стойкость к износу корундовой керамики снижают скорость износа элемента в сравнении с металлическими защитными элементами. Исходя из изложенного, авторы данного изобретения решают проблему получения прочного вакуум-плотного термостойкого соединения корундовой керамики с немагнитной сталью с помощью диффузионной сварки.

Процесс диффузионной сварки включает сборку элементов, выполненных из указанных материалов с размещением между ними промежуточной прокладки в виде алюминиевой фольги. В качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу, предварительно подвергнутую чистке в ультразвуке в среде ацетона и электрохимическому травлению.

Сварку осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона с помощью сфокусированного электронного пучка при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта рабочую температуру сварки с заданной по времени выдержкой. Скорость нагрева элементов должна быть равной скорости охлаждения. Выбранные сварочные режимы и алюминиевая прокладка позволяют активировать диффузионную подвижность атомов материалов и тем самым обеспечить достаточно высокие механические свойства сварочного соединения.

Изобретение осуществляют следующим образом.

Процесс получения прочного вакуум-плотного соединения корундовая керамика –немагнитная сталь заключается в следующем.

Керамический элемент, выполненный из корундовой керамики с добавлением оксидов кремния, магния и кальция. Относительная плотность керамического элемента составляет 98,7%. Металлический элемент, геометрия которого отвечает геометрии керамической детали. Шероховатость свариваемых поверхностей доводят до Ra 1,6 с помощью паст полировальных алмазных, а затем подвергают чистке ультразвуком в среде этанола. Между металлическим и керамическим элементами, укладывается алюминиевая фольга марки АД31 толщиной 0,05-0,08 мм, предварительно подвергнутая чистке в ультразвуке в среде ацетона и электрохимическому травлению для удаления окислов.

Процесс сварки сборки осуществляют с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм в герметичной камере при остаточном давлении газа порядка 10^-2–10^-3 Па. Нагрев свариваемого соединения проводят путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей температуру в пятне контакта 1020–1050 °С. Длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно.

Скорость нагрева элементов при диффузионной сварке не должна превышать 68-70 °C/мин, время выдержки при максимальной рабочей температуре 20 мин. Затем охлаждают до комнатной температуры, при этом скорость охлаждения должна быть равной скорости нагрева.

Выбор температуры обусловлен тем, что при нагревании ниже 1020 °C не достигается диффузионная подвижность атомов и не обеспечивается высокая прочность сварного шва, а при нагревании выше 1050 °C возрастает риск пластической деформации металла вследствие локального перегрева. Выдержка 20 мин обеспечивает полное прохождение процессов: смачивания керамики, локализованной термоактивированной диффузии и формирования интерметаллидных соединений.

Полученные таким способом соединения обеспечивают герметичность при прочности на разрыв 25–30 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.

Измерения механических свойств сварочного соединения при температуре 20 °C, проводились по стандартным методикам испытания в соответствии с ГОСТ 1497-84.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1

Берут керамический элемент, выполненный из корундовой керамики с добавлением оксидов кремния, магния и кальция в соотношении: 95:3,5:1,3:0,2 в форме диска с буртом и фаской. Относительная плотность керамического элемента составляет 98,7%. Металлический элемент выполнен из стали марки 08Х18Н6АГ10С в форме пластины со сквозным отверстием и фаской, геометрия которого отвечает геометрии керамического элемента. Зазор между металлическим элементом и керамическим, помещенным в отверстие, составляет не более 0,1 мм.

Свариваемые поверхности керамического и металлического элементов подвергали механической обработке до достижения шероховатости Ra 1,6 с помощью паст полировальных алмазных, а затем подвергали чистке ультразвуком в среде этанола (ГОСТ Р 51723-2001).

Алюминиевую фольгу подвергали чистке в ультразвуке в среде ацетона (ГОСТ 2768-84) и электрохимическому травлению в течение 10 секунд, для удаления окислов. Травление осуществлялось в водном растворе, содержащем 10% фтороводородной кислоты, 1% азотной и 45% серной при напряжении 25 В и токе 1,5 А.

В зазор между металлическим и керамическим элементами укладывалась алюминиевая фольга толщиной 0,08 мм, геометрия которой также повторяла геометрию соединяемых элементов.

Сварку элементов осуществляли с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона, сорт первый (ГОСТ 10157-2016) порядка 10^-2–10^-3 Па. Нагрев свариваемого соединения осуществляли путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей температуру в пятне контакта 1020 °С. Длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляло 15, 20 и 15 минут соответственно.

Полученное вакуум-плотное сварочное соединение обеспечивает герметичность при прочности на разрыв 25 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.

Пример 2

Выполнялся аналогично примеру 1.

Отличием являлось то, что металлический элемент был выполнен из стали марки Magnadur 501, а нагрев сварочного соединения осуществляли до рабочей температуры 1050 °С.

В зазор между элементами укладывалась алюминиевая фольга толщиной 0,06 мм.

Полученное вакуум-плотное сварочное соединение обеспечивает герметичность при прочности на разрыв 30 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.

Пример 3

Выполнялся аналогично примеру 1.

Отличием являлось то, что металлический элемент был выполнен из стали марки Hardox 400, а нагрев сварочного соединения осуществляли до рабочей температуры 1040 °С.

В зазор между металлическим и керамическим элементами укладывалась алюминиевая фольга толщиной 0,05 мм.

Полученное вакуум-плотное сварочное соединение обеспечивает герметичность при прочности на разрыв 28 МПа, а также температуру эксплуатации от минус 20 до плюс 200 °С.

В результате использования предлагаемого способа расширяется диапазон применения сварных соединений из корундовой керамики с аустенитной коррозионностойкой немагнитной сталью и повышается их ресурс работы.

Изобретение относится к области получения вакуум-плотного термостойкого соединения керамика-металл и может быть использовано для герметичного соединения сложных элементов оборудования, элементы которых выполнены из разнородных материалов, в частности из корундовой керамики и немагнитной стали, например, в конструкции роторной управляемой системы. Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью включает сборку элементов, выполненных из указанных материалов с размещением между ними промежуточной прокладки из алюминиевой фольги с последующим проведением процесса сварки сборки. В качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу. Процесс сварки сборки осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона 10^-2 – 10^-3 Па с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта температуру 1020-1050 °С. Длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно. Свариваемые поверхности элементов обрабатывают до шероховатости Ra 1,6, а затем подвергают чистке в среде этанола. Обеспечивается получение вакуум-плотного термостойкого соединения, обеспечивающего герметичность и стойкость к эксплуатации при температурах от минус 20 до 200 градусов, а также обеспечение необходимой прочности сварочному соединению. 2 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ диффузионной сварки корундовой керамики с немагнитной сталью, включающий сборку элементов, выполненных из указанных материалов, с размещением между ними промежуточной прокладки с последующим проведением процесса сварки полученной сборки, отличающийся тем, что в качестве промежуточной прокладки используют алюминиевую фольгу, а процесс сварки сборки осуществляют в герметичной камере при остаточном давлении газа аргона 10^-2-10^-3 Па с помощью сфокусированного электронного пучка с разрешением пятна 2-3 мм при нагреве свариваемого соединения путем цикличного сканирования пятном электронного луча с постепенным увеличением мощности источника до рабочей, обеспечивающей в пятне контакта температуру 1020-1050 °С, причем длительность нагрева, продолжительность максимального тепловложения и постепенного снижения мощности пучка составляет 15, 20 и 15 минут соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что свариваемые поверхности элементов обрабатывают до шероховатости Ra 1,6, а затем подвергают чистке в среде этанола.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют алюминиевую фольгу марки АД31 толщиной 0,05-0,08 мм.