В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Способы изготовления герметичных неразъемных соединений
Элементы вакуумных конструкций - Способы соединения ваккумных систем
Оглавление
Способы изготовления герметичных неразъемных соединений
Соединение стекло — стекло
Соединение стекло — металл
Соединение металл — металл
Керамические соединения
Соединения других материалов
Все страницы

Способы изготовления стеклянных деталей вакуумных установок, естественно, определяются стандартными технологиями, принятыми в производстве стекла.


Подробное изложение различных технологических методов изготовления стекла, а также устройство деталей различных электровакуумных приборов и способы их сборки приведены в работе Эспе. Аналогично, способы изготовления металлических деталей основаны на стандартных методах обработки металла. Однако существуют некоторые ограничения, связанные с проблемой обезгаживания металлов, которые необходимо учитывать при конструировании. Это относится и к керамическим деталям. Подробный обзор технологических методов изготовления устройств или деталей установок сверхвысокого вакуума выходит за рамки этой книги, поэтому остановимся только на способах соединения деталей вакуумных установок, которые способны обеспечить выполнение жестких требований, предъявляемых к вакуумным системам. В этой главе мы рассмотрим только неразъемные соединения элементов из одинаковых или разл ичных материалов.


За редким исключением стекла соединяются между собой и с другими материалами путем пайки (сварки), для чего соединяемые места нагреваются значительно выше точки размягчения стекла (до его расплавления). Поскольку стекло обладает повышенной хрупкостью, определяющими параметрами при изготовлении вакуумно-прочного соединения элементов из стекол разных сортов являются их коэффициенты термического расширения, которые должны быть примерно одинаковыми в широком интервале температур. Как правило, два стекла различного состава удовлетворительно спаиваются, если их усредненные коэффициенты термического расширения различаются не более чем на 10% и их температуры перехода близки. Кроме того, эти стекла должны обладать хорошей взаимной растворимостью.

Если вследствие различия коэффициентов термического расширения два стекла нельзя спаивать, то можно воспользоваться для их соединения стеклом с промежуточным значением коэффициента термического расширения. В результате получается так называемый переходный спай. Для соединения мягкого стекла с пирексом выполнение условия расхождения коэффициентов термического расширения не более чем на 10% между двумя соседними стеклами требует нескольких промежуточных спаев (до 7). Поэтому при изготовлении таких переходных спаев следует с особой тщательностью контролировать равномерность толщины спаиваемых стенок. Длина каждой ступени перехода должна быть достаточной для обеспечения релаксации напряжений, возникающих на концах участка.

Чтобы возникающие напряжения свести к минимуму, необходимо все спаи (в особенности переходные) подвергать тщательному отжигу, желательно в печах. Для этого спаянную стеклянную деталь нагревают выше точки отжига и выдерживают в печи в течение длительного времени (до 1 ч для крупных деталей), а затем очень медленно охлаждают до комнатной температуры.

Другой метод неразъемного соединения деталей из стекол с близкими коэффициентами термического расширения основан на использовании различных стеклоцементов1). Стеклоцементы представляют собой стекла, температура размягчения которых существенно ниже, чем у соединяемых элементов. Например, для соединения деталей из натриевых стекол используется стеклоцемент, размягчающийся при 300—400 0C В процессе пайки соединяемые детали не размягчаются и не деформируются. Поэтому описанный метод особенно полезен для уплотнения плоских оптических окон или линз.
Обычно стеклоцемент приготовляется в виде суспензии мелких гранул стекла в нитро-целлюлозном связующем и наносится на соединяемые детали кисточкой или каким-либо другим способом.

Из стеклоцемента можно предварительно готовить методами горячего литья или прессования с последующим спеканием промежуточные элементы определенной формы (например, кольца). Затем соединяемые детали и промежуточный элемент заданной формы нагревают в печи до температуры размягчения стек лоцемента и прижимают друг к другу (возможно, даже под собственным весом). Коэффициенты термического расширения стеклоцемента и стекол, из которых изготовлены спаиваемые детали, также должны быть близкими, поэтому стеклоцементы для спаивания мягких стекол более доступны, чем для твердых.

Как правило, стеклоцементы приготовляются на основе бо-ратных стекол, которые уступают силикатным по химической стойкости. С другой стороны, благодаря своей химической активности эти стекла хорошо соединяются с силикатными стеклами. Кроме того, для соединения стеклянных деталей используются стеклокерамические цементы типа «пирокерам», преимущество которых заключается в том, что в процессе плавления они расстекловываются и превращаются в материал типа керамики с существенно более высокой температурой размягчения. При обезгаживании такие соединения можно нагревать до более высоких температур.


Особую трудность представляет соединение стекла с металлом. Требуемая степень согласованности коэффициентов термического расширения а стекла и металла зависит от вида соединения, пластичности используемого металла и технологии отжига. Кроме того, представляет проблему получение вакуум-но-плотного соединения металла и стекла ввиду их плохой ко-гезии. Для преодоления этой трудности обычно поверхность металла предварительно оксидируют; в процессе пайки слой оксида металла до некоторой степени растворяется в стекле, улучшая когезию.

Для некоторых сочетаний стекло — металл слой оксида образуется в процессе соединения, так что не требуется предварительное оксидирование металла. Еще одним условием получения хорошего соединения является тщательное обезгаживание металла, иначе в стекле в месте соединения могут образоваться пузырьки воздуха, которые могут стать источником натекания газа в вакуумной системе.

В случае стеклометаллического соединения, работающего в широком диапазоне температур, необходимо рассматривать поведение кривых термического расширения используемых материалов во всей области температур — от комнатной до температуры размягчения стекла. Термическое расширение стекла изменяется практически линейно вплоть до точки отжига, где резко возрастает.

Для чистых металлов термическое расширение близко к линейному при любых температурах. Следовательно, некоторые чистые металлы можно соединять со стеклами, не опасаясь возникновения значительных напряжений, за исключением вольфрама и молибдена, для которых пригодны лишь специальные боросиликатные стекла. Вольфрам,  может соединяться с боро-силикатным стеклом марки 7720 или ему подобным, а молибден — со стеклом марки 7052, обладающим более низкой температурой плавления (см. табл. 2.1).

Спаи проволоки или стержней из этих металлов со стеклом не должны испытывать существенных напряжений сжатия. Поэтому пайку следует проводить с осторожностью, чтобы не переоксидировать металл, гак как и молибден, и вольфрам легко окисляются, а образующийся слой окисла обладает плохой когезией. Такие соединения предназначаются в первую очередь для сверхвысокого вакуума, особенно когда требуются немагнитные соединения.

Для получения термо-компенсированных (согласованных) соединений стекла с металлом используют специальные сплавы железа. За основу берется желе-зоникелевый сплав, а для которого можно подбирать в соответствии с сортом технического стекла за счет изменения содержания никеля (в пределах 35— 60%). Коэффициенты термического расширения а этих сплавов начинают быстро возрастать при температуре магнитного перехода (точка Кюри Тк), что достаточно хорошо согласуется с поведением стекла при температуре отжига. Типичные графики для коэффициента термического расширения сплавов этого типа, выпускаемых в Великобритании, представлены на рис. 2.12.

На этом же рисунке также представлены кривые термического расширения двух стекол, соответствующих выбранным сплавам, а в табл. 2.9 — составы сплавов и марки соответствующих стекол. Для железоникелевого сплава, не содержащего никаких специальных добавок, уменьшение содержания никеля приводит к снижению коэффициента термического расширения, но, к сожалению, при одновременном понижении температуры Кюри.

 

Таблица Марки железоникелевых сплавов и стекол для термокомпенсированных вакуумных соединений


 

Чтобы повысить герметичность и прочность соединения, в сплав часто добавляют небольшое количество хрома (0,8-^6%). Образующийся в процессе пайки оксид хрома хорошо растворяется в стекле и обладает хорошей когезией к металлу. Можно также покрывать сплав тонким слоем меди.

Для этого пруток из основного сплава 42Ni—58Fe покрывается медью и затем вытягивается. Образующаяся после вытягивания проволока покрывается слоем расплавленной буры (бората), под действием которой в процессе впайки проволоки в стекло образуется красный оксид меди, который обеспечивает хорошее соединение стекла с медью.

Несмотря на то что коэффициент термического расширения сплава Ni—Fe значительно ниже, чем для большинства мягких стекол, высокая когезия оксида и пластичность меди позволяют получать хорошее соединение даже со свинцовым стеклом.

Добавление кобальта к железоникелевому сплаву или частичное замещение никеля кобальтом приводит к повышению температуры Кюри без существенного изменения а (рис. 2.12). Такие сплавы используются при соединении с твердыми стеклами и представляют наибольший интерес для вакуумной техники.

Первым сплавом, разработанным для соединения со стеклом, был ковар, состоящий из 54% Fe, 29% Ni и 17% Со.  Ковар дает термокомпенсированные соединения с боросиликатным стеклом типа 7052. В настоящее время во многих странах выпускаются аналогичные сплавы под различными названиями, например вакон-12, телкосил-1 и нило-К. Эти высокочистые сплавы обычно изготовляются методом вакуумной плавки, а готовые для соединения элементы предварительно прокаливаются в вакууме. Как правило, перед соединением со стеклом сплав предварительно оксидируется, но в некоторых случаях (особенно для стекол, изготовленных методом спекания) предварительного окисления не требуется. В условиях низких температур ковар следует использовать с осторожностью, поскольку при 720 К изменяется его структура, вследствие чего повышается а. При низких температурах применяют специальные сплавы.

Если трубки из стекла и из нержавеющей стали соединяются коваровым переходником, то минимальная длина коваро-вой трубки, необходимая для предотвращения концентрации напряжений в стекле, определяется по формуле

где а — радиус и h — толщина стенки трубки.

В любой высоковакуумной системе число элементов из ко-вара, образующих высоковакуумную оболочку, должно быть минимально ввиду относительно высокой газопроницаемости ковара по отношению к водороду.

Другим сплавом, используемым для соединения с мягким стеклом, является сплав железа с хромом. Он широко применяется в электровакуумном производстве, во-первых, вследствие того, что не может быть переоксидирован и поэтому допускает более свободные технологические режимы изготовления соединения, и, во-вторых, благодаря его жесткости, которая позволяет вводить свинцовую проволоку непосредственно в разъем.

Термонекомпенсированные соединения могут быть изготовлены из пластичных металлов типа платины или меди, так что напряжения, возникающие в зоне соединения, с изменением температуры будут релаксировать за счет деформации металла. Для этого профиль стенки медной трубки в месте соединения со стеклом значительно утончают, делая его подобным профилю стального пера (так называемое соединение типа Хаускипера). Удается получить аналогичные соединения даже с нержавеющей сталью [44]. Альтернативные соединения, называемые соединениями с термокомпрессионной связью, выполняются с помощью прокладок из мягкого металла (индия или золота), помещаемых между соединяемыми металлом и стеклом.

Вследствие высокой пластичности золото и индий частично поглощают напряжения, возникающие в результате несоответствия коэффициентов термического расширения соединяемых деталей. Этот метод усовершенствован применительно к соединению стекла с более твердыми металлическими материалами, такими, как ковар, при температурах ниже то чки размягчения. Соединение осуществляется за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия Такое соединение требует особой чистоты поверхностей и их полировки с высокой степенью точности.


Известны два основных метода изготовления неразъемных соединений металла с металлом. По первому методу соприкасающиеся поверхности свариваются в результате их плавления или сильного сжатия без участия какого-либо промежуточного металла. По второму методу между соединяемыми поверхностями вводится промежуточный материал, более мягкий и с более низкой температурой плавления, причем в процессе соединения плавления поверхностей соприкасающихся деталей не происходит. Первый метод соединения металлов называется сваркой, а второй — пайкой.

Строго говоря, приведенные определения этих процессов не вполне корректны, поскольку в некоторых случаях сварки используются промежуточные металлические материалы. Сварку обычно применяют для соединения однотипных металлов или в тех случаях, когда металлы способны образовывать сплавы, тогда как пайка позволяет получать соединения разнородных металлов. В отличие от стекла, для металлов согласование коэффициентов термического расширения не столь важно, поскольку они обладают больш ей пластичностью. Металлы со значительно различающимися а могут быть удовлетворительно соединены при правильной конструкции соединения, например, благодаря специальному профилированию соединяемых стенок. С другой стороны, следует учитывать, что образующийся в результате сварки сплав может быть хрупким и неспособным к отпуску.

Тот или иной способ соединения металлических материалов выбирается в зависимости от материала и формы соединяемых деталей, а также от функциональных особенностей соединения. Так, для наружных элементов вакуумных систем важнейшим критерием является прочность, а для вакуумной оболочки— герметичность. Ниже будут рассмотрены, главным образом, различного типа соединения вакуумных металлических элементов, технология их изготовления и меры предосторожности.

Для получения вакуумно-плотных соединений типа металл— металл используются следующие способы сварки: а) газовая ацетилено-кислородная, б) контактная, в) электродуговая, г) электроннолучевая, д) лазерная и е) холодная1. В процессе газовой сварки кромки соединяемых деталей расплавляются в пламени кислород-ацетиленовой смеси. Этот способ широко применяется для сварки малоуглеродистых и низколетированных сталей. Сплав, получающийся в результате сварки, может быть пористым вследствие поглощения газа расплавленным металлом; кроме того, в зоне сварки происходит интенсивное окисление металлов.

Поэтому этот способ сварки для получения вакуумно-плотных соединений практически не применяется.Контактная сварка осуществляется в результате омического нагрева плотно прижатых свариваемых деталей при прямом пропускании через них тока большой силы. Контактная сварка характеризуется ограниченной площадью сварки; она может быть точечной или шовной. Точечная сварка широко применяется при изготовлении электродов электровакуумных устройств. В настоящее время точечная сварка осуществляется импульсным током изменяющейся продолжительности и величины при изменяемом давлении в точке сварки. При соответствующем выборе этих параметров контактной сваркой можно соединять многие металлы разного типа и различной формы, например сваривать вольфрамовую нить с никелевой фольгой.

Этот способ позволяет проводить прецизионную сварку миниатюрных деталей и поэтому применяется, главным образом, в производстве электровакуумных устройств, хотя пригоден также при производстве крупных изделий, например в авиации и автомобилестроении. Получаемые швы обладают высокими прочностью и чистотой, а также (поскольку сварка осуществляется на ограниченной площади) не возникает источников натекания газа в вакуумную систему.

Современная технология позволяет проводить непрерывную контактную шовную сварку непрерывным сварочным током либо током с очень короткими интервалами, так что области сварки от двух последующих импульсов перекрывают друг друга. Таким способом можно сваривать внахлестку плоские металлические детали. Однако этот способ сварки пригоден только для относительно тонких металлических деталей (толщиной до 2 мм). Тем не менее он нашел широкое применение в электровакуумном производстве, поскольку благодаря сильно локализованному разогреву позволяет осуществлять сварку в непосредственной близос ти к другим спаям, например металла со стеклом.

Никель, железо и их сплавы, в том числе нержавеющая сталь, легко свариваются контактной сваркой с образованием прочного соединения. В случае тугоплавких металлов, таких, как вольфрам, молибден и тантал, контактная сварка не дает хороших результатов. В этих случаях используют промежуточный материал, например платину. Металлы с высокой проводимостью (серебро, медь) также трудно сваривать ввиду низкого контактного сопротивления между ними. К металлам, которые затруднительно сваривать способом контактной сварки, относится также алюминий, поверхность которого обычно покрыта изолирующим слоем оксида. Более подробно вопросы технологии контактной сварки и ее применения изложены в работе Эспе.

Наибольшее распространение в вакуумной технике для получения вакуумно-плотных соединений получила электродуговая сварка. Электродуговая сварка обычно проводится в среде атмосферного воздуха, как правило, с одним расходуемым электродом. Так же, как и газовая сварка, этот способ широко применяется в промышленности. Однако получаемый при этом шов имеет те же самые недостатки с точки зрения вакуумной техники, что и шов, полученный газовой сваркой, — пористость и окисленность.

Разновидностью электродуговой сварки, широко используемой при изготовлении вакуумных систем из нержавеющей стали, является сварка в атмосфере защитных газов (аргона, гелия, водорода). При сварке защитный газ (например, аргон) подается между центральным вольфрамовым электродом и керамическим наконечником сварочной горелки под небольшим избыточным давлением. Для сварки стали используют постоянный ток (причем электрод является катодом, а деталь — анодом), а для сварки алюминия — переменный. Выпускаются горелки различных типов и размеров, что позволяет сваривать элементы любого размера — от небольших деталей до крупных вакуумных камер.

Небольшие горелки, питаемые током до 100 А, обычно охлаждаются потоком воздуха и могут применяться для внутренней сварки в трубах и других труднодоступных местах. Большие горелки, использующие в 2—3 раза больший ток, охлаждаются водой. Благодаря защитной атмосфере инертного газа или водорода нет необходимости в использовании флюса, так как нагрев и плавление металла происходят в локальной области, поэтому можно получать очень чистые швы. Используя присадочный пруток из того же материала, что и свариваемые детали, можно утолстить место сварки.

Варьируя типоразмер горелки, расход газа, скорость перемещения горелки или свариваемой детали и т. д., можно выполнять любые сварочные работы. Ввиду ограниченной площади нагрева в сваренных деталях может возникать концентрация напряжений и, нередко, даже деформация деталей. Поэтому после сварки деталь необходимо подвергать отжигу либо механической обработке для устранения возникших деформаций. Хотя сварка с местным обдувом и не приводит к окислению металла шва, металл на его периферии все же может быть немного окислен. Для легко окисляющихся металлов, таких, как молибден или тантал, а также в тех случаях, когда к чистоте шва предъявляют повышенные требования, сварку проводят в камере, заполненной аргоном.


 

Рис. 2.13. Сварные соединения деталей вакуумных установок

Конструирование вакуумных установок, в которых предусмотрено соединение деталей с помощью сварки, следует выполнять с особой тщательностью. Важно избегать глухих отверстий и объемов, которые могут создавать мнимые течи в вакуумной системе. Также не следует без необходимости создавать полости, соединяющиеся с вакуумом, в которых могут накапливаться загрязнения. На рис. 2.13 приведены несколько типичных примеров правильно и неправильно выполненной сварки для соединений различных типов. Вообще говоря, со стороны вакуума всегда, если это возможно, следует сваривать непрерывным швом, а любая дополнительная сварка, необходимая для упрочнения соединения, должна проводиться прерывистым швом и с наружной стороны.


Электроннолучевая сварка основана на использовании энергии сфокусированного потока высокоэнергетических электронов (>10 КэВ), под действием которых металл нагревается в вакууме до температуры плавления. Ограниченные размеры вакуумной камеры, в которой проводится электроннолучевая сварка, в свою очередь лимитируют возможности этого способа сварки. Создаваемый в результате взаимодействия пучка электронов с металлом интенсивный локальный нагрев зоны сварки делает этот метод особенно эффективным для сваривания металлов с высокой температурой плавления, и в первую очередь металлов, легко окисляющихся при этих температурах. Например, этим способом можно осуществлять сварку изделий из вольфрама. Следует, однако, отметить, что электронно-лучевая сварка довольно дорога и не представляет особого интереса с точки зрения изготовления корпусов вакуумных установок.

Аналогична электроннолучевой лазерная сварка. Этот способ, в котором для нагрева металла используется энергия лазерного луча, имеет преимущество перед электроннолучевой сваркой, поскольку не требует специального вакуумного оборудования.

В последнее время в вакуумной технике приобрел популярность способ соединения металлов давлением как при комнатной (холодная сварка), так и при повышенных температурах. Этот способ применим к более мягким металлам, таким, как медь и серебро. Однако в некоторых случаях он может быть применен и к более твердым металлам, если использовать промежуточный мягкий металл между свариваемыми поверхностями, например индий между поверхностями ковара в дисковых соединениях. Свариваемые поверхности должны быть тщательно очищены от пленки окислов; необходимое для сварки давление превышает 10 кг-мм-2, хотя с ростом температуры оно может быть уменьшено.

Сварка этого типа особенно эффективна при изготовлении металлических оболочек электровакуумных приборов, в которых вывод ножек, прикрепление окон и т. п. могут быть выполнены без нагрева деталей. Ввиду необходимости прикладывать большие усилия при холодной сварке ее не рекомендуется использовать для больших вакуумных систем и особенно для неплоских поверхностей.

В некоторых устройствах, которые содержат электрические или другие вводы, доступ к сопрягаемым поверхностям для сварки осуществить невозможно; в этом случае используется пайка. Однако в технике высокого вакуума мягкие припои, а также обычная пайка на воздухе с помощью флюсов неприемлемы. Поэтому используют пайку в условиях контролируемой атмосферы или под вакуумом без применения флюсов.

Получающиеся в этом случае соединения обладают удовлетворительной герметичностью и прочностью и широко используются в технике высокого вакуума. Чтобы спаять детали, вначале их помещают в специальную камеру, где приводят в тесный контакт с помощью специальных зажимных приспособлений.

Припой в виде колец из проволоки, фольги, порошка или пасты располагают вдоль шва; затем детали нагревают до температуры плавления припоя, которая должна быть существенно ниже температуры плавления материала деталей. Нагрев осуществляется либо токами высокой частоты, либо специальными нагревателями1'. В состав припоев входят, как правило, такие металлы, как медь, серебро, золото, палладий и никель, в соответствующих пропорциях. Обычно детали, предназначенные для работы в условиях сверхвысокого вакуума, подвергаются пайке в высоковакуумных печах, рассчитанных на температуры до 1400°С.

В случае нержавеющей стали используется припой на основе никеля. Характерной особенностью таких припоев является то, что они сплавляются с нержавеющей сталью, образуя новый сплав с более высокой температурой плавления, что позволяет проводить последующую пайку с другими деталями и эксплуатировать получаемые соединения при более высоких температурах.

Проникновение расплавленного припоя в зону пайки происходит под действием капиллярных сил и зависит от зазора между деталями. Для получения плотного шва между деталями необходимо выдерживать требуемый зазор', величина которого зависит от геометрических размеров и конструктивных особенностей деталей, а также свойств соединяемых металлов и используемого припоя. Однако существуют специальные припои с наполнителем, которые позволяют вести пайку с большими зазорами — до 1,5 мм.



Соединение керамики с керамикой можно осуществить, используя технологию пайки стекла с помощью специально разработанных стеклоцементов, как расстекловывающихся, так и нерасстекловывающихся. Для керамики, имеющей в своем составе стекловидную фазу, не возникает проблем со смачиванием соединяемых поверхностей расплавленным стеклоцемен-том для получения вакуумно-плотного соединения. Однако для чистой алюмооксидной керамики обеспечение хорошей смачиваемости весьма затруднительно. Даже если используется стек-лоцемент расстекловывающегося типа, получающееся соединение приходится эксплуатировать при более низких температурах, чем позволяет керамика, что до некоторой степени снижает преимущества керамики перед стеклом.

Другим методом соединения является металлизация керамики с последующей ее пайкой, как и в случае металлических деталей. Такие соединения выдерживают нагрев до 1000°С и выше.

Высокочистую алюмооксидную керамику металлизировать довольно трудно, особенно если требуется высокотемпературное соединение. Установлено [47], что вакуумно-плотное и прочное высокотемпературное соединение может быть получена при использовании керамического припоя на основе системы оксидов Al2Os-CaO-MgO-SiO2, температура плавления которого превышает 1200 °С.

Некоторые керамические материалы могут быть соединены со стеклом путем прямого сплавления, однако при этом необходимо, чтобы коэффициенты термического расширения керамики и стекла были близкими. Выполнить это условие довольно трудно ввиду того, что для керамических материалов не характерно резкое увеличение коэффициента термического расширения в точке отжига, свойственное стеклу. Стекло и керамика с низкими коэффициентами термического расширения наилучшим образом подходят для соединения, особенно если керамика имеет в своем составе значительное содержание стеклянной фазы. При этом чаще всего используют технологию соединения на основе стеклоцемента.

В случае алюмооксидной керамики такие соединения получить трудно. Керамика в высоковакуумных системах применяется главным образом в качестве изоляторов для электрических сквозных вводов, и, следовательно, наибольший интерес для таких устройств представляют способы соединения керамики с металлом. Первые исследования, в которых были развиты основы этой технологии, были проведены в электронной промышленности в 1940-х гг. в связи с разработкой приборов микроволновой техники. Как и в случае стекла, наилучшие соединения получаются для металлов и керамик, которые обладают схожими коэффициентами термического расширения в широком температурном интервале.

Однако, поскольку керамика прочнее стекла, нет необходимости в точном совпадении этих коэффициентов. На рис. 2.10 представлены кривые коэффициентов термического расширения для нескольких керамических материалов, а также соединяемых с ними металлов. На рис. 2.12 видно, что коэффициенты термического расширения алюмооксидной керамики и железоникелевых сплавов значительно отличаются друг от друга. Однако прочность и термостойкость алюмооксидной керамики, с одной стороны, и пластичность железоникелевого сплава, с другой, позволяют получать вакуумно-плотные и прочные соединения этих материалов.

Как правило, при соединении керамики с металлом керамику сначала металлизируют, а затем спаивают с металлом при помощи тех же материалов, что и в случае пайки металла с металлом

Ключевым условием создания вакуумно-плотного и прочного соединения керамики с металлом является обеспечение хорошей когезии между керамической поверхностью и слоем нанесенного металла. Эта проблема тщательно изучалась, и в результате было разработано несколько способов металлизации керамики, среди которых основными являются твердофазный и способ с использованием «активного» металла. По первому способу суспензия тонко измельченного порошка металла (вольфрама, молибдена, железа или никеля) в растворе нитроцеллюлозы наносится кистью или как-либо иначе на керамику в виде полосы — точно по месту спайки. Покрытая суспензией керамика отжигается в атмосфере водорода при температуре несколько ниже точки размягчения керамики, как правило, в интервале температур 1300—1600 °С.

Для того чтобы полученную металлизированную керамику можно было паять, необходимо второе покрытие, которое хорошо смачивалось бы расплавленным припоем. Для этого используют никель или медь, которые обычно наносятся гальваническим способом. Прочность соединения металлической пленки с керамикой улучшается, если к порошку металла добавить марганец. Обычно порошкообразная смесь для алюмооксидной керамики состоит из молибдена и марганца в массовом соотношении 4 : 1. Считается, что марганец в процессе отжига окисляется и образует с SiO2 фазу, обладающую низкой температурой плавления, которая затем прочно связывается с молибденом.

Таким образом, этот способ соединения керамики с металлом может быть успешно реализован только в том случае, если в керамике присутствует по меньшей мере 1,5% стекловидной фазы SiO2. В некоторых случаях в металло-марганцевую смесь добавляют SiO2 в виде порошка для обеспечения вакуумно-плотных и прочных соединений с чистой алюмооксидной керамикой (>98% чистоты).

Второй метод соединения керамики с металлом основан на использовании легко окисляемых активных металлов, таких, как цирконий, тантал и титан, которые при сплавлении с керамикой образуют прочную химическую связь. Рассматриваемые металлы обладают очень высокой температурой плавления (около 17000C), поэтому для получения соединений с более низкой рабочей температурой используются либо сплавы этих металлов, либо их гидриды. Для получения такого соединения на керамическую поверхность наносится суспензия гидрида титана или циркония, а затем керамика подвергается нагреву в вакууме до температуры разложения гидрида (около 600 0C).

В результате получается керамика, покрытая слоем металла, которая затем может быть припаяна к металлической детали обычным способом. В процессе пайки происходит реакция с образованием химических связей при одновременном сплавлении титана с металлической деталью. Реакция протекает в отсутствие SiO2. Несмотря на то что этот способ освоен промышленностью, прочность получаемого соединения ниже, чем в случае твердофазного. Для алюмооксидной керамики высокой чистоты ни один из рассмотренных способов соединения не подходит.

Предложен метод соединения, основанный на использовании смеси оксидов (см. выше) с добавлением порошка оксида молибдена (80 вес. % окиси молибдена, остальное — смесь оксидов). Кроме рассмотренных способов металлизации керамики, разработан ряд других. Удовлетворительные результаты получены при металлизации керами ки методом напыления.

Вне зависимости от того, какой процесс металлизации керамики выбран, весьма важно, чтобы соединяемые детали были тщательно обезгажены и очищены, а также не имели механических дефектов, таких, как трещины или неровности. Использование в качестве припоя эвтектики1' существенно, особенно в случае использования активных металлов, поскольку такие металлы, как, например, титан и никель, могут образовывать хрупкие интерметаллические соединения.

Кроме того, керамика может быть соединена с металлом термокомпрессионным способом. Разработана конструкция устройства, с помощью которого посеребренная муфта из ин-конеля обжимается вокруг конического конца керамической трубы, создавая вакуумно-плотное соединение. С некоторым успехом проводились эксперименты по соединению керамики с металлом методом прессования при повышенных температурах в условиях вакуума или в среде инертного газа. Очевидно, использование этого метода ограничено ввиду его пригодности только для соединения деталей встык или в дисковых соединениях.

Наконец, керамика может соединяться с металлом посредством стеклоцементов, особенно расстекловывающегося типа с высокой температурой плавления.



Иногда в вакуумных системах необходимы специальные окна, которые изготавливают из различных материалов, например слюды, сапфира, кварца, фторида лития, фторида магния, германия и др. Ввиду того что окна не должны подвергаться деформациям, такие соединения допускается эксплуатировать лишь при температурах, значительно более низких, чем температура размягчения материала окна. Поэтому основные способы соединения таких материалов основаны на использовании стеклоцементов или металлических припоев, но, в принципе, пригодны и другие способы, например термокомпрессионное соединение с использованием промежуточного слоя из мягкого металла.

Ранее слюдяные окна соединялись с корпусом при помощи хлорида серебра. Это вещество обладает необычными свойствами, которые позволяют получать вакуумно-плотное соединение в тех случаях, когда не могут быть использованы обычные способы. Хлорид серебра плавится при 4570C и в жидком состоянии хорошо смачивает слюду и благородные металлы. Однако он взаимодействует с простыми металлами по реакции замещения. Будучи охлажденным, хлорид серебра представляет собой воскоподобный материал, который при малых нагрузках ведет себя упруго, а при высоких становится пластичным.

Таким образом, хлорид серебра обладает способностью образовывать термокомпенсированные соединения при различных коэффициентах термического расширения соединяемых материалов. AgCl химически недостаточно устойчив, хотя и нерастворим в воде и большинстве кислот, за исключением NH4OH и Na2S2O8. Он легко подвергается механическим повреждениям и воздействию УФ-излучения. Улучшенное соединение можно получить с помощью стеклоцементов на основе легкоплавких стекол, особенно таких, которые плавятся при температурах ниже начала процесса кальцинирования слюды (около 650 0C для природной слюды и 900 0C для синтетической). Коэффициент термического расширения слюды параллельно плоскости слойности составляет около 90•1O-7 К-1, и поэтому слюда хорошо соединяется с легкоплавким стеклом.

Синтетическая слюда, ввиду ее более высокой температуры кальцинирования, может быть сначала металлизирована, а затем припаяна. Важно, чтобы соединяющий материал, будь то хлорид серебра, стеклоцемент или металлический припой, полностью покрывал кромки окошка для предотвращения расщепления слюды во время эксплуатации.

Сапфир и кварц, имеющие высокие температуры плавления и термостойкость, как и керамика, могут соединяться с металлом посредством стеклоцемента или металлического припоя. 

 


Рис. 2.14. Способ крепления сапфирового окна. 1 — окно; 2— стеклоцемент; 3 — ковар; 4— сварной шов; 5 — корпус из нержавеющей стали.

Для компенсации различия коэффициентов термического расширения материала окна и металлической стенки последнюю целесообразно изготовлять тонкостенной. В качестве примера на рис. 2.14 показано крепление сапфирового окна к закраине из нержавеющей стали. Как сапфир, так и кварц могут быть непосредственно соединены со стеклом с помощью обычных методов пайки стекла. Сапфир, коэффициент температурного расширения которого составляет от 58 до 90*10-7 К-1, хорошо согласуется со щелочными стеклами, такими, как корнинг-7530. Кварц может быть соединен с тугоплавким стеклом посредством переходных спаев.

Для материалов с более низкой температурой плавления обычно используется способ соединения с помощью стеклоце-ментов. В настоящее время выпускается целый ряд стеклоцемен-тов с различными коэффициентами термического расширения. Например, таким способом можно припаивать окна из фторида магния.Описано нагреваемое соединение окна из фторида лития с медью й золотом, выполненное на фториде свинца.

В тех случаях, когда трудно подобрать коэффициенты термического расширения, применяется термокомпрессионное соединение с использованием промежуточного мягкого металла, например индия или свинца. Аналогично присоединяются к металлическим стенкам германиевые окна. Низкие температуры плавления промежуточных металлических материалов ограничивают температуру отжига вакуумной системы.

Однако с точки зрения получения вакуума соединения на основе этих металлов намного лучше эпоксидных. Для получения хороших соединений иногда необходимо плакировать или другим способом покрывать соответствующим металлом кромку окна. Например, в случае германия напыление нихрома с последующим покрытием золотом обеспечивает очень хорошее соединение с индием. 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 103 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru