СПОСОБ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ КЕРАМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА С МЕТАЛЛАМИ
DIFFUSION WELDING OF CERAMIC-MATRIX COMPOSITE WITH METALS

Изобретение относится к сварке, а именно к способам соединения деталей из керамоматричного композита с металлами методом диффузионной сварки, и может быть использовано для сварки деталей, работающих в условиях эксплуатации с высокими требованиями к качеству сварных соединений.
Прототипом данного изобретения является способ диффузионной сварки керамики из нитрида кремния со сталью (авт. свидетельство СССР №1676772, кл. В23К 20/16, опубл. 15.09.91), согласно которому предварительно на свариваемую поверхность керамики наносят металлизированный слой на основе порошкообразного молибдена. Между свариваемыми поверхностями промежуточной прокладки, стали и керамики располагают прослойки соответственно из ванадия и меди. Детали сдавливают, нагревают и осуществляют изотермическую выдержку.
Недостатком этого способа является низкая производительность процесса и высокая трудоемкость изготовления, использование дорогостоящих и редкоземельных металлов молибдена и ванадия, формирование в зоне соединения химических веществ (твердые растворы молибдена в ванадие и меди), значительно отличных от основы соединяемых деталей, что изменяет физико-механические свойства свариваемых изделий, т.е. прочностные характеристики сварного шва, не обладают достаточным уровнем.
Известен способ соединения жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния (заявка РФ №2433026, опубл. 10.11.2011 г., МПК В23К 20/00 (2006.01)), используя диффузионную сварку жаропрочного сплава на кобальтовой основе с керамикой на основе нитрида кремния с использованием промежуточного материала при температуре 900±10°C, 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. % Cu, 0,1…0,3 вес. % Co, остальное Ni.
Недостатком этого способа также являются низкая производительность и высокая трудоемкость изготовления, низкие прочностные характеристики, слабая диффузионная проницаемость.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа диффузионной сварки керамоматричного композита с металлами в вакууме, в устранении указанных выше недостатков, расширении технических возможностей за счет использования промежуточного переходного слоя, который имеет высокие механические свойства и образует прочное и качественное сварное соединение при оптимальном подборе режима сварки. Это позволяет:
- снизить трудоемкость сварочного процесса;
- исключить значительные изменения в структуре металлического материала;
- обеспечить необходимую прочность соединения;
- минимизировать пластическую деформацию металлической детали и исключить ее в композите.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ диффузионной сварки деталей из керамоматричного композита с металлами в вакууме позволяет нанести на композит гальваническое покрытие из никеля, серебра, золота или меди толщиной 3-9 мкм, а между гальваническим слоем и поверхностью металла расположить никелевые фольгу или пористую ленту на основе ультрадисперсного порошка никеля, меди, серебра или золота толщиной 0,05-0,1 мм. Нанесенное гальваническое покрытие и промежуточный слой существенно снижает величину остаточных напряжений. Кроме того, гальваническое покрытие с промежуточным слоем образует твердый раствор, что обеспечивает плавное, непрерывное изменение состава и свойств в зоне сварки, а также диффузионную подвижность элементов, способствуя образованию прочного соединения. Указанный промежуточный слой никеля обладает высокой механической прочностью, а также способствует прочному присоединению его к композиту за счет того, что во время воздействия давлением происходит взаимодействие нанодисперсных оксидов никеля с композитом.
2
Процесс сварки включает в себя сборку деталей под сварку, вакуумирование, нагрев до температуры сварки и выдержку в вакууме в течение времени, обеспечивающего прохождение процесса диффузии. Температура сварки 1000-1100°C. Скорость нагрева деталей под сварку не должна превышать 50 град/мин, удельное давление сжатия не более 2,5 кг/мм, время выдержки 60 мин. Затем снимают сварочное усилие и охлаждают до комнатной температуры, при этом скорость охлаждения должна быть равной скорости нагрева, т.е. 50 град/мин.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что выбранные сварочные режимы и промежуточный слой позволяют активировать диффузионную подвижность атомов материалов и тем самым обеспечить высокие механические свойства сварочного шва. Прикладываемое давление должно быть ниже предела текучести свариваемого металлического материала для того, чтобы оно не вызывало его пластическую деформацию, следовательно, не изменило бы исходную микроструктуру, а также исключает необходимость трудоемкой механической обработки. Выбор температуры обусловлен тем, что при нагревании ниже 1000°C не достигается диффузионная подвижность атомов и не обеспечивается высокая прочность сварного шва, а при нагревании выше 1100°C образуется пластическая деформация деталей более 5% и наблюдается резкий рост зерна металла. Выдержка 60 мин обеспечивает полное прохождение процесса диффузионного обмена между гальваническим слоем, никелевой фольгой или пористой лентой на основе ультрадисперсного порошка и металлом. При выдержке менее 60 мин диффузионные процессы не успевают обеспечить прочное соединение.
Пример 1. Сваривалась деталь из керамоматричного композита с деталью из стали. Керамоматричный композит представляет собой брусок TiNC с размерами 20×20×20 мм. Деталь из стали марки ЭП866, с диаметром 20 мм, высотой 50 мм, на композит наносят гальваническое покрытие из никеля толщиной 6 мкм. Между элементом из композита с гальваническим покрытием и элементом из стали помещается промежуточная прокладка диаметром 20 мм и толщиной 0,05 мм из никеля. Далее деталь из стали присоединяется своей торцовой поверхностью по центру детали из композита.
2
Соединяемые элементы помещались в диффузионную установку с приложением удельного давлении сжатия 2 кг/мм, время выдержки 60 мин и скорость нагрева не превышает 50°C/мин, сварку проводят при температуре T=1050°C, после чего снимают давление сжатия и проводят охлаждение до комнатной температуры со скоростью, не превышающей 50°C/мин.
Пример 2. Сваривалась деталь из керамоматричного композита с деталью из стали. Керамоматричный композит представляет собой брусок TiNC с размерами 20×20×20 мм. Деталь из стали марки ЭП866, с диаметром 20 мм, высотой 50 мм, на композит наносят гальваническое покрытие из меди толщиной 9 мкм. Между элементом из композита с гальваническим покрытием и элементом из стали помещается промежуточная прокладка из никелевой фольги или пористой ленты из ультрадисперсного порошка никеля диаметром 20 мм и толщиной 60 мкм. Далее деталь из стали присоединяется своей торцовой поверхностью по центру детали из композита.
2
Соединяемые элементы помещались в диффузионную установку с приложением удельного давлении сжатия 1,5 кг/мм, время выдержки 100 мин и скорость нагрева не превышает 50°C/мин, сварку проводят при температуре T=1000°C, после чего снимают давление сжатия и проводят охлаждение до комнатной температуры со скоростью, не превышающей 50°C/мин.
Пример 3. Сваривалась деталь из керамоматричного композита с деталью из стали. Керамоматричный композит представляет собой брусок TiNC с размерами 20×20×20 мм. Деталь из стали марки ЭП866, с диаметром 20 мм, высотой 50 мм, на композит наносят гальваническое покрытие из серебра толщиной 5 мкм. Между элементом из композита с гальваническим покрытием и элементом из стали помещается промежуточная прокладка диаметром 20 мм и толщиной 0,1 мм из никеля. Далее деталь из стали присоединяется своей торцовой поверхностью по центру детали из композита.
2
Соединяемые элементы помещались в диффузионную установку с приложением удельного давлении сжатия 2,5 кг/мм, время выдержки 60 мин и скорость нагрева не превышает 50°C/мин, сварку проводят при температуре T=1100°C, после чего снимают давление сжатия и проводят охлаждение до комнатной температуры со скоростью, не превышающей 50°C/мин.
Пример 4. Сваривалась деталь из керамоматричного композита с деталью из стали. Керамоматричный композит представляет собой брусок TiNC с размерами 20×20×20 мм. Деталь из стали марки ЭП866, с диаметром 20 мм, высотой 50 мм, на композит наносят гальваническое покрытие из золота толщиной 3 мкм. Между элементом из композита с гальваническим покрытием и элементом из стали помещается промежуточная прокладка из никелевой фольги или пористой ленты из ультрадисперсного порошка меди диаметром 20 мм и толщиной 60 мкм. Далее деталь из стали присоединяется своей торцовой поверхностью по центру детали из композита.
2
Соединяемые элементы помещались в диффузионную установку с приложением удельного давлении сжатия 2 кг/мм, время выдержки 120 мин и скорость нагрева не превышает 50°C/мин, сварку проводят при температуре T=1020°C, после чего снимают давление сжатия и проводят охлаждение до комнатной температуры со скоростью, не превышающей 50°C/мин.
Результаты испытаний механических свойств деталей, при температуре 20°C, по стандартным методикам испытания, представлены в таблице.
Таким образом, предлагаемый способ диффузионной сварки керамоматричного композита с металлами обеспечивает прочное соединение, не менее 90% от предела прочности при изгибе основного материала, что гораздо выше по сравнению с прототипом и аналогом. В результате использования предлагаемого способа расширяется диапазон применения сварных соединений из керамоматричных композитов и повышается их ресурс.