Способ диффузионной сварки

Изобретение относится к способу диффузионной сварки. Очищают детали из нержавеющей стали и мембраны из фольги палладия или палладиевого сплава электрополировкой. Собирают в пакет. В качестве промежуточного слоя применяют фольгу из никеля. Размещают в вакуумной камере. Нагревают. Прикладывают сварочное давление и изотермически выдерживают. Сварку ведут в вакууме не хуже 5·10^-5 мм рт.ст. при температуре процесса Т=930-980˚C с выдержкой в течение 30-45 мин, при этом прикладывают сварочное давление, которое обеспечивает пластическую деформацию промежуточного слоя на 50% от его исходной толщины. Изобретение позволяет изготавливать герметичную по гелию стенку мембранного элемента, который используется для получения сверхчистого водорода (99,9999 об.%). Потребность в таком водороде для водородной энергетики и высоких технологий неуклонно растет.

 

Изобретение относится к способам получения неразъемных вакуумно-плотных соединений, в частности к диффузионной сварке изделий, состоящих из деталей из нержавеющей стали и мембран из фольги палладия или палладиевого сплава.

Известен способ соединения нержавеющей стали с палладием или палладиевым сплавом сваркой плавлением (А.с. СССР №703262 от 1974 г.). Он обеспечивает получение равнопрочного качественного соединения за счет применения промежуточного слоя из хромоникелевого сплава, но не обеспечивает вакуумно-плотного соединения указанных материалов, так как при плавлении соединяемых материалов происходит частичное выгорание химических компонентов сплавов.

Известен способ соединения нержавеющей стали с палладием или палладиевым сплавом шовной роликовой сваркой с перекрытием сварочных точек от 30 до 80% (Справочник сварщика в 4-х т. М.: Машиностроение, 1978 г).

Недостатком данного способа является также невозможность обеспечения вакуумно-плотного соединения, так как в процессе кристаллизации сварочной ванны, образующейся при прохождения импульса сварочного тока, и при повторной кристаллизации сварочной ванны, происходящей при прохождении второго - перекрывающего - импульса, происходит ее растрескивание из-за образования хрупких интерметаллидов.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа соединения изделий, состоящих из деталей из нержавеющей стали и мембран из фольги палладия или палладиевого сплава.

Техническим результатом изобретения является обеспечение равнопрочного и вакуумно-плотного (герметичного) соединения деталей из нержавеющей стали и мембран из фольги палладия или палладиевого сплава в сочетании с обеспечением вакуума не хуже 5·10^-5 мм рт.ст.

Технический результат достигается тем, что в способе диффузионной сварки деталей из нержавеющей стали с мембраной из фольг палладия или палладиевого сплава, включающем очистку соединяемых поверхностей, сборку пакета, содержащего детали из нержавеющей стали, промежуточный слой и мембрану из фольги палладия или палладиевого сплава, согласно изобретению детали из нержавеющей стали и мембраны из фольги палладия или палладиевого сплава перед сборкой очищают электрополировкой, в качестве промежуточного слоя применяют фольгу из никеля, сварку ведут в вакууме не хуже 5·10^-5 мм рт.ст., температура процесса T=930-980°C, время выдержки 30-45 мин, при этом прикладывают сварочное давление, которое обеспечивает пластическую деформацию промежуточного слоя на ~50% от его исходной толщины.

Сущность изобретения заключается в том, что данный способ, реализуемый в твердой фазе (без расплавления соединяемых материалов), позволяет получить равнопрочное и вакуумно-плотное соединение нержавеющей стали с палладием или палладиевым сплавом с прочностью на уровне прочности палладия/палладиевого сплава.

Электрополировка обеспечивает требуемую чистоту свариваемых поверхностей, а параметры диффузионной сварки (вакуум, температура, сварочное давление и время выдержки) обеспечивают сближение свариваемых поверхностей всех деталей изделия на уровне атомарного взаимодействия. Отсутствие в сварном шве хрупких интерметаллидов достигается за счет использования в качестве промежуточного слоя фольги из никеля. Отличительные признаки в совокупности дали возможность получить технический результат изобретения, т.е. обеспечить равнопрочное, вакуумно-плотное соединение нержавеющей стали с палладием или палладиевым сплавом.

Примеры выполнения способа.

Пример 1

Производили диффузионную сварку деталей из нержавеющей стали 12X18H10T и мембран из фольги палладиевого сплава состава Pd - 10 мас.%, Ag - 5,5 мас.%, Ni без предварительной электрополировки деталей, с протиркой свариваемых поверхностей салфеткой, смоченной в спиртобензиновой смеси. Между свариваемыми деталями не прокладывали промежуточных слоев. Параметры режима сварки: T=930°C, P=1 кгс/мм², время выдержки 30 мин. После сварки отсутствовала пластическая деформация деталей. Прочность соединения не превышала 10-12 кгс/мм². Сварной шов не обеспечил вакуумную плотность изделия, в зоне соединения наблюдали ряд разрушений.

Пример 2

Производили диффузионную сварку деталей из нержавеющей стали и мембран из фольги палладиевого сплава состава Pd - 10 мас.%, Ag - 5,5 мас.%, Ni, включив перед сваркой процесс обезжиривания и активации свариваемых поверхностей электрополировкой. Между свариваемыми деталями не прокладывали промежуточных слоев. Параметры режима диффузионной сварки: T=930°C, P=1 кгс/мм², время выдержки 30 мин. После сварки отсутствовала пластическая деформация деталей. Результат улучшился, появилась вакуумная плотность соединения, но прочность соединения низкая, не превышает 8-10 кгс/мм², что, вероятно, связано с образованием хрупких интерметаллидов. Для увеличения прочности необходимо применение промежуточных слоев.

Пример 3

Производили диффузионную сварку деталей из нержавеющей стали 12X18H10T и мембран из фольги палладиевого сплава состава Pd - 6 мас.%, In - 0,5 мас.%, Ru с предварительной электрополировкой свариваемых поверхностей. Между деталями помещали фольгу никеля толщиной 30 мкм. Параметры режима сварки: T=950°C, P=1,5 кгс/мм², время выдержки 45 мин. В результате применения промежуточного слоя из фольги никеля соединение оказалось вакуумно-плотным, равнопрочным, его прочность составила 18 кгс/мм². Металлографический анализ показал, что деформация промежуточного слоя из никелевой фольги составила ~50%. Эти параметры обеспечивают технический результат изобретения.

Пример 4

Производили диффузионную сварку деталей из нержавеющей стали и мембран из фольги палладиевого сплава состава Pd - 6 мас.%, In - 0,5 мас.%, Ru с предварительной электрополировкой свариваемых поверхностей. Между свариваемыми деталями прокладывали промежуточные слои из никелевой фольги толщиной 50 мкм. Параметры режима сварки: T=950°C, время выдержки 45 мин, а сварочное давление P изменяли от 0,5 до 2,5 кгс/мм². При минимальном сварочном давлении (0,5 кгс/мм²) пластическая деформация промежуточного никелевого слоя составила около 15%, сварной шов не был герметичен по всей длине. При увеличении сварочного давления (2,5 кгс/мм²) сварной шов получился герметичным, но наблюдается некоторая пластическая деформация деталей из нержавеющей стали, что не отвечает требованиям изготовления изделия.

Пример 5

Производили диффузионную сварку деталей из нержавеющей стали и мембран из фольги палладиевого сплава состава Pd - 6 мас.%, Ru с предварительной электрополировкой свариваемых поверхностей. Между свариваемыми деталями прокладывали промежуточные слои из никелевой фольги толщиной 30 мкм. Параметры режима сварки: T=980°C, время выдержки 45 мин, P=1,5 кгс/мм². Получили вакуумно-плотное соединение с прочностью 21 кгс/мм². Деформация промежуточного слоя составила 50%. Данные параметры также обеспечивают технический результат изобретения.

Способ диффузионной сварки, включающий очистку соединяемых поверхностей, сборку пакета, содержащего детали из нержавеющей стали, промежуточный слой и мембраны из фольги палладия или палладиевого сплава, размещение в вакуумной камере, нагрев, приложение сварочного давления и изотермическую выдержку, отличающийся тем, что детали из нержавеющей стали и мембраны из фольги палладия или палладиевого сплава перед сборкой очищают электрополировкой, в качестве промежуточного слоя применяют фольгу из никеля, а сварку ведут в вакууме не хуже 5·10^-5 мм рт.ст. при температуре процесса Т=930-980°C с выдержкой в течение 30-45 мин, при этом прикладывают сварочное давление, которое обеспечивает пластическую деформацию промежуточного слоя на 50% от его исходной толщины.