CN105925948B - 一种铝合金表面活化连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝合金表面活化连接方法，即：首先对铝合金表面进行预处理去除氧化膜及杂质，然后利用磁控溅射技术活化铝合金表面并沉积中间层，在真空或惰性气体保护状态下，将铝合金试样装配加热到连接温度并保温一定时间，利用中间层与铝合金发生共晶反应生成共晶液相达到铝合金的连接，随后共晶液相等温凝固，获得组织性能良好的铝合金连接接头，本发明结合磁控溅射技术与瞬时液相扩散连接，实现了铝合金表面活化、有效去除了铝合金表面氧化膜并阻碍新的氧化膜形成，消除了氧化膜对铝合金连接的不利影响，依靠共晶液相的产生达到铝合金的冶金结合，最终获得组织、性能良好的铝合金连接接头。

Description

一种铝合金表面活化连接方法
技术领域
本发明涉及一种金属表面处理方法，具体说是一种铝合金表面活化连接方法。
背景技术
我们知道，铝合金具有高的比强度、低密度、良好的耐腐蚀性、良好的导电性及导热性等优点而广泛应用于航空航天、船舶、汽车等工业领域。为了保证效率及符合轻量化要求，以轻质铝合金替代其他金属及合金作为结构件具有重要的意义，而铝合金的连接技术作为关键环节则起到了举足轻重的作用，但是铝及铝合金表面存在着一层致密而稳定的氧化膜，氧化膜的存在阻碍了铝合金的连接，尤其在铝合金的钎焊及扩散焊过程中，氧化膜会阻碍熔融钎料的润湿与铺展、阻碍原子的扩散与反应，使得接头性能恶化。
由于铝的化学性质活泼，焊前采用机械清理、化学清洗及超声波清洗等方法去除铝合金表面氧化膜所裸露出来的新鲜的铝合金表面在与空气接触时又会迅速生成新的氧化膜，因而对铝合金钎焊及扩散连接的去膜要求比较高。目前铝合金的钎焊多数采用添加钎剂，利用钎剂与氧化膜之间的反应去除氧化膜，促进钎料的润湿铺展，形成良好的接头。但是铝合金钎剂的应用会带来如下问题：(1)在钎焊过程中钎剂与氧化膜的反应可能产生气泡等缺陷，降低钎焊接头的性能；(2)铝合金钎剂本身及其残渣具有很强的腐蚀性，若钎焊后未及时清洗，会对钎焊接头造成腐蚀性损伤；(3)反应钎剂在使用时会产生刺激性和腐蚀性的烟雾，因而钎焊过程中要求通风。铝合金的扩散连接则利用压力在微观接触表面产生塑性变形以破坏氧化膜，达到去除氧化膜形成良好的连接接头的目的，但是该连接方法对压力及真空度的要求比较高且耗费时间较长。
瞬时液相扩散连接(TLP)通常采用比母材熔点低的材料或者与母材发生共晶反应生成共晶液相的材料作为中间层，在加热到连接温度时，中间层熔化或与母材反应生成共晶液相，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材中扩散，共晶液相发生等温凝固而形成连接接头。共晶液相在母材表面润湿铺展，实现材料的紧密结合，且共晶液相在氧化膜下形成“潜流”效应，促进氧化膜的破碎分裂，得到结合性能良好的连接接头。
磁控溅射技术作为一种高效率的镀膜技术，与其他镀膜技术相比具有溅射镀膜速度快、膜层致密、膜层附着性好、可精确控制镀膜过程获得均匀的高精度的膜厚等优点，况且磁控溅射过程中等离子体轰击起到了活化基体表面、去除表面氧化膜的作用。
发明内容
为了有效彻底的清除铝合金表面氧化膜并阻止新的氧化膜生成，达到铝合金表面活化并形成高质量的铝合金连接接头，实现高质量的铝合金连接目的。本发明结合磁控溅射技术与瞬时液相扩散连接技术以提供一种铝合金表面活化连接方法。
本发明通过以下措施达到：
一种铝合金表面活化连接方法，步骤如下：
1）、首先将铝合金依次进行600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸打磨，并依次用10%NaOH溶液、10%HNO3溶液进行化学清洗，之后用去离子水冲洗干净，最后依次用丙酮超声波清洗15min~30min并吹干；
2) 将处理后的铝合金试样置入磁控溅射设备并抽取至真空状态，随后通入纯Ar进行预溅射5min~15min以清除靶材表面的杂质；
3) 在溅射沉积中间层之前进行等离子体清洗20min~30min，以彻底去除铝合金表面氧化膜及杂质，之后以纯Ar作为工作气体，利用磁控溅射技术在铝合金表面沉积中间层，得到表面镀层的铝合金试样；
4) 将表面镀层的铝合金试样装配放入真空炉中，在真空状态(真空度为5×10-3 Pa)下，以5℃~20℃/min的升温速率加热到连接温度并保温15min~60min，随后以5℃~10℃/min的速率降温至400℃后随炉冷却，得到连接后的铝合金试样。
本发明步骤1)中所述的铝合金为熔点高于Al-Cu共晶温度或Al-Si共晶温度的铝合金。
本发明步骤2)中所述的真空状态的真空度范围为1×10-3 Pa~5×10-3 Pa。
本发明步骤3)所述的中间层是指能与Al元素发生共晶反应生成共晶液相的纯Cu层或纯Si层。
本发明步骤4)所述的连接温度指的是稍高于Al-Cu共晶温度的550℃~580℃之间或稍高于Al-Si共晶温度的580℃~620℃之间。
相对于一般的铝合金钎焊及扩散焊连接，本发明的优点在于：
(1) 本发明所提供的铝合金表面活化连接方法结合磁控溅射技术与瞬时液相连接技术，有效去除铝合金表面氧化膜并阻碍新的氧化膜的形成，消除了氧化膜对铝合金连接的不利影响，获得组织、性能良好的连接接头；
(2) 本发明的连接过程中只需要额外附加很小的压力(0.1MPa)甚至无需额外压力只依靠铝合金试样自身重量以达到连接目的；
(3) 本发明所提供的铝合金表面活化连接方法无需添加钎剂，中间层对铝合金试样无腐蚀性，连接过程中不产生刺激性烟雾；
(4) 本发明所提供的铝合金表面活化连接方法采用磁控溅射技术得到的中间层致密，且中间层与铝合金基体之间紧密结合无缺陷，消除了中间层与基体间缺陷对铝合金连接的不利影响。
附图说明
图1为铝合金连接装配示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种铝合金表面活化连接方法步骤如下：
1) 将两块尺寸分别为10mm×20mm×5mm和5mm×5mm×5mm的1060铝合金依次用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸打磨，并依次用10%NaOH溶液、10%HNO3溶液进行化学清洗10~15s，之后用去离子水冲洗干净，最后依次用无水乙醇、丙酮超声波清洗15min并吹干;
2) 将1060铝合金试样放入磁控溅射设备，抽取真空度至5×10-3 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，对纯Si靶材进行预溅射10min，在磁控溅射沉积Si膜之前，通过脉冲偏压电源给基体上提供负高压，利用基体表面自辉光放电产生的等离子体清洗试样表面30min；
3) 以纯Ar为工作气体，利用磁控溅射技术在1060铝合金表面沉积厚度为5μm的纯Si膜；
4) 将镀膜后的1060铝合金试样装配放入真空钎焊炉中，在真空状态下(真空度约5×10-3 Pa)先以20℃/min的速率升温至560℃并保温10min，之后以5℃/min的速率升温至590℃并保温30min，随后以10℃/min的速率降温至400℃后随炉冷却，获得铝合金连接接头。
实施例2
一种铝合金表面活化连接方法步骤如下：
1) 将两块尺寸分别为10mm×20mm×5mm和5mm×5mm×5mm的7075铝合金依次用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂纸打磨，并依次用10%NaOH溶液、10%HNO3溶液进行化学清洗10~15s，之后用去离子水冲洗干净，最后依次用无水乙醇、丙酮超声波清洗15min并吹干;
2) 将7075铝合金试样放入磁控溅射设备，抽取真空度至5×10-3 Pa后通入纯Ar(纯度99.99%)，对纯Cu靶材进行预溅射10min，在磁控溅射沉积Cu膜之前，通过脉冲偏压电源给基体上提供负高压，利用基体表面自辉光放电产生的等离子体清洗试样表面30min；
3) 以纯Ar为工作气体，利用磁控溅射技术在7075铝合金表面沉积厚度为10μm的纯Cu膜；
4) 将镀膜后的7075铝合金试样装配放入真空钎焊炉中，在真空状态下(真空度约5×10-3 Pa)先以20℃/min的速率升温至540℃并保温10min，之后以5℃/min的速率升温至560℃并保温30min，随后以10℃/min的速率降温至400℃后随炉冷却，获得铝合金连接接头。

Claims (1)

1.一种铝合金表面活化连接方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、首先将铝合金进行机械打磨、化学清洗去除表面氧化膜及杂质，之后用去离子水冲洗干净，最后用丙酮超声波清洗15min ~ 30min并吹干，所述的铝合金为熔点高于Al-Cu共晶温度或Al-Si共晶温度的铝合金；
步骤二、将步骤一中处理后的铝合金试样置入磁控溅射设备并抽真，真空度范围为5×10-3Pa ~ 1×10-3Pa，随后通入纯Ar进行预溅射以清除靶材表面的杂质，所述的预溅射时间为5min ~ 15min；
步骤三、进行等离子体清洗，等离子体清洗时间为10min ~ 30min，以彻底去除铝合金表面氧化膜及杂质；之后以纯Ar作为工作气体，利用磁控溅射技术在铝合金表面沉积中间层，得到表面镀层的铝合金试样，所述的中间层为纯Cu层或纯Si层，中间层厚度为1μm~ 50μm ；
步骤四、装配表面镀层的铝合金试样，然后放入真空炉中，在真空状态下以5℃ ~ 20℃/min的升温速率加热到连接温度并保温15min ~ 60min，连接温度为550℃ ~ 580℃或580℃ ~ 620℃，随后以5℃ ~ 10℃/min的速率降温至400℃后随炉冷却，得到连接后的铝合金试样。
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