СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОГО СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМООКСИДНОЙ КЕРАМИКИ С МЕТАЛЛОМ
METHOD FOR MAKING TUBULAR JOINT OF ALUMINA CERAMICS AND METAL

Изобретение относится к обработке материалов, а именно к технологии соединения керамических деталей с металлическими элементами, и может быть использовано при изготовлении металлокерамических узлов. Известен способ получения многослойных металлокерамических соединений лазерной пайкой (Виноградов Б.А., Мещерякова Г.П., Кудрявцев А.О. // Механика композиционных материалов и конструкций. -2008. - №2. - С.250-268). В этом способе в качестве припоя используются титан, ковар (29НК), медь и припой ПОС-61, а плавление припоя осуществляется за счет энергии лазерного луча. В этом способе собственно пайке предшествует операция металлизации керамики титаном или медью, осуществляемая соответственно вакуумным испарением или электрохимическим осаждением. Наличие этой операции увеличивает общую продолжительность изготовления металлокерамического соединения. Известен способ изготовления герметичных металлокерамических узлов (Патент РФ на изобретение №2099312. Опубл. в ГРИ Роспатент 20.12.1997). Способ включает операцию металлизации керамики путем механического втирания титана и операцию покрытия металлической детали гальваническим никелем. Затем детали собираются соосно, причем в место сопряжения деталей вкладывается припой на основе меди и серебра, после чего припой расплавляется лучом лазера. Несмотря на то что пайка проводится без применения вакуумных камер, наличие нескольких операций, производимых в различных установках, приводит к заметному возрастанию продолжительности всей технологической цепочки изготовления металлокерамического соединения. Кроме того, для предотвращения окисления припоя требуется его защита флюсом, что создает определенные проблемы с точки зрения безопасности персонала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения конусного охватывающего соединения алюмооксидной керамики с металлом (Патент РФ №2029753). В указанном способе последовательно реализуются несколько операций, первая из которых - металлизация керамики, заключающаяся в механическом втирании титана в керамику. Вторая операция - изготовление сборки керамика-металл с размещенным между ними припоем, содержащим медь и серебро. Третья операция - пайка с использованием лазерного луча в качестве источника нагрева. Серебро и медь, содержащиеся в припое, обусловливают необходимость нагрева соединяемых деталей до температур не менее 850°C. Это обстоятельство с учетом ограничений на скорости нагрева и охлаждения увеличивает время, затрачиваемое на создание металлокерамического соединения. Помимо этого для получения однородной металлизации механическим втиранием требуется тщательная подготовка кромки керамической детали. Это также влияет на общую продолжительность реализации технологии соединения.
Цель настоящего изобретения состоит в повышении производительности процесса изготовления трубчатого соединения алюмооксидной керамики с металлом за счет снижения продолжительности процесса. Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе, содержащем операцию приготовления сборки керамической и металлической трубок с размещенным между ними припоем, исключена операция металлизации керамики, а в качестве припоя использован алюминий. Сборку помещают в вакуумную камеру и откачивают ее до давления 5-20 Па. После этого производят разогрев места соединения трубок электронным пучком до расплавления алюминия при одновременном вращении сборки. Температуру, соответствующую расплавленному алюминию, поддерживают в течение одной-двух минут, после чего выключают источник электронного пучка и выдерживают сборку в вакуумной камере до остывания. Вакуум 5-20 Па обеспечивается применением лишь механических средств откачки и может быть достигнут за несколько минут со времени включения насоса, что дает эффект снижения продолжительности всего процесса изготовления соединения. Нижний предел указанного диапазона давлений обусловлен возможностью разогрева электронным пучком области керамики, прилегающей к месту соединения, поскольку плазма, образуемая вдоль траектории пучка, обеспечивает отекание заряда с керамики и передачу керамике энергии пучка. Использование давлений выше 20 Па нецелесообразно из-за возможности окисления расплавленного алюминия. Применение алюминия в качестве припоя позволяет, во-первых, снизить температуру разогрева соединяемых кромок до 660°C и, следовательно, сократить время разогрева и остывания, и, во-вторых, исключить операции металлизации керамики, поскольку расплавленный алюминий смачивает алюмооксидную керамику и создает с ней и металлом прочное соединение. Указанная совокупность и последовательность операций позволяет достичь цели изобретения - повышения производительности процесса изготовления трубчатого соединения алюмооксидной керамики с металлом.
На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа изготовления трубчатого соединения алюмооксидной керамики с металлом. Сборку, включающую керамическую 1 и металлическую 2 трубчатые детали с расположенной между ними алюминиевой прокладкой 3, помещают в вакуумную камеру 4, откачиваемую механическим форвакуумным насосом. По достижении рабочего давления место стыка деталей 1 и 2 облучают сфокусированным электронным пучком 5 при одновременном вращении соединяемых деталей. Пучок формируется электронным источником 6 с плазменным катодом. После прогрева до температуры, достигающей температуры плавления алюминия, производится выдержка в течение одной-двух минут при этой температуре, а затем источник 6 выключают, соединяемые детали выдерживают в вакууме до остывания и извлекают из камеры в атмосферу.
Пример. Для испытаний были взяты два отрезка труб диаметром 20 мм и длиной 50 мм, одна из которых изготовлена из алюмооксидной керамики М7, а другая титановая. Между трубами была размещена кольцеобразная алюминиевая прослойка толщиной 1 мм. Приготовленная сборка зажималась в держателе с электроприводом и помещалась в вакуумную камеру, которую затем откачали механическим вакуумным насосом АВ3-20. По достижении давления 10 Па включили источник сфокусированного электронного пучка и в течение 10 мин в условиях вращения труб вокруг своей оси с частотой 5 оборотов в минуту производили прогрев участков, прилегающих к стыку деталей. При этом ток и энергия пучка составляли 0,2 А и 10 кэВ соответственно. После разогрева облучаемой области до расплавления алюминия это состояние поддерживалось в течение одной минуты, после чего источник электронного пучка был выключен. После десятиминутной выдержки в вакууме соединенные детали были извлечены из вакуумной камеры в атмосферу.