СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА КОБАЛЬТОВОЙ ОСНОВЕ С КЕРАМИКОЙ НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ
METHOD TO JOIN HEAT-RESISTANT COBALT-BASED ALLOY AND CERAMICS BASED ON SILICON NITRIDE

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.
-6
23
6
6
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/°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 МnС и MnSi, 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.
сд
Прочность полученного соединения составляет σ=100±5 МПа, что удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к турбине.