Способ герметичного соединения стеклокерамики с металлической деталью

Изобретение относится к созданию герметичного соединения изделия из стекла с металлом. Технический результат изобретения заключается в повышении точности и надежности соединения металлических анодов с ситалловым блоком электродов при изготовлении кольцевого лазерного гироскопа. Способ включает установку металлической детали на стеклокерамическом блоке, создание валика между соединяемыми поверхностями путем напыления нагретого металлического порошка под углом 75-90° к плоскости поверхности. Напыление порошка проводят при температуре 150-180°С в течение 8-10 мин.

 

Изобретение относится к области соединения изделий, имеющих в своем составе материалы, несогласованные по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР). В частности, изобретение может быть использовано в области соединения изделий из стекла или стеклокерамики с изделиями из другого неорганического материала, а также для герметичного соединения изделия из ситалла с металлической, а именно с титановой или молибденовой, деталью, а также для соединения ситалловой подложки с титановыми анодами с целью изготовления блока электродов.

При изготовлении кольцевого лазерного гироскопа (КЛГ) блок электродов необходим для подачи напряжения с целью осуществления поджига гелий-неоновой смеси в газоразрядных промежутках. Блок электродов представляет собой диск из ситалла с отверстиями, в которые впаиваются титановые аноды. Как правило, блок электродов содержит аноды в количестве 5 штук.

Для обеспечения стабильной работы в течение всего срока сохраняемости КЛГ паяные соединения в блоке электродов должны обладать:

- высокой герметичностью, предотвращающей утечку гелий-неоновой смеси из внутреннего объема КЛГ и попадание туда посторонних газов и других веществ;

- высокой прочностью при механических воздействиях (удары, вибрация);

- стойкостью к разрушению в широком температурном диапазоне при обезгаживании КЛГ в процессе его изготовления, а также в процессе его испытаний и эксплуатации;

- минимальными остаточными напряжениями в зоне несогласованных спаев, что особенно важно при создании высокоточных КЛГ;

- минимальной неплоскостностью посадочной поверхности, что является необходимым условием для сохранения качественного оптического контакта (ОК);

- минимальными остаточными напряжениями в зоне спаев для предотвращения механических разрушений в зоне оптического контакта.

Известен способ для создания блока электродов, который заключается в присоединении металлических деталей к корпусу из ситалла [1], при котором для компенсации остаточных напряжений кромки свариваемой металлической детали сдавливаются в процессе закрытой прошивки. Недостатком этого способа является малая прочность полученного соединения.

Известен способ анодного соединения электрода с корпусом КЛГ [2], заключающийся в пайке электрода с моноблоком из ситалла СО-115М посредством использования пластичного уплотняющего металлического материала, а именно индия, при этом прикладывается напряжение 1000 В постоянного тока при температуре 102°С, время выдержки составляет 16 часов при сжимающем усилии 316,4 кг/см². Этот способ обладает рядом недостатков. Во-первых, этот способ не позволяет провести оптимальное обезгаживание моноблока в процессе изготовления КЛГ. Как известно, наиболее полное удаление примесных газов (H₂О, СО, СО₂, Н₂ и др.) из поверхностных слоев стекла при изготовлении вакуумных приборов происходит при температуре Т=300.…350°С, а температура плавления индия составляет 155°С. Таким образом, при достижении оптимальной температуры обезгаживания соединение с использованием индия неизбежно разрушится, использование более низкой температуры при обезгаживании не обеспечит получения высококачественной вакуумной обработки материала моноблока КЛГ. Другим недостатком вышеописанного способа является то, что при эксплуатации КЛГ под воздействием ионной бомбардировки атомами активной газовой среды в условиях ионизированного газового разряда возможно распыление индиевого уплотнения с последующим попаданием молекул индия во внутренний объем моноблока и осаждением его на поверхности зеркал с последующим снижением их отражательной способности. Эти недостатки существенно снижают точность и долговечность КЛГ.

Известен способ герметичного соединения стеклокерамики с металлической деталью [3], включающий установку этой детали на стеклокерамический блок. Этот способ предполагает подачу электрического напряжения между стеклокерамическим блоком и деталью. Перед установкой детали на стеклокерамический блок сопрягаемые поверхности блока доводят до класса шероховатости не ниже R_Z 0,1 и оптической чистоты не ниже РIII. Сопрягаемую поверхность металлической детали доводят до класса шероховатости не ниже R_Z 0,4. Моноблок и электрод соединяют при пониженном давлении (6,0…7,0)⋅10^-7 Па и повышенной до 300…400°С температуре при одновременной подаче на них постоянного напряжения 950…1050 В в течение 25…35 мин. Этот способ обладает существенным недостатком, а именно не обеспечивает высокую механическую прочность, что не позволяет использовать данное соединение в условиях широкого диапазона механических ударов и вибраций. Кроме того, к недостаткам можно отнести и сложность изготовления, связанную с предварительной подготовкой сопрягаемых поверхностей, подачей высокого напряжения во время осуществления соединения, низкой точностью и недостаточной сохраняемостью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является герметичное соединение стеклокерамического блока с металлической деталью [4], получаемое путем напыления порошка под углом 75°…90° по отношению к напыляемому соединению и при температуре напыления 300°С, с последующей установкой блока электродов с деталью в печь, нагретую до температуры 400°С…450°С, и выдержкой при этой температуре не менее 1 часа, и охлаждением до комнатной температуры со скоростью не более 5°С/мин.

При этом способе создания вакуумного соединения температура при проведении напыления достигает 300°С, что в ряде случаев приводит к неплоскостности стеклокерамического блока, превышающей допустимые значения. Кроме того, необходимость юстировки анодов для их симметричного закрепления в отверстиях стеклокерамического блока приводит к временным затратам, в результате чего предыдущее созданное соединение успевает остыть, что создает предпосылки возникновения сколов на плоскости стеклокерамического блока и, соответственно, к возможному браку изделия.

Задачей изобретения является повышение точности и сохраняемости КЛГ за счет надежного соединения металлических анодов с ситалловым блоком электродов, предназначенным для работы в КЛГ.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе герметичного соединения стеклокерамики с металлической деталью, включающем установку этой детали на стеклокерамическом блоке, создание валика между соединяемыми поверхностями путем напыления нагретого металлического порошка под углом 75°…90° к плоскости поверхности, напыление порошка проводят при температуре 150°С…180°С в течение 8…10 мин.

Как показали проведенные эксперименты, угол, не попадающий в этот диапазон, приводит к уменьшению адгезии, при температуре напыления ниже 150°С и затрачиваемом времени менее 8 минут налипания порошка практически не происходит, что приводит к образованию тонкого слоя, который не герметичен и не создаст столь прочного соединения. При температуре выше 180°С и времени более 10 минут толщина соединяемого слоя достаточно быстро растет, что может привести к сколу, а также к увеличению пористости покрытия.

В данном способе отсутствуют высокие температуры напыления 300°С и исключено использование печи для снятия напряжений в напыленном слое, нет необходимости в центрировании анодов относительно оси напыления с помощью юстировочного приспособления, при этом создается промежуточный слой напыленного материал, с помощью которого образуется уплотнительное соединение.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Реализация способа поясняется на примере соединения блока электродов из ситалла СО-115М с анодом, изготовленным из титанового сплава ВТ-1-0 или ВТ-1-00 или молибдена. Поверхность подложки, на которой проводится соединение анода с самой подложкой, должна быть обработана до класса шероховатости не ниже R_Z 0,1 и оптической чистоты не ниже РIII. Блок электродов устанавливается в специальную оснастку установки холодного газодинамического напыления (ХГН). Далее анод, предварительно обезжиренный, прижимается к поверхности блока электродов с небольшим усилием, необходимым для фиксации анода в отверстии блока электродов, с помощью прижимного приспособления. Затем процесс соединения подложки блока электродов с анодом осуществляется автоматизированным методом газодинамического напыления с использованием порошка алюминия, напылитель расположен под углом 90° по отношению к создаваемому соединению. После создания металлического валика полученное соединение обладает герметичностью и высокой термоустойчивостью в широком температурном диапазоне. К достоинствам соединения, полученного заявленным способом, относятся:

- вакуумная плотность не хуже 1⋅10^-12 мм рт.ст./с;

- устойчивость в температурном диапазоне от минус 60°С до 300°С;

- высокая механическая прочность;

- отсутствие механических напряжений в зоне соединения;

- сохранение плоскостности блока электродов после изготовления;

- простота в получении вакуумноплотного соединения.

Предлагаемый способ по сравнению с известными способами обеспечивает точность и сохраняемость кольцевого лазерного гироскопа за счет использования блоков электродов, изготовленных способом, предлагаемым настоящим изобретением, который позволит повысить температуру вакуумной обработки КЛГ, что, в свою очередь, обеспечит наиболее полное удаление примесных газов. Предполагается, что в условиях промышленного производства в результате использования данного изобретения будет повышен процент выхода годных блоков электродов, улучшена точность КЛГ, а также увеличен их срок сохраняемости.

Источники информации

1. 3аявка на изобретение РФ №93010372, кл. С03С 27/02, опубл. 20.04.1995 г.

2. Патент США №6072580, МКИ G01С 19/66, НКИ 356/459/, выдан 06.06.2000 г.

3. Патент РФ 2 238 249, МПК С03С 27/00, опубл. 20.10.2004 г.

4. Патент РФ 2 484 932, МПК С03С 27/04, опубл. 25.04.2012 г. (прототип).

Способ герметичного соединения стеклокерамики с металлической деталью, включающий установку этой детали на стеклокерамическом блоке, создание валика между соединяемыми поверхностями путем напыления нагретого металлического порошка под углом 75°…90° к плоскости поверхности, отличающийся тем, что напыление порошка проводят при температуре 150°C…180°C в течение 8…10 мин.