КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-19-00778
НазваниеВлияние составов быстрозакаленных активных сплавов-припоев и режимов высокотемпературной пайки на термомеханические свойства металлокерамических соединений
Руководитель Севрюков Олег Николаевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые слова Пайка, алюмооксидная керамика, ВК100, 29НК, Титан, Цирконий, Медь, Серебро, быстрозакалённые припои, термостойкость, прочность, моделирование, конструкция, угол смачивания, герметичность, напряжения
Код ГРНТИ81.09.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Использование металлокерамических соединений широко распространено в различных отраслях промышленности. Металлокерамические конструкции нашли своё применение в электронной, радиоэлектронной и электротехнической промышленности, где их используют в качестве оболочек электровакуумных и полупроводниковых приборов, герметичных выключателей, вакуумноплотных разъёмов, электрических и оптических вакуумных вводов, изоляторов и т.д. Наиболее популярной парой для создания таких соединений выступает сплав 29НК и алюмооксидная керамика (часто это ВК94-1 или ВК100). Стремительное развитие техники с каждым годом лишь повышает эксплуатационные требования к применяемым конструкциям. Среди таких требований стоит выделить герметичность и термостойкость при рабочих температурах, а также механическую прочность соединений. Развитие исследований в направлении получения металлокерамических соединений берут своё начало в 40-х годах прошлого века. В это время основным направлением исследований являлась разработка способа металлизации керамики порошками на основе тугоплавких металлов посредством их вжигания и дальнейшая пайка керамики с металлическим покрытием. Главное достижение этого периода – промышленное внедрение молибден-марганцевой пасты, состоящей из 80-90% молибдена и 10-20% марганца. Эта технология по сей день является основной при производстве металлокерамических соединений на большинстве предприятий. Дальнейшее развитие данной тематики привело к потребности упрощения существующей многоступенчатой технологии получения металлокерамических соединений. Это стало реализуемо благодаря методу активной пайки, который является одноступенчатым. Сущность этого метода заключается в использовании припоев, легированных активными элементами (Ti, Zr). Активные добавки способствуют взаимодействию припоев с поверхностью керамики за счёт окислительно-восстановительных реакций, что обеспечивает смачивание керамики. Однако, данных по свойствам паяных соединений, полученных с помощью подобных сплавов-припоев, не так много, и они не систематизированы. В настоящей работе планируется разработать и получить быстрозакалённые сплавы-припои в количестве 6 композиций на основе Ag, Cu и Ag-Cu, с добавкамиTi и Zr для создания герметичных металлокерамических соединений деталей из сплава 29НК и керамики ВК100. В работе будет изучено влияние температурно-временного режима пайки на зоны взаимодействия в области паяного шва. Для изучения термостойкости соединений будет использована конструкция в виде цилиндрического баллона из керамики, припаянного к металлической заглушке с использованием керамического компенсатора. Известно, что конструктивное исполнение узла оказывает существенное влияние на возможность получения герметичных соединений из-за напряжений, возникающих в процессе охлаждения при пайке. В связи с этим для оптимизации конструкции образцов для исследований герметичности и термостойкости будут проведены расчёты методом конечных элементов с точки зрения минимизации напряжений в области паяного шва. На этих образцах будет установлена зависимость количества герметичных спаев от числа термоциклов. Для определения механических характеристик паяных соединений, полученных по разным режимам пайки, будут проведены испытания на сдвиг. Эти данные позволят расширить область знаний, связанных с формированием структурно-фазового состояния металлокерамических соединений при активной пайке с использованием быстрозакаленных сплавов-припоев на основе серебра и меди, а также оценить влияние составов припоев и параметров пайки на сложнонапряженное состояние, прочность и термостойкость образцов.
Ожидаемые результаты
На основании результатов исследования будут получены зависимости термомеханических свойств соединений, спаянных различными видами быстрозакалённых припоев систем Ag-Ti, Ag-Zr, Cu-Ti, Cu-Zr, Ag-Cu-Ti, Ag-Cu-Zr. Будет определён механизм формирования паяных соединений керамики на основе оксида алюминия со сплавом 29НК, полученных с помощью указанных сплавов-припоев, благодаря исследованию их структурно-фазового состояния методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгенофазового (XRD) и ДОРЭ (EBSD) анализов. В проекте будет проведено моделирование напряженно-деформированного состояния паяных соединений после охлаждении от температуры пайки и оптимизированы параметры конструкции. Полученные результаты позволят выявить влияние структурно-фазового состояния и остаточных напряжений на механические характеристики металлокерамических соединений. Результаты проекта будут полезны для вакуумной промышленности, с точки зрения усовершенствования уже существующих технологий и наметят пути для внедрения новых. Определение термомеханических зависимостей обеспечит возможность прогнозировать свойства вакуумноплотных соединений на этапе разработки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Исследование направлено на разработку быстрозакаленных ленточных припоев для создания надежных соединений между оксидной керамикой ВК100 и прецизионным сплавом 29НК. В рамках работы синтезирован и охарактеризован ряд сплавов на основе систем Ag-Cu-Ti и Ag-Cu-Zr.
Методом спиннингирования были получены ленты с мелкозернистой и метастабильной аморфно-кристаллической структурой. Комплексный анализ термических свойств (ДСК) позволил точно установить температуры солидуса и ликвидуса для каждого состава, что определило технологические режимы пайки. Исследование смачивания выявило наиболее перспективные материалы, которыми являются сплавы системы Cu-Ti и сплавы Ag-Cu-1,5Ti и Ag-Cu-5Ti. Они продемонстрировали наилучшее смачивание обеих подложек, тогда как для сплавов Cu-Zr получение количественных данных было невозможно из-за интенсивного окисления.
Микроструктурный анализ паяных соединений подтвердил активное взаимодействие припоев с материалами подложек. На границе с керамикой формируются слои на основе смешанных оксидов титана, обеспечивающих адгезию, а в объеме шва наблюдается образование интерметаллидных фаз.
С помощью метода конечных элементов было проведено моделирование остаточных напряжений для различных конфигураций соединения. На основании анализа эквивалентных, сдвиговых и растягивающих напряжений в качестве оптимальной была выбрана и рекомендована торцевая геометрия соединения с керамическим компенсатором, обеспечивающая минимальный уровень напряжений в хрупкой керамике.
Таким образом, в результате проведенной работы определены оптимальные составы припоев (Cu-28Ti, Ag-26,5Cu-1,5Ti, Ag-25Cu-5Ti) и геометрия соединения, обеспечивающие формирование качественного металлокерамического узла с прогнозируемыми свойствами.
Публикации
1.
С.М. Терехова, А.А. Иванников, А.В. Абрамов, В.О. Кириллова, А.Н. Севрюков
Thermal stability of metal-ceramic Kovar® /94 % alumina joints
Ceramics International, Volume 51, Issue 28, Part C, Pages 59452-59461 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.10.165
2. АБРАМОВ А.В., ТЕРЕХОВА С.М., ИВАННИКОВ А.А., СЕВРЮКОВ О.Н. Оптимизация геометрии торцевых металлокерамических соединений ВК100/29НК методом конечно-элементного анализа в ПК ANSYS Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2025, НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: Перспективные технологии и методы исследования материалов: Сборник тезисов докладов 23-й Международной школы-конференции для молодых ученых и специалистов имени профессора Б.А. Калина. Москва, 21 – 23 октября 2025 г. М.: НИЯУ МИФИ, 2025. – 264 с. (год публикации - 2025)
3. Иванников А.А., Абрамов А.В., Терехова С.М., Клюшин И.И., Севрюков О.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния с помощью метода конечных элементов в торцевых паяных соединениях керамики ВК100 со сплавом 29НК "Технология машиностроения", №6, 2025 (год публикации - 2025)
4. Терехова С.М., Иванников А.А., Абрамов А.В., Севрюков О.Н., Федотов И.В., Морохов П.В., Сучков А.Н. Применение быстрозакаленных припоев для получения металлокерамических соединений Тезисы XXII-ой Международной научно-технической конференции «БЫСТРОЗАКАЛЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ», Тезисы XXII-ой Международной научно-технической конференции «БЫСТРОЗАКАЛЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ» (год публикации - 2025)