В книге приведены основные результаты разработки электролучевой и лазерной технологий соединения керамики с металлом. Широко представлены исследования физико-химических процессов при получении металлокерамических соединений методом лазерной пайки. Предложены модель адгезионного контакта и тепловые модели процесса лазерной пайки плоских и конусных соединений керамических материалов промышленных типов с металлами. Приведены методы численного решения теплофизических задач и задач с подвижными границами плавления при воздействии высококонцентрированных источников энергии. Даны технологические рекомендации по производству прочных спаёв с керамикой на основе Аl₂О₃.

Для специалистов, аспирантов и студентов, занимающихся в области материаловедения, теплофизики и прикладной математики, а также для инженерно-технических работников, интересующихся прогрессивными технологиями получения спаёв керамики с металлом.

Соединения керамики с металлом находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В зависимости от условий эксплуатации к параметрам металлокерамических конструкций предъявляются определённые требования: механическая и динамическая прочность, повышенные термостойкость, стойкость к воздействию агрессивных сред и ионизирующих излучений, вакуумная плотность, высокие электроизоляционные свойства и т.д.

В нашей стране выполнены ряд крупных научных исследований по соединению керамических материалов с металлами, среди которых особое место занимают работы Н. Ф. Казакова, В. А. Преснова, Г. В. Конюшкова, И. И. Метелкина, В. Н. Батыгина, В. А. Бачина, В. К. Ерошева и др.

Надёжность и качество получаемых металлокерамических узлов в различных условиях эксплуатации зависят от правильного выбора материалов, конструктивного построения самого узла, а также особенностей технологий получения. Однако существующие традиционные технологии соединения керамики с металлом, как правило, многоступенчаты, производство металлокерамических соединений испытывает некоторые трудности вследствие сложности обработки керамики, неустойчивости её к тепловым ударам, хрупкости. В процессе пайки или сварки существует необходимость использования инертной среды или вакуумных камер. В связи с этим наблюдается процесс постоянного расширения областей применения высококонцентрированных источников энергии.

Спектр технологических операций, решаемых с помощью лазеров, чрезвычайно широк. В первую очередь необходимо отметить лазерную сварку конструкционных материалов с самыми различными теплофизическими свойствами и прочностными характеристиками. Возможность концентрации сравнительно больших энергий на малых поверхностях обуславливает локальность процесса нагрева. Благодаря этому можно выполнять технологический процесс в непосредственной близости от металлостеклянных или металлокерамических спаёв при производстве многоштырьковых контактов, вести пайку различных тугоплавких и активных металлов и сплавов с минимальным нарушением исходной структуры материала в зоне термического влияния. В условиях лазерной пайки керамики с металлом отпадает необходимость использования вакуумных камер и защитных сред, так как технологический процесс может производиться на воздухе.

Несмотря на большое количество работ, посвящённых получению МКС, в настоящее время вопросы применения лазерного излучения для этих целей находятся в процессе исследований. Для устранения этого пробела в предлагаемой монографии рассмотрен круг наиболее важных проблем, связанных с производством вакуумплотных металлокерамических спаёв, а также с перспективами использования современных лазерных технологий.

В разд. 1 рассмотрены конструктивные и эксплуатационные характеристики металлокерамических соединений. Широко представлены конструкционные материалы и промышленные технологии получения МКС.

Разд. 2 посвящён описанию технологий изготовления МКС, запатентованных авторами монографии, с использованием высококонцентрированных источниов энергии. Для методов электроннолучевой, лазерной сварки и пайки разработано технологическое оборудование, позволяющее получать качественные металлокерамические узлы. Лазерные технологии значительно расширяют возможности получения МКС из-за высокой автоматизации технологического процесса, а также отсутствия вакуумных камер и защитных сред. Выполнены комплексные исследования переходной зоны МКС, полученной лазерной активной пайкой, рассмотрен механизм формирования контакта высокоглинозёмистой керамики с металлом при лазерной пайке, предложена физико-химическая модель адгезионного соединения.

В разд. 3 представлены исследования физико-химических процессов в зоне воздействия лазерного излучения с материалами МКС. Приведены результаты комплексных исследований зависимости коэффициентов отражения керамических материалов от длины волны, шероховатости поверхности и температуры образца. Проведена оценка характеристик лазерного источника на поверхности металлов, а также установлены скорости окисления при лазерном воздействии для корректировки теплофизической модели лазерной пайки керамики с металлом.

Теоретические основы получения МКС методом лазерной пайки приведены в разд. 4. На теплофизических моделях для плоских и конусных соединений с нелинейными граничными условиями III и IV рода численными методами получены распределение температур в многослойном образце, скорости нагрева и окисления, а также зависимости технологических параметров (плотность мощности, скорость движения источника и т.д.) от теплового поля МКС. Проведён теоретический анализ формирования и движения фазового фронта в соединении металла с керамикой при лазерной пайке путём численного решения многофронтовой задачи Стефана. Для оптимизации технологического процесса пайки определены скорости движения фазового фронта в материалах, а также критические режимы воздействия лазерного излучения. Предложенный алгоритм поиска фронтов плавления будет интересен специалистам, интересующимся численным решением задач со свободными подвижными границами.

Экспериментальное подтверждение теоретических исследований тепловых полей при лазерной пайке приведено в разд. 5. Разработанный метод скоростной тепловизионной съёмки позволяет проводить оценки движения теплового фронта при лазерной пайке и может быть рекомендован для использования в прикладных задачах теплотехники при быстропротекающих процессах.

Критерии качества полученных авторами МКС представлены в разд. 6. Комплексные исследования электрической и механической прочности, а также вакуумплотности соединений гермовводов ИПН-200 создают хорошие предпосылки внедрения технологий электроннолучевой и лазерной пайки, предложенных авторами, для использования в промышленности. С учётом тепловых нагрузок при пайке впервые даны рекомендации по посадкам конусных охватывающих МКС для обеспечения герметичности спая…

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книги на ту же тему

1. Действие лазерного излучения на керамические материалы: Научные основы и прикладные задачи, Виноградов Б. А., Харичева Д. Л., Мещерякова Г. П., 2009