способ соединения металлической пластины с керамикой

Формула изобретения

Способ соединения металлической пластины с керамикой, включающий пайку пластины с пористой металлической заготовкой медным припоем, нанесение на свободную поверхность заготовки керамического слоя путем пропитки суспензией с последующей термической обработкой полученного слоистого изделия, отличающийся тем, что перед пайкой на паяемые поверхности пластины и пористой заготовки, выполненной в виде сетки, наносят защитные слои никелевого покрытия, причем на поверхность пластины наносят слой толщиной не более 5 мкм, а на сетку слой толщины 10 12 мкм, после пайки наносят керамический слой, содержащий никелевый порошок и керамическую составляющую в соотношении соответственно 1,0 1,5 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к технологии соединения металлических пластин с керамикой с целью получения слоистых изделий, работоспособных в условиях высоких температур, больших механических нагрузок, вибраций и агрессивных сред.

Известен способ соединения металла с керамикой с образованием слоистых изделий, заключающийся в нанесении на керамический слой металлического слоя и приварке к нему гофрированного листа из нержавеющей стали [1]

Однако такие изделия в условиях высоких температур, больших механических нагрузок и окислительной среды оказались неработоспособны в течение длительного времени вследствие возникающих термических напряжений.

Известен способ соединения металла с керамикой пайкой, включающий напыление на керамическую подложку слоя молибдена, затем слоя меди, используемого в качестве припоя, на него экранирующего слоя молибдена. Такой же слой молибдена наносят на паяемую поверхность металлической сетки, которую затем располагают на металлической поверхности керамической подложки. Пайку осуществляют в атмосфере водорода при температуре плавления меди [2] В процессе пайки образуются твердые растворы, обеспечивающие прочное сцепление металла с керамикой.

Однако изделия, полученные в соответствии с указанной технологией соединения метала с керамикой, в условиях вибрации и агрессивных сред не способны выдержать заданное количество термоциклов вследствие возможного разрушения хрупкого керамического слоя и взаимодействия металла сетки со средой.

Известен способ соединения металлической пластины с керамической, включающий пайку пластины с пористой металлической заготовкой, нанесение на свободную поверхность ее керамического слоя и термическую обработку. Пористую металлическую заготовку приготавливают из перекрученной проволоки, спеченной в вакууме. Эта заготовка имеет плотность 20-30% Пайку осуществляют в вакууме. В качестве припоя может быть использована медь. На свободную поверхность пористой заготовки плазменно напыляют слой керамики, например окись циркония, окись алюминия, силицид или борид, с последующей термообработкой при температуре 927^oC в течение 15 ч на воздухе. Возможно нанесение керамического слоя в виде суспензии на поверхность волокнистого материала, в котором вертикально расположены металлические проволоки. Полученную металловолокнистую структуру припаивают к свободной поверхности пористой заготовки после ее спекания [3]Полученные слоистые изделия были испытаны в условиях высоких температур и механических нагрузок. После 30 термоциклов разрушений не наблюдалось.

Однако известная технология соединения металлической пластины с керамикой имеет следующие недостатки.

Керамический слой не во всем объеме связан с металлом вследствие неравномерности распределения металлических проволок в керамике. В условиях вибрации и ударных нагрузок в хрупкой керамике, не связанной с металлом, возможно появление трещин и сколов, а при наличии агрессивных сред - ускоренное ее отслоение от металлической пластины. Кроме того, вследствие отсутствия защитных слоев на паяемых поверхностях возможна разгерметизация паяного шва в изделии в процессе испытаний.

Задача изобретения создание технологии соединения металлической пластины с керамикой, при использовании которой полученные слоистые изделия были бы работоспособны в условиях высоких температур, ударных нагрузок, вибрации и агрессивных сред.

Задача решена за счет того, что перед пайкой на паяемую поверхность пластины и пористой заготовки, выполненной в виде сетки, наносят слои никелевого покрытия, причем на поверхность пластины наносят слой толщиной не более 5 мкм, а на сетку слой толщиной 10-12 мкм, а после пайки наносят на свободную поверхность сетки керамический слой путем ее пропитки суспензией, содержащей никелевый порошок и керамическую составляющую в соотношении соответственно (1,0-1,5):1.

Технический результат улучшение сцепления металлической пластины с керамикой и уменьшение хрупкости керамического слоя.

Способ осуществляют следующим образом.

Сетку и металлическую пластину изготавливают из одного и того же материала, например нержавеющей стали. На пластину наносят слой защитного никелевого покрытия не более 5 мкм, например 4-5 мкм. Толщина слоя выбрана с учетом улучшения растекаемости медного припоя при пайке. Толщина слоя более 5 мкм нежелательна, поскольку в противном случае оставшаяся никелевая прослойка может снизить прочность сцепления пластины с керамикой. На паяемую поверхность сетки наносят слой никелевого покрытия толщиной 10-12 мкм. При толщине слоя менее 10 мкм возможно появление трещин при пайке в перемычках сетки, что приведет к разгерметизации паяного шва. При толщине слоя более 12 мкм возможно снижение прочности сцепления сетки с пластиной из-за наличия оставшейся никелевой прослойки. На слой никелевого покрытия наносят слой медного припоя. Нанесение слоев никелевого покрытия и медного припоя осуществляют гальваническим методом из сернокислых растворов. Далее пластину и сетку совмещают и помещают в металлический пакет. Пространство внутри него вакуумируют, и помещают в печь для пайки. Проводят ускоренный нагрев изделия до температуры 1050^oC начала образования жидкой фазы между никелем и медью, а с этой температуры до температуры пайки 110010^oC - замедленный нагрев, чтобы обеспечить идентичность температур паяемых деталей, а значит, и исключение напряжений в металле. Выдержка при температуре пайки составляет 5-10 мин.

После пайки пакет извлекают из печи, а изделие из пакета. На изделие со стороны сетки наносят керамический слой, содержащий металлическую составляющую. Для этого изделие опускают в емкость с суспензией, содержащей (мас.) воду 50-60 и дисперсную фазу 40-50. Дисперсная фаза содержит никелевый порошок и керамическую составляющую в соотношении соответственно (1,01,5):1. В качестве керамической составляющей могут быть использованы силициды, бориды, окислы таких металлов, как кремний, алюминий, хром. Изделие выдерживают в суспензии 5-10 с, затем извлекают из емкости и со стороны пластины удаляют суспензию протиркой. Получают слой керамического покрытия ровный, без подтеков. Наличие сетки позволяет использовать капиллярный эффект и получить толщину слоя, равную толщине сетки. Предварительные эксперименты показали, что никелевого порошка в дисперсной фазе должно быть или столько, сколько керамической составляющей в ней, или немного больше, но не более соотношения 1,5: 1, в противном случае по первому варианту не будет взаимодействия порошка с покрытием по всей поверхности соприкосновения пластины с сеткой, а по второму получится слой, обедненный керамической составляющей.

После сушки слоистого изделия при 80-90^oC проводят его термообработку обжиг при температуре 850-980^oC в течение 50-60 мин или на воздухе, или в защитной среде. Окисленную поверхность изделия обрабатывают электрокорундом, обдувают сжатым воздухом, промывают водой и сушат на воздухе.

Были проведены металлографические исследования полученного изделия. Анализ показал наличие взаимодействия металлической пластины с керамическим слоем по всей поверхности их соединения, доказывающего высокую степень их сцепления. Обусловлено это взаимодействием частиц никелевого порошка, содержащихся в керамическом слое, с защитными слоями никелевого покрытия на пластине и сетке. Слоистые изделия были подвергнуты испытаниям в экстремальных условиях, т.е. в условиях агрессивной среды, нагретой до 4000^oC с охлаждением в каналах, и вибрации. После работы в таких условиях в течение 2 ч не наблюдалось отслаивания пластины от керамического слоя и его растрескивания.

Пример 1. Сетку и пластину изготавливали из нержавеющей стали марки 12X18H10T. Толщина пластины 0,23 мм, толщина сетки 0,46 мм при диаметре проволоки 0,23 мм и стороне ячейки 50 мкм. На паяемую поверхность пластины гальваническим методом из сернокислого раствора наносили слой никелевого покрытия толщиной 5 мкм. На паяемую поверхность сетки также гальваническим методом наносили сначала слой никеля толщиной 10 мкм, затем слой меди припоя толщиной 5 мкм. Сетку с пластиной совмещали по паяемым поверхностям и закладывали в металлический пакет с толщиной стенок 0,7-1,0 мм. Пространство пакета вакуумировали до 110^-2мм рт.ст. и помещали в печь для пайки. Осуществляли ускоренный нагрев пакета до температуры 1050^oC, а затем до температуры пайки 1100^oC проводили замедленный нагрев, чтобы перепад температур снаружи изделия и в зоне пайки не превышал 10^oC. Выдержка при температуре пайки составляла 5 мин.

После пайки на свободную поверхность сетки наносили слой керамического покрытия методом окунания в суспензию. Приготавливали суспензию, содержащую 50 мас. воды и 50 мас. дисперсной фазы. Последняя содержала 50 мас. тонкодисперсного никелевого порошка и 50 мас. керамической составляющей, что составляло их соотношение 1:1. В состав керамической составляющей входили стеклосвязка и реакционно спекаемая смесь, содержащая силициды, бориды и окисел алюминия, а также кремний и хром. Изделие окунали в суспензию и выдерживали в ней 10 с. Затем его сушили при температуре 80^oC и обжигали при 850^oC в течение 50 мин в атмосфере воздуха. Получали слоистое изделие, содержащее керамический слой толщиной, равной толщине сетки, 0,46 мм. Испытания показали работоспособность изделия в экстремальных условиях.

Пример 2. Материал и размеры пластины и сетки идентичны описанным в примере 1. На паяемую поверхность пластины наносили слой никелевого покрытия толщиной 4 мкм. На паяемую поверхность сетки наносили сначала слой никеля толщиной 12 мкм, затем слой меди толщиной 5 мкм. Совмещение пластины с сеткой и их пайку осуществляли по технологии, описанной в примере 1. Выдержку при температуре пайки проводили в течение 10 мин.

Для нанесения керамического слоя на свободную поверхность сетки приготавливали суспензию, содержащую 60 мас. воды и 40 мас. дисперсной фазы. Последняя содержала 60 мас. тонкодисперсного никелевого порошка и 40 мас. керамической составляющей, что соответствовало их соотношению 1,5:1. В состав керамической составляющей входили стеклосвязка и реакционноспекаемая смесь, содержащая силициды, бориды и окислы таких металлов, как кремний, алюминий, хром. Изделие окунали в суспензию и выдерживали в ней 5 с. Затем его сушили при температуре 90^oC и нагревали до температуры 980^oC в атмосфере аргона. Время выдержки при этой температуре 60 мин. Полученное изделие прошло испытание в экстремальных условиях. Отслоения и трещин в керамическом слое не наблюдалось.