Результат интеллектуальной деятельности: Гетерогенный активный припой для пайки металлокерамических и керамических вакуумно-плотных соединений

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования при пайке металлокерамических и керамических соединений высоковакуумных изделий, например, электровакуумных приборов.

В основе протекающих процессов пайки лежит взаимодействие активного металла с окислами керамики, при этом титан (цирконий, ниобий, и др.), растворяясь в припое, обеспечивает растекание активного сплава по поверхности не металлизированной керамики. Пайку активными припоями вакуумно-плотных изделий как правило проводят в вакууме или инертном газе.

Известен высокотемпературный припой на основе титана-циркония-берилия. (патент Великобритании 921185, С22С 16/00, 13.03.1963).

Недостатком припоя системы титан-цирконий-бериллий является склонность к образованию интерметаллидов бериллия в паяных швах соединений, что влечет за собой низкую вакуумную плотность.

Известен быстро закаленный ленточный припой на основе титана-циркония? содержащий титан, цирконий, медь, никель и кобальт (заявка Китая CN 102430874, B23K 35/32, 02.05.2012).

Недостатком указанного припоя является ограниченность применения и недостаточно высокий уровень механических свойств паяного соединения. При этом также существует проблема образования хрупких интерметаллидных фаз.

Известен также ряд припоев марки СТЕМЕТ (www.stemet.ru), например, припой состоящий из циркония, берилия, алюминия и титана, причем припой является гомогенным и ему придано аморфное структурное состояние. Припой выполнен в виде гибкой ленты (Патент РФ №2517096, B23K 35/30, 17.05.2013).

Недостатком данного технического решения является высокое содержание в припое титана и циркония. В аморфном состоянии припой является пластичным, но после пайки он приобретает кристаллическую структуру и становится хрупким интерметаллидом. Наличие в припое большого количества активных металлов также способствует образованию интерметаллидов на границе раздела припой-спаиваемая поверхность с металлами и их окислами, входящими в состав металлических конструкционных сплавов и керамики, спаиваемых между собой. В итоге паяное соединение металл/керамика или керамика/керамика насыщается избыточными интерметаллидами, обладающими низкой пластичностью, что приводит к образованию микротрещин в паянном шве, вследствие чего невозможно обеспечить высокую вакуумную плотность спая. Как правило в таких паяных соединениях проверка герметичности по натеканию по гелию более 1×10^-7 Па м³/с, что неприемлемо для работы высоковакуумных приборов, где требуется вакуум не менее 3×10^-12 Па м³/с. Как правило в процессе работы высоковакуумный прибор нагревается, что приводит к появлению в паяном шве дополнительных напряжений, возникающих за счет разных коэффициентов теплового расширения (КТР) металлических и керамических деталей. Возникновение напряжений приводит к лавинообразному росту микротрещин в паяном шве, что приводит к потере вакуума и выходу из строя вакуумного прибора.

Как уже было отмечено, ввиду хрупкости сплавов титана, циркония, ниобия и других активных металлов с большинством различных металлов, активные припои трудно получить, поэтому используют проволоку с сердечником из активного металла.

В качестве прототипа рассматривается гетерогенный припой в виде стержня, внутренняя часть которого, изготовленная из активных металлов (титан, стронций, торий, гафний), заключена в оболочку из дуктильного металла или сплава. При этом металл оболочки имеет более низкую точку плавления, чем металл сердечника, и в расплавленном состоянии растворяет часть металла сердечника, образуя сплав, смачивающий поверхность керамики. (Рот А. Вакуумные уплотнения. Пер. с англ. М., «Энергия», 1971, стр. 154).

Недостатком известного решения являются одинаковые физико-химические свойства полученного припоя на границе раздела припой-поверхность, что часто приводит к невозможности пайки систем металл/керамика или двух различных керамик. Т.е. припой может хорошо взаимодействовать с одной из спаиваемых поверхностей, а на другой поверхности могут образовываться хрупкие интерметаллиды или растворы замещения, например, раствор кислорода в титане, делающие невозможным получение вакуумно-плотного паяного шва в системе металл/керамика или системы из разных керамик. Кроме того, производство гетерогенного активного припоя в виде стержня характеризуется высокой трудоемкостью.

Применение активного припоя в виде проволоки во многих случаях невозможно ввиду конструктивных особенностей паяемых изделий. В таких случаях проволока может быть расплющена, но это увеличивает опасность изменения однородности оболочки припоя вокруг сердечника.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение повышение эксплуатационных характеристик припоя, расширение технических возможностей по совместимости со спаиваемыми материалами, повышение адгезионных свойств и вакуумной плотности.

Решение поставленной задачи реализуется следующим образом.

1. Гетерогенный активный припой для пайки металлокерамических и керамических вакуумно-плотных соединений, состоящий из базовой основы и активного металла, отличающийся тем, что базовая основа припоя выполнена в виде фольги, на поверхность которой нанесен слой активного металла, составляющего масс. % 1,5÷4 фольги.

2. Гетерогенный активный припой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используется медь.

3. Гетерогенный активный припой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используется медно-серебряный сплав.

4. Гетерогенный активный припой по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базовой основы используется серебро.

5. Гетерогенный активный припой по пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве активного металла использован титан, цирконий, тантал или гафний.

6. Гетерогенный активный припой по пп. 1-5, отличающийся тем, что слой активного металла нанесен на фольгу с обеих сторон.

Заявленный припой базируется на том, что в основе протекающих процессов пайки лежит взаимодействие активного металла с окислами керамики, при этом активные металлы, являясь межфазно-активной добавкой, растворяясь в припое, обеспечивают растекание активного сплава по поверхности не металлизированной керамики.

Использование тонких слоев активных металлов в небольших количествах (1,5-4) масс. % по отношению к базовой основе (металлическая фольга) снижает количество интерметаллидов и растворов замещения в спае, тем самым ограничивая рост концентраторов напряжения и микротрещин и, тем самым, обеспечивает высокую степень герметичности спая.

Кроме этого припой обладает хорошими адгезионными свойствами и удовлетворительной смачиваемостью спаиваемых поверхностей.

Изготовление припоя для пайки металлокерамических узлов электровакуумного прибора, состоящих из ковара марки 29НК-ВИ, бескислородной меди марки М0Об., алюмооксидной вакуумно-плотной керамики марки ТСМ303. Вакуумная плотность прибора по воздуху и гелию должна быть не хуже первого класса по ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность» Серия 32. Единая система оценки соответствия в области промышленной, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве. Выпуск 8. методические рекомендации о порядке проведения контроля герметичности технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах СДОС-07-2012. Москва 2012.

Рабочая температура прибора до 400°С, режим работы циклический.

Для технологического обеспечения пайки металлокерамических узлов электровакуумного прибора применен способ изготовления активных припоев методом магнетронного напыления активного металла на базовую фольгу. Контроль герметичности электровакуумного прибора производился с применением масс-спектрометрического гелиевого течеискателя с чувствительностью 5×10^-13 м³Па/с методами гелиевого обдува и гелиевой камеры. Результаты контроля показали, что паяные металлокерамические и керамические швы прибора, имеют высокую адгезию, пластичность и обеспечивают вакуумную плотность, не хуже 2×10^-12 Па м³/с.

Свойства припоев с различным содержанием активного металла и приведены в таблице.

На чертеже приведены образцы припоя с нанесенным слоем активного металла на базовую основу (фольгу): а) с одной стороны, б) с двух сторон, где поз. 1 - слой активного металла, поз. 2 - базовая основа в виде фольги.

Полученный гетерогенный активный припой обладает хорошей адгезией, а паяные металлокерамические и керамические швы с его применением пластичны и обеспечивают вакуумную плотность.