Способ клееносборного соединения керамики и металла

 

Изобретение относится к области изготовления узлов и деталей электрических реактивных двигателей малой тяги и технологических источников плазмы и может найти применение в металлургии, энергетике, приборостроении. Способ включает применение клеевой композиции на основе алюмохромфосфатного связующего и изготовление металлической обечайки, соединяемой с керамической камерой изолятором с формированием на обечайке заклепочных отверстий и буклевок с заданным шагом. На керамике предусмотрено создание канавок и рельефа заданной геометрии в определенном соотношении толщин обечайки и керамики. В качестве наполнителей предложено применение природных минералов и нитевидных кристаллов, волокон нитридов алюминия, кремния, бора. Способ позволяет существенно повысить прочность, надежность и термостойкость соединения, что приводит к повышению ресурса работы двигателей и источников плазмы. 16 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

Изобретение относится к соединению прецизионных тонкостенных керамических деталей с соотношением диаметра к толщине выше 50:1, в частности камер-изоляторов из горячепрессованных и литых керамик с обечайками из титановых сплавов, коваров применительно к изделиям спецтехники, работающим в высоком вакууме. В частности, оно относится к изготовлению катодных и анодных клееносборных узлов электрических двигателей малой тяги - ЭРД МТ и технологических источников плазменного напыления УПН, в которых применяется стойкая к ионно-плазменному уносу нитридная керамика.

Изобретение решает задачу повышения прочности, надежности и ресурса работы двигателей и источников плазмы и может найти применение также в энергетике, приборостроении, металлургии, электротехнике.

Известна технология формирования клееносборного соединения керамики и металла нахлесточным соединением через заклепку по центру соединяемых деталей (Дж. Шилде. Клеящие материалы (с англ.) М, Машиностроение, 1981, С12 - аналог). Способ не позволяет получить равнопрочное, надежное соединение применительно к тонкостенным цилиндрическим изделиям диаметром 50 - 100 и более 140 мм.

Наиболее близким заявляемому является способ склеивания тонкостенных камер-изоляторов ЭРД МТ и технологических источников типа М-100 клеем КМ-41М на основе алюмохромфосфатного связующего по ОСТ 92-0949-74 с наполнителями окисью алюминия (электрокорундом белым) или волокнами нитридов, включающий образование и заполнение клеевой композицией заклепочных отверстий на тонких обечайках с их предварительным оксидированием.

Недостатками способа является чувствительность соединений к образованию трещин и отслоений при случайных вибронагрузках вследствие недостаточной жесткости системы, а также нестабильные показатели прочности и термостойкости при термоциклировании и ресурсных испытаниях двигателей в вакууме и разогреве кромок камеры до 750 - 900^oC.

Для повышения прочности и эксплуатационных характеристик при сохранении высокой технологичности и снижении трудоемкости в известном способе склеивания керамических камер-изоляторов 1 с металлическими обечайками 2 обечайку изготовляют толщиной 0,1 - 0,2 толщины стенки керамического изолятора и проводят склеивание с перекрытием клеевым составом на 0,2 - 0,3 высоты изолятора (фиг. 1 и 2) и заполнением заклепочных отверстий 3 и буклевок 4 на обечайке алюмохромфосфатным клеем с введением в него кристаллических волокон и порошков природных минералов, содержащих соединения кремния, алюминия, хрома, бора, титана в виде окислов или нитридов этих элементов.

При этом (фиг. 2 и 3) предусматривается выполнение заклепочных отверстий 3 группами в шахматном порядке по контуру обечайки, их чередование с буклевками (гофрами) на 0,7 - 0,9 высоты обечайки. Одновременно на керамической камере формируют кольцевые канавки 5 (фиг. 2) с заданным шагом, равным толщине керамической камеры 6, глубиной более толщины обечайки 7, а заклепочные отверстия и буклевки 8, 9 (фиг. 3) заполняются клеевой композицией полностью по всей поверхности буртика на керамической камере.

Кроме того, способ предусматривает проведение химико-термической обработки металлических обечаек - вакуумное нитрооксидирование с предварительной абразивной обработкой, лазерную обработку с созданием кратеров по вершинам кольцевых выступов на керамике перед склеиванием, а также предварительное смачивание поверхности клеевой композицией без наполнителя.

Предусмотрено также использование природных материалов и соединений, вводимых в качестве наполнителя клеевой композиции, содержащих только один оксид или нитрид или несколько соединений перечисленных элементов одновременно.

При практическом осуществлении способа проводили склеивание керамических камер из борнитридкремнистой термостойкой керамики БГП, БГП-10 по ТУ АДИ 108-77 и ТУ АДИ 238-86 с обечайками из сплава ВТ 1-0, лет и листов по ОСТ 190027-71, ОСТ 90218-76.

В качестве наполнителей использованы вводимые в клей КМ-41М кристаллические волокна, нитевидные кристаллы, порошки нитрида кремния ГОСТ 22536-1. -77, нитрида алюминия ТУ 6-02-1170-84, оксида алюминия по ТУ 6-02-7-172-83, перлита природного строительного, пирофиллита Уральского, кварцевого порошка прокаленного, молотого.

Лазерную обработку проводили на установках "Квант-15", "Квант-16", вакуумную сушку, дегазацию вели в вакуумных шкафах СНВЛ-3.3.3/3,5.

Вакуумное нитрооксидирование проводили в атмосферах вакуумного пиролиза моноэтаноламина, триэтаноламина в малоэнергоемких печах СШОЛ-ВНЦ и СНОЛ-ВНЦ при остаточном давлении в ретортах при температуре обработки 650 - 840^oC, равном 0,8 - 2,6 Па.

Варианты и последовательность введения наполнителей в клей КМ-41, КМ-41М, как и режимы отверждения, сушки проводили по ОСТ 92-0494-74, с учетом и исходя из особенностей конструкции обечаек, камер-изоляторов для каждого из изготавливаемых изделий, а также в зависимости от основных и модифицируемых компонентов керамик, взятых для изготовления камер СПД (стационарных плазменных двигателей) и ЭРД МТ.

Пример 1. Камеры анодного блока СПД М-140 диаметром 140 мм и толщиной стенки 2,5 мм склеивали с обечайками титановыми из ленты толщиной 0,25 мм с применением клея на основе алюмохромфосфатного связующего. Состав клея: 38 вес.% алюмохромфосфатного связующего, 10 вес.% нитевидных измельченных кристаллов нитрида кремния, 18 вес.% гидроокиси алюминия, 34 вес.% электрокорунда.

В обечайках предусматривалось изготовление заклепочных отверстий диаметром 3,5 мм шагом 6 мм, в шахматном порядке по контуру, чередующихся с буклевками.

Обечайки подвергали гидроабразивной обработке по внутреннему диаметру и затем нитрооксидировали в вакуумной реторте при 700^oC в течение 30 минут.

При склеивании камеры керамические поверхности смачивали связующим, а затем наносили клеевую композицию по контуру на участке 0,3 высоты камеры, где были сформированы буртики высотой 1,5 мм, шагом 2,5 мм. После ступенчатой сушки при комнатной температуре и температурах 50 - 120^oC с замедленным охлаждением проводили дополнительную вакуумную обработку при 350^oC в течение 1 ч.

Технология позволила получить высокопрочное клеевое соединение с усилием среза при комнатной температуре выше 870 кгс, стойкое к динамическим нагрузкам и термоциклированию. Ресурс работы после испытания узла на вибростенде при нагрузках выше 50g превысил 4000 ч. При этом не наблюдалось трещин, выкрашиваний и смещения камеры относительно обечайки при всех видах испытаний.

При увеличении ресурса работы в 2,4 раза одновременно снизилось газовыделение на начальной стадии испытаний и исключено газовыделение на всех этапах ресурсных испытаний. Трудоемкость и затраты на вспомогательные материалы сократились на 30%.

Пример 2. Клееносборное соединение камеры из керамики БГП модуля М-100 с толщиной стенки 2 мм с титановой обечайкой из сплава ВТ 1-0 осуществляли по предложенному способу.

В обечайке толщиной 0,4 мм формировали заклепочные отверстия диаметром 3 мм в шахматном порядке и буклевки 1,8 мм на высоту клеевого шва 18 мм, а на камере-изоляторе выполняли буртик высотой 16 мм с нанесением по окружности канавок глубиной 0,5 мм шагом 2 мм. Перед склеиванием на вершинах кольцевых выступов по центру ответных заклепочных отверстий на обечайке лазером создавали кратеры глубиной 0,2 мм, а затем склеиванием на вершинах кольцевых выступов по центру ответных заклепочных отверстий на обечайке лазером создавали кратеры глубиной 0,2 мм, а затем проводили склеивание с предварительно обработанной электрокорундом обечайкой.

Клей КМ-41 содержал дополнительно 11 вес.% природного вулканического перлита в качестве наполнителя (Перлит Среднеазиатского происхождения содержал окислы алюминия, кремния, следы титана и бора).

После склеивания, холодной и горячей сушки проводили вакуумную дегазацию сборки при 400^oC в течение 30 мин.

Клеевое соединение имело прочность при сдвиге 30 - 34 кгс/см² и обеспечило сохранение целостности клеевого шва при виброиспытаниях на пяти частотах и при испытаниях на случайные нестандартные нагрузки, имитирующие вибрацию при жестких условиях космического пуска.

На фиг. 4 приведен внешний вид камеры-изолятора технологического источника плазмы М-100, выполненной из горячепрессованной боркремнистой нитридной керамики БГП-10, прошедшей склеивание с обечайкой из титанового сплава ВТ 1-0 по предложенной технологии с формированием заклепочного соединения, с применением клеевой композиции с дополнительными наполнителями, при заявляемых соотношениях толщин и способов подготовки поверхности при формировании клеено-сборного соединения Ресурс работы узла превысил 5000 ч при разогревах камеры до 800^oC в рабочей зоне и до 600^oC в зоне клеевого шва, охрупчивания и образования пылевидных продуктов деструкции не наблюдалось.

Термостойкость на базе 12 тыс. теплосмен повысилась в сравнении с известным способом крепления камер в металлической обечайке в 2,1 раза, практически достигнуто согласование коэффициентов линейного и объемного термического расширения соединяемых материалов. Эффективность способа складывается из снижения удельных затрат на вспомогательные материалы, трудоемкость, электроэнергию в сочетании с повышением надежности изделия в целом.

Пример 3. Обечайка ленточная с фланцем цельнометаллическим технологического источника плазмы собиралась в узел с формированием клееносборного соединения с керамикой по предложенной технологии (фиг. 1).

Параметры технологий подготовки и склеивания, а также полученные результаты для данного технологического варианта приведены в табл. 1. При этом в клей КМ-41М было введено 10 вес.ч. кристаллических волокон нитрида алюминия при соотношении остальных компонентов - связующего алюмохромфосфатного по ОСТ 92-1416-79 90 вес.ч., гидрата окиси алюминия по ГОСТ 11 841-76 8 вес.ч., электрокорунда по ОСТ 2МТ 71-5-84 75 вес.ч.

Толщина обечайки была 0,3 мм, по всему периметру обечайки были сформированы заклепочные отверстия диаметром 3,2 мм в шахматном порядке, кратковременное нитрооксидирование предварительно дробеструенной электрокорундом обечайки велось при 750^oC, 20 мин.

В результате получены соединение с абсолютно согласованным к.л.т.р. обечайки, керамики, клеевого шва, высокая термостойкость и прочность соединения в 1,5 раза выше, чем в известном способе.

Ресурс работы изделия составил более 4500 ч, обеспечены надежное крепление изолятора и высокая работоспособность при динамических нагрузках; а также при термоциклировании в высоком вакууме.

В табл. 2 приведены сравнительные характеристики по прочностным и эксплуатационным характеристикам изделия М-100 ЭРД МТ при выполнении клееносборного узла анодного блока по предложенному и известному способу с различными схемами наполнителей клеевой композиции на базе КМ-41М.

Таким образом, предложенный способ прост в осуществлении, технологичен в исполнении в условиях серийного и опытного производства и позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий.

Кроме того, оказались весьма высокопрочными и надежными клеевые соединения деталей катодов ЭРД МТ, выполненные по заявляемой технологии, при различных толщинах вклеиваемой в металлические обечайки керамики. Так при склеивании коваровых (сплав 29НК) обечаек с керамикой БГП-10 получено высокопрочное соединение, работоспособное при 420 - 500^oC.

Формула изобретения

Способ клееносборного соединения керамики и металла, преимущественно тонкостенных керамических изоляторов с кольцевыми металлическими обечайками, включающий создание заклепочных отверстий на обечайке перед склеиванием, абразивную обработку поверхности, сборку и склеивание алюмохромфосфатным клеем, отличающийся тем, что обечайку изготовляют из тонколистовой заготовки толщиной 0,1 - 0,2 толщины стенки керамического изолятора и проводят склеивание с покрытием клеевым составом на 0,2 - 0,3 высоты изолятора и заполнением заклепочных отверстий алюмохромфосфатным клеем с наполнением кристаллическими волокнами или порошками природных минералов, содержащих соединения кремния, алюминия, хрома, бора, титана в виде оксидов или нитридов этих элементов при раздельном или одновременном введении их в клей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обечайку выполняют с заклепочными отверстиями, расположенными группами в шахматном порядке по контуру обечайки.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что группы заклепочных отверстий чередуют с вертикальными буклевками по всей обечайке на 0,7 - 0,9 ее высоты.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обечайку после формирования заклепочных отверстий подвергают нитрооксидированию в окислительной атмосфере или в вакууме.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на керамической камере в зоне склеивания формируют кольцевые или винтовые канавки с заданным шагом.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в клей вводят волокна нитрида алюминия заданной фракции.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в алюмофосфатный клей в качестве наполнителя вводят кристаллические волокна нитрида кремния.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в клей вводят волокна нитрида бора.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в клей вводят волокна нитрида титана.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в клеевую композицию вводят волокна оксида алюминия и нитрида кремния одновременно.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в клей вводят порошок природного вулканического перлита.

12. Способ по любому из пп.1, 6 - 10, отличающийся тем, что перед склеиванием керамики смачивают ее поверхность в зоне клеевого шва связующим без наполнителя.

13. Способ по п.5, отличающийся тем, что шаг винтовых канавок берут равным толщине керамического изолятора.

14. Способ по п.5, отличающийся тем, что на выступах кольцевых канавок перед склеиванием формируют лазером кратеры глубиной 0,05 - 0,1 толщины стенки изолятора.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что кратеры формируют по центру отверстия заклепочного соединения на обечайке.

16. Способ по п.4, отличающийся тем, что вакуумное нитрооксидирование проводят на глубину 5 - 20 мкм.

17. Способ по любому из пп.5 - 11, отличающийся тем, что после сушки клеевого соединения проводят вакуумную дегазацию при 300 - 600^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6