CN104235515B - 一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属复合材料技术领域，特别涉及一种空间飞行器热控用铝‑不锈钢复合管材。本发明复合管为金属复合结构，其中由内到外依次为不锈钢管、电镀层、应力缓解金属层、焊料填充层和铝合金管；所述不锈钢管、电镀层、应力缓解金属层、焊料填充层和铝合金管顺次包覆相连，各相连界面均为冶金结合，结合率为100％。本发明复合管具有轻质、耐压、耐振、耐腐蚀、高传热能力、高直线度等特点，可应用于空间飞行器热管、单相和双相液体传热回路、可展开式热辐射器等热控系统。
Description
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，特别涉及一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管。
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热管管壳与扩热板的大面积冶金结合从而达到高效传热目的。
针对上述问题，本发明开发了一种轻质、耐压、高传热能力空间飞行器热控用复合管，该复合管采用金属复合结构，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，中间为应力缓解金属。该复合管具有如下特征：1，复合管金属间界面为冶金结合，结合率100％；2，复合管轴线直线度优于0.2/300mm；3，复合管满足该类航天器产品力学适应性要求，通过随机振动环境试验；4，复合管满足该类航天器产品热环境适应性要求，能够耐受最低-180℃、最高280℃范围内的冷热交变热循环、高低温存储与热冲击；5，复合管采用热等静压扩散焊工艺制备应力缓解层，采用热压钎焊和热等静压处理相结合的工艺路线制备复合管。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管。
一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，所述复合管为金属复合结构，其中由内到外依次为不锈钢管、电镀层、应力缓解金属层、焊料填充层和铝合金管；所述不锈钢管、电镀层、应力缓解金属层、焊料填充层和铝合金管顺次包覆相连，各相连界面均为冶金结合，结合率为100％。复合管结构见附图1。
所述不锈钢管的材质为奥氏体型不锈钢，型号为304、302、321、347、316L、316、317L、或317。
所述应力缓解金属层的材质为Cu、Au或Ag。
所述焊料填充层的材质为Zn-Al系合金和Al-Si系合金中的一种。
所述铝合金管的材质型号为6063或3A21。
所述不锈钢管的内壁加工为光滑或加工有槽道；所述应力缓解金属层的厚度为0.1mm～1.0mm；所述焊料填充层的厚度为0.03mm～0.10mm；所述铝合金管为圆形管或异型截面管。
所述电镀层的材质为镍、铜、金或银。
所述空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管的长度为100mm～1200mm。
所述空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管中不锈钢管的轴线直线度优于0.2/300mm。
一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，采用热等静压工艺在不锈钢管表面制备应力缓解金属管，然后采用热压钎焊工艺实现应力缓解金属管与铝合金管的焊接，最后再热等静压处理制备得到所述空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管材；其中所述应力缓解金属管的制备过程中，无焊料填充。
一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其具体步骤如下：
(1)将不锈钢管外表面进行改性处理，电镀上一层电镀层；
(2)应力缓解金属层的制备：采用热等静压扩散焊工艺在改性的不锈钢管外表面制备应力缓解金属层；
将改性的不锈钢管与应力缓解金属管进行装配，两端采用真空钎焊工艺进行真空密封；钎焊料选用银基焊料；焊接温度高于800℃，真空度优于10-3Pa。对密封件进行热等静压扩散焊，然后将应力缓解金属管加工成所需厚度的应力缓解金属层；不锈钢管与应力缓解金属管真空包套示意图见附图2。
(3)热压钎焊焊料的准备：将焊料加工成箔材；
(4)包覆有电镀层和应力缓解金属层的不锈钢管与铝合金管的热压钎焊：将铝合金加工成带凹槽的平板，对表面包覆有应力缓解金属层的不锈钢管、带凹槽的铝合金平板、焊料箔材进行表面清洗，按照图3所示进行装配；对所得装配组件进行热压钎焊；焊接温度为350℃～600℃，保温时间为5min～30min，压力为5MPa～20MPa；
(5)热压钎焊组件的热等静压真空包套：对步骤(4)所得铝-不锈钢热压钎焊件进行外形加工与真空包套；包套工艺及包套结构示意图见附图4。
(6)铝-不锈钢热压钎焊件热等静压处理；处理温度为300℃～500℃，压力为100MPa～200MPa，时间为1.0～6.0小时；
(7)热等静压包套去除与铝合金管外形加工，得到一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管。
所述电镀层的材质为镍、铜、金或银金属，所述电镀层厚度不大于10μm。
所述应力缓解金属层的材质为Cu、Au或Ag金属。
所述热等静压扩散焊工艺中，应力缓解金属层直接作为热等静压真空包套材料，真空包套工艺采用真空钎焊，焊接温度不低于800℃，焊接真空度优于10-3Pa。
所述应力缓解金属层的厚度为0.1mm～3.0mm。
所述焊料填充层的厚度为0.03mm～0.20mm。
所述热压钎焊前，将铝合金加工成带半圆形凹槽的平板，再与包覆有应力缓解金属层的不锈钢管及焊料进行装配。
所述热压钎焊工艺参数：温度为500℃～600℃，压力为5MPa～20MPa。
所述真空包套所使用的包套材料的氧含量小于50ppm，包套内真空度达到10-3Pa。
所述热等静压处理的工艺参数：温度为350℃～500℃，压力为100MPa～200MPa，保温保压时间为1.0～6.0小时。
本发明的有益效果为：
(1)本发明复合管的内层为奥氏体型不锈钢，具有耐压、耐腐蚀特点，可满足空间飞行器热控系统中工作介质流通管路和存储容器的材质要求，同时又具有较好的焊接性；
(2)本发明复合管外层为铝合金，使该材料具有轻质特点，可满足航天器产品轻量化需求；
(3)本发明复合管包含的金属界面均为冶金结合，结合率100％；
(4)本发明复合管具有较高的传热能力，满足-180～280℃冷热交变热循环、热冲击、高低温存储等该类航天器产品热环境适应性要求；
(5)本发明复合管包含应力缓解层，可有效缓解因铝和不锈钢热膨胀系数差异引起的残余应力，能满足该类航天器产品力学环境适应性要求；
(6)本发明复合管具有较高直线度，不锈钢内孔轴线的直线度优于0.2/300mm。
附图说明
图1为本发明空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管的结构示意图，其中图1a为其沿轴向平行方向剖面结构示意图，图1b为其沿轴向垂直方向剖面结构示意图；
图2为本发明不锈钢管与应力缓解金属管热等静压扩散焊真空包套结构示意示意图，其中图2a为其沿轴向平行方向剖面结构示意图，图2b为其沿轴向垂直方向剖面结构示意图；
图3为本发明表面包覆有应力缓解金属管的不锈钢管与铝合金管热压钎焊装配示意图；
图4为本发明铝-不锈钢热压钎焊组件热等静压真空包套结构示意图；
图中标号：
1-不锈钢管；2-电镀层；3-应力缓解金属层；4-焊料填充层；5-铝合金管；6-应力缓解金属包套；7-真空钎焊第一焊缝；8-真空钎焊第二焊缝；9-覆电镀层和应力缓解层的不锈钢管；10-焊料箔材；11-带凹槽的铝平板；12-真空包套外壳；13-真空包套第一外端盖；14-真空包套内端盖；15-真空包套第二外端盖；16-真空包套抽气管；17-热压钎焊组件加工后的铝合金管；18-铝-不锈钢界面(包含电镀层、应力缓解金属层和焊料层)；19-真空包套第一焊缝；20-真空包套第二焊缝；21-真空包套第三焊缝；22-真空包套第四焊缝；23-真空包套第五焊缝；24-真空包套第六焊缝；25-真空包套第七焊缝。
具体实施方式
本发明提供了一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，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
某空间探测器热控系统蒸发器用某规格铝-不锈钢复合管。
复合管结构：内层为316L奥氏体不锈钢管1，外层为3A21铝合金管5，应力缓解金属层3为无氧铜，钎焊料为ZnAl25焊料。
复合管成品规格：不锈钢管1的外径为10mm，不锈钢管1的内螺纹尺寸为M8×0.5mm，铝合金管5为异形截面管材，复合管材长度为150mm。
一、制备过程：
首先采用热等静压扩散焊工艺在不锈钢管外表面制备一层应力缓解金属管，然后采用热压钎焊再热等静压处理的工艺路线制备复合管。具体步骤包括以下几个方面：
(1)不锈钢管外表面的改性处理：
不锈钢管1的材质为316L不锈钢，外径为10mm，不锈钢管1的内孔为8个，每个内孔孔径为0.5mm，长度为170mm，不锈钢管1外表面去除氧化皮、除油、化学清洗、烘干，然后在不锈钢管1外表面电镀一层银，银层厚度为5μm～8μm；电镀过程中对不锈钢管1内孔表面进行保护，保证不锈钢管1内孔不被镀液污染。
(2)应力缓解金属层3的制备：
采用热等静压扩散焊工艺在镀有银层的不锈钢管表面制备应力缓解金属层3。应力缓解金属层3材质选无氧铜，将无氧铜加工成长为160mm，壁厚为2mm的管材，将镀有银层的不锈钢管1按附图2方式套入在无氧铜管内，装配间隙小于0.1mm。端部采用真空钎焊工艺进行真空密封，焊料选用AgCu28焊丝，焊接温度为800℃～830℃，保温时间为3min～10min，焊接过程中炉内真空度优于10-3Pa。对不锈钢与无氧铜焊接件进行热等静压扩散焊。热等静压温度600℃～750℃，时间为1小时，压力不小于150MPa。热等静压完成后对无氧铜层进行加工，将无氧铜层厚度控制在0.25mm左右。
(3)热压钎焊焊料的准备：
热压钎焊选用的焊料材质为ZnAl25焊料箔材，焊料厚度为0.03mm。
(4)包覆有电镀层和应力缓解金属层3的不锈钢管1与铝合金管5的热压钎焊：
将铝合金加工成带凹槽的平板。将覆有电镀层和无氧铜应力缓解金属层3的不锈钢管1、铝合金板、ZnAl25焊料进行表面清洗，按附图3所示装配。对装配组件进行热压钎焊，焊接温度为510℃，保温时间为10min，压力为20MPa。
(5)热压钎焊组件的热等静压真空包套：
①将步骤(4)所得热压钎焊件加工成外圆直径大于复合管异形截面最大外圆直径的圆管。
②装配前，对无氧铜包套组件进行清洗、无水乙醇脱水、烘干、除气、退火处理。退火的工艺制度：温度600℃，真空度优于5×10-3Pa，排气5.0小时。
③将复合管材与包套组件按附图4所示进行装配，装配间隙小于0.1mm，再用真空电子束焊接方法对7条焊缝进行密封。
④包套热真空除气，工艺制度：400℃条件下，真空度优于10-3Pa，维持2小时。
⑤包套密封，包套热真空除气结束后，采用压焊钳对真空包套抽气管16夹断密封并对端口焊接。
(6)铝-不锈钢热压钎焊件的热等静压处理：
热等静压处理工艺制度：温度为400℃～420℃，压力为150MPa，时间2.0小时；
(7)热等静压包套去除与铝合金管外形加工。
热等静压处理完成后，采用机加方法首先去除热等静压无氧铜包套，然后加工复合管铝壳外形。
二、上述工艺制备的铝-不锈钢复合管达到的性能指标：
⑴复合管具有较高直线度，不锈钢管1内孔轴线直线度优于0.15/300mm；
⑵复合管金属界面冶金结合率100％；
⑶复合管通过随机机械振动环境试验。试验过程参照Q/W50.5A-2007《航天器组件环境试验方法第5部分：振动试验》。试验结束后外观及结合面无变化。
随机机械振动试验条件如表1所示：
表1 实施例1随机机械振动试验数据表
⑷复合管通过高温280℃，低温-180℃的热循环、高低温存储试验及高温265℃，低温2℃的热冲击测试。测试结束后，复合管界面及外观无变化。
实施例2
某空间飞行器热控系统冷凝器用某规格轻质、耐压、高传热能力复合管。
复合管结构：内层为304奥氏体不锈钢管1，外层为6063铝合金管5，应力缓解金属层3为金属银，钎焊料为AlSiMg12-2焊料。
复合管成品规格：不锈钢管1的外径为6mm，壁厚为0.8mm，铝合金管5为异形截面管材，复合管材长度为270mm。
一、制备过程：
首先采用热等静压扩散焊工艺在不锈钢管外表面制备一层应力缓解金属管，然后采用热压钎焊再热等静压处理的工艺路线制备复合管。具体步骤包括以下几个方面：
(1)不锈钢管1外表面的改性处理：
不锈钢管1的材质为304不锈钢，外径为6mm，壁厚为0.8mm，长度为290mm，不锈钢管1外表面去除氧化皮、除油、化学清洗、烘干，然后在不锈钢管1外表面电镀一层铜，铜层厚度为5μm～8μm；电镀过程中对不锈钢管1内孔表面进行保护，保证不锈钢管1内孔不被镀液污染。
(2)应力缓解金属层3的制备：
采用热等静压扩散焊工艺在镀有银层的不锈钢管表面制备应力缓解金属层3。应力缓解金属层3材质选金属银，将金属银加工成长为280mm，壁厚为2mm的管材，将镀有铜层的不锈钢管1按附图2方式套入在金属银管内，装配间隙小于0.1mm。端部采用真空钎焊工艺进行真空密封，焊料选用AgCuPd焊丝，焊接温度为840℃～860℃，保温时间为3min～10min，焊接过程中炉内真空度优于10-3Pa。对不锈钢与无氧铜焊接件进行热等静压扩散焊。热等静压温度600℃～750℃，时间为1小时，压力不小于150MPa。热等静压完成后对无氧铜层进行加工，将无氧铜层厚度控制在0.2mm左右。
(3)热压钎焊焊料的准备：
热压钎焊选用的焊料材质为AlSiMg12-2焊料箔材，焊料厚度为0.05mm。
(4)包覆有电镀层和应力缓解金属层3的不锈钢管1与铝合金管5的热压钎焊：
将铝合金加工成带凹槽的平板。将覆有电镀层和无氧铜应力缓解金属层3的不锈钢管1、铝合金板、AlSiMg12-2焊料进行表面清洗，按附图3所示装配。对装配组件进行热压钎焊，焊接温度为590℃，保温时间为10min，压力为15MPa。
(5)热压钎焊组件的热等静压真空包套：
①将步骤(4)所得热压钎焊件加工成外圆直径大于复合管异形截面最大外圆直径的圆管。
②装配前，对无氧铜包套组件进行清洗、无水乙醇脱水、烘干、除气、退火处理。退火的工艺制度：温度600℃，真空度优于5×10-3Pa，排气5.0小时。
③将复合管材与包套组件按附图4所示进行装配，装配间隙小于0.1mm，再用真空电子束焊接方法对7条焊缝进行密封。
④包套热真空除气，工艺制度：450℃条件下，真空度优于10-3Pa，维持3小时。
⑤包套密封，包套热真空除气结束后，采用压焊钳对真空包套抽气管16夹断密封并对端口焊接。
(6)铝-不锈钢热压钎焊件的热等静压处理：
热等静压处理工艺制度：温度为450℃～480℃，压力为150MPa，时间2.0小时；
(7)热等静压包套去除与铝合金管外形加工。
热等静压处理完成后，采用机加方法首先去除热等静压无氧铜包套，然后加工复合管铝壳外形。
二、上述工艺制备的铝-不锈钢复合管达到的性能指标：
⑴复合管具有较高直线度，不锈钢管1内孔轴线直线度优于0.2/300mm；
⑵复合管金属界面冶金结合率100％；
⑶复合管通过随机机械振动环境试验。试验过程参照Q/W50.5A-2007《航天器组件环境试验方法第5部分：振动试验》。试验结束后外观及结合面无变化。
随机机械振动试验条件如表2所示：
表2 实施例2随机机械振动试验数据表
⑷复合管通过高温280℃，低温-180℃的热循环、高低温存储试验及高温265℃，低温2℃的热冲击测试。测试结束后，复合管界面及外观无变化。
Claims (8)
1.一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述复合管为金属复合结构，其中由内到外依次为不锈钢管(1)、电镀层(2)、应力缓解金属层(3)、焊料填充层(4)和铝合金管(5)；所述不锈钢管(1)、电镀层(2)、应力缓解金属层(3)、焊料填充层(4)和铝合金管(5)顺次包覆相连，各相连界面均为冶金结合，结合率为100％；
所述复合管制备步骤如下：
(1)将不锈钢管(1)外表面进行改性处理，电镀上一层电镀层(2)；
(2)应力缓解金属层(3)的制备：采用热等静压扩散焊工艺在改性的不锈钢管(1)外表面制备应力缓解金属层(3)；
将改性的不锈钢管(1)与应力缓解金属管进行装配，两端采用真空钎焊工艺进行真空密封；钎焊料选用银基焊料；焊接温度高于800℃，真空度优于10-3Pa；对密封件进行热等静压扩散焊，然后将应力缓解金属管加工成所需厚度的应力缓解金属层(3)；
(3)热压钎焊焊料的准备：将焊料加工成焊料箔材(10)；
(4)包覆有电镀层(2)和应力缓解金属层(3)的不锈钢管(1)与铝合金管(5)的热压钎焊：将铝合金加工成带凹槽的铝平板(11)，对表面包覆有电镀层(2)和应力缓解金属层(3)的不锈钢管(1)、带凹槽的铝平板(11)、焊料箔材(10)进行表面清洗后进行装配，对装配组件进行热压钎焊；焊接温度为350℃～600℃，保温时间为5min～30min，压力为5MPa～20MPa；
(5)热压钎焊组件的热等静压真空包套：对步骤(4)所得铝-不锈钢热压钎焊件进行外形加工与真空包套；包括以下步骤：
①装配前，将步骤(4)所得热压钎焊件加工成外圆直径大于复合管异形截面最大外圆直径的圆管；对包套组件进行清洗、无水乙醇脱水、烘干、除气、退火处理；
②包套组件与铝-不锈钢复合管组件的装配与焊接；
③包套的热真空除气与密封；
(6)铝-不锈钢热压钎焊件热等静压处理：处理温度为300℃～500℃，压力为100MPa～200MPa，时间为1.0～6.0小时；
(7)热等静压包套去除与铝合金管(5)外形加工，得到一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管。
2.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述不锈钢管(1)的材质为奥氏体型不锈钢，型号为304、302、321、347、316L、316、317L或317。
3.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述应力缓解金属层(3)的材质为Cu、Au或Ag。
4.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述焊料填充层(4)的材质为Zn-Al系合金和Al-Si系合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述铝合金管(5)的材质型号为6063或3A21。
6.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述不锈钢管(1)的内壁加工为光滑或加工有槽道；所述应力缓解金属层(3)的厚度为0.1mm～1.0mm；所述焊料填充层(4)的厚度为0.03mm～0.10mm；所述铝合金管(5)为圆形管或异型截面管。
7.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述电镀层(2)的材质为镍、铜、金或银。
8.根据权利要求1所述的一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，其特征在于：所述空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管中不锈钢管(1)的轴线直线度优于0.2/300mm。
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