CN102886599A

CN102886599A - 一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法

Info

Publication number: CN102886599A
Application number: CN201210388962XA
Authority: CN
Inventors: 廖广兰; 史铁林; 陈彪; 李默; 喻强; 朱志靖; 杨璠; 张钊博
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: CN102886599B

Abstract

本发明公开了一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法，包括以下步骤：对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行切割、打磨和清洗，对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行组装和固定，以形成固定后的工件，将固定后的工件放进真空扩散炉中进行焊接。本发明的复合结构可阻断非晶合金材料在剪切过程中剪切带的延伸，从而避免了纯非晶合金材料脆性大的问题，增强了抗剪切能力，此外，本发明能够使焊接后的非晶材料继续保持非晶特性，复合结构材料的抗剪切性较纯非晶合金材料得到很大的提高，韧性增强，焊接后薄片表面质量高、连接可靠。

Description

一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法

技术领域

本发明属于扩散焊接领域，更具体地，涉及一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法。

背景技术

非晶合金是20世纪材料领域的重大发现，材料内部原子排列呈长程无序短程有序结构，没有位错和晶界等缺陷。这种独特的结构使非晶合金材料具有许多优异的性能，如高强度、硬度、耐磨性、耐蚀性、优异的软磁性等，在军事、微/纳制造、体育器材、光通讯、光集成、激光、新型太阳能电池、高效磁性和输电材料等领域有着广泛的应用前景。非晶合金是极具前途的新结构材料与功能材料，不仅有着很好的科学研究价值、而且还有巨大的市场前景。

然而，现有非晶合金材料存在以下问题：其在室温下具有较大的脆性，抗剪切能力差，且其作为新型工程材料的应用价值被大大限制。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法，旨在解决现有方法中存在的非晶合金材料脆性大、抗剪切能力差、材料应用价值受限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法，包括以下步骤：

（1）对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行切割、打磨和清洗，

（2）对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行组装和固定，以形成固定后的工件，具体包括以下子步骤：

（2-1）在WC硬质合金下压头上放置止焊层；

（2-2）在止焊层上依次交叉放置非晶合金薄片和晶态金属薄片，最后压上WC硬质合金上压头；

（2-3）依次套上组合模具外套和模具外套，以形成固定后的工件；

（3）将固定后的工件放进真空扩散炉中进行焊接，具体包括以下子步骤：

（3-1）将固定后的工件置于真空扩散焊设备的下压头上，调整扩散焊设备的上压头，产生5MPa的预紧力；

（3-2）关闭真空室门，打开真空扩散焊设备开始抽真空；

（3-3）当真空度在1×10^-3Pa～1×10^-2Pa时，开始加热，加热速率为10℃/min；

（3-4）加热至370℃～420℃时，施加50MPa的保温压力，并保温30min～50min，施加轴向压力为50MPa；

（3-5）保温过程结束后，卸载保温压力，工件随炉冷却至室温。

非晶合金材料包括Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅，晶态金属材料为锆。

步骤（1）包括以下子步骤：

（1-1）采用切片机分别切割非晶合金薄片及晶态金属薄片；

（1-2）先后用细颗粒砂纸和金相砂纸磨平非晶合金薄片及晶态金属薄片的待焊接表面并抛光，以去除表面氧化层；

（1-3）将非晶合金薄片及晶态金属薄片放在丙酮中进行超声波清洗，以去掉表面油脂杂质；

（1-4）将非晶合金薄片及晶态金属薄片放在无水乙醇中进行第二次超声波清洗，并在清洗干净后放在干净的无水乙醇中保存。

步骤（1-1）中非晶合金薄片及晶态金属薄片的厚度同为0.2mm。

止焊层是由陶瓷片或石墨片制成。

非晶合金薄片和晶态金属薄片的层数为2～10层。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明的复合结构可阻断非晶合金材料在剪切过程中剪切带的延伸，从而避免了纯非晶合金材料脆性大的问题，增强了抗剪切能力：

2、本发明采用真空扩散焊接非晶合金薄片与晶态金属薄片，形成良好的焊接区；

3、本发明通过在合适保温压力下调整焊接温度与焊接时间的配合，能够使焊接后的非晶材料继续保持非晶特性，材料结构和性能不仅没有破坏，复合结构材料的抗剪切性较纯非晶合金材料得到很大的提高，韧性增强，焊接后薄片表面质量高、连接可靠；

4、本发明可实现多种材料、多种厚度等不同形式的多层复合材料的制备，实现材料性能的优化，扩大材料在工程上的应用范围，提高材料的应用价值；

5、本发明操作简单，制造成本及性能方面均有明显优势，适用范围广，便于推广使用。

附图说明

图1是本发明扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法的流程图。

图2是本发明方法中对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行组装和固定的示意图，其中：

1-真空扩散焊设备上压头；2-WC硬质合金上压头；3-止焊层；4-非晶合金薄片；5-组合模具外套；6-模具外套；7-真空扩散焊设备下压头；8-WC硬质合金下压头；9-晶态金属薄片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法包括以下步骤：

（1）对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行切割、打磨和清洗，在本实施方式中，非晶合金材料包括Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅，晶态金属材料为锆，本步骤具体包括以下子步骤：

（1-1）采用切片机分别切割非晶合金薄片及晶态金属薄片，非晶合金薄片及晶态金属薄片的厚度同为l=0.2mm；

（1-4）将非晶合金薄片及晶态金属薄片放在无水乙醇中进行第二次超声波清洗，并在清洗干净后放在干净的无水乙醇中保存；

（2）对非晶合金薄片及晶态金属薄片进行组装和固定，以形成固定后的工件；如图2所示，本步骤具体包括以下子步骤：

（2-1）在WC硬质合金下压头7上放置止焊层3；在本实施方式中，止焊层3是由陶瓷片或石墨片制成；

（2-2）在止焊层3上依次交叉放置非晶合金薄片4和晶态金属薄片9，最后压上WC硬质合金上压头8；在本实施方式中，非晶合金薄片4和晶态金属薄片9的层数为2～10层；

（2-3）依次套上组合模具外套5和模具外套6，以形成固定后的工件；

（3-2）关闭真空室门，打开真空扩散焊设备开始抽真空；

实施例1：

首先将厚度为0.2mm的Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5薄片及锆薄片切割成规定尺寸，用粒度为800＃，1000＃，1200＃砂纸依次打磨工件端面，加工后的平行度优于0.02mm，抛光至粗糙度优于1.6um，去除氧化层。将工件放入丙酮中超声波清洗15min，取出工件后，放入无水乙醇中进行第二次超声波清洗，然后将清洗后的工件放入干净的无水乙醇中保存。在WC硬质合金下压头上按照自下而上的顺序依次放置止焊层、交叉放置Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5薄片和锆薄片、止焊层，最后放置WC硬质合金上压头，套上模具组合外套及模具外套，形成固定工件。将固定工件置于真空扩散焊炉中，真空扩散焊设备上、下压头间施加5MPa的预紧力。关闭真空室门，开始抽真空。当真空度在1×10^-3Pa～1×10^-2Pa范围内时，以10℃/min的升温速率加热至370℃开始保温，施加50MPa的保温压力，并保温50min。保温结束后，卸载轴向压力，工件随炉冷却至室温。通过真空扩散焊接，Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5薄片与锆薄片形成多层复合结构。

实施例2：

首先将厚度为0.2mm的Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5薄片及锆薄片切割成规定尺寸，用粒度为800＃，1000＃，1200＃砂纸依次打磨工件端面，加工后的平行度优于0.02mm，抛光至粗糙度优于1.6um，去除氧化层。将工件放入丙酮中超声波清洗15min，取出工件后，放入无水乙醇中进行第二次超声波清洗，然后将清洗后的工件放入干净的无水乙醇中保存。在WC硬质合金下压头上按照自下而上的顺序依次放置止焊层、交叉放置Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5薄片和锆薄片、止焊层，最后放置WC硬质合金上压头，套上模具组合外套及模具外套，形成固定工件。将固定工件置于真空扩散焊炉中，真空扩散焊设备上、下压头间施加5MPa的预紧力。关闭真空室门，开始抽真空。当真空度在1×10^-3Pa～1×10^-2Pa范围内时，以10℃/min的升温速率加热至400℃开始保温，施加50MPa的保温压力，并保温30min。保温结束后，卸载轴向压力，工件随炉冷却至室温。通过真空扩散焊接，Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5薄片与锆薄片形成多层复合结构。

实施例3：

首先将厚度为0.2mm的Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅薄片及锆薄片切割成规定尺寸，用粒度为800＃，1000＃，1200＃砂纸依次打磨工件端面，加工后的平行度优于0.02mm，抛光至粗糙度优于1.6um，去除氧化层。将工件放入丙酮中超声波清洗15min，取出工件后，放入无水乙醇中进行第二次超声波清洗，然后将清洗后的工件放入干净的无水乙醇中保存。在WC硬质合金下压头上按照自下而上的顺序依次放置止焊层、交叉放置Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅薄片和锆薄片、止焊层，最后放置WC硬质合金上压头，套上模具组合外套及模具外套，形成固定工件。将固定工件置于真空扩散焊炉中，真空扩散焊设备上、下压头间施加5MPa的预紧力。关闭真空室门，开始抽真空。当真空度在1×10^-3Pa～1×10^-2Pa范围内时，以10℃/min的升温速率加热至420℃开始保温，施加50MPa的保温压力，并保温50min。保温结束后，卸载轴向压力，工件随炉冷却至室温。通过真空扩散焊接，Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅薄片与锆薄片形成多层复合结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种扩散焊制备多层非晶合金与晶态金属复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2-1）在WC硬质合金下压头上放置止焊层；

（3-2）关闭真空室门，打开真空扩散焊设备开始抽真空；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，非晶合金材料包括Zr₄₁Ti₁₄Cu_12.5Ni₁₀Be_22.5和Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅，晶态金属材料为锆。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）包括以下子步骤：

（1-1）采用切片机分别切割非晶合金薄片及晶态金属薄片；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤（1-1）中非晶合金薄片及晶态金属薄片的厚度同为0.2mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，止焊层是由陶瓷片或石墨片制成。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，非晶合金薄片和晶态金属薄片的层数为2～10层。