CN103660429B - 一种多层金属复合板及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种多层金属复合板及其制作方法，涉及一种多层金属复合板及其制作方法，沿厚度方向包括多层金属层，金属层的层数可以增减，每层所述金属层又可包括多层金属层，金属层为铝合金层（1）、纯铝层（2）、钛层（3）、镍层（4）或不锈钢层（5），铝合金层（1）的厚度为2～100mm，纯铝层（2）的厚度为1～80mm，钛层（3）的厚度为0.2～20mm，镍层（4）的厚度为0.2～20mm，不锈钢层（5）的厚度为5～100mm；多层金属复合板的制作方法，采用爆炸复合方式制作；本发明根据两端连接金属材料的不同，依次增减两侧的金属材料，满足多种金属过渡连接的需求，用多层金属复合板制备的过渡接头承压能力高，气密性好。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种多层金属复合板及其制作方法，具体涉及一种用于制作低温过渡接头的多层金属复合板及其制作方法。
【背景技术】
低温工质如液氮、液氧、液氦、液氩、液态天然气、液氩、液氨等在军事、民用工业领域扮演着重要角色，例如液氮可以用作致冷剂，液氧在航天、潜艇和气体工业上有广泛应用，液态天然气（Liquefied Natural Gas）适合运输和储存。液态天然气（LNG）接收站用奥氏体不锈钢管作为LNG输送管道，LNG汽化器采用铝合金制造，两者之间采用钢质或是铝合金法兰实施连接，但是由于钢质或是铝合金的材料性能，特别是热膨胀系数差异较大，在设备工作与停歇时法兰的温度变化范围可达100℃以上，由此经常导致在连接处发生变形、泄露等现象，存在较大的安全隐患。因此LNG气化器与钢制管道的连接都需要采用低温过渡接头。
国内低温工质行业尝试采用常见铝合金-钛-钢或是铝合金-纯铝-钢等复合板来制备低温过渡接头，但使用过程中易出现泄露、耐压性能不合格等问题。中国专利专利号：201220578267.5公开了一种LNG船用铝/钛/镍/不锈钢四层复合板，四层板材相互贴合，铝板厚度为13mm，钛板厚度为2mm，镍板厚度为2mm，不锈钢304L板厚度为20mm。该复合板直接将铝板通过爆炸焊接方式与钛板层相连接，由于铝合金与钛的热膨胀系数差异较大，制备的低温过渡接头使用时有可能出现泄露、耐压性能低等问题。
【发明内容】
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种多层金属复合板及其制作方法，本发明根据两端连接金属材料的不同，依次增减两侧的金属材料，制备镍-钢、钛-镍-钢、纯铝-钛-镍-钢复合板、钛-镍、铝-钛、铝合金-纯铝-钛等多种类型复合板，满足多种金属过渡连接的需求，采用多层金属复合板制备的过渡接头具有承压能力高，气密性好等特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多层金属复合板，所述多层金属复合板沿厚度方向包括多层金属层，所述金属层的层数可以增减，每层所述金属层又可包括多层金属层；所述金属层为铝合金层、纯铝层、钛层、镍层或不锈钢层，所述铝合金层的厚度为2～100mm，所述纯铝层的厚度为1～80mm，所述钛层的厚度为0.2～20mm，所述镍层的厚度为0.2～20mm，所述不锈钢层的厚度为5～100mm；
所述多层金属复合板的制作方法，采用爆炸复合方式制作；
采用所述爆炸复合方式制作多层金属复合板，具体步骤如下：
A、含镍层和不锈钢层两层金属复合材料爆炸复合：将镍板放置于一定厚度的不锈钢板上，两层金属板之间距离为2~10mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐占总体积的20~45%，混合炸药的爆速控制在2200~2800m/s，密度控制在0.6~0.85g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在镍板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成镍/不锈钢两层金属复合材料，镍/不锈钢两层金属复合材料还需经校平、退火热处理方可进行后续使用，热处理制度700~820℃/20~70min。
B、含钛层、镍层和不锈钢层三层金属复合材料爆炸复合：将A中所述的镍/不锈钢两层金属复合材料的镍层表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层在下，在镍层上面放置钛板，钛板和镍层之间距离为2~10mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2200~2800m/s，密度控制在0.65~0.95g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在钛板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成钛/镍/不锈钢三层金属复合材料，钛/镍/不锈钢三层金属复合材料还需经校平、退火热处理方可进行后续使用，热处理制度350~550℃/40~300min。
C、纯铝层、钛层、镍层和不锈钢层四层金属复合材料爆炸复合：将B中所述的钛/镍/不锈钢三层金属复合材料的钛层表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层在下，在钛层上面放置纯铝板，纯铝板和钛层之间距离为7~17mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2400~3000m/s，密度控制在0.75~1.05g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在纯铝板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料，纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料还需经校平方可进行后续使用。
D、铝合金层、纯铝层、钛层、镍层和不锈钢层五层金属复合材料爆炸复合：将C中所述的纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料的纯铝层表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层在下，在纯铝层上面放置铝合金板，铝合金板和纯铝层之间距离为10~25mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2400~3000m/s，密度控制在0.75~1.05g/cm3之间，炸药厚度为30~85mm，将炸药布置在铝合金板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成铝合金/纯铝/钛/镍/不锈钢五层金属复合材料，铝合金/纯铝/钛/镍/不锈钢五层金属复合材料需经校平、退火热处理形成最终的多层复合板，热处理制度150~300℃/60~200min。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明所述的多层金属复合板及其制作方法，采用的材料及顺序合理，制备的多层金属复合板与铝-钢、铝-钛-钢复合板相比，纯铝层、钛层、镍层的添加极大提高了复合板冷热疲劳后的力学性能，采用多层金属复合板制备的过渡接头具有承压能力高，气密性好等特点，气密性相比铝-钛-钢复合接头提高一个数量级以上；同时根据两端连接金属材料的不同，依次增减两侧的金属材料，制备镍-钢、钛-镍-钢、纯铝-钛-镍-钢复合板、钛-镍、铝-钛、铝合金-纯铝-钛等多种类型复合板，满足多种金属过渡连接的需求；通过钛层和镍层的添加，抑制了铝-钢界面化合物Al3Fe等脆性金属间化合物的产生，不但可以提高复合板界面结合强度，而且还可以有效降低焊接时界面峰值温度，进而提高复合板耐焊接热循环能力，焊后接头强度高。
【
附图说明
】
图1是本发明所述的多层金属复合板的横截面结构示意图；
在图中： 1、铝合金层； 2、纯铝层； 3、钛层；4、镍层；5、不锈钢层。
【具体实施方式】
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切变化和改进，本发明并不局限于下面的实施例；
结合附图1所述的多层金属复合板，所述多层金属复合板沿厚度方向包括多层金属层，所述金属层的层数可以增减，每层所述金属层又可包括多层金属层；所述金属层为铝合金层1、纯铝层2、钛层3、镍层4或不锈钢层5，所述铝合金层1的厚度为2～100mm，所述纯铝层2的厚度为1～80mm，所述钛层3的厚度为0.2～20mm，所述镍层4的厚度为0.2～20mm，所述不锈钢层5的厚度为5～100mm；
所述多层金属复合板的制作方法，采用爆炸复合方式制作；
采用所述爆炸复合方式制作多层金属复合板，具体步骤如下：
A、含镍层4和不锈钢层5两层金属复合材料爆炸复合：将镍板放置于一定厚度的不锈钢板上，两层金属板之间距离为2~10mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐占总体积的20~45%，混合炸药的爆速控制在2200~2800m/s，密度控制在0.6~0.85g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在镍板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成镍/不锈钢两层金属复合材料，镍/不锈钢两层金属复合材料还需经校平、退火热处理方可进行后续使用，热处理制度700~820℃/20~70min。
B、含钛层3、镍层4和不锈钢层5三层金属复合材料爆炸复合：将A中所述的镍/不锈钢两层金属复合材料的镍层4表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层5在下，在镍层4上面放置钛板，钛板和镍层4之间距离为2~10mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2200~2800m/s，密度控制在0.65~0.95g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在钛板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成钛/镍/不锈钢三层金属复合材料，钛/镍/不锈钢三层金属复合材料还需经校平、退火热处理方可进行后续使用，热处理制度350~550℃/40~300min。
C、纯铝层2、钛层3、镍层4和不锈钢层5四层金属复合材料爆炸复合：将B中所述的钛/镍/不锈钢三层金属复合材料的钛层3表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层5在下，在钛层3上面放置纯铝板，纯铝板和钛层3之间距离为7~17mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2400~3000m/s，密度控制在0.75~1.05g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在纯铝板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料，纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料还需经校平方可进行后续使用。
D、铝合金层1、纯铝层2、钛层3、镍层4和不锈钢层5五层金属复合材料爆炸复合：将C中所述的纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料的纯铝层2表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层5在下，在纯铝层2上面放置铝合金板，铝合金板和纯铝层2之间距离为10~25mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2400~3000m/s，密度控制在0.75~1.05g/cm3之间，炸药厚度为30~85mm，将炸药布置在铝合金板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成铝合金/纯铝/钛/镍/不锈钢五层金属复合材料，铝合金/纯铝/钛/镍/不锈钢五层金属复合材料需经校平、退火热处理形成最终的多层复合板，热处理制度150~300℃/60~200min。
实施例1
采用爆炸复合方式，依次将镍层4、钛层3、纯铝层2、铝合金层1复合到不锈钢层5上，各层的厚度依次为1.8mm、2.2mm、15mm、38mm、35mm，形成铝合金-纯铝-钛-镍-不锈钢多层金属复合板；采用机加工的方式将所述的铝合金-纯铝-钛-镍-不锈钢多层金属复合板制备成过渡接头，将该过渡接头用于铝制LNG汽化器与不锈钢LNG管的连接，连接后压力试验条件下（24MPa）保压30min不泄露，氦检漏气密测试泄漏率为1.2×10-8 Pa·m3/s，设备工作与停歇时，该接头温度变化达185℃，多次使用后连接处未发生变形、泄露。
实施例2
采用爆炸复合方式依次将镍层4、钛层3、纯铝层2、铝合金层1复合到不锈钢层5上，各层的厚度依次为0.2mm、20mm、1mm、100mm、100mm，形成铝合金-纯铝-钛-镍-不锈钢多层金属复合板；采用机加工的方式制备过渡接头，将该接头进行压力试验，结果表明40MPa保压30min不泄露，氦检漏气密测试泄漏率为6×10-7 Pa·m3/s，10次液氮浸泡冷热疲劳试验后，连接处未发生变形、泄露。
实施例3
采用爆炸复合方式，依次将镍层4、钛层3复合到不锈钢层5上，各层的厚度依次为20mm、0.2mm、40mm，形成钛-镍-钢多层金属复合板；采用机加工的方式将所述的钛-镍-钢多层金属复合板制备成船体通舱过渡接头，所述过渡接头两端分别焊接钛合金和不锈钢，顺利完成通舱管路连接。
实施例4
采用爆炸复合方式，依次将镍层4、钛层3、纯铝层2复合到不锈钢层5上，各层的厚度依次为2mm、20mm、80mm、5mm，形成钛-镍-纯铝-钢多层金属复合板；所述钛-镍-纯铝-钢多层金属复合板的拉脱强度达126MPa，不锈钢-镍、镍-钛、钛-纯铝界面的剪切强度分别达到375MPa、350MPa、100MPa。
实施例5
采用爆炸复合方式，依次将钛层3、纯铝层2、复合到铝合金层1上，各层的厚度依次为8mm、6mm、2mm，形成钛-纯铝-铝合金多层金属复合板；所述钛-纯铝-铝合金多层金属复合板的拉脱强度达150MPa，钛-纯铝、铝合金-纯铝界面的剪切强度分别达到108MPa、106MPa；采用机加工的方式将所述的钛-纯铝-铝合金多层金属复合板制备成过渡接头，两端分别焊接钛合金和铝合金管体，将该接头进行压力试验，结果表明30MPa保压30min不泄露，氦检漏气密测试泄漏率为6.9×10-8 Pa·m3/s，10次液氮浸泡冷热疲劳试验后，连接处未发生变形、泄露。
实施本发明所述的多层金属复合板，采用本发明所述的多层金属复合板制备的过渡接头，具有承压能力高，气密性好等特点，可以用于钢质和铝质管系、设备的连接，满足低温工质制备、运输或再气化过程不同材质设备、管系等的过渡连接。同时该复合板的应用也不仅限于低温环境，可以代替其他类型复合板接头用于常温、高温环境，如船体与上层建筑的连接、穿舱用过渡接头等。
通过钛层3和镍层4的添加，抑制了铝-钢界面化合物Al3Fe等脆性金属间化合物的产生，不但可以提高复合板界面结合强度，而且还可以有效降低焊接时界面峰值温度，进而提高复合板耐焊接热循环能力，焊后接头强度高；
由于材料选择和顺利设计合理，制备的多层金属复合板与铝-钢、铝-钛-钢复合板相比，纯铝层2、钛层3、镍层4的添加极大提高了复合板冷热疲劳后的力学性能，制备的过渡接头气密性相比铝-钛-钢复合接头提高一个数量级以上；同时根据两端连接金属材料的不同，依次增减两侧的金属材料，制备镍-钢、钛-镍-钢、纯铝-钛-镍-钢复合板、钛-镍、铝-钛、铝合金-纯铝-钛等多种类型复合板，满足多种金属过渡连接的需求。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (2)
1.一种多层金属复合板，其特征是：所述多层金属复合板沿厚度方向包括多层金属层，所述金属层的层数可以增减，每层所述金属层又可包括多层金属层；所述金属层为铝合金层（1）、纯铝层（2）、钛层（3）、镍层（4）或不锈钢层（5）；所述铝合金层（1）的厚度为2～100mm，所述纯铝层（2）的厚度为15～80mm，所述钛层（3）的厚度为2.2～20mm，所述镍层（4）的厚度为0.2～1.8mm，所述不锈钢层（5）的厚度为35～100mm。
2.根据权利要求1所述的多层金属复合板的制作方法，其特征是：
采用爆炸复合方式制作；
采用所述爆炸复合方式制作多层金属复合板，具体步骤如下：
A、含镍层（4）和不锈钢层（5）两层金属复合材料爆炸复合：将镍板放置于一定厚度的不锈钢板上，两层金属板之间距离为2~10mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐占总体积的20~45%，混合炸药的爆速控制在2200~2800m/s，密度控制在0.6~0.85g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在镍板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成镍/不锈钢两层金属复合材料，镍/不锈钢两层金属复合材料还需经校平、退火热处理方可进行后续使用，热处理制度700~820℃/20~70min；
B、含钛层（3）、镍层（4）和不锈钢层（5）三层金属复合材料爆炸复合：将A中所述的镍/不锈钢两层金属复合材料的镍层（4）表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层（5）在下，在镍层（4）上面放置钛板，钛板和镍层（4）之间距离为2~10mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2200~2800m/s，密度控制在0.65~0.95g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在钛板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成钛/镍/不锈钢三层金属复合材料，钛/镍/不锈钢三层金属复合材料还需经校平、退火热处理方可进行后续使用，热处理制度350~550℃/40~300min；
C、纯铝层（2）、钛层（3）、镍层（4）和不锈钢层（5）四层金属复合材料爆炸复合：将B中所述的钛/镍/不锈钢三层金属复合材料的钛层（3）表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层（5）在下，在钛层（3）上面放置纯铝板，纯铝板和钛层（3）之间距离为7~17mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2400~3000m/s，密度控制在0.75~1.05g/cm3之间，炸药厚度为25~55mm，将炸药布置在纯铝板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料，纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料还需经校平方可进行后续使用；
D、铝合金层（1）、纯铝层（2）、钛层（3）、镍层（4）和不锈钢层（5）五层金属复合材料爆炸复合：将C中所述的纯铝/钛/镍/不锈钢四层金属复合材料的纯铝层（2）表面打磨去除表面污染物和氧化膜，不锈钢层（5）在下，在纯铝层（2）上面放置铝合金板，铝合金板和纯铝层（2）之间距离为10~25mm，采用由玻璃微珠和工业食盐调整密度和爆速的膨化硝铵改性岩石混合炸药，其中玻璃微珠和工业食盐的占总体积的25~65%，混合炸药的爆速控制在2400~3000m/s，密度控制在0.75~1.05g/cm3之间，炸药厚度为30~85mm，将炸药布置在铝合金板表面，通过雷管引爆炸药，爆炸复合形成铝合金/纯铝/钛/镍/不锈钢五层金属复合材料，铝合金/纯铝/钛/镍/不锈钢五层金属复合材料需经校平、退火热处理形成最终的多层复合板，热处理制度150~300℃/60~200min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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