Способ соединения корундовой керамики с металлом

 

Использование: при получении спаев повышенной радиационной стойкости. Сущность изобретения: способ заключается в создании специального температурного режима нагрева спаиваемого соединения, состоящего в том, что нагрев соединения от температуры, близкой к температуре стеклования стеклофазы, входящей в состав керамики, производится со скоростью 60 - 140°С/с и заканчивается при температуре спая, близкой к температуре плавления металлической арматуры. Указанный режим приводит к появлению на поверхности керамики градиента температуры и принудительному выдавливанию части стеклофазы из внутренних слоев керамики на контактную поверхность, что способствует получению более прочного и радиационно стойкого соединения керамики с металлом.

Изобретение относится к способам соединения корундовых (высокоглиноземистых) керамик с металлом и может быть использовано при получении спаев повышенной радиационной стойкости.

Известны простые способы соединения корундовых керамик с металлической арматурой при помощи пайки с использованием, например, стеклоприпоев.

Недостатком способа являются сам факт применения стеклоприпоев и низкая радиационная стойкость соединений, вызванная появлением в припое под действием облучения изотопов инертных газов, которые приводят к нарушению герметичности соединения. Способы, основанные на применении твердых припоев, также не свободны от недостатков из-за вжигания паст в поверхность керамического материала. Один из путей устранения указанных недостатков является попытка организовать на поверхности контакта металла с керамикой промежуточный слой, улучшающий смачиваемость керамики. Так, например, предлагается использовать в качестве припоя фольгу с оксидным слоем, однако к существенному увеличению радиационной стойкости соединения это не приводит.

Известен способ соединения керамических изделий, состоящий в том, что обожженные керамические изделия нагревают до температуры выше 1700^оС. При этом присутствующие в керамике примеси в количестве 1-10% служат плавкой и обеспечивают автогенное спаивание двух изделий. Таким образом, вместо того, чтобы использовать между металлизированными изделиями стеклянный порошок или припой, изделие нагревают до температуры выше 1700^оС. Однако указанный способ касается соединения керамических изделий, причем каждое из них должно иметь по крайней мере одну плоскую поверхность. Попытка организовать на поверхности контакта металла с керамикой промежуточный слой, улучшающий смачиваемость керамики, или дополнительно ввести такой слой в конструкцию соединения часто приводит к тому, что нагрев спаиваемых изделий проводится уже с регламентируемой скоростью.

Известен способ соединения корундовой керамики с металлом, включающий регламентированный по скорости высокотемпературный нагрев. Спаиваемое соединение (сборку), содержащее припойную прокладку на медной основе с двухсторонним никелевым покрытием (активный металл), при нагреве подвергают вначале изотермической выдержке при 900-930^оС, а затем нагревают со скоростью 5-15^оС/мин до 950-970^оС и проводят последующее охлаждение со скоростью 5-10^оС/мин до 850-800^оС.

Недостаток изобретения относительно низкая радиационная стойкость паяного соединения, достигающая (как показали эксперименты) от 10Е19 до 10Е20 н/см².

Цель изобретения повышение эксплуатационных характеристик спаев керамики с металлом, в частности повышение радиационной стойкости соединения с сохранением герметичности и механической прочности.

В предлагаемом способе соединение корундовой керамики с металлом, включающем регламентированный по скорости высокотемпературный нагрев спаиваемого соединения, содержащего припойную прокладку на медной основе и контактирующий с керамикой слой активного металла, спаиваемое соединение нагревают равномерно по объему керамики до температуры, близкой к температуре стеклования стеклофазы, входящей в состав керамики. После этого скорость нагрева увеличивают до 100 ± 40^оС/с и завершают нагрев при температуре спая, предельно близкой к температуре плавления металлической арматуры.

Описание реализации способа и происходящих процессов приводится на примере спая керамического трубчатого изолятора из керамики типа микролит с металлической арматурой из нержавеющей стали.

Предварительный нагрев спаиваемого соединения производится без особой регламентации скорости подъема температуры с целью размягчения и последующего расплавления стеклофазы, входящей в состав керамики. Поэтому конечная температура первой ступени нагрева определяется как температура, близкая к температуре стеклования стеклофазы (850 ± 50^ос). Нижний предел температуры определяется собственно температурой плавления стеклофазы, верхний тем, чтобы оставшийся температурный интервал не был узким и позволил осуществить вторую ступень нагрева. Требование обеспечения примерно равномерного по объему керамики нагрева преследует цель устранить излишние температурные напряжения в керамике, которые могли бы возникнуть в ней при больших градиентах температуры. По завершении первой стадии нагрева скорость подъема температуры значительно увеличивается и составляет 100 ± 40^оС/с. Практически нагрев производился с помощью коаксиальной электронно-лучевой пушки увеличением тока и энергии электронного пучка. Интенсивный поверхностный теплоподвод со стороны спая приводит как к повышению температуры спаиваемой поверхностей, так и к образованию в керамике градиента температуры, убывающего от поверхности вглубь материала. При этом происходит принудительное выдавливание стеклофазы из глубинных слоев керамики на ее поверхность и обогащение контактной поверхности стеклофазой, создающей благоприятные условия для получения паяного соединения. Подвод тепла на этой ступени нагрева производится со скоростью, обеспечивающей градиент температуры, предельно допустимый по условиям прочности керамики. В зависимости от конкретных теплофизических и механических характеристик керамики, от геометрических размеров керамического изделия скорость подъема температуры может находиться в указанных выше пределах. Верхний предел ограничен не только возможным появлением трещин в керамике, но и сокращением длительности нагрева, поскольку верхний предел температуры ограничен температурой плавления арматуры, в результате чего стеклофаза не успевает мигрировать на поверхность спая в достаточном количестве. Нижний предел скорости нагрева также ограничен величиной, при которой градиент температуры недостаточен для эффективной мигpации стеклофазы (величина его установлена эмпирически).

В качестве примера приведем технологические режимы изготовления и результаты испытания спаев проходных (трубчатых) керамических изоляторов диаметром 5,6 мм из корундовой (высокоглиноземистой) керамики ЦМ-332 (микролит) с металлической арматурой из стали 11Х8Н10Т. Посадочная поверхность выполнена на конус. Толщина спаиваемой с керамикой металлической обечайки арматуры 0,8 мм. Осевое усилие поджатия около 1 кг. Коническая поверхность керамики после обезжиривания защищалась слоем титана (активный металл), нанесенным методом втирания титановым карандашом, поверх которого гальванически был нанесен слой меди (твердый припой). На ряде образцов в качестве активного металла использовались также никель и вольфрам, а в качестве твердого припоя никель. Сборка нагревалась до 800^оС в течение 3 мин, после чего темп нагрева увеличивался до 100^оС/с и поддерживался таковым до достижения температуры на поверхности сборки, равной 1250^оС. Далее следовала процедура выдержки и охлаждения.

Реакторные испытания образцов спаев, изготовленных по данной технологии, продемонстрировали сохранение вакуумной плотности и прочности соединения керамики с арматурой вплоть до флюенса 5,1 ˙ 10Е20 н/см², при котором практически прерывалось дальнейшее испытания из-за его длительности и возрастающей стоимости. Испытание спаев, изготовленных с температурными режимами, отличными от предлагаемых, показало как существенно более низкие характеристики (по радиационной стойкости, механической прочности соединения) и более высокий процент брака. Электронно-микроскопические исследования сечения спаев и структуры прилегающей зоны керамики, а также ее поверхности после нагрева по предлагаемому способу подтвердили гипотезу и результаты расчетов о миграции стеклофазы к поверхности спая.

Формула изобретения

СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ КОРУНДОВОЙ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ, включающий регламентированный по скорости высокотемпературный электронно-лучевой нагрев спаиваемого соединения, содержащего припойную прокладку на медной основе, и контактирующий с керамикой слой активного металла, отличающийся тем, что спаиваемое соединение нагревают равномерно по объему керамики выше температуры плавления стеклофазы, входящей в состав керамики, после чего скорость нагрева увеличивают до 60 140 град/с и завершают нагрев при температуре спая, предельно близкой к температуре плавления металлической арматуры.