Способ неразъемного соединения деталей



Способ неразъемного соединения деталей
Способ неразъемного соединения деталей
Способ неразъемного соединения деталей
Способ неразъемного соединения деталей
Способ неразъемного соединения деталей

 


Владельцы патента RU 2415822:

Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") (RU)

Изобретение относится к металлургической промышленности, к машиностроению, а именно к соединению выполненных из разнородных или однородных по материалу деталей, и может найти применение в производстве сборочных единиц изделия в космической, авиационной технике, в приборостроении, в транспорте, электронике и других областях. Техническим результатом изобретения является получение окислительностойкого высокопрочного неразъемного соединения деталей повышенной прочности и температурной стойкости. Способ неразъемного соединения деталей включает сборку и соединение деталей в защитной камере, нагрев и термическую диссоциацию рабочей смеси, осаждение образованного из нее частиц и формирование соединяющего слоя из образующего керамического осадка в области контакта деталей. В качестве рабочей смеси используют кремнийорганическое соединение - метилсилан, или полисилазаны, или метилсилазаны, а в качестве керамического осадка используют осажденный карбид кремния, или нитрид кремния, или карбонитрид кремния. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к металлургической промышленности, к машиностроению, а именно к соединению выполненных из разнородных или однородных по материалу деталей, и может найти применение в производстве сборочных единиц изделия в космической, авиационной технике, в приборостроении, в транспорте, электронике и других областях.

Известны многочисленные способы соединения металлов, неметаллов и металлов и неметаллов, например методом диффузионной сварки (см. Политехнический словарь, М., Советская энциклопедия, 1989). Известен двухстадийный способ неразъемного соединения сборочных единиц, выполненных из неметаллического высокотемпературного материала (графит, SiC, CFC или их соединений) с помощью промежуточного слоя, выполненного из металлической фольги (патент US №6907661 от 30.04.2002, US class 29/890, 29/428). Известен способ неразъемного соединения деталей, выполненных из карбида кремния, с помощью третьего соединяющего слоя, выполненного из кремния и хрома, рения, ванадия, палладия, кобальта и др. (патент US №7318547 от 13.03.2001, US class 228/247, 228/247). Недостатками указанных соединений является невысокая адгезия, а также невысокие значения стойкости к окислительной среде и к температуре эксплуатации для работы термонагруженных деталей.

Известен способ неразъемного соединения деталей из керамики и металла (патент RU №2127236 от 13.08.96, С04В 37/02), включающий применение клеевой композиции на основе алюмохромфосфатного связующего, в качестве наполнителей использовались кристаллические волокна, нитевидные кристаллы и порошки природных материалов (нитрида кремния, нитрида алюминия и др.). При этом предусматривается выполнение заклепочных отверстий и буклевок на металлической детали для придания соединению стойкости к осевому перемещению деталей, к проворачиванию и другим возможным видам его смещения. Недостатком изобретения является недостаточная жесткость соединения, вероятность образования отслоений, невысокие значения водостойкости, адгезии соединяющего слоя, стойкости к окислительной среде и к температуре эксплуатации для работы термонагруженных деталей.

Известен способ неразъемного соединения деталей (патент RU №2108992 от 14.09.95, С04В 37/02), включающий сборку деталей как из однородных, так и разнородных по материалу деталей (металла и керамики), размещение их в защитной камере, соединение деталей путем нагрева и напыления рабочей смеси с порошкообразным материалом, осаждения частиц из нее и образования покрытия в зоне контакта соединяемых деталей. Данный способ не пригоден для деталей с различными коэффициентами термического расширения для работы в теплонагруженных условиях. Недостатками данного способа также являются невысокая стойкость соединения к окислительной среде, характерная для металлов, недостаточная адгезионная стойкость слоя, невысокая температурная стойкость и прочность соединения.

Известен способ неразъемного соединения деталей из керамики и металла (патент JP №55789 от 17.10.88, С04В 37/02), в котором химическим осаждением наносят слой металла (или сплава) и слой припоя на поверхности соединяемых деталей, подвергают нагреву, соединяя элементы диффузионной сваркой посредством припоя, или распылением осаждают металлический титан (патент JP №547512 от 08.03.8, С04В 37/02) и обжигом соединяют с керамикой. Общим недостатком известных решений является технологическая сложность процесса.

Известен способ неразъемного соединения деталей (патент DE 19934760 от 23.07.1999, С04В 37/02), включающий связывание нитрида кремния Si3N4 слоем активного металлического кремния с углеродистой сталью. За счет реакции термической диссоциации нитрид кремния Si3N4 разлагается на кремний Si и газообразный азот N2. Активный слой кремния на нитриде кремния связывается непосредственно с углеродистой сталью. Недостатками данного способа являются невысокая стойкость к окислительной среде, характерная для металлов, а также высокая температура процесса для реакции термической диссоциации нитрида кремния, использование допускается только для соединения нитрида кремния и углеродистой стали.

Известен способ неразъемного соединения деталей, принятый за прототип (патент SU 1071610, от 17.04.81, С04В 37/02), включающий сборку и соединение деталей в защитной камере, нагрев и термическую диссоциацию рабочей смеси, осаждение и формирование соединяющего слоя из образованного из нее осадка. Недостатком данного изобретения является получение металлизированного соединения с невысокой стойкостью соединения к окислительной среде, характерной для металлов.

Задачей данного изобретения является получение окислительностойкого высокопрочного неразъемного соединения деталей повышенной прочности и температурной стойкости.

Технический результат - расширение спектра используемых материалов деталей, повышение надежности и ресурса работы изделия, простота процесса получения неразъемного соединения, а также возможность использования печей, уже имеющихся в народном хозяйстве.

Для решения поставленной задачи применяется способ неразъемного соединения деталей, включающий сборку и соединение деталей в защитной камере, нагрев и термическую диссоциацию рабочей смеси, осаждение и формирование соединяющего слоя в области контакта деталей из образованного осадка, при этом качестве рабочей смеси используют кремнийорганическое соединение, которое диффузионно проникает в область контакта деталей, при этом формирование соединяющего слоя происходит из образующего керамического осадка.

При этом используются детали по материалу разнородные, однородные, пористые или нет.

В качестве кремнийорганического соединения используют метилсилан, или полисилазаны, или метилсилазаны.

В качестве керамического осадка используют осажденный карбид кремния, или нитрид кремния, или карбонитрид кремния.

Способ осуществляется следующим образом. Для получения неразъемного соединения деталей их помещают в сборе в печь, вводят реагент в виде кремнийорганического соединения, образующего керамический осадок, нагревают до рабочей температуры процесса. При этом молекулы газообразного реагента в результате реакции термической диссоциации осаждаются на твердой (пористой) поверхности деталей, дополнительно доуплотняя их, проникают в область контакта соединяемых деталей, где происходит формирование узла стыка соединения. За счет высокой адгезии (сцепления) образующего высокопрочного керамического осадка к поверхностям деталей постепенно зазор заполняется и формируется соединяющий слой (см. фиг.1). Образуется плотное прочное соединение. В особых случаях для упрочнения узла стыка соединяемых деталей, где в силу высоких нагрузок высока вероятность смещения, и для испытывающих большие осевые нагрузки при воздействии большого усилия, и для обеспечения герметичного стыка процесс осаждения продолжают после сформировавшегося соединяющего слоя. При этом на изделии в месте стыка осаждается образующийся керамический осадок, толщина которого превышает размер зазора (см. фиг.2). Наросший слой выступает в роли буртиков, которые дополнительно оказывают стопорящее действие против осевого смещения кольца. В особых случаях для упрочнения узла стыка соединяемых деталей с разными коэффициентами температурного расширения (КТР) и ослабления напряжения дополнительно используют прокладку из пористого материала, промежуточную по значению КТР с используемыми материалами деталей, расположенную в области контакта соединяемых деталей.

Примеры конкретного применения

Пример 1.

Для организации металлокомпозиционного перехода используется закладное кольцо из прецизионного сплава титан-ниобий ТВ-36 с низким постоянным значением коэффициента термического расширения, которое по посадке с зазором одевают на цилиндрический образец из углерод-керамического материала (см. фиг.1). Для формирования узла стыка две разнородные единицы в сборе помещают в печь, проводят процесс термической диссоциации и осаждения карбида кремния из метилсилана при температуре 550°С в течение 200 часов. Происходит синтез наноструктурированного карбида кремния, основанный на химическом газофазном осаждении из метилсилана. За счет адгезии (сцепления) карбида кремния к внутренней стенке кольца из металлического сплава и стенке цилиндра в зазоре между кольцом и цилиндрическим образцом формируется прочное соединение кольца с цилиндром.

Пример 2.

Процесс соединения проводят по примеру 1. Далее процесс продолжают еще 50 часов после момента зарастания зазора при температуре 800°С (фиг.2). При этом на цилиндре вырастает слой карбида кремния, толщина которого превышает размер зазора. Причем наросший слой выступает в роли буртиков, которые дополнительно оказывают стопорящее действие против осевого смещения кольца.

Пример 3.

Два кольца с одинаковыми наружным (50 мм) и внутренним (40 мм) диаметрами совмещаются соосно и приводят в соприкосновение торцами (см. фиг.3). Одно кольцо выполнено из УУКМ, другое кольцо - из спеченного карбида кремния. Допускается прижимание колец друг к другу вдоль оси. Сборку помещают в печь, где проводится процесс пиролиза метилсилана при температуре 600°С, в результате которого осаждается карбид кремния с проникновением в зазоры между кольцами, за счет чего обеспечивается плотное прочное соединение между кольцами.

Пример 4.

Два кольца с одинаковыми наружным (50 мм) и внутренним (40 мм) диаметрами совмещаются соосно и приводят в соприкосновение торцами. Одно кольцо - молибден, другое кольцо - оксид алюминия, предварительно проложив между кольцами для ослабления напряжения с разными КТР кольцевую прокладку из силицированного графита толщиной около 1 мм, с наружным диаметрам и диаметром отверстия такими же, как и у соединяемых колец. Сборку помещают в печь, где проводят процесс термической диссоциации метилсилана при температуре 580°С на 180 ч, в результате которого осаждается карбид кремния с проникновением в сам слой прокладки и зазоры между кольцами и прокладкой, за счет чего обеспечивается высокопрочное соединение между кольцами.

Пример 5.

Кольцо из металлического сплава титан-ниобий по посадке с зазором одеваются на цилиндрический образец из оксида циркония. В боковой поверхности кольца имеются сквозные отверстия (фиг.4). Для формирования узла стыка двух разнородных материалов образцы в сборе помещают в печь и проводят процесс осаждения карбонитрида кремния из смеси тетраметилдисилазана при температуре 750°С в течение 100 часов. Осаждение карбонитрида происходит на всех поверхностях сборки, в том числе проникая в отверстия, осаждается на наружной поверхности неметаллической заготовки в глубине этих отверстий (слой карбонитрида на стенках отверстия и неметаллической заготовки на дне отверстий обозначен стрелкой). Слой на дне отверстий предотвращает как осевой сдвиг кольца относительно неметаллического образца, так и проворачивание.

Пример 6.

Цилиндрический образец из металла, имеющий на конце уширение цилиндрической формы, по посадке с зазором вставляется в несквозное отверстие, выполненное в образце из керамики. Диаметр отверстия равен диаметру уширения на металлическом образце. Металлический образец вставляется в керамический на глубину, превышающую длину уширения, как показано на фиг.5. Для формирования узла стыка двух разнородных материалов образцы в сборе помещают в печь и проводят процесс осаждения карбонитрид кремния из гексометилдисилазан при температуре 650°С, в течение 100 часов. Осаждение карбонитрида кремния происходит на всех поверхностях сборки, в том числе в зазоре между боковой поверхностью отверстия неметаллического образца и боковой поверхностью металлического образца, где формируется цилиндрический слой. Слой карбонитрида кремния в зазоре за счет высокой адгезии карбонитрида кремния к неметаллической детали служит упором против осевого смещения металлического образца.

Получен способ высокопрочного и высококачественного неразъемного соединения деталей, работающего при высоких температурах, и стойкого к окислительной среде, стойкого к осевому перемещению деталей, проворачиванию и другим возможным видам его смещения, прочность при высоких температурах соединения от 5 до 250 МПа и более. За счет осаждения керамического осадка на всей поверхности деталей соединения повышаются их физико-механические характеристики, расширяется спектр используемых материалов деталей: первоначальное требование к используемым материалам - термостойкость к рабочей температуре процесса 550-800°С. Таким образом, могут применяться детали, изготовленные из углерода, графитовых материалов, углерод-керамических композитов, углерод-металлических композитов, карбида кремния, нетугоплавких металлов и низкотемпературной керамики и др.

Простота процесса получения неразъемного соединения и его универсальность способствуют широкому применению данного способа в самых разных отраслях промышленности.

1. Способ неразъемного соединения деталей, включающий сборку и соединение деталей в защитной камере, нагрев и термическую диссоциацию рабочей смеси, осаждение образованного из нее частиц и формирование соединяющего слоя в области контакта деталей, отличающийся тем, что в качестве рабочей смеси используют кремнийорганическое соединение, которое диффузионно проникает в область контакта деталей, при этом формирование соединяющего слоя происходит из образующего керамического осадка.

2. Способ неразъемного соединения деталей по п.1, отличающийся тем, что используются детали по материалу разнородные, однородные, пористые или нет.

3. Способ неразъемного соединения деталей по п.1, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического соединения используют метилсилан, или полисилазаны, или метилсилазаны.

4. Способ неразъемного соединения деталей по п.1, отличающийся тем, что в качестве керамического осадка используют осажденный карбид кремния, или нитрид кремния, или карбонитрид кремния.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения металлостеклянных и металлокерамических соединений и соединений металл-металл, используемых в твердооксидных топливных элементах.

Изобретение относится к производству металлокерамических материалов, в частности к штифтам (пинам) для фиксации изделий при обжиге. .
Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к изготовлению многоштырьковых вакуумно-плотных металлокерамических ножек для электровакуумных приборов различного назначения.

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему износостойкий материал с высокоабразивными частицами и пластичный металл. .

Изобретение относится к области изготовления узлов и деталей электрических реактивных двигателей малой тяги и технологических источников плазмы и может найти применение в металлургии, энергетике, приборостроении.

Изобретение относится к технологии соединения как однородных так и разнородных по материалу деталей, и может, в частности, использоваться для соединения металлических и керамических деталей.
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к технологии соединения металлических пластин с керамикой с целью получения слоистых изделий, работоспособных в условиях высоких температур, больших механических нагрузок, вибраций и агрессивных сред.

Изобретение относится к металлокерамическим изделиям и может быть использовано при изготовлении герметичных, вакуум-плотных и термостойких металлокерамических узлов (МКУ) для химических источников тока, узлов и приборов в электронной, радиотехнической, электротехнической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области соединения пайкой металлической детали на основе титана и детали из керамического материала на основе карбида кремния (SiC) и/или углерода

Изобретение относится к сборке металлической детали и детали, выполненной из керамического материала на основе карбида кремния и/или углерода, и может быть использовано в области авиации: в соплах, камерах сгорания и оборудовании дожигания турбомашин

Изобретение относится к области соединения пайкой двух материалов, имеющих различные термомеханические свойства, и может быть использовано для соединения деталей газотурбинного двигателя
Изобретение относится к керамическим материалам и их соединениям с металлическими изделиями при изготовлении отдельных узлов электровакуумной аппаратуры, использующейся в радио- и электронной технике

Изобретение относится к нанесению металлических покрытий на керамические изделия и может применяться в электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности
Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и приборостроению и может быть использовано для изготовления всех видов мощной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры, в том числе для мощных герметичных вторичных источников питания и других электронных и электрических систем. Предлагается способ низкотемпературного создания металлокерамических герметичных электрических гермовводов любой конфигурации для приборов и блоков РЭА путем создания соединений и швов из монолитной структуры между токовводами и деталями из алюмооксидной керамики с отверстиями любых конфигураций. По периметру стыков и конструкционных зазоров токовводов и керамических деталей осуществляют направленное газодинамическое напыление порошка алюминия струей воздуха, нагретой до 200-400°C, под давлением 2-4 атмосферы. Способ обеспечивает прочное и герметичное соединение между деталями гермоввода с высокой электрической и механической прочностью. 1 ил.

Изобретение может быть использовано для соединения реактивной пайкой металлических элементов, а именно первого элемента в виде концевой крышки (5, 6) вакуумного патрона со вторым элементом в виде цилиндрического корпуса (4) с использованием присадочного сплава. Первый металлический элемент содержит никель и серебро. Второй элемент содержит ионно-ковалентный оксид по меньшей мере на своей поверхности. Присадочный сплав образует жидкий припой (1), содержащий титан и серебро, который обеспечивает смачивание подлежащих соединению поверхностей. Состав припоя выбирают с учетом содержания никеля в первом элементе из условия получения стабильного реакционного слоя заданной толщины на границе второго элемента и сведения к минимуму образования интерметаллических соединений в паяном соединении. Обеспечение хорошей смачиваемости припоем поверхности второго элемента и отсутствие интерметаллических соединений дает возможность получить паяное соединение высокой прочности. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к батарее твердооксидных электролитических элементов (SOEC), изготовляемой способом, который включает следующие стадии: (a) формирование первого блока батареи элементов путем чередования по меньшей мере одной соединительной пластины и по меньшей мере одного узла элемента, причем каждый узел элемента содержит первый электрод, второй электрод и электролит, расположенный между этими электродами, а также обеспечение стеклянного уплотнителя между соединительной пластиной и каждым узлом элемента, причем стеклянный уплотнитель имеет следующий состав: от 50 до 70 мас.% SiO2, от 0 до 20 мас.% Аl2О3, от 10 до 50 мас.% СаО, от 0 до 10 мас.% МgО, от 0 до 2 мас.% (Na2O+K2O), от 0 до 10 мас.% В2O3 и от 0 до 5 мас.% функциональных элементов, выбранных из TiO2, ZrO2, F2, P2O5, МоО3, Fе2O3, MnO2, La-Sr-Mn-O перовскита (LSM) и их комбинаций; (b) превращение указанного первого блока батареи элементов во второй блок со стеклянным уплотнителем толщиной от 5 до 100 мкм путем нагревания указанного первого блока до температуры 500°C или выше и воздействия на батарею элементов давлением нагрузки от 2 до 20 кг/см2; (c) превращение указанного второго блока в конечный блок батареи твердооксидных электролитических элементов путем охлаждения второго блока батареи, полученного на стадии (b), до температуры ниже, чем на стадии (b), при этом стеклянный уплотнитель на стадии (a) представляет собой лист стекловолокон. Также изобретение относится к применению Е-стекла в качестве стеклянного уплотнителя в батареях твердооксидных электролитических элементов. Предлагаемые батареи демонстрируют малую степень ухудшения свойств в процессе эксплуатации. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение предлагает способ изготовления имеющей фланец металлической детали и может быть использовано для паяного соединения её с керамической деталью, у которой коэффициент термического расширения (КТР) гораздо ниже КТР металлического изделия. Этот способ включает (а) нанесение первого твердого припоя на первую часть металлического изделия, (б) обмотку первой части металлического изделия отрезком ограничивающего металлического элемента в виде проволоки и (в) нагрев узла из металлического изделия, ограничивающего металлического элемента и первого твердого припоя до температуры, превышающей температуру солидуса первого твердого припоя, как правило, до температуры в диапазоне 300-2500°С, для получения имеющей фланец металлической детали, причем КТР металлического изделия (КТР1) больше КТР ограничивающего металлического элемента (КТР2) на 10-300%. Технический результат изобретения - минимизировать негативное влияние разницы в КТР соединяемых металлической и керамической деталей. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 пр., 1 табл.
Наверх