Способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния


 


Владельцы патента RU 2433026:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) (RU)

Изобретение относится к технологии соединения конструктивных элементов изделий, работающих в условиях высоких термомеханических нагрузок. Способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния включает осуществление диффузионной сварки при температуре 900±10°С, давлении 17±1 МПа в течение 1800±30 с. На свариваемые поверхности предварительно нанесен промежуточный материал. В качестве промежуточного материала используют механическую смесь с содержанием 0,1…0,3 вес. % Сu, 0,1…0,3 вес. % Со, остальное Ni. Прочность полученного соединения составляет σсд100±5 МПа. Техническим результатом является расширение технологических возможностей и повышение прочности соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния. 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии соединения конструктивных элементов из жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния, служащих для производства изделий, работающих в условиях высоких термомеханических нагрузок.

Известен способ диффузионной сварки элементов из спеченной неоксидной керамики (А.С. №2353486, МПК В23В 20/02). Способ соединения элементов из устойчивой к ползучести спеченной неоксидной керамики состоит в приведении этих элементов в контакт друг с другом, нагреве до температуры 1600°С и осуществлении диффузионной сварки в атмосфере защитного газа.

Известен способ соединения материалов на основе нитрида кремния (А.С. №1763425, МПК С04В 37/00). Сущность изобретения заключается в шлифовке соединяемых поверхностей, их сборке, предварительном нагреве в вакууме и последующей термообработке под давлением азота.

Данные способы позволяют соединять между собой однородные по составу конструктивные элементы.

Известен способ соединения кремниевой керамики SiC с металлом при помощи пайки. Кремниевая керамика, обладающая высокой теплопроводностью и высоким электросопротивлением, используется при производстве каналов МГД - генераторов, а в качестве металлического элемента применяется медь или композит на основе меди, армированной углеродным волокном, например Сu-25 с коэффициентом термического расширения (КТР), равным 9,5 10-6/°C, которые характеризуются высокой теплопроводностью, почти такой же, как и кремниевая керамика. Пайку осуществляют токами высокой частоты в среде Аr под нагрузкой 0,05 МПа припоем на основе эвтектического сплава Cu-Mn с температурой плавления 1143 К. Максимальная скорость нагрева 200°С/мин с одновременным охлаждением металлического элемента водой. В процессе пайки происходит образование продуктов реакции Мn23С6 и MnSi6, обеспечивающих получение качественного спая без разрушения керамики. Полученный спай обеспечивает прочность 15 МПа (Ceramik-metal bonding research in Japan Eagar T.W. "Weld J. 1987, 66, №11, с.36-37).

Известно, что соединения керамики с металлами, выполненные диффузионной сваркой, обладают некоторыми преимуществами по сравнению с соединениями, выполненными пайкой. Так, например, повышается рабочая температура металлокерамических узлов; соединения способны выдерживать многократные нагревы в вакууме без потери вакуумной плотности, более 15 термоударов в цикле 293…873…293 К; прочность соединений примерно в 1,5 раза выше прочности паяных соединений; узлы обладают более высокими изоляционными свойствами (Казаков Н.Ф., Абрамов В.В., Машкова Н.А. Исследование и разработка технологии диффузионной сварки магнитотвердых материалов с магнитомягкими с применением промежуточного слоя из порошка. - В кн.: Диффузионное соединение в вакууме металлов, сплавов и неметаллических материалов. 4.1. М.: ПНИЛДСВ, 1988, с 107-112).

За прототип принят способ соединения керамической или кварцевой трубки с металлической втулкой (А.С. №2024373, МПК В23K 20/00). При соединении материалов осуществляют нагрев конца втулки, на внутреннюю поверхность которой предварительно нанесен слой из пластичного металла, и запрессовку в него с натягом трубки. После запрессовки сплав втулки подвергают упрочнению термообработкой при температуре 1000+10 К в течение 6 ч.

Недостатком способа является необходимость дополнительной технологической операции - последующего упрочнения соединения термообработкой, что усложняет процесс, кроме того, этим способом невозможно осуществить соединение жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей и повышение прочности соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния.

Поставленная задача достигается тем, что осуществляют диффузионную сварку жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния с использованием промежуточного материала при температуре 900±10°С, давлении 17±1 МПа в течение 1800±30 с, а в качестве промежуточного материала используют механическую смесь никеля, меди и кобальта, в которой содержится 0,1…0,3 вес. % Сu, 0,1…0,3 вес. % Со, остальное Ni.

Изобретение поясняется микрофотографией, полученной методом металлографического анализа на микроскопе РЭММА-202.

На микрофотографии представлена структура переходной зоны соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния (увеличение ×1000).

Из микрофотографии видно, что при сварке происходит физический контакт, образована переходная зона, непровары отсутствуют, выделения интерметаллидных фаз не обнаружено. Это свидетельствует о диффузионном взаимодействии жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния.

В качестве примера рассмотрим изготовление турбины турбонасосного агрегата, предназначенного для приведения во вращение насосов, подающих к двигателю компоненты топлива. Турбина работает при температуре порядка 1000°С и повышенных механических нагрузках. Турбина состоит из вала, выполненного из жаропрочного сплава на кобальтовой основе (07Х16Н6Ш) и ротора, изготовленного из нитрида кремния. Детали с предварительно обработанными свариваемыми поверхностями устанавливали в специальное приспособление, на свариваемые поверхности наносили механическую смесь никеля, меди и кобальта с содержанием 0,1…0,3 вес. % Cu, 0,1…0,3 вес. % Co, остальное Ni (либо никелевую фольгу НП 2МН, в составе которой содержится 0,2 вес. % Cu, 0,2 вес. % Co), нагревали до Т=900±10°С, прикладывали давление Р=17±1МПа и выдерживали в течение времени τ=1800±30 с.

Никель как промежуточный пластичный материал в процессе диффузионной сварки увеличивает прочностные характеристики при высоких температурах, медь увеличивает диффузию через межатомную дислокацию, кобальт положительно влияет на прочностные характеристики соединения.

Прочность полученного соединения составляет σсд=100±5 МПа, что удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к турбине.

Способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния с использованием промежуточного материала, характеризующийся тем, что соединение осуществляют диффузионной сваркой при температуре 900±10°С и давлении 17±1 МПа в течение 1800±30 с, а в качестве промежуточного материала используют механическую смесь с содержанием 0,1…0,3 вес.% Сu, 0,1…0,3 вес.% Со, остальное Ni.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления многослойных металлических листов, в том числе с субмикро- и наноразмерной структурой.
Изобретение относится к области сварки давлением заготовок из титанового сплава через промежуточную прокладку из титанового сплава с размером зерен менее 1 мкм и может быть использовано в промышленности для изготовления разнообразных изделий, в том числе сложнопрофильных и/или крупногабаритных изделий из отдельных более мелких и/или простых по форме заготовок.

Изобретение относится к области диффузионной сварки, а именно к сварке труб из разнородных материалов, обладающих различной пластичностью при температуре сварки. .
Изобретение относится к диффузионной сварке встык коротких толстостенных труб из разнородных сталей. .

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано для наплавки деталей, испытывающих износ трением металла по металлу в условиях многократных теплосмен, например, валков горячей прокатки, опорных валов, деталей металлургического оборудования и др.
Изобретение относится к области изготовления слоистого композиционного материала посредством диффузионной сварки листовых заготовок

Изобретение относится к способам неразъемного соединения изделий из сплавов на основе никелида титана (TiNi, нитинол) и представляет собой диффузионную сварку с использованием жидкой фазы
Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении полупроводниковых микромеханических устройств, например, чувствительных элементов интегральных датчиков

Способ может быть использован при изготовлении термомеханических устройств, применяемых в медицине имплантируемых конструкций, хирургического инструмента и т.д. Проводят очистку поверхностей соединяемых изделий из сплавов на основе никелида титана от оксидов и приводят их в контакт. На первом этапе осуществления диффузионной сварки проводят нагрев в вакууме до 900-1100°C, прикладывают давление 35-100 МПа и осуществляют выдержку в течение 10-60 минут. На втором этапе снимают давление и проводят нагрев до 1120-1200°C с выдержкой 60-120 минут. Способ обеспечивает получение сварных соединений изделий из никелида титана, обладающих прочностью на уровне основного материала. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способу диффузионной сварке сплава на основе никелида титана с титаном или его сплавом. Изобретение может быть использовано в различных областях промышленности при получении термомеханических устройств, имплантируемых конструкций, например, применяемых в медицине и т.д. Осуществляют очистку поверхностей соединяемых изделий от оксидов. Устанавливают промежуточную прослойку из ниобия в виде фольги, листа или напыленного слоя с последующим нагревом в вакууме или защитной атмосфере. При этом сначала изделие из сплава на основе никелида титана соединяют только с прослойкой из ниобия, нагревают до температуры 1170-1190˚C и выдерживают в течение 1-15 минут. Затем изделие охлаждают и приводят в контакт со вторым изделием из титана или его сплавов стороной, содержащей слой ниобия. Затем нагревают до температуры 850-950˚C в защитной атмосфере или вакууме, прикладывают давление 1-15 МПа, выдерживают в течение 5-60 минут и охлаждают. Техническим результатом изобретения является сохранение физико-механических свойств и микроструктуры соединяемых сплавов на основе титана за счет снижения температуры диффузионной сварки. 1 табл.

Изобретение относится к способу получения неразъемного сварного соединения из ситалла с металлами методом диффузионной сварки. Способ включает сборку элементов и сварку при температуре ниже температуры плавления металла и приложении давления сжатия. Перед сборкой на металлический элемент наносят гальваническое покрытие из никеля, меди, серебра, золота или сплавов на их основе толщиной 3-9 мкм. Сборку элементов осуществляют при размещении между гальваническим покрытием и элементом из ситалла промежуточной прокладки толщиной 0,1-2 мм из алюминия или меди. Сварку полученной сборки осуществляют в четыре этапа при удельном давлении сжатия 1-2,5 кг/мм2, времени выдержки на каждом этапе 30-120 мин и скоростью нагрева, не превышающей 50°C/мин. На первом этапе сварку проводят при температуре 0,4-0,5Тпл, где Тпл - температура плавления металла, на втором этапе - при 0,6-0,68Тпл, на третьем - при температуре 0,68-0,76 Тпл, а на четвертом - при температуре 0,78-0,83Тпл. После сварки снимают давление сжатия и проводят охлаждение до комнатной температуры со скоростью, не превышающей 50°C/мин. Техническим результатом изобретения является сохранение физико-механических свойства свариваемых материалов, получение сварного соединения высокого качества с требуемыми прочностными характеристиками. 5 пр., 1 табл.

Изобретение относится к способу холодной сварки давлением деталей из высокопрочных материалов. Предварительно очищают контактные поверхности деталей и размещают пластичную прокладку между ними. При этом используют металлическую прокладку с механическими свойствами при максимальной пластической деформации, меньшими механических свойств материалов свариваемых деталей. Прокладку предварительно перфорируют и перфорации заполняют разбавленной азотной кислотой. Сварку проводят в три этапа. Вначале предварительно деформируют прокладку до полного смыкания перфораций с выжиманием из них остатков разбавленной азотной кислоты. Затем выдерживают под давлением на период химического взаимодействия упомянутой кислоты с окисными слоями соединяемых металлов. Окончательно деформируют до образования металлических связей на контактных поверхностях. Толщину прокладки берут такой, чтобы суммарная степень деформации ее была не менее 60% и не более 90%, степень деформации на первом этапе до смыкания отверстий перфорации была не более 20%, а на последнем этапе - не менее 50%. Изобретение позволяет повысить производительность и эффективность способа путем создания надежного металлического соединения деталей без предварительного их нагрева. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение может быть использовано при соединении керамоматричного композита с металлами. 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. 1 табл., 4 пр.
Наверх