CN105252138B - 一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它涉及一种用于纯铝表面处理方法。本发明中纯铝母材表面处理方法为机械振动处理法，粘着镍粉末的不锈钢小球不断与软化退火处理的纯铝母材发生碰撞，有利于纯铝表面氧化膜的破碎，镍粉末与纯铝母材之间由于碰撞导致的能量升高会不断发生冷焊，镍也会部分镶嵌入纯铝母材，最终会形成厚度不均匀的涂层达到表面处理的作用。本发明中机械振动表面处理后的纯铝母材和镍进行扩散连接，铝表面的氧化膜更容易破裂且发生了镍与镍的连接，因此原子扩散更充分，间隙更少，焊合率明显提高，连接质量得到了显著的改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯铝材料的表面处理方法及其在铝/镍扩散连接中的应用。
背景技术
铝及铝合金具有低密度，高韧性，良好的热稳定性，以及良好的导电、导热性等优点，是目前应用最广泛的金属材料之一。镍是一种适用于各种苛刻腐蚀环境的金属材料，将这两种材料连接起来制成铝/镍复合构件可以充分发挥这两种材料的优良性能，具有重要的理论和实用意义。
由于纯铝表面极易形成一层致密的氧化铝薄膜，并且氧化铝的物理化学性质稳定，在焊接过程中很难自发分解或溶解于金属中。因此，目前广泛应用于铝及铝合金的连接方法主要为熔焊、搅拌摩擦焊等去膜效果比较好的焊接技术。而当需要实现异种材料连接或得到精密连接结构时，扩散连接是一种极为重要甚至唯一可靠的连接方法。扩散连接工艺简单，接头质量好，结构变形小，可连接大面积接头，是一种极具实用价值的高质量连接方法。对于铝及铝合金的扩散连接研究，主要采用提高扩散连接温度、延长保温时间或提高连接压力的方式来实现，这主要是由于铝极易在表面形成一层致密的氧化膜，对扩散连接有着很大的阻碍作用。因此对铝合金去除氧化膜十分重要，常见的去膜方法有化学法，变形法，等离子轰击法等，它们分别有易发生二次氧化，加工困难，设备成本高等缺点。
中国专利申请“一种加速制备合金涂层的方法”(专利公开号：1584102A)是在封闭振动容器内放置介质球，复合粉剂和待处理零件，同时将封闭容器放置于加热炉内，经过多个物理化学作用进而在金属表面形成金属化合物涂层。该方法设备复杂，表面处理温度高易发生化学反应生成金属化合物，在焊接领域中的应用会有很大限制。
发明内容
本发明的目的是减少铝表面氧化膜对原子扩散的阻碍作用得到优良的连接质量，避免因直接扩散连接而造成的母材性能下降，从而实现铝和镍的可靠连接。
本发明的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：
取纯铝进行软化退火处理后，粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，机械振动表面处理条件为：振动时间为30～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为2.5～5mm，小球数量为100～200个；所述的镍粉末加入量为5～10g。
本发明提出的纯铝的机械振动表面处理过程：将纯铝板材线切割加工成厚度，大小合适的试样，在350℃下进行软化退火处理后，用502胶水粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入一定质量的镍粉末和一定数量不锈钢小球。将不锈钢罐刚性固定于可上下往复振动的振动台上，钢球会随振动试验机的振动产生无规则上下运动，粘着粉末与底部的纯铝试样发生反复碰撞，使纯镍粉末可以涂覆于纯铝母材表面甚至嵌入其中，达到表面处理的作用。
本发明提出的机械振动表面处理方法的原理：在球-粉-球的碰撞过程中，粉末得以细化并吸收小球带来的机械能。在球-粉-金属试样的不断碰撞过程中，粘着粉末的小球与纯铝母材之间的剧烈碰撞，有利于纯铝表面氧化膜的破碎，且纯镍粉末与纯铝母材之间由于碰撞导致的能量升高会不断发生冷焊，镍会部分镶嵌入纯铝母材，最终会形成厚度不均匀的涂层。
本发明具有以下有益效果：
用本发明提出表面处理方法处理后的铝母材与纯镍母材进行扩散连接，开始阶段，由于纯铝母材经过了机械振动表面处理后表面十分粗糙，在压力作用下表面发生变形会使部分氧化膜破碎，而且在表面处理的过程中，在小球的剧烈碰撞下部分氧化膜也会破碎进而被镍取代。然后在焊接压力和焊接温度的作用下纯铝母材先和纯铝进行表面处理时嵌入铝表面的镍先发生扩散反应。最后，纯铝母材与纯镍母材发生扩散反应，反应层与铝结合的界面呈锯齿状。
与常规扩散连接相比，对纯铝进行本发明提出的机械振动表面处理后得到的铝/镍扩散连接接头由于氧化膜的减少，原子扩散更充分，间隙更少，焊合率明显提高，连接质量得到了显著的改善。
本发明采用的机械振动对纯铝表面处理的方法具有成本低、操作简单、不易发生二次氧化等显著优点。
附图说明
图1为本发明机械振动表面处理方法示意图；
图2为本发明纯铝经过表面处理后的宏观表面形貌照片；
图3为本发明最佳处理工艺参数下得到的纯铝表面微观形貌背散射照片；
图4为本发明最佳工艺参数下得到的纯铝横截面形貌背散射照片；
图5为对纯铝进行机械振动表面处理后得到的铝/镍扩散连接接头照片；
图6为应用本发明方法处理的纯铝与纯镍进行扩散连接和常规方法扩散连接的抗剪强度对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：
取纯铝进行软化退火处理后，粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，机械振动表面处理条件为：振动时间为30～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为2.5～5mm，小球数量为100～200个；所述的镍粉末加入量为5～10g。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的纯铝为纯铝板材，厚度为1.5mm，直径为6cm，质量纯度为99.9％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：纯铝板材在软化退火处理前，通过线切割加工成厚度为1.5mm，直径为6cm的纯铝板材。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的镍粉末为纯镍粉末，镍的超细粉末粒度为7μm，质量纯度为99.9％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：软化退火处理的退火温度为350℃。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对纯铝进行软化退火处理次数为2次。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：机械振动表面处理条件为：振动时间为40～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为3～5mm，小球数量为100～150个。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：机械振动表面处理条件为：振动时间为50～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为4～5mm，小球数量为100～150个。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：机械振动表面处理条件为：振动时间为60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为5mm，小球数量为200个。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：机械振动表面处理条件为：振动时间为50min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为3mm，小球数量为150个。其它与具体实施方式一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：
取纯铝板材，将纯铝板材线切割加工成厚度，大小合适的试样，再在350℃下进行软化退火处理后，用502胶水粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，机械振动表面处理条件为：振动时间为30min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为2.5mm，小球数量为200；所述的镍粉末加入量为10g，镍粉末为超细粉末，其粉末粒度为7μm，质量纯度为99.9％；所述的纯铝板材，厚度为1.5mm，直径为6cm，质量纯度为99.9％。
本实施例将不锈钢罐刚性固定于可上下往复振动的振动台上，钢球会随振动试验机的振动产生无规则上下运动，粘着粉末与底部的纯铝试样发生反复碰撞，使纯镍粉末可以涂覆于纯铝母材表面甚至嵌入其中，达到表面处理的作用。
实施例2
本实施例的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：
取纯铝板材，将纯铝板材线切割加工成厚度，大小合适的试样，再在350℃下进行软化退火处理后，用502胶水粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，机械振动表面处理条件为：振动时间为60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为5mm，小球数量为100；所述的镍粉末加入量为10g，镍粉末为超细粉末，其粉末粒度为7μm，质量纯度为99.9％；所述的纯铝板材，厚度为1.5mm，直径为6cm，质量纯度为99.9％。
本实施例将不锈钢罐刚性固定于可上下往复振动的振动台上，钢球会随振动试验机的振动产生无规则上下运动，粘着粉末与底部的纯铝试样发生反复碰撞，使纯镍粉末可以涂覆于纯铝母材表面甚至嵌入其中，达到表面处理的作用。
实施例3
本实施例的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：
取纯铝板材，将纯铝板材线切割加工成厚度，大小合适的试样，再在350℃下进行软化退火处理后，用502胶水粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，然后再一次在350℃下进行软化退火处理后，再一次进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，两次机械振动表面处理条件均为：振动时间为60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为5mm，小球数量为100；所述的镍粉末加入量为10g，镍粉末为超细粉末，其粉末粒度为7μm，质量纯度为99.9％；所述的纯铝板材，厚度为1.5mm，直径为6cm，质量纯度为99.9％。
本实施例将不锈钢罐刚性固定于可上下往复振动的振动台上，钢球会随振动试验机的振动产生无规则上下运动，粘着粉末与底部的纯铝试样发生反复碰撞，使纯镍粉末可以涂覆于纯铝母材表面甚至嵌入其中，达到表面处理的作用。
图2为实施例3对纯铝母材进行机械振动表面处理后得到的表面宏观形貌照片，从图中可以看出，光亮的纯铝表面涂覆了一层颜色较深的镍涂层，表面凹凸不平，有较大的粗糙度。图3为实施例3对纯铝母材进行机械振动表面处理后得到的表面微观形貌照片，从图中可以看出，镍的表面覆盖率超过了50％，镍的厚度不均匀，分布不连续。图4为实施例3对纯铝母材进行机械振动表面处理后得到的横截面微观形貌照片，从图中可以看出，在纯铝表面涂覆的镍有部分会镶嵌入铝母材中，嵌入最大深度约为50μm，铝和镍之间结合处致密无间隙，无反应层出现，形成了较好的机械结合。图5为实施例3对纯铝进行机械振动表面处理后得到的铝/镍扩散连接接头照片(T＝490℃，t＝60min，P＝2MPa)，从照片中可以看出，在界面处产生了反应层介于铝镍两母材之间，为单相组织，反应层厚度不均匀，与镍母材结合界面处较为平直，结合紧密无缺陷。反应层与铝基体结合界面处参差不齐，有一定的起伏，结合较为紧密。与常规扩散连接方法相比，当纯铝母材经过机械振动表面处理后，所得到的接头间隙明显减少，焊合率明显增大，连接质量明显有所改善。分析认为，纯铝经过机械振动表面处理之后，表面部分铝氧化膜破碎且被镍所替代，而且由于表面处理使得铝表面凹凸不平，在焊接过程中焊接压力的作用下，铝表面氧化膜也会破碎，因此在很大程度上消除了铝氧化膜具有阻碍原子扩散的作用，铝镍原子能够很充分的相互扩散，而且表面处理时涂覆在铝表面上的镍在扩散连接条件下和铝进行反应生成反 应相能大大减少间隙的生成，所以实现了较好的扩散连接，得到了较好的连接接头。图6为实施例3与现有方法对铝/镍扩散连接，在不同连接温度下的抗剪强度对比，当纯铝表面经过机械振动处理后，扩散连接的接头强度提高了约110％。综上可以看出，采用本发明提出的机械振动表面处理法对纯铝母材进行处理后，铝/镍扩散连接接头质量得到了显著提高，且本方法成本低，操作简单，有较大的发展前景。
Claims (5)
1.一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，其特征在于它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：
取纯铝进行软化退火处理后，粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，机械振动表面处理条件为：振动时间为30～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为2.5～5mm，小球数量为100～200个；所述的镍粉末加入量为5～10g；所述的纯铝为纯铝板材，厚度为1.5mm，直径为6cm，质量纯度为99.9％；所述的镍粉末为纯镍粉末，镍的超细粉末粒度为7μm，质量纯度为99.9％；纯铝板材在软化退火处理前，通过线切割加工成厚度为1.5mm，直径为6cm的纯铝板材。
2.根据权利要求1所述的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，其特征在于软化退火处理的退火温度为350℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，其特征在于对纯铝进行软化退火处理次数为2次。
4.根据权利要求1所述的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，其特征在于机械振动表面处理条件为：振动时间为40～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为3～5mm，小球数量为100～150个。
5.根据权利要求1所述的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，其特征在于机械振动表面处理条件为：振动时间为50～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为4～5mm，小球数量为100～120个。
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