CN103966511B - 大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法，本发明是为了解决现有热防护系统金属蜂窝结构层板抗氧化性能和可焊接性能不能兼顾的问题。方法如下：将含铝锭料放入水冷铜坩埚，将氧化钇陶瓷柱或氧化钇粉放入另一个水冷铜坩埚，将高温合金基片加热至650-1000℃，保温；蒸发含铝锭料和氧化钇陶瓷锭料或氧化钇粉自然冷却至50℃，即得。本发明的材料的抗氧化性能好，一侧抗氧化，另一侧易于焊接。本发明属于热防护系统的金属蜂窝结构上下层板材料的制备领域。

Description

大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄板材料的制备方法。
背景技术
航天器在再入大气层过程中表面与空气摩擦产生高温，并受到微小的陨石、太空碎片的超高速撞击，以及近地大气层雨水的腐蚀等等考验。热防护系统能够尽量减少进入航天器内部的热量，使航天器机身及内部部件在合理温度范围内工作，因此是航天器的重要组成部分。专利“用于热防护系统的金属蜂窝结构与陶瓷结合的盖板”(专利号101791880B)中提出了一种包括蜂窝体、上层板、下层板、相变材料、外壳和陶瓷板的金属合金盖板，用于热防护系统。与陶瓷防热瓦相比，金属蜂窝结构具有可靠性高，韧性好，不吸水等优点。其中蜂窝体、上层板和下层板的材料为Ni基高温合金、Fe基高温合金、Ni-Fe基高温合金、Co基高温合金或Nb基高温合金，蜂窝体与上层板、下层板的连接方式为高温真空钎焊。Fe基高温合金在接近熔点附近仍然具有很高的高温强度、高温蠕变性能和抗氧化性能，尤其是高铝含量的铁铬铝合金，由于高温抗氧化性能好，能够显著提高材料的使用温度，因此适合用于热防护系统金属蜂窝结构的上下层板。但是高铝含量的铁铬铝合金由于铝含量高而难以与蜂窝体通过焊接连接。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有热防护系统金属蜂窝结构层板抗氧化性能和可焊接性能不能兼顾的问题，提供了一种大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法。
大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料厚度为10-300um，直径为1000mm，薄板一侧按重量百分含量由15.0％-40.0％Cr、10.0％-30.0％Al及平衡量的Fe组成，另一侧按重量百分含量由15.0％-40.0％Cr、0％-5.0％Al及平衡量的Fe组成。
大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、将含铝锭料放入水冷铜坩埚，在含铝锭料表面上放置35克钨和10-15克氟化钙，将高温合金基片装到基板架上，用无水乙醇擦拭表面，抽真空至1×10-3Pa-5×10-3Pa，然后将高温合金基片加热至650-1000℃，保温；
二、将经过步骤一处理的高温合金基片采用挡板遮挡，将电子束电流增大至1.6-3A，并稳定1-20min，打开挡板，在高温合金基片上沉积厚度为1-10μm的CaF2；
三、采用1.6-3A电子束电流蒸发含铝锭料10-60min，在真空度为1×10-3Pa-5×10-3Pa的条件下自然冷却至50℃，即得大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料；
步骤一中所述含铝锭料为FeCrAl-Al夹芯锭料、FeCrAl合金锭料及纯铝锭料中的一种或两种，所述的FeCrAl-Al夹芯锭料由纯铝棒材插入FeCrAl合金或FeCr合金内组成。
所述大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为上层板及下层板，应用于热防护系统金属蜂窝结构，低铝一侧与蜂窝体通过高温钎焊工艺连接。
本发明针对金属蜂窝结构上下层板的应用背景提出一种超薄、大尺寸、易焊接抗氧化梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法，比现有相同尺寸的铁基高温合金薄板材料厚度薄，比现有相同厚度的铁基高温合金薄板材料尺寸大，比现有相近尺寸和厚度的铁基高温合金薄板材料的抗氧化性能好，而且具有一侧抗氧化，另一侧易于焊接的特点。
本发明具有以下优点：
(1)本发明方法所制备的铁铬铝合金薄板材料厚度薄(10-300um)，易于实现轻质的目的；
(2)本发明方法所制备的铁铬铝合金薄板材料尺寸大(直径1000mm)，便于剪裁加工成所需要的形状尺寸；
(3)本发明方法所制备的铁铬铝合金薄板材料高铝一侧铝含量高(10.0wt.％-30.0wt.％)，抗氧化性能好(1100℃100h空气中氧化增重不高于0.8mg/cm2)；
(4)本发明方法所制备的铁铬铝合金薄板材料低铝一侧易焊接；
(5)本发明方法工艺成本低，无需进行复杂的高温轧制，工艺简单。
综上所述，本发明所涉及的铁铬铝合金薄板材料及其制备方法适合应用于热防护系统的金属蜂窝结构上下层板材料。
附图说明
图1是实验一步骤一中FeCrAl-Al夹芯锭料的示意图，图中1表示纯铝棒材，2表示FeCrAl合金；
图2是实验一至实验三中所用水冷铜坩埚的投影位置示意图，图中1、3表示直径68.5mm水冷铜坩埚，2、4表示直径98.5mm水冷铜坩埚；
图3是实验一至实验三制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料在热防护系统金属蜂窝结构中的位置示意图，图中4表示热防护系统金属蜂窝结构上层板，5表示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体，6表示热防护系统金属蜂窝结构下层板；
图4是实验一制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料截面成分分布曲线，图中空心方框代表Fe元素，空心圆代表Cr元素，空心三角代表Al元素。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料厚度为10-300um，直径为1000mm，薄板一侧按重量百分含量由15.0％-40.0％Cr、10.0％-30.0％Al及平衡量的Fe组成，另一侧按重量百分含量由15.0％-40.0％Cr、0％-5.0％Al及平衡量的Fe组成。
具体实施方式二：具体实施方式一所述大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、将含铝锭料放入水冷铜坩埚，在含铝锭料表面上放置35克钨和10-15克氟化钙，将高温合金基片装到基板架上，用无水乙醇擦拭表面，抽真空至1×10-3Pa-5×10-3Pa，然后将高温合金基片加热至650-1000℃，保温；
二、将经过步骤一处理的高温合金基片采用挡板遮挡，将电子束电流增大至1.6-3A，并稳定1-20min，打开挡板，在高温合金基片上沉积厚度为1-10μm的CaF2；
三、采用1.6-3A电子束电流蒸发含铝锭料10-60min，在真空度为1×10-3Pa-5×10-3Pa的条件下自然冷却至50℃，即得大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料；
步骤一中所述含铝锭料为FeCrAl-Al夹芯锭料、FeCrAl合金锭料及纯铝锭料中的一种或两种，所述的FeCrAl-Al夹芯锭料由纯铝棒材插入FeCrAl合金或FeCr合金内组成。
所述FeCrAl-Al夹芯锭料由直径19mm-25mm，高度200mm-300mm的纯铝棒材插入直径98.5mm，高度200mm-300mm的FeCrAl合金或FeCr合金内组成。
本实施方式步骤一中所述的含铝锭料放入水冷铜坩埚之前先在200℃放置4h。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一中抽真空至3×10-3Pa。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤一中将高温合金基片加热至660℃，保温。其它与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是步骤三中采用2A电子束电流蒸发含铝锭料20min。其它与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是步骤三中采用2.5A电子束电流蒸发含铝锭料40min。其它与具体实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤二中电子束电流增大至1.7-2.8A，稳定2min后打开挡板。其它与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤二中电子束电流增大至1.8-2.7A，稳定5min后打开挡板。其它与具体实施方式二至七之一相同。
具体实施方式九：具体实施方式一至八之一所述的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为上层板及下层板，应用于热防护系统金属蜂窝结构，低铝一侧与蜂窝体通过高温钎焊工艺连接。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、将直径98.5mm的FeCrAl-Al夹芯锭料放入水冷铜坩埚2，在FeCrAl-Al夹芯锭料表面上放置35克钨和10-15克氟化钙，将高温合金基片装到基板架上，用无水乙醇擦拭表面，抽真空至2×10-3Pa，然后将高温合金基片加热至660℃，保温；
二、将经过步骤一处理的高温合金基片采用挡板遮挡，将电子束电流增大至2.6A，并稳定1-20min(至锭料表面出现明显的熔池)，打开挡板，在高温合金基片上沉积厚度为1-10μm的CaF2；
三、在靶基距为550mm的条件下，采用2.6A电子束电流蒸发FeCrAl-Al夹芯锭料20min，在真空度为3×10-3Pa的条件下自然冷却至50℃，即得大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料；
步骤一中所述FeCrAl-Al夹芯锭料由直径19mm-25mm、高度200mm-300mm的纯铝棒材插入直径98.5mm、高度200mm-300mm的FeCrAl合金内组成。
步骤一中所述高温合金基片的直径为1000mm。
本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料可用于制备热防护系统金属蜂窝结构(见图3)，图3中4表示热防护系统金属蜂窝结构上层板，5表示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体，6表示热防护系统金属蜂窝结构下层板，本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为热防护系统金属蜂窝结构上层板高铝一侧向上，低铝一侧向下，与5所示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体通过高温真空钎焊工艺连接；本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为热防护系统金属蜂窝结构下层板低铝一侧向上，与5所示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体通过高温真空钎焊工艺连接，高铝一侧向下。
实验二：
大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、将直径98.5mm的FeCrAl合金锭料放入水冷铜坩埚2，在FeCrAl合金锭料表面上放置氟化钙，直径68.5mm的纯铝锭料烘干后放入另一水冷铜坩埚1，将高温合金基片装到基板架上，用无水乙醇擦拭表面，抽真空至4×10-3Pa，然后将高温合金基片加热至800℃，保温；
二、将经过步骤一处理的高温合金基片采用挡板遮挡，将两个电子束电流分别增大至2.5A和1.5A，并稳定1-20min(至锭料表面出现明显的熔池)，打开挡板，在高温合金基片上沉积厚度为1-10μm的CaF2；
三、在靶基距为550mm的条件下，采用2.5A电子束电流蒸发FeCrAl合金锭料50min，采用1.5A电子束电流蒸发纯铝锭料25min，在真空度为3×10-3Pa的条件下自然冷却至50℃，即得大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料；
步骤一中所述高温合金基片的直径为1000mm。
本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料可用于制备热防护系统金属蜂窝结构(见图3)，图3中4表示热防护系统金属蜂窝结构上层板，5表示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体，6表示热防护系统金属蜂窝结构下层板，本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为热防护系统金属蜂窝结构上层板高铝一侧向上，低铝一侧向下，与5所示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体通过高温真空钎焊工艺连接；本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为热防护系统金属蜂窝结构下层板低铝一侧向上，与5所示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体通过高温真空钎焊工艺连接，高铝一侧向下。
实验三：
大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、将两直径98.5mm的FeCrAl合金锭料分别放入水冷铜坩埚2和水冷铜坩埚4，在FeCrAl合金锭料表面上放置氟化钙，直径68.5mm的纯铝锭料烘干后放入另一水冷铜坩埚1，将高温合金基片装到基板架上，用无水乙醇擦拭表面，抽真空至2×10-3Pa，然后将高温合金基片加热至900℃，保温；
二、将经过步骤一处理的高温合金基片采用挡板遮挡，将两个电子束电流增大至3A，一个电子束电流增大至1.5A，并稳定1-20min(至锭料表面出现明显的熔池)，打开挡板，在高温合金基片上沉积厚度为1-10μm的CaF2；
三、在靶基距为550mm的条件下，采用两个3A电子束电流蒸发两个FeCrAl合金锭料60min，采用1.5A电子束电流蒸发纯铝锭料30min，在真空度为2×10-3Pa的条件下自然冷却至50℃，即得大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料；
步骤一中所述高温合金基片的直径为1000mm。
将本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料可用于制备热防护系统金属蜂窝结构(见图3)，图3中4表示热防护系统金属蜂窝结构上层板，5表示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体，6表示热防护系统金属蜂窝结构下层板，本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为热防护系统金属蜂窝结构上层板高铝一侧向上，低铝一侧向下，与5所示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体通过高温真空钎焊工艺连接；本实验制备的大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料作为热防护系统金属蜂窝结构下层板低铝一侧向上，与5所示热防护系统金属蜂窝结构蜂窝体通过高温真空钎焊工艺连接，高铝一侧向下。

Claims (1)

1.大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法，其特征在于大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、将直径98.5mm的FeCrAl-Al夹芯锭料放入水冷铜坩埚(2)，在FeCrAl-Al夹芯锭料表面上放置35克钨和10-15克氟化钙，将高温合金基片装到基板架上，用无水乙醇擦拭表面，抽真空至2×10-3Pa，然后将高温合金基片加热至660℃，保温；
二、将经过步骤一处理的高温合金基片采用挡板遮挡，将电子束电流增大至2.6A，至锭料表面出现熔池时打开挡板，在高温合金基片上沉积厚度为1-10μm的CaF2；
三、在靶基距为550mm的条件下，采用2.6A电子束电流蒸发FeCrAl-Al夹芯锭料20min，在真空度为3×10-3Pa的条件下自然冷却至50℃，即得大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料；
步骤一中所述FeCrAl-Al夹芯锭料由直径19mm-25mm、高度200mm-300mm的纯铝棒材插入直径98.5mm、高度200mm-300mm的FeCrAl合金内组成；
步骤一中所述高温合金基片的直径为1000mm；
所述大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料厚度为0.01-0.3mm，直径为1000mm；
所述大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料高铝一侧铝含量为10.0wt.％-30.0wt.％，在1100℃下100h空气中氧化增重不高于0.8mg/cm2；大尺寸梯度铝含量铁铬铝合金薄板材料低铝一侧铝含量为0wt.％-5.0wt.％。
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