CN103753123B - 使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法，包括如下步骤：对非晶合金和铜片进行切割、研磨、抛光和清洗，同时用刀片将中间层划分成规定的尺寸，对非晶合金薄片，中间层以及铜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，使中间层溶解于非晶合金薄片与铜薄片中实现扩散焊接。本发明使用中间层能够降低扩散温度，使得非晶合金薄板在扩散后中仍然保持非晶态。复合结构具有非晶合金的强度和铜的韧性，能阻断非晶合金塑性变形时剪切带的延伸，从而避免了纯非晶合金材料容易脆断的问题，增强抗剪切能力，焊接后薄片表面质量高，连接可靠。

Description

使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法
技术领域
本发明属于扩散焊接领域，更具体地，涉及一种使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法。
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。采用扩散制备多层非晶合金与铜复合结构，能够大大增强材料的抗剪切能力。而使用非晶合金与铜直接扩散焊接时，需要选择较高的温度，这会导致非晶合金在扩散过程中发生晶化，从而失去材料本身的优异性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法，其目的在于，解决现有方法中无法在较低的温度下直接扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法，包括以下步骤：
(1)对非晶合金薄片及铜薄片进行切割、打磨、抛光和清洗，用刀片将铝箔划分成与非晶合金薄片同样的长宽，作为非晶合金薄片与铜薄片扩散焊接的中间层，并对中间层进行清洗；
(2)对非晶合金薄片、中间层及铜薄片进行组装和固定，以形成固定的工件；本步骤具体包括以下步骤：
(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、中间层和铜薄片，最后压上WC硬质合金上压头；
(2-3)依次套上模具组合外套和模具外套，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，本步骤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下压头上，调整扩散焊设备上压头，以产生5至20MPa的预紧力；
(3-2)关闭真空室门，打开真空扩散炉开始抽真空；
(3-3)当真空度在1×10-3Pa至1×10-2Pa时，开始加热，加热速率为10至15℃/min；
(3-4)加热至370℃至450℃时，保温30min至50min，同时施加90MPa的保温压力。
(3-5)保温过程结束后，卸载保温压力，工件随炉冷却至室温。
优选地，非晶合金材料为Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5或Zr55Cu30Al10Ni5薄板。
优选地，步骤(1)包括以下子步骤：
(1-1)采用切片机将非晶合金、铝箔及铜板材切割成规定尺寸；
(1-2)用刀片将铝箔划分成与非晶合金薄片相同的长宽；
(1-3)先后用细颗粒砂纸和金相抛光布磨平非晶合金薄片及铜薄片的待焊接表面并抛光，以去除表面氧化层；
(1-4)将非晶合金薄片，中间层及铜薄片放在丙酮中进行超声波清洗，以去掉表面油脂杂质；
(1-5)将非晶合金薄片，中间层及铜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。
优选地，步骤(1-3)中非晶合金与铜薄片抛光后的厚度为0.1至0.5mm。
优选地，铝箔的厚度为5至20um。
优选地，止焊层是由陶瓷片或石墨片制成。
优选地，非晶合金薄片、中间层和铜薄片的层数为3至20层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
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是本发明使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法的流程图。
图2是本发明对非晶合金薄片、中间层及铜薄片进行组装和固定的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，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-铜薄片；10-中间层。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明扩散焊制备多层非晶合金与铜复合结构的方法包括以下步骤：
(1)对非晶合金薄片及铜薄片进行切割、打磨、抛光和清洗，用刀片将铝箔划分成与非晶合金薄片同样的长宽，作为非晶合金薄片与铜薄片扩散焊接的中间层，并对中间层进行清洗；在本实施方式中，非晶合金材料包括Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5和Zr55Cu30Al10Ni5，晶态金属材料为铜，铝箔的厚度为5至20um；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，非晶合金薄片及铜薄片的厚度同为0.1至0.5mm，同时用刀片将铝箔划分成和非晶合金薄片相同的长宽作为非晶合金薄片与铜薄片扩散焊接的中间层；
(1-2)先后用细颗粒砂纸和金相抛光布磨平非晶合金薄片及铜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、中间层及铜薄片放在丙酮中进行超声波清洗，以去掉表面油脂杂质，非晶合金与铜薄片抛光后的厚度为0.1至0.5mm；
(1-4)将非晶合金薄片、中间层及铜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；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8上放置止焊层3；在本实施例中，止焊层3是由陶瓷或石墨片制成；
(2-2)在止焊层3上依次交叉放置非晶合金薄片4、中间层10和铜薄片9，最后压上WC硬质合金上压头2；在本实施方式中，非晶合金薄片4、中间层10和铜薄片9的层数为3至20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)将固定后的工件放进真空扩散炉中进行焊接；本步骤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下压头7上，调整扩散焊设备上压头1，产生5至20MPa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至0.5×10-2Pa时，开始加热，加热速率为10至15℃/min；在本实施方式中，优选的加热速率为15℃/min；
(3-4)加热至370℃至450℃时，保温30min至50min,并施加70至100MPa的保温压力；在本实施方式中，优选的保温压力为90MPa；
(3-5)保温过程结束后，卸载保温压力，工件随炉冷却至室温。
实施例1：
首先将厚度为0.2mm的Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5薄片及铜薄片切割成规定的尺寸，并将厚度为5um的铝箔划分成与非晶合金薄片相同的长宽。用粒度为800#，1000#，1200#砂纸依次打磨工件断面，加工后的平行度优于0.02mm,用抛光布抛光至优于1.6um,去除氧化层。将工件放入丙酮中超声清洗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硬质合金压下头上按照自下而上的顺序依次放置止焊层，交叉放置Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5薄片、铝箔、铜薄片、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炉中，真空扩散设备上、下压头间施加10MPa的预紧力。关闭真空室门，开始抽真空。当真空度在1×10-3Pa至0.5×10-2Pa时，以10℃/min的升温速率加热至400℃开始保温，施加90MPa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，Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5薄片、铝箔及铜片形成多层复合结构。
实施例2：
首先将厚度为0.2mm的Zr55Cu30Al10Ni5薄片及铜薄片切割成规定的尺寸，并将厚度为5um的铝箔划分成与非晶合金薄片相同的长宽。用粒度为800#，1000#，1200#砂纸依次打磨工件断面，加工后的平行度优于0.02mm,用抛光布抛光至优于1.6um,去除氧化层。将工件放入丙酮中超声清洗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硬质合金压下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、铝箔、铜薄片、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炉中，真空扩散设备上、下压头间施加10MPa的预紧力。关闭真空室门，开始抽真空。当真空度在1×10-3Pa至0.5×10-2Pa时，以10℃/min的升温速率加热至400℃开始保温，施加90MPa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、铝箔及铜片形成多层复合结构。
实施例3：
首先将厚度为0.2mm的Zr55Cu30Al10Ni5薄片及铜薄片切割成规定的尺寸，并将厚度为5um的铝箔划分成与非晶合金薄片相同的长宽。用粒度为800#，1000#，1200#砂纸依次打磨非晶合金与铜薄片的断面，加工后的平行度优于0.02mm,用抛光布抛光至优于1.6um,去除氧化层。将工件放入丙酮中超声清洗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硬质合金压下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、铝箔、铜薄片、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炉中，真空扩散设备上、下压头间施加10MPa的预紧力。关闭真空室门，开始抽真空。当真空度在1×10-3Pa至0.5×10-2Pa时，以10℃/min的升温速率加热至450℃开始保温，施加90MPa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，Zr55Cu30Al10Ni5薄片、铝箔及铜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 (7)

1.一种使用中间层扩散制备多层非晶合金与铜复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对非晶合金薄片及铜薄片进行切割、打磨、抛光和清洗，用刀片将铝箔划分成与非晶合金薄片同样的长宽，作为非晶合金薄片与铜薄片扩散焊接的中间层，并对中间层进行清洗；
(2)对非晶合金薄片、中间层及铜薄片进行组装和固定，以形成固定的工件；本步骤具体包括以下步骤：
(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、中间层和铜薄片，最后压上WC硬质合金上压头；
(2-3)依次套上模具组合外套和模具外套，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，本步骤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下压头上，调整扩散焊设备上压头，以产生5至20MPa的预紧力；
(3-2)关闭真空室门，打开真空扩散炉开始抽真空；
(3-3)当真空度在1×10-3Pa至1×10-2Pa时，开始加热，加热速率为10至15℃/min；
(3-4)加热至370℃至450℃时，保温30min至50min，同时施加90MPa的保温压力；
(3-5)保温过程结束后，卸载保温压力，工件随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，非晶合金材料为Zr41Ti14Cu12.5Ni10Be22.5或Zr55Cu30Al10Ni5薄板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括以下子步骤：
(1-1)采用切片机将非晶合金、铝箔及铜板材切割成规定尺寸；
(1-2)用刀片将铝箔划分成与非晶合金薄片相同的长宽；
(1-3)先后用细颗粒砂纸和金相抛光布磨平非晶合金薄片及铜薄片的待焊接表面并抛光，以去除表面氧化层；
(1-4)将非晶合金薄片，中间层及铜薄片放在丙酮中进行超声波清洗，以去掉表面油脂杂质；
(1-5)将非晶合金薄片，中间层及铜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。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(1-3)中非晶合金与铜薄片抛光后的厚度为0.1至0.5mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝箔的厚度为5至20um。
6.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。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，非晶合金薄片、中间层和铜薄片的层数为3至20层。
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