Спосіб з’єднання кристалічних деталей, зокрема з сапфіру

Реферат: Винахід належить до технології виготовлення виробів з кристалічних матеріалів. Спосіб з'єднання кристалічних деталей, зокрема з сапфіру, включає зварювання деталей шляхом кристалізації розплавленої контактної зони, при цьому контактні поверхні кристалічних деталей розташовують з капілярним зазором відносно одна до одної, як припій використовують розплав кристалічного матеріалу, з якого виконано деталі, припій подають до зони з'єднання з тигля через капілярну систему. Спосіб не потребує ретельної обробки і поліровки вихідних деталей і дозволяє отримувати вироби складної конфігурації, які можуть працювати в широкому діапазоні температур та механічних навантажень. UA 105885 C2 (12) UA 105885 C2 UA 105885 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до технології виготовлення виробів з кристалічних матеріалів і може бути використаний для отримання виробів різної форми: труб, стрижнів, пластин, шайб, втулок різної конфігурації і т.д. На даний час проблема з'єднання деталей із високотемпературних кристалічних матеріалів, зокрема сапфіру, дуже актуальна. Це пов'язано з тим, що виготовлення сапфірових деталей складної форми, які використовуються в різних галузях науки і техніки, методами механічної обробки не можливе через велику твердість сапфіру. При цьому, в багатьох випадках місце з'єднання повинне мати високу міцність і термостійкість таку ж, як сапфірові деталі, які з'єднуються. Основними способами з'єднання деталей є різні види зварювання і пайки з використанням металевих припоїв різного складу. Зокрема, відомо багато робіт з методів з'єднання сапфіра: сапфір - скло, сапфір - метал, сапфір - сапфір. Відомий спосіб паяння сапфіра та кераміки з металом [А. с. СССР № 464427, МПК В23K 35/36], який включає нанесення пасти, що являє собою суміш порошків молібдену, двоокису титану, окису магнію, зважених в розчині нітроклітковини в амінацетаті, на поверхню сапфіру чи кераміки, впікання пасти в режимі їх відпалу, з утворенням на їх поверхні щільного покриття, яке має високу адгезію, а потім з'єднання сапфіра чи сапфірової кераміки з металами та між собою металевими припоями з отриманням вакуумщільних і термостійких з'єднань. Відома технологія з'єднань деталей з сапфіру для експлуатації в широкому діапазоні температур від 77 до 1300 K [Венгер Є.Ф., Локшин М.М., Маслов В.П., Родічєв Ю.М., Блецкан Д.І., Пекар Я.М. Розробка комплексної технології з'єднання прецизійних деталей з лейкосапфіру у конструкційні вузли оптико-електронних приладів. Наука та інновації, 2007, Т. 3, № 6, - С. 7786], що включає нанесення шару адгезійно активного металу, зокрема титану, товщиною ~ 50 нм або нікелю ~ 100 нм для забезпечення адгезії до припою методом термічного випаровування у вакуумі на з'єднувальну поверхню деталі, з'єднання шляхом паяння з використанням стандартних промислових припоїв, паяльних паст для поверхневого монтажу друкованих плат та високочистого індію. Недоліками даних методів з'єднання сапфіра є низька механічна і недостатня температурна міцність шва, що значно звужує область застосування отриманих виробів. Відомий спосіб отримання сапфірових вікон шляхом з'єднання декількох сапфірових пластин [Richard L. Gentilman; Patrick T. McGuire; Daniel Fiore; Kim Ostreicher; Joel Askinazi Largearea sapphire windows. Proc. SPIE 5078, Window and Dome Technologies VIII, 54 (September 25, 2003) и John W. Locher; Herbert E. Bates; Steven A. Zanella; Evan С Lundstedt and Charles T. Warner The production of 225 χ 325 mm sapphire windows for IR (1 to 5 μπι) applications, Proc. SPIE 5078, Window and Dome Technologies VIII, 40 (September 25, 2003)], в якому сапфірові пластини з'єднують під навантаженням при температурі 1100 °C і 1500 °C декілька годин в залежності від розмірів деталей. Недоліком цього способу є те, що деталі в місці з'єднання повинні бути ретельно оброблені і відполіровані. При цьому деталі можуть бути з'єднані тільки по прямій лінії. Це обумовлено необхідністю забезпечення рівномірного і високого ступеня стиснення деталей по всій довжині шва. До того ж процес з'єднання займає 5 і більше годин в залежності від габаритів деталей через необхідність тривалого ізотермічного відпалу. Відомий спосіб з'єднання сапфірових деталей [Е.Р. Dobrovinskaya, L.A. Lytvynjv, V.V. Pishchik Sapphire. Material, Manufacturing. Applications. // Springer Science + Business Media, LLC 2009, p. 463-468], що включає протягування між деталями, які з'єднують, вольфрамового дроту, розігрітого до температури плавлення сапфіру, плавлення та подальшу кристалізацію контактної зони. Недоліками цього способу є те, що проплавлення контактної зони створює широку область зварного шва, яка внаслідок перекристалізації має структурні дефекти і високі залишкові напруги. Це може призводити до утворення тріщин в зоні шва. Такождо недоліків слід віднести неможливість зварювання дрібних сапфірових деталей, які мають складну форму поверхні, по котрій вони з'єднуються. Прототипом за сукупністю загальних ознак вибрано останній з наведених аналогів. В основу винаходу поставлено задачу розробки способу з'єднання кристалічних деталей, зокрема сапфірових, з мінімальною шириною зони з'єднання без використання як припою сторонніх матеріалів. Поставлена задача досягається тим, що в способі з'єднання кристалічних деталей, зокрема з сапфіру, що включає зварювання деталей шляхом кристалізації розплавленої контактної зони, згідно винаходу, контактні поверхні кристалічних деталей розташовують з капілярним зазором відносно одна до одної, а як припій використовують розплав кристалічного матеріалу, з якого 1 UA 105885 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 виконано деталі, при цьому припій подається до зони з'єднання з тигля через капілярну систему. Використання розплаву кристалічного матеріалу, з якого виконано деталі, як припою при з'єднанні кристалічних деталей, розташованих з капілярним зазором відносно одна до одної, дозволяє отримати монолітний виріб, здатний працювати при такій же високій температурі, як і виріб з цілісного кристалу із збереженням всіх його механічних характеристик. Відведення тепла з контактної зони через деталі, що з'єднуються, забезпечує швидку кристалізацію розплаву в капілярному зазорі і перешкоджає плавленню вказаних деталей. Мала кількість розплаву, що кристалізується, і висока температура деталей, що з'єднуються, не створює значних термічних напруг, які могли б привести до появи тріщин в деталях. А подальше повільне зниження температури нагрівача в камері, де проводився процес з'єднання, призводить до зняття залишкових напружень в області шва. На фіг. 1 показано послідовність операцій при з'єднанні кристалічних деталей. На фіг. 2 наведено фото ділянки шва між двома пластинами, які були з'єднані згідно з винаходом. На фіг. 3 наведено фото сапфірового виробу, який отримано з сапфірових деталей: стрижня 0 1,6 мм та шайби 0 10 мм; а - вихідні деталі, б - вигляд виробу після процесу з'єднання згідно з винаходом, в - вигляд торця шайби після полірування. Спосіб реалізують наступним чином (фіг. 1). В камеру з нагрівачем (на фіг. 1 не наведено) розташовують тигель 1 з капілярною системою 2, який наповнюють сировиною 3 для одержання розплаву. На торець капілярної системи 2 встановлюють один або декілька реперних кристалів 6. Кристалічні деталі 4 (фіг. 1а) в місці з'єднання розташовують з капілярним зазором 5 відносно одна до одної і закріплюють над торцем капілярної системи 2 тигля 1 так, щоб місце з'єднання знаходилось на відстані 5-10 мм від торця капілярної системи 2. Систему кріплення деталей у камері на фіг. 1 не відображено. Далі піднімають температуру в камері і нагрівають тигель 1 до плавлення в ньому сировини 3. Про плавлення сировини у тиглі 3 судять по плавленню реперних кристалів 6, які були встановлені на торці капілярної системи 2. Деталі 4 місцем з'єднання (капілярним зазором 5) приводять у контакт з торцем капілярної системи 2. Під дією капілярних сил розплав з капілярної системи 2 заповнює капілярний зазор 5 між деталями 4, які з'єднуються, по всій їх товщині h (фіг. 1б). Розплав кристалізується в капілярному зазорі 5 за рахунок відводу тепла через деталі, які з'єднуються, утворюючи монокристалічний шов 7 (фіг. 1в). Після цього деталі 4 відривають від торця капілярної системи 2 і повільно знижують температуру на нагрівачі в камері до кімнатної. Після охолодження деталі витягують з камери. Аналогічно, використовуючи капілярні системи різної конфігурації, можуть бути з'єднані сапфірові деталі будь-якої форми, наприклад стрижня і шайби (фіг. 3) і під будь-яким кутом один до одного. Приклад способу з'єднання деталей з сапфіру - стрижня Ø 1,6 мм та шайби Ø 10 мм. В камері з нагрівачем розташовують тигель з капілярною системою у вигляді циліндра Ø 3 мм з капілярним каналом Ø 0,5 мм, який розташовано вздовж його осі. Тигель наповнюють оксидом алюмінію (подрібнені кристали сапфіру) для одержання розплаву. На торець капілярної системи встановлюють один або декілька сапфірових реперних кристалів. Кристалічні деталі стрижень Ø 1,6 мм та шайбу Ø 10 мм - розташовують в місці з'єднання відносно одна до одної з капілярним зазором 0,1-0,5 мм і закріплюють над торцем капілярної системи так, щоб місце з'єднання не торкалося торця капілярної системи і знаходилось на відстані приблизно 10 мм від неї. Далі піднімають температуру в камері до температури плавлення сировини у тиглі. Про плавлення сировини у тиглі судять по плавленню реперних кристалів на торці капілярної системи. Стрижень та шайбу місцем з'єднання (капілярним зазором) приводять у контакт з торцем капілярної системи. Під дією капілярних сил розплав з капілярної системи заповнює капілярний зазор між деталями, які з'єднуються, по всій їх товщині. Розплав кристалізується в капілярному зазорі за рахунок відводу тепла через деталі, які з'єднуються, утворюючи монокристалічний шов. Після цього деталі відривають від торця капілярної системи і повільно, протягом 2-3 годин, знижують температуру на нагрівачі в камері до кімнатної. Час зниження температури вибирають в залежності від розмірів деталей: чим більше розмір деталей, тим повільніше треба знижати температуру. Після охолодження готовий виріб витягують з камери. Таким чином спосіб, що пропонується, не потребує ретельної обробки і поліровки вихідних деталей та плавлення контактної зони і дозволяє отримувати вироби складної конфігурації, місце з'єднання яких не відрізняється за тепловими і механічними властивостями від матеріалу деталей, які було з'єднано. Такі вироби можуть працювати в широкому діапазоні температур та 2 UA 105885 C2 5 механічних навантажень аж до температури, близької до температури плавлення вихідних деталей. Запропонований винахід може бути використаний для з'єднання деталей з будь-яких кристалічних матеріалів з використанням тигля і капілярної системи, які виготовлено з матеріалу з температурою плавлення, вище температури плавлення деталей, які з'єднуються. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Спосіб з'єднання кристалічних деталей, зокрема з сапфіру, що включає зварювання деталей шляхом кристалізації розплавленої контактної зони, який відрізняється тим, що контактні поверхні кристалічних деталей розташовують з капілярним зазором відносно одна до одної, а як припій використовують розплав кристалічного матеріалу, з якого виконано деталі, при цьому припій подається до зони з'єднання з тигля через капілярну систему. 3 UA 105885 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4