СПОСОБ НЕРАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
METHOD FOR PERMANENTLY JOINING ARTICLES

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.
3
4
3
4
2
Известен способ неразъемного соединения деталей (патент DE 19934760 от 23.07.1999, С04В 37/02), включающий связывание нитрида кремния SiN слоем активного металлического кремния с углеродистой сталью. За счет реакции термической диссоциации нитрид кремния SiN разлагается на кремний Si и газообразный азот N. 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.