CN104175070B - 一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法 - Google Patents

一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属复合材料技术领域，特别涉及一种热控用铝‑不锈钢复合管的制备方法。本发明中不锈钢管作为介质流通通道位于内层，铝合金管作为扩热材料位于外层。本发明方法主要包含以下步骤：⑴铝合金管内壁平行于轴向、均匀分布、贯通槽道的加工；⑵不锈钢管外表面改性处理；⑶铝合金管内表面改性处理；⑷助焊剂涂覆及焊接组件装配；⑸铝合金管和不锈钢管装配组件金属浴钎焊；⑹铝外壳加工。本发明方法的优点是投资成本低，生产效率高，焊件变形小，液态介质保护焊件不氧化，特别适用于大规模连续性生产。所得铝‑不锈钢复合管界面近100％冶金结合，具有轻质、耐腐蚀、高传热能力，满足空间飞行器热控系统使用要求。

Description

一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，特别涉及一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法。
背景技术
空间飞行器应用的柔性热管、单相和双相液体传热回路、可展开式热辐射器等热控系统的工作介质流通管路与储存容器，基于强度、抗腐蚀等方面的考虑，选用了不锈钢材质。同时，在热量收集(传热工质蒸发)与散发(传热工质冷凝)区域，基于传热性能与重量的考虑，设计上选用了质轻、传热性能好、比热容大的铝材质扩热板。在热控系统传热工质蒸发与冷凝区域，不锈钢管壳与铝合金扩热板界面的热流密度可达数瓦每平方厘米，机械结合或界面填充导热脂、导热胶等方法均不能满足传热性能需要，普通钎焊工艺也很难实现不锈钢管壳与扩热板的大面积冶金结合从而达到高效传热目的。
上述问题解决方案是制备一种铝合金与不锈钢的复合管材，用于热控系统传热工质的蒸发与冷凝区域。该复合管材的结构为不锈钢管居内作为传热工质的流通管路，铝合金管居外作为扩热板，复合管结构示意图见附图1。该复合管具体还应满足如下要求：1，不锈钢与铝合金界面为冶金结合；2，界面冶金结合率近100％；3，界面换热系数大于2W/cm2；4、界面剪切强度大于20MPa。
上述要求的复合管材几种可能制备工艺介绍如下：1，铸造工艺。设计专用铸造模具不锈钢管为芯，芯外铝合金管浇铸成型。该工艺的缺点是铝液浇筑温度较高(一般高于680℃)，铝/不锈钢界面产生较厚的铁铝金属间化合物反应层，在冷却过程中，该反应层在热应力的作用下发生贯穿性开裂(铝合金的热膨胀系数约23.4×10-6/℃，奥氏体不锈钢的热膨胀系数约16.6×10-6/℃，铝/不锈钢界面在铸件冷却过程中会产生较大的热应力)铝/不锈钢界面结合强度较低；2，挤压成型工艺。不锈钢管与铝坯装配后装入挤压机挤压筒进行挤压成型。挤压成型工艺通过铝、不锈钢管界面区域各自一定量形变，二者新鲜表面在较高温度、较大垂直压应力的作用下实现界面冶金结合并具有较高的结合率。该工艺的缺点是挤压过程中不能准确控制不锈钢管的形变量，导致不锈钢管的壁厚、内孔圆度、内孔同轴度等尺寸偏离。3，拉拔成型工艺，铝合金管预先固定约束，不锈钢管在铝合金管内孔拉入。若实现铝与不锈钢界面的冶金结合，铝、不锈钢界面区域须有较大的形变量并露出新鲜表面并在界面垂直方向较大的压应力作用下才可实现。该工艺的缺点是固定约束的铝合金管与拉拔而入的不锈钢管不能产生较大的形变并且较大的形变对不锈钢管的壁厚、内孔圆度、内孔同轴度等尺寸与公差产生严重影响。4，常规焊接工艺。该工艺的特点是在焊接界面填充熔点较低的软钎料及相应的助焊剂。对于空间飞行器热控用细长铝/不锈钢复合管的焊接，只能采用膏状焊料即焊剂和焊料的膏状混合物。对热控用大长径比复合管的焊接，除焊膏不易填充外，最主要的问题是焊接过程中焊剂产生的大量气体，在此种细长、近似密闭的界面结构下，排气非常困难，界面处气体压强增大，会使液态焊料挤出，从而导致界面结合率较低，一般不高于50％。
针对上述铝-不锈钢复合管材制备工艺的不足，本发明开发了一种铝-不锈钢管金属浴钎焊工艺。并针对焊接过程中气体排出、焊料填充等问题，相应的设计了一种适合热控用大长径比铝-不锈钢复合管金属浴钎焊的焊接结构(见附图2)和焊接工艺。该工艺制备的铝-不锈钢复合管界面结合率近100％，界面剪切强度大于20MPa，满足航天器产品热环境和力学环境适应性要求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法。
一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其具体步骤如下：
(1)在铝合金管内孔表面上加工出沿内孔圆周均布、分别与内孔轴向相平行、贯通的多条槽道；
(2)不锈钢管外表面改性处理；
(3)铝合金管内表面改性处理；
(4)铝合金管内孔和不锈钢管外壁分别涂覆液体助焊剂并装配；
(5)铝合金管和不锈钢管装配组件金属浴钎焊；
(6)铝合金管外形加工。
所述不锈钢管的材质为奥氏体型不锈钢，型号为304、304L、302、321、347、316L、316、317L或317；所述不锈钢管的内壁加工为光滑或加工有槽道(螺纹)。
所述铝合金管的材质型号为6063或3A21；所述铝合金管为圆形管或异形截面管。
所述槽道的截面为半圆形、梯形或矩形。槽道截面间距与外形尺寸如图2所示：0.05mm≤a≤0.5mm，0.05mm≤b≤0.5mm，0.05mm≤c≤0.5mm，其中a为槽道间距，b为槽道深度，c为槽道宽度。
所述槽道采用挤压成型工艺或电火花加工工艺制备。
所述不锈钢管外表面改性处理，采用电镀或化学镀的方法在不锈钢管外表面镀上一层镍、铜、金或银，镀层厚度为5μm～20μm。
所述铝合金管内表面改性处理，采用化学镀的方法在铝合金管内表面镀上一层镍、铜、金或银，镀层厚度为5μm～20μm。
所述铝合金管和不锈钢管的装配间隙不大于0.05mm。
所述金属浴钎焊所使用的钎料为Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Ag-Sb、Pb-Ag、Sn-Zn或Pb-Bi系合金钎料。
所述金属浴钎焊过程中，铝合金管和不锈钢管装配组件浸入熔融钎料，铝合金管和不锈钢管装配组件轴线方向(不锈钢管轴线方向)与钎料液面夹角为α，其中30°≤α≤90°，铝合金管和不锈钢管装配组件沿轴线方向浸入钎料熔池的速度V不大于于4cm/min。
所制备的铝-不锈钢复合管中，内层不锈钢管的直径为4mm～20mm，铝-不锈钢复合管的长度为50mm以上。
本发明的有益效果为：
①本发明可实现铝、不锈钢复合管的制备，界面100％冶金结合，界面剪切强度大于20MPa；
②本发明工艺制备的铝-不锈钢复合管满足航天器产品力学适应性要求，满足航天器产品热环境适应性要求；
③本发明制备工艺成本低、效率高。
附图说明
图1为本发明一种热控用铝-不锈钢复合管的结构示意图；
图2为本发明铝合金管内壁槽道结构示意图；
图3为本发明铝合金管-不锈钢管装配组件金属浴钎焊示意图；
图中标号：1-铝合金管；2-铝合金内表面镀层；3-焊料填充层；4-不锈钢管电镀层；5-不锈钢管；6-铝合金管和不锈钢管装配组件；7-熔融钎料；8-金属浴钎焊槽体。
具体实施方式
本发明提供了一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
某空间飞行器热控系统冷凝器用某规格铝-不锈钢复合管。
铝-不锈钢复合管规格：不锈钢管5外径为9mm、壁厚为1mm、内螺纹尺寸为M8×0.5mm；铝扩热板壁厚为1.5mm，铝-不锈钢复合管长度为100mm。
铝-不锈钢复合管材质：内层为316L奥氏体不锈钢，外层为3A21铝合金，钎焊料选SnPb37焊料，钎剂采用松香酒精溶液。
一、制备过程：
铝-不锈钢复合管的制备工艺采用金属浴钎焊工艺路线，主要步骤如下：
⑴铝合金管1内壁槽道加工：
铝合金管1规格：内径为9mm、外径为65mm、长为140mm。
采用电火花加工手段，将铝合金管1内壁加工出轴向贯通、圆周方向均匀分布的微细槽道，如图2所示。槽道形状为矩形，槽道截面间距与外形尺寸分别为：a＝0.3mm；b＝0.1mm，c＝0.3mm。
⑵不锈钢管5外表面改性处理：
不锈钢管5规格：外径为9mm、壁厚为1mm、内螺纹尺寸为M8×0.5mm，长为150mm。
对不锈钢管5进行除锈、除油、化学清洗、烘干等处理工艺。将不锈钢管5外表面电镀镍，镍层厚度为10μm～15μm。电镀镍过程中对不锈钢管5内孔表面进行保护，保证不锈钢管5内孔不被镀液污染。
⑶铝合金管1内表面改性处理：
将铝合金管1清洗干净，进行碱性化学镀镍，镍层厚度为10μm～15μm。
⑷铝合金管1内表面、不锈钢管5外表面涂覆助焊剂并装配：
在铝合金管1内表面和不锈钢管5外表面涂覆液体助焊剂，然后装配，装配间隙不大于0.05mm；
⑸铝合金管和不锈钢管装配组件6金属浴钎焊：
将SnPb37钎料加热到300℃。将铝合金管和不锈钢管装配组件6浸入熔融钎料7，铝合金管和不锈钢管装配组件6的轴向浸入速度4cm/min，铝合金管和不锈钢管装配组件6的轴向与熔融钎料7液面夹角α为45°，停留3min后取出，完成整个焊接过程。(见图3)
⑹铝外壳加工：
采用机加方法完成图1所示异型截面铝外壳加工。
二、上述工艺制备的铝-不锈钢复合管达到的性能指标：
⑴铝-不锈钢复合管结合界面的冶金结合率接近100％；
⑵铝-不锈钢复合管的界面剪切强度大于30MPa。
实施例2
某空间飞行器热控系统冷凝器用某规格铝-不锈钢复合管。
铝-不锈钢复合管规格：不锈钢管5外径为6mm，壁厚为0.5mm,；铝扩热板壁厚为1.5mm，铝-不锈钢复合管长度为350mm。
铝-不锈钢复合管材质：内层为316L奥氏体不锈钢，外层为6063铝合金，钎焊料选SnAg3.5焊料，钎剂采用松香酒精溶液。
一、制备过程：
铝-不锈钢复合管的制备工艺采用金属浴钎焊工艺路线，主要步骤如下：
⑴铝合金管1内壁槽道加工：
铝合金管1规格：内径为6mm、外径为65mm、长为360mm。
采用挤压成型工艺，将铝合金管1内壁加工出轴向贯通、圆周方向均匀分布的微细槽道，如图2所示。槽道形状为矩形，槽道截面间距与外形尺寸分别为：a＝0.1mm；b＝0.1mm，c＝0.1mm。
⑵不锈钢管5外表面改性处理：
不锈钢管5规格：外径为6mm，壁厚为0.5mm，长为370mm。
对不锈钢管5进行除锈、除油、化学清洗、烘干等处理工艺。将不锈钢管5外表面电镀镍，镍层厚度为10μm～15μm。电镀镍过程中对不锈钢管5内孔表面进行保护，保证不锈钢管5内孔不被镀液污染。
⑶铝合金管1内表面改性处理：
将铝合金管1清洗干净，进行碱性化学镀镍，镍层厚度为10μm～15μm。
⑷铝合金管1内表面、不锈钢管5外表面涂覆助焊剂并装配：
在铝合金管1内表面和不锈钢管5外表面涂覆液体助焊剂，然后装配，装配间隙不大于0.03mm；
⑸铝合金管和不锈钢管装配组件6金属浴钎焊：
将SnAg3.5钎料加热到350℃。将铝合金管和不锈钢管装配组件6浸入熔融钎料7，铝合金管和不锈钢管装配组件6的轴向浸入速度2cm/min，铝合金管和不锈钢管装配组件6的轴向与熔融钎料7液面夹角α为30°，停留5min后取出，完成整个焊接过程。(见图3)
⑹铝外壳加工：
采用机加方法完成图1所示异型截面铝外壳加工。
二、上述工艺制备的铝-不锈钢复合管达到的性能指标：
⑴铝-不锈钢复合管结合界面的冶金结合率接近100％；
⑵铝-不锈钢复合管的界面剪切强度大于35MPa。

Claims (11)

1.一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在铝合金管(1)内孔表面上加工出沿内孔圆周均布、分别与内孔轴向相平行、贯通的多条槽道；
(2)不锈钢管(5)外表面改性处理；
(3)铝合金管(1)内表面改性处理；
(4)铝合金管(1)内孔和不锈钢管(5)外壁分别涂覆液体助焊剂并装配；
(5)铝合金管和不锈钢管装配组件(6)金属浴钎焊；所述金属浴钎焊过程中，铝合金管和不锈钢管装配组件(6)浸入熔融钎料，铝合金管和不锈钢管装配组件(6)轴线方向与钎料液面夹角为α，其中30°≤α≤90°，铝合金管和不锈钢管装配组件(6)沿轴线方向浸入钎料熔池的速度V不大于4cm/min；
(6)铝合金管(1)外形加工。
2.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述不锈钢管(5)的材质为奥氏体型不锈钢，型号为304、304L、302、321、347、316L、316、317L或317；所述不锈钢管(5)的内壁加工为光滑或加工有槽道。
3.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述铝合金管(1)的材质型号为6063或3A21；所述铝合金管(1)为圆形管或异形截面管。
4.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述槽道的截面为半圆形、梯形或矩形。
5.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述槽道采用挤压成型工艺或电火花加工工艺制备。
6.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述不锈钢管(5)外表面改性处理，采用电镀或化学镀的方法在不锈钢管(5)外表面镀上一层镍、铜、金或银，镀层厚度为5μm～20μm。
7.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述铝合金管(1)内表面改性处理，采用化学镀的方法在铝合金管(1)内表面镀上一层镍、铜、金或银，镀层厚度为5μm～20μm。
8.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述铝合金管(1)和不锈钢管(5)的装配间隙不大于0.05mm。
9.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述金属浴钎焊所使用的钎料为Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Ag-Sb、Pb-Ag、Sn-Zn或Pb-Bi系合金钎料。
10.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所制备的铝-不锈钢复合管中，内层不锈钢管(5)的直径为4mm～20mm，铝-不锈钢复合管的长度为50mm以上。
11.根据权利要求1所述的一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其特征在于：所述槽道的截面间距与外形尺寸为：0.05mm<a<0.5mm，0.05mm<b<0.5mm，0.05mm<c<0.5mm，其中a为槽道间距，b为槽道深度，c为槽道宽度。
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