ПАЯНОЕ СОЕДИНЕНИЕ МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛЬЮ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И ДЕТАЛЬЮ ИЗ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ (SiC) И/ИЛИ УГЛЕРОДА
SOLDERED JOINT BETWEEN TITANIUM-BASED METAL PART AND PART OF CERAMIC MATERIAL BASED ON SILICON CARBIDE (SiC) AND/OR CARBON

Предпосылки техники
Настоящее изобретение относится к области соединения пайкой металлической детали из титана и детали из керамического материала на основе карбида кремния (SiC) и/или углерода.
Известно, что керамические материалы характеризуются своими механическими свойствами, которые делают их пригодными для создания элементов конструкции, и их способностью сохранять эти механические свойства при высокой температуре. Данные материалы используют, в частности, для производства деталей, подвергающихся высоким термодинамическим напряжениям при их применении в авиации (детали двигателя или элементы обтекателя).
Соединение керамических материалов с металлами традиционно происходит путем механического скрепления типа клепания или соединения болтами, т.е. скрепления, иногда не подходящего из-за громоздкости или трудностей осуществления.
С другой стороны, известные способы однородного соединения керамических материалов, использующих органические керамические предшественники, не пригодны для неоднородных соединений керамического материала и металла.
Наряду с этим известные способы пайки, используемые для однородных соединений керамика/керамика, с трудом могут быть использованы для неоднородной спайки керамического материала и металла из-за весьма различных термомеханических и химических свойств керамических материалов и металлов.
Более конкретно, если нужно соединить пайкой керамический материал и металлический сплав на основе титана, алюминия и ванадия, сталкиваются с очень большой разницей в расширении этих двух элементов, так как коэффициент расширения такого металлического сплава примерно в два-пять раз выше, чем коэффициент расширения керамических материалов. Так, для обычного соединения в 30 мм необходимо компенсировать сдвиг при расширении в 0,2 мм во время остывания такого соединения от температуры отвердевания припоя до температуры окружающей среды.
Большая относительная усадка металлической детали порождает сильные напряжения в обеих деталях и, в частности, зону сжатия и, соответственно, растяжения в прилегающих к паяному шву зонах керамической детали и, соответственно, металлической детали.
Вследствие этого происходит изгиб всего узла, что порождает напряжения, которые могут быть причиной разрыва одной из его составляющих и низкой прочности паяного шва из-за его местной деформации.
Изобретение предлагает решить вышеуказанную проблему, вводя между металлической деталью и деталью из керамического материала прокладки с постепенно возрастающим коэффициентом расширения, создавая таким образом многослойный набор элементов, которые должны быть термически соединены друг с другом путем пайки.
При этом встает проблема выбора прокладочных материалов и припоев, совместимых с этими материалами, причем они должны отвечать основным задачам химической совместимости, выполняя, в частности, функцию так называемого «химического барьера», позволяющего, с одной стороны, избежать диффузии элементов из керамического материала (карбида кремния, углерода и т.п.) в металлическую деталь или, наоборот, и, с другой стороны, помешать образованию нежелательных химических соединений.
Более конкретно, химическая и термомеханическая несовместимость детали из керамического материала и металла не позволяет осуществлять прямую пайку для работы при высокой температуре, так как:
- большинство материалов очень быстро реагирует с SiC при температуре выше 1000°С, что приводит к образованию многочисленных пористых дефектов и хрупких интерметаллических соединений с низкой температурой плавления, что оказывает плохое воздействие на механическую прочность соединений,
-6
-6
- очень большая разница между коэффициентами термического расширения (КТР) металлов (10-20·10 на градус Цельсия) и ККМ-SiC (2-6·10 на градус Цельсия) вызывает высокие остаточные напряжения на границах раздела, что приводит к разрыву соединения после остывания.
Эта несовместимость создает основную трудность, из-за которой возникает необходимость рассматривать одновременно химические, геометрические и технологические аспекты.
Задача и сущность изобретения
Таким образом, настоящее изобретение имеет своей основной целью решение этих проблем, предлагая соединение, которое позволяет, с одной стороны, компенсировать различие в расширении между металлической деталью и керамической деталью и, с другой стороны, исключить или ограничить образование нежелательных химических соединений.
Более конкретно, изобретение относится к соединению между металлической деталью на основе титана и деталью из керамического материала на основе карбида кремния и/или углерода. Такое соединение содержит многослойную структуру, включающую в себя следующие элементы, соединенные друг с другом путем пайки:
- металлическая деталь;
- первая прокладка, способная деформироваться для приспосабливания к разнице в расширении металлической детали и детали из керамического материала;
- вторая жесткая прокладка с коэффициентом расширения, близким к коэффициенту расширения детали из керамического материала, из нитрида алюминия или вольфрама, и
- деталь из керамического материала.
Изобретение, таким образом, предлагает вводить между керамической и металлической деталями две прокладки с различными функциями.
Первая прокладка, деформируясь, позволяет компенсировать различия в расширении между керамической и металлической деталями.
Согласно первому варианту реализации первой прокладки деформация этой прокладки достигается изготовлением ее из пластичного металла. В этом случае прокладка с цельной структурой образует слой из пластичного материала, способного вытягиваться/сокращаться между керамической и металлической деталями.
В этом первом варианте реализации первая прокладка предпочтительно изготовлена из по существу чистого титана.
Во втором варианте реализации первая прокладка образована деформирующейся («compliant» по-английски) структурой.
Предпочтительно, данная структура содержит по меньшей мере один связующий прокладочный элемент, соединенный пайкой с металлической деталью и со второй прокладкой, причем этот связующий прокладочный элемент образован деформирующимся покровом, имеющим припаянные зоны лыски и деформирующиеся зоны.
Предпочтительно, данная деформирующаяся структура образована по меньшей мере одной деталью, общая форма которой представляет собой ленту, свернутую в виде мехов аккордеона, образующих выгнутые части, поочередно направленные к металлической детали или ко второй прокладке, причем эти выгнутые части разделены гребнями, причем паяное соединение между первой прокладкой, с одной стороны, и металлической деталью или второй прокладкой, с другой стороны, выполнено в зоне лыски по меньшей мере некоторых из гребней.
Вторая прокладка имеет, прежде всего, меньший коэффициент расширения, чем коэффициент расширения первой металлической прокладки, а, предпочтительно, достаточно близкий к коэффициенту расширения керамической детали для того, чтобы ограничить различия в расширении между этими деталями.
Далее, вторая прокладка играет роль химического барьера, предотвращая диффузию металлических элементов в керамическую деталь, что позволяет избежать образования хрупких химических соединений, вредных в отношении хорошей стойкости соединения.
Наконец, эта вторая прокладка может быть выбрана достаточно эластичной для того, чтобы позволить ослабить механические напряжения, воздействующие на керамическую деталь, и достаточно жесткой для того, чтобы позволить распределить механические напряжения, воздействующие на керамическую деталь, что позволяет защитить механически эту деталь, обычно являющуюся по своей природе хрупкой.
Предпочтительным образом, металлическая деталь состоит из сплава на основе титана, алюминия и ванадия. Этот сплав назван «TA6V».
-6
-1
Коэффициент расширения сплава TA6V при 500°С равен 10,5·10 К ± 15%.
В одном варианте реализации изобретения деталь из керамического материала изготовлена из цельного или монолитного карбида кремния. Данный материал может быть, в частности, получен спеканием порошка или гранул карбида кремния. Керамическая матрица может быть однофазной, например, может полностью состоять из SiC. В качестве альтернативы, матрица может быть многофазной, при этом матрица содержит, например, последовательность чередующихся слоев различной жесткости на основе спеченного карбида кремния и/или пиролизного углерода и может также содержать по меньшей мере одну самовосстанавливающуюся (самозалечивающуюся) фазу, такую как слой на основе карбида кремния-бора Si-B-C.
В другом варианте реализации изобретения деталь из керамического материала содержит керамическую матрицу, армированную волокнами углерода или карбида кремния, в частности, со слоем карбида кремния на поверхности.
В том варианте реализации, в котором деталь из керамического материала содержит керамическую матрицу, армированную волокнами углерода или карбида кремния, данная матрица может содержать по меньшей мере одну самовосстанавливающуюся фазу. Один такой керамический материал, именуемый в дальнейшем «А410», и способ получения данного керамического материала раскрыты в заявке на французский патент, опубликованной под №FR 2732338.
-6
-1
Коэффициент расширения материала «А410» при 500°С равен 4,0·10 К ± 15%.
В другом предпочтительном варианте деталь из керамического материала представляет собой деталь из термоструктурного материала, содержащего волокнистый усиливающий наполнитель из углеродных волокон и последовательную матрицу с чередованием слоев из относительно мягкого материала, дающих возможность избежать возможных трещин, которые их разрушают, и слоев из относительно жесткого керамического материала.
Один такой материал, именуемый в дальнейшем «А500», может быть получен таким способом производства, как раскрытый в заявке на патент FR 2742433.
-6
-1
Коэффициент расширения композита «А500» при 500°С равен 2,5·10 К ± 15%.
Так как деталь из керамического материала является очень хрупкой, необходимо, чтобы вторая прокладка была способна выдержать нагрузки и чтобы ее коэффициент расширения был близок к коэффициенту расширения детали из керамического материала.
Также авторы изобретения особенно предпочитают в качестве второй прокладки очень жесткие нитрид алюминия (AlN) и вольфрам (W) с коэффициентами расширения чуть выше коэффициента расширения керамики.
-6
-1
-6
-1
Коэффициент расширения вольфрама W и нитрида алюминия при 500°С соответственно равны 5,0·10 К ± 15% и 5,2·10 К ± 15%.
Согласно изобретению используемый припой должен быть реакционноспособным, что означает, что он должен реагировать с по меньшей мере одним из химических элементов расположенных рядом материалов.
По этой причине от припоя, состоящего из чистого серебра, отказались, так как серебро не является реакционноспособным в смысле предыдущего определения. Помимо этого, температура плавления серебра слишком низкая для применения по предусмотренным в изобретении назначениям.
От припоя типа Ag-Cu также отказались, так как он не обладает достаточными свойствами «смачивания» по отношению к нитриду алюминия и детали из керамического материала на основе карбида кремния и/или углерода.
Предпочтительно, используемый припой представляет собой припой на основе серебра.
Предпочтительно, такой припой представляет собой припой типа Ag-Cu-Ti или Ag-Mn.
В случае припоя Ag-Cu-Ti массовое содержание серебра по меньшей мере равно 50%, а массовое содержание титана предпочтительно выбирается между 0,01% и 6%. Данный припой действительно очень реакционноспособен по отношению к алюминию, вольфраму и кремнию, включая варианты с низкими долями титана.
Предпочтительно, предусмотренный изобретением припой Ag-Cu-Ti содержит в массовых процентах: 63 Ag, 35,25 Cu и 1,75 Ti.
Данный припой обладает тем преимуществом, что он имеется в продаже под названием CuSil-ABA (коммерческое наименование).
В случае припоя Ag-Mn массовое процентное содержание марганца предпочтительно выбирается между 1% и 25%, причем такая доля марганца объясняется тем, что марганец обладает немного меньшей реакционной способностью по отношению к вышеназванным элементам, чем титан.
Изобретение также относится к соплу турбомашины, содержащему по меньшей мере одно вышеуказанное соединение, в котором металлическая деталь представляет собой кожух (или рычаг) данного сопла, а деталь из керамического материала представляет собой створку данного сопла.
Изобретение также касается камеры сгорания турбомашины, содержащей по меньшей мере одно вышеуказанное соединение, в котором металлическая деталь представляет собой кожух (или соединение - т.е. связующий элемент - или какая-то деталь) данной камеры, а деталь из керамического материала представляет собой составляющую деталь этой камеры.
Изобретение относится также к форсажной камере турбомашины, содержащей по меньшей мере одно вышеуказанное соединение, в котором металлическая деталь представляет собой кожух форсажной камеры (или платформу), а деталь из керамического материала представляет собой стойку стабилизатора пламени.
Изобретение относится также к турбомашине, содержащей по меньшей мере одно вышеуказанное соединение.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения вытекают из описания, приведенного ниже со ссылкой на приложенные фигуры, которые иллюстрируют пример реализации, лишенный какого-либо ограничительного характера. На этих фигурах:
- фигура 1 представляет собой соединение согласно первому варианту реализации изобретения; и
- фигура 2 представляет собой соединение согласно изобретению во втором варианте реализации.
Подробное описание нескольких вариантов реализации
На фигуре 1 представлено соединение согласно изобретению в первом варианте реализации. Оно состоит, в основном, из четырех деталей, соединенных друг с другом путем пайки, а именно:
- металлическая деталь 10 на основе титана;
- деталь 20 из керамического материала на основе карбида кремния и/или углерода;
- первая прокладка 11, способная деформироваться для приспосабливания к разнице в расширении металлической детали 10 и детали 20 из керамического материала; и
- вторая прокладка 12 из нитрида алюминия AlN или вольфрама W.
В описанном здесь примере металлическая деталь 10 представляет собой плиту или пластину из сплава на основе титана, алюминия и ванадия (TA6V).
Деталь 20 из керамического материала может быть образована плитой или пластиной из монолитного (или цельного) карбида кремния или из вышеупомянутых материалов «А410» или «А500».
В другом варианте реализации деталь 20 из керамического материала представляет собой композиционный материал с керамической матрицей. Данная керамическая матрица может быть однофазной - например, полностью из SiC - или многофазной, например, содержащей, кроме того, по меньшей мере одну фазу со свойством самовосстановления, такую как раскрытая в патенте FR 2732338.
Напомним, что такой материал, армированный волокнами SiC, именуется здесь как «А410».
Как вариант, материал ККМ состоит из волокнистого усиливающего наполнителя из углерода и последовательной керамической матрицы с чередующимися относительно мягкими слоями, позволяющими избежать трещин, и слоями из жесткого керамического материала. Напомним, что такой материал именуется здесь как «А500». Он может быть получен таким способом производства, как раскрытый в заявке на патент FR 2742433.
Из примеров композиционных термоструктурных материалов можно назвать: композиты углерод/углерод (С/С) и композиты с керамической матрицей (ККМ), такие как C/SiC или SiC/SiC (усиливающий наполнитель из волокон углерода или SiC и матрица карбида кремния), или С/С-SiC (усиливающий наполнитель из волокон углерода и смешанная матрица из углерода и карбида кремния), или С/Si-B-C (усиливающий наполнитель из волокон углерода и самовосстанавливающаяся матрица), или также С/С-SiC-Si (композит С/С, силицированный по реакции с Si).
В описанном здесь примере первая прокладка 11 представляет собой цельную структуру. Данная деталь 11 в этом случае изготовлена из достаточно пластичного материала для того, чтобы деформироваться и компенсировать таким образом различие в расширении между металлической и керамической деталями. Разумеется, размеры данной первой детали-прокладки 11 и, в частности, ее толщина должны быть достаточными для того, чтобы данная деталь могла играть свою роль деформирующейся детали, не достигая при этом слишком больших деформаций.
В описанном здесь варианте реализации первая прокладка 11 изготовлена из по существу чистого титана Т40. Могут быть также использованы Т30 и Т60.
В нижеприведенной таблице 1 сгруппировано шесть соединений, соответствующих ранее описанной фигуре 1.
В первой колонке приведены соответственно состав (А410 или А500) детали 20 из керамического материала, состав (AlN или W) второй прокладки 12, состав (Т40, по существу чистый титан) первой прокладки 11 и состав (сплав титана, алюминия и ванадия TA6V) металлической детали 10.
Во второй колонке приведен состав использованного в этих соединениях припоя, который обозначен позицией 15 на фигуре 1.
Этот припой представляет собой либо припой типа Ag-Mn (Mn 15%), либо припой типа Ag-Cu-Ti (63 Ag; 35,25 Cu; 1,75 Ti). В случае необходимости возможно использовать припой AgZr (Zr 3%).
Эти шесть соединений были устойчивыми, в первую очередь, при остывании от температуры пайки до температуры окружающей среды.
Кроме того, данные соединения подвергли испытаниям на сдвиг с помощью образца, содержащего симметричное соединение: деталь ККМ/прокладка W или AlN/прокладка, Ti/металлическая деталь на основе титана/прокладка, Ti/прокладка W или AlN/деталь ККМ.
Концевые детали из ККМ-материалов были закреплены в боковых зажимах, в то время как на металлическую деталь в центре воздействовала поперечная сила, что вызывало в целом напряжения сдвига в двух промежуточных зонах между каждой из концевых деталей из ККМ и центральной деталью из металла, на уровне прокладок.
В последней колонке данной таблицы указано относительное значение сопротивления сдвигу, при котором образовалась трещина в соединении при испытании на сдвиг.
Это относительное сопротивление сдвигу должно быть оценено по отношению к сопротивлению сдвигу одной лишь детали 20 из керамического материала, без соединения.
Таким образом, специалисту в данной области будет понятно, что сопротивление сдвигу соединения №1 равно 50% от сопротивления сдвигу материала А500.
Таблица 1
Соединение
Припой
F/So (МПа)
1
A500-W-T40-TA6V
Ag-Mn (Mn 15%)
50%
2
A410-W-T40-TA6V
Ag-Mn (Mn 15%)
200%
3
A500-AlN-T40-TA6V
Ag-Cu-Ti (63 Ag; 35,25 Cu; 1,75 Ti)
50%-80%
4
A410-AlN-T40-TA6V
Ag-Cu-Ti (63 Ag; 35,25 Cu; 1,75 Ti)
70%-130%
5
A500-W-T40-TA6V
Ag-Cu-Ti (63 Ag; 35,25 Cu; 1,75 Ti)
40%-70%
6
A410-W-T40-TA6V
Ag-Cu-Ti (63 Ag; 35,25 Cu; 1,75 Ti)
70%-130%
Видно, что сопротивление сдвигу соединения, полученного по изобретению, достигает сопротивления сдвигу детали из ККМ-материала и даже превышает его (в наиболее благоприятных случаях). Это является определяющим качеством для такого механического соединения (сопротивление шва достигает значения, равного или большего, чем у соединяемых деталей).
На фигуре 2 представлено другое соединение согласно изобретению, в котором первая прокладка 11' состоит из деформирующейся структуры («compliant» по-английски).
В общем виде деталь-прокладка 11' может быть образована деформирующимся покровом 16, содержащим концентрические волны и зоны лыски 14, предусмотренные поочередно на противоположных гребнях волн или только на некоторых из этих гребней. Эти зоны лысок 14 поочередно припаиваются, согласно их ориентации, либо к металлической детали 10, либо ко второй прокладке 12.
В примере реализации по фигуре 2 эта деформирующаяся структура 11' состоит из детали, основная форма которой представляет собой ленту, сложенную в виде мехов аккордеона, образующих выгнутые части, поочередно направленные к металлической детали 10 и ко второй прокладке 12.
Эти выгнутые части разделены гребнями 14, 16, причем паяное соединение 15 между этой первой прокладкой 11' и металлической деталью 10 или второй прокладкой 12 выполнено в зоне 14 лыски некоторых из этих гребней.
Соединение по изобретению может быть осуществлено в турбомашине и, более конкретно, в турбореактивном двигателе. Например, металлическая деталь 10 может принадлежать кожуху турбореактивного двигателя, а упомянутая керамическая деталь может быть створкой сопла, деталью камеры сгорания или стойкой стабилизатора пламени форсажной камеры.