Введение

Высокая радиационная прозрачность бериллия (в 17 раз выше, чем у алюминия) используется в бериллиевых окнах, обеспечивающих прохождение излучения с незначительным поглощением.

Для научного и медицинского приборостроения при производстве паяных рентгеновских окон из бериллия в качестве рамы (оправы) окна используется сплав монель (монель-металл) – никель-медный сплав, легированный железом, марганцем и другими элементами. Сплав монель обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в воде, во многих кислотах и концентрированных щелочах в сочетании с высокой механической прочностью; жаростоек до 500°С. В России используется сплав монель марки НМжМц28-2,5-1,5, за рубежом – сплав Monel-400 с пониженным содержанием примеси углерода (C≤0,05%).

Исследования по пайке бериллия со сплавом монель серебряными припоями проводили в США. Для пайки применяли припой марки BAg-8 (72Ag–28Cu) с нанесением на бериллий в области пайки порошка гидрида титана или напыление титана для улучшения смачивания бериллия. При металлографическом анализе на сканирующем электронном микроскопе (СЭM) в области спая отмечено формирование хрупкой Cu–Be фазы при комбинации высокой температуры и содержащего медь жидкого металла. Чистое серебро или припой с меньшим содержанием меди марки BAg-17 (Ag–30Cu–10Sn) рекомендовались в качестве альтернативы для пайки указанных разнородных соединений [1].

Серебряные припои с содержанием 72–92% Ag обычно применяют при пайке разнородных соединений металлов с бериллием, работающих при 20°С. Конструкционный бериллий, получаемый методами порошковой металлургии, содержит значительное количество оксида BeO (до 2%), затрудняющего его смачивание припоями. Сплав монель охрупчивается в контакте с жидкими серебросодержащими припоями. Пайку сплава монель рекомендуется проводить в отожженном состоянии при отсутствии внутренних и внешних растягивающих напряжений. Для пайки изделий из бериллия, работающих при высоких температурах, припоями служат сплавы бериллия с серебром, титаном или цирконием [2].

В данной статье приведены результаты исследований по пайке бериллия с монелем серебряными припоями и разработанным в ВИАМ опытным сереброзаменяющим припоем на основе меди [3]. Исследования выполнены совместно с фирмой Philips Medical Systems (далее – фирма PMS) GMBH DMC (Германия) и ЗАО «Светлана–Рентген» (Россия, г. Санкт-Петербург).

Материалы и методы

В соответствии с техническими требованиями заказчиков, узел содержащий бериллиевый диск, предназначается для работы в рентгеновской трубке для выхода рентгеновского излучения. Способ соединения бериллиевого диска с обоймой (оправой) - пайка твердым припоем. Узел должен быть вакуум-плотным (герметичным). Допустимый поток гелия при испытании на гелиевом масс-спектрометрическом течеискателе через неплотности паяного узла должен быть не более 1·10^-10 Па·м³/c. Узел должен быть термостойким и обеспечивать вакуумную плотность после нагрева, имитирующего эксплуатационный, в зависимости от типа трубки и толщины бериллиевого диска:

– 1 цикл – нагрев до 500°С, выдержка в течение 3 ч, охлаждение до 20°С;

– 3 цикла – нагрев до 600°С, выдержка в течение 1 ч, охлаждение до 20°С;

– 1 цикл – нагрев до 650°С, выдержка в течение 0,5 ч, охлаждение до 20°С.

При изготовлении рамки (оправы) рентгеновских окон для ЗАО «Светлана-Рентген» использовали сплав монель марки НМжМц28-2,5-1,5 в виде прутка с химическим составом по ГОСТ 492–73; для фирмы PMS – рамки в виде штамповок из листа сплава Monel-400 толщиной 0,5 мм. Химический состав сплава монель приведен в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Химический состав сплава монель марки НМжМц28-2,5-1,5%

Таблица 2

Химический состав сплава Monel-400

  * Минимальное значение.

** Максимальное значение.

Бериллиевые диски нарезали электроэрозионной резкой из прутка с припуском на механическую обработку и травление или вырезали из бериллиевой фольги. Бериллиевая фольга изготовлялась по разработанной в ВИАМ технологии теплой прокатки в контейнерах (чехлах) из нержавеющей стали с применением защитного покрытия на бериллии [4–14]. Технические характеристики бериллиевых дисков (марка бериллия, диаметр, толщина) приведены в табл. 3.

Таблица 3

Технические характеристики бериллиевых дисков

Подготовку под пайку сплава монель проводили травлением в смеси кислот (1 часть HNO₃+3 части HCl) при температуре 20°С.

Поверхность припоя подготовляли травлением в течение 3–5 мин при 20°С в растворе:  16,6 мл HNO₃+16,6 мл HCl+100 мл H₂O. Химическую подготовку бериллия под пайку проводили после вакуумного отжига для снятия остаточных напряжений. Поверхность бериллиевых дисков толщиной 1 мм подготовляли травлением в растворе серной кислоты и химической полировкой, поверхность бериллиевой фольги готовили травлением в растворе азотной кислоты.

Диски из бериллиевой фольги проходили проверку на вакуумную плотность после механической обработки по диаметру и перед пайкой.

Пайку проводили в вакуумной печи СНВЭ 1.3.1/16 припоями в виде фольги и проволоки c составами, указанными в табл. 4. Для улучшения смачивания бериллия дополнительных средств не применяли.

Таблица 4

Припои для пайки бериллия с монелем

Режимы пайки (температура, выдержка, вакуум), выбранные для оптимального формирования паяного шва, приведены в табл. 5.

Таблица 5

Режимы пайки бериллия с монелем

Паяные окна, сформированные по оптимальному режиму, проверяли на вакуумную плотность и исследовали их макро- и микроструктуры. Вакуумную плотность паяных окон, определяемую по натеканию гелия, исследовали с помощью масс-спектрометрического гелиевого течеискателя ADIXEN/ALCATEL ASM-142 после пайки и воздействия термических циклов. Макро- и микроструктуру паяных соединений исследовали на оптическом микроскопе и сканирующем электронном микроскопе (СЭM) совместно с фирмой PMS.

Результаты

Внешний вид паяных окон, макро- и микроструктуры паяных соединений показаны на рис. 1–4. Паяные швы, выполненные серебросодержащим припоем, имели светлый серебристый цвет, а швы, выполненные опытным сереброзаменяющим припоем, – желто-золотистый, характерный для бериллиевой бронзы.

Рисунок 1. Внешний вид паяных бериллиевых окон, выполненных с помощью серебросодержащего припоя 92,5Ag–7,5Cu (а) и опытного сереброзаменяющего припоя Сu–Be–Ni (б)

Рисунок 2. Микроструктура паяного соединения бериллия с монелем припоем 92,5Ag–7,5Cu

Рисунок 3. Микроструктура паяного соединения бериллия с монелем опытным сереброзаменяющим припоем Cu–Be–Ni

Рисунок 4. Окна из бериллиевой фольги (а) толщиной 0,1 мм, паяные припоем ПСр72, и микроструктуры соединения (б, в)

Результаты испытаний вакуумной плотности бериллиевых окон после пайки и нагревов приведены в табл. 6.

Таблица 6

Вакуумная плотность бериллиевых окон после пайки и нагревов

В переходной зоне между бериллием и припоем наблюдается узкая область шириной 5–7 мкм (см. рис. 2, в), состоящая из Be–Cu-фазы [15, 16]. В области припоя отмечается наличие двух различающихся фаз: светлой – на основе серебра и более темной – на основе меди. В переходной зоне между припоем и монелем видна граница, за пределами которой наблюдается диффузия серебра в монель по границам зерен (см. рис. 2, г).

В микроструктуре соединений бериллиевых дисков со сплавом монель, выполненных опытным сереброзаменяющим припоем на основе меди (Cu–Be–Ni), в области спая отмечалось наличие переходной зоны от бериллия к припою шириной 6–8 мкм; области припоя, состоящей из различающихся фаз; переходной зоны от припоя к монелю шириной до 20 мкм (см. рис. 3). Проведенный EDX локальный микроанализ в области припоя показал, что он состоит главным образом из меди (от 80 до 90%) и никеля (от 10 до 20%), содержание Be в припое ~1%, Fe и Mn ≤1% (каждого), присутствуют локальные выделения Cr. Отмечено различающееся относительное содержание Cu:Ni. Наиболее высокое отношение Cu:Ni (95:5) отмечалось вблизи границы с бериллием и 40:60 – около границы с монелем.

Паяные соединения дисков, изготовленных из бериллиевой фольги повышенной чистоты толщиной 0,1 мм, выполненные припоем ПСр72, и микроструктуры соединения показаны на рис. 4. В структуре также отмечается наличие переходных зон между бериллием и монелем, бериллием и припоем.

Обсуждение и заключения

Проведенные исследования по пайке разнородных соединений бериллия с монелем показали возможность получения вакуум-плотных паяных соединений, обеспечивающих стойкость к воздействию термических циклов, имитирующих сварку бериллиевых окон с корпусом рентгеновской трубки, а также эксплуатационные нагревы до 500°C – при пайке припоем 72Ag–28Cu (аналог – Cusil), до 650°С – при пайке припоем 92,5Ag–7,5Cu (аналог – Sterling Silver) и опытным сереброзаменяющим припоем Cu–Be–Ni на основе меди.

Увеличение стойкости к воздействию термических циклов, по-видимому, является следствием увеличения содержания серебра и температуры плавления припоя 92,5Ag–7,5Cu, повышения упругости и теплоемкости паяного шва за счет диффузии бериллия в серебросодержащие припои [17] и наличия бериллия в припое на основе меди.