CN106181250B - 异种复合构件热等静压扩散连接制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，包括(1)根据最终产品尺寸，设计加工基础组件，包括基体毛坯、镶块、缸套毛坯、接头毛坯；(2)设计加工纯铝包套组件，包含包套、包套盖、除气管及垫块；(3)对各部件进行表面处理；(4)将包套组件与基础组件进行组装，并将包套盖与包套进行焊接，将除气管与包套盖进行焊接；(5)包套内部抽真空；(6)对包套进行热等静压处理；(7)去除包套，通过机加工得到复合构件产品，本发明通过异种金属热等静压扩散连接工艺实现至少两种不同金属材料的相互连接，从而得到复合构件产品，异种金属连接界面密封良好，避免了铸造工艺因线膨胀系数差异导致的界面开裂，产品质量稳定可靠。

Description

异种复合构件热等静压扩散连接制备方法
技术领域
本发明涉及异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，特别是涉及一种铝-铁-钢复合构件热等静压扩散连接制备方法，属于异种金属扩散连接技术领域。
背景技术
对于活塞式压气机，当活塞在缸体内往复运动时，与缸体之间必然产生摩擦，这就要求缸体材料具备良好的力学强度和耐磨性能，另一方面，对于空间站使用的压气机，其对减重有着特殊要求，综合考虑材料性能和使用工况，提出采用球墨铸铁缸套/不锈钢接头/铝合金基体的复合结构底座组件的方案，这就要求球墨铸铁、不锈钢、铝合金三种不同金属材料之间具备良好的结合性能。对于此类复合结构，从前采用预制球墨铸铁缸套和不锈钢接头，将其定位后进行铝合金浇铸的工艺进行制备，但随着浇铸后温度迅速下降，铝合金与其他两种金属的线膨胀系数差距很大，产生的热应力使得结合界面开裂泄漏，结合强度也无法达到使用要求。
热等静压扩散连接技术是几年来发展迅速的异种金属接连工艺，通过原子间互扩散使异种金属之间产生冶金结合，非常适用于压气机底座组件的研制，同时有效避免了铝合金基体的铸造缺陷，如何通过热等静压扩散连接方法实现不同金属之间良好的结合成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，该方法简化了构件生产流程，异种金属间经高温高压产生原子互扩散，从而实现冶金结合，结合界面密封性良好，此外采用纯铝包套组件，成本低，焊接性能好，降低了该类产品的生产难度和成本。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，包括如下步骤：
步骤(一)、根据待制备的复合构件的形状，设计并加工组成复合构件的基础组件，所述基础组件包括基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯，且基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯为至少两种不同的金属材料加工得到；
步骤(二)、加工包套组件，所述包套组件包括包套、包套盖和除气管；
步骤(三)、对包套组件以及基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯进行表面处理；
步骤(四)、按照待制备复合构件的形状，将基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯进行组装，组装后装入包套内，并盖上包套盖，将包套与包套盖进行焊接，最后在包套盖上预留的通孔位置焊接除气管；
步骤(五)、采用真空泵通过除气管将包套内的空气抽出，使包套内气压小于5.0×10-3Pa，并保持4～6小时，在真空条件下封堵除气管，形成包套密闭结构；
步骤(六)、将包套密闭结构置于热等静压设备中进行热等静压处理；
步骤(七)、热等静压处理完成后，通过机械加工除去包套组件，得到待制备的复合构件。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，基体毛坯、镶块采用铝合金材料，缸套毛坯采用球墨铸铁材料，接头毛坯采用不锈钢材料。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，基体毛坯、镶块采用5A06铝合金材料，缸套毛坯采用QT550或QT550A球墨铸铁材料，接头毛坯采用0Cr18Ni9或1Cr18Ni9Ti不锈钢材料。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，包套组件中的包套、包套盖和除气管均采用铝，优选采用1060纯铝。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，包套组件还包括垫块，步骤(四)中进行组装时，垫块设置在基础组件与包套盖之间，用于支撑包套盖，避免其在热等静压扩散连接过程中坍塌破裂。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，垫块采用低碳钢，对垫块的表面处理为除油处理。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，步骤(三)中对包套组件以及基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯进行表面处理的具体方法为：
对基体毛坯、镶块、包套组件进行碱洗处理，对缸套毛坯表面进行镀镍处理，对接头毛坯表面进行酸洗处理。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，缸套毛坯表面进行镀镍处理，方式为电镀，镀层厚度为50～100μm。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，缸套毛坯、接头毛坯与基体毛坯的结合面处加工啮合沟槽。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，啮合沟槽的深度为1.0～1.5mm。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，步骤(六)中进行热等静压处理的温度为500～540℃，压力不低于130MPa，保温保压时间为3～5小时。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，步骤(四)中将基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯进行组装时，缸套毛坯放置在基体毛坯上部，接头毛坯为L形结构，一端伸入缸套毛坯内部，缸套毛坯与接头毛坯之间的空间内放置镶块。
在上述异种复合构件热等静压扩散连接制备方法中，基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯组装完成后装入包套内，并盖上包套盖，其中基体毛坯位于包套的底部，缸套毛坯的一端伸入包套盖的凹腔内，接头毛坯的一端与包套盖之间的空隙内放置垫块，镶块则位于缸套毛坯、接头毛坯与包套盖围成的空间内。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明通过异种金属热等静压扩散连接工艺实现两种或两种以上不同金属材料的相互连接，从而得到复合构件产品，异种金属连接界面密封良好，避免了铸造工艺因线膨胀系数差异导致的界面开裂，产品质量稳定可靠；
(2)、本发明通过热等静压扩散连接工艺制备异种金属复合构件，不需要进行熔融金属的浇注，简化了构件生产流程，降低了工艺复杂度和生产成本；
(3)本发明采用包括基体毛坯、镶块、缸套毛坯和接头毛坯在内的基础组件借助包套组件，通过基础组件之间的简单组合，采用热等静压扩散连接工艺，制备得到异种复合构件，异种金属间经高温高压产生原子互扩散，从而实现冶金结合，显著增加了金属间的连接强度，提高了结合力，结合界面密封性良好；
(4)、本发明采用纯铝包套组件，成本低，焊接性能好，降低了该类产品的生产难度和成本。
(5)、本发明异种金属结合界面增加过渡金属层(缸套毛坯表面进行镀镍处理)及啮合沟槽结构(基础组件的结合面处)，进一步增强了金属间的结合力，使产品质量更加稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例中铝-铁-钢复合构件示意图；
11.球墨铸铁缸套；12.不锈钢接头；13.铝合金基体。
图2为本发明实施例中热等静压包套组件及基础组件各部分的组装示意图；
1.包套；2.包套盖；3，除气管；4.缸套毛坯；5.镶块；6.垫块；7.接头毛坯；8.基体毛坯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，具体包括如下步骤：
步骤(一)、根据待制备的复合构件的形状和尺寸，设计并加工组成复合构件的基础组件，基础组件包括基体毛坯8、镶块5、缸套毛坯4和接头毛坯7的形状，且基体毛坯8、镶块5、缸套毛坯4和接头毛坯7为至少两种不同的金属材料加工得到，例如基体毛坯8、镶块5采用铝合金材料，缸套毛坯4采用球墨铸铁材料，接头毛坯7采用不锈钢材料，优选基体毛坯8、镶块5采用5A06铝合金材料，缸套毛坯4采用QT550或QT550A球墨铸铁材料，接头毛坯7采用0Cr18Ni9或1Cr18Ni9Ti不锈钢材料。
步骤(二)、加工包套组件，包套组件包括包套1、包套盖2和除气管3，此外包套组件还可以包括垫块6。包套组件中的包套1、包套盖2和除气管3均采用铝，优选采用1060纯铝，垫块6采用低碳钢。
步骤(三)、对包套组件以及基体毛坯8、镶块5、缸套毛坯4和接头毛坯7进行表面处理，具体处理方法为：对基体毛坯8、镶块5、包套组件进行碱洗处理，对缸套毛坯4表面进行镀镍处理，对接头毛坯7表面进行酸洗处理，对垫块6表面进行除油处理。缸套毛坯表面进行镀镍处理的方式为电镀，镀层厚度为50～100μm。
步骤(四)、按照待制备复合构件的形状，将基体毛坯8、镶块5、缸套毛坯4和接头毛坯7进行组装，即进行相应位置的叠放组装，组装后装入包套1内，并盖上包套盖2，将包套1与包套盖2采用氩弧焊进行焊接，最后在包套盖2上预留的通孔位置焊接除气管3。进行组装时，垫块6设置在基础组件与包套盖2之间，起到支撑包套盖2，避免其在热等静压扩散连接过程中坍塌破裂的作用。
此外缸套毛坯4与基体毛坯8的结合面处、接头毛坯7与基体毛坯8的结合面处均加工啮合沟槽，啮合沟槽的深度为1.0～1.5mm。通过啮合沟槽提高构件异种金属结合界面的可靠性
步骤(五)、采用真空泵通过除气管3将包套1内的空气抽出，使包套1内气压小于5.0×10-3Pa，并保持4～6小时，在真空条件下封堵除气管3，形成包套密闭结构；
步骤(六)、将包套密闭结构置于热等静压设备中进行热等静压处理；热等静压处理的温度为500～540℃，压力不低于130MPa，保温保压时间为3～5小时。
步骤(七)、热等静压处理完成后，通过机械加工除去包套组件，得到待制备的复合构件。
实施例1
以制造一种尺寸为180×180×100mm的铝-铁-钢复合构件为例，如图1所示为本发明实施例中铝-铁-钢复合构件示意图。
(a)基础组件各部件及包套组件准备
根据复合构件(如图1)产品形状尺寸，考虑后续机加工余量，加工基体毛坯8、镶块5、缸套毛坯4、接头毛坯7等部件毛坯，热等静压包套组件及垫块6。其中基体毛坯8为矩形结构，中部预留镶块5、缸套毛坯4、接头毛坯7等部件的放置空间，镶块5为条状结构，缸套毛坯4为圆柱结构，一侧预留接头毛坯7的放置空间，接头毛坯7为L形结构，在缸套毛坯4、接头毛坯7与基体毛坯8的结合面加工啮合沟槽，沟槽深度1.5mm。包套1为一端开口的矩形结构，包套盖2的中部形成凹腔结构，凹腔结构的中心设有通孔。
基体毛坯8、镶块5选用5A06铝合金，接头毛坯7选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，缸套毛坯4选用QT550A球墨铸铁，包套组件由包套1、包套盖2、除气管3和垫块6组成，包套1、包套盖2、除气管3均选用1060纯铝，垫块6选用Q235低碳钢。
(b)复合构件各部件及包套组件表面处理
对步骤(a)加工的基体毛坯8、镶块5、包套组件进行碱洗处理，对缸套毛坯4表面进行镀镍处理，镀镍采用电镀工艺，镀层厚度50～100μm，接头毛坯表面进行酸洗处理，垫块表面进行除油处理。
(c)复合构件各部件及包套组件组装焊接
按复合构件产品结构，依照图2所示相对位置关系，将步骤(b)处理的各部件进行组装，其中缸套毛坯4放置在基体毛坯8上部，接头毛坯7为L形结构，一端插入缸套毛坯4的凹槽内部，缸套毛坯4与接头毛坯7之间的空间内放置镶块5。
组装完成后装入包套1内，并盖上包套盖2，其中基体毛坯8位于包套1的底部，缸套毛坯4的一端伸入包套盖2的凹腔内，接头毛坯7的一端与包套盖2之间的空隙内放置垫块6，垫块6防止包套盖2热等静压扩散连接过程中坍塌破裂。镶块5则位于缸套毛坯4、接头毛坯7与包套盖2围成的空间内。
之后将包套盖2与包套1之间进行氩弧焊接，最后在包套盖2凹腔中心预留的孔上焊接除气管3。
(d)包套内部除气
用真空泵在室温环境下通过除气管3将步骤(c)封焊的包套内的空气抽出，包套内气压小于5.0×10-3Pa并保持6小时，在真空条件下封堵除气管3，形成包套密闭结构。
(e)热等静压处理
将步骤(d)处理的包套置于热等静压设备中进行热等静压处理，处理温度520℃，压力不低于150MPa，保温保压时间4小时。
(f)复合构件产品加工
将步骤(e)处理完成的包套，通过机械加工除去包套组件，得到待制备的复合构件。如图1所示为本发明实施例中制备得到的铝-铁-钢复合构件示意图，图1a为结构剖面示意图，图1b为仰视图。其中11为球墨铸铁缸套，12为不锈钢接头；13为铝合金基体。
本实施例异种金属间结合效果通过气密试验及氦质谱检漏方式验证，气密试验：将构件各开口处密封，内腔加压，气压0.6MPa，保压5分钟，压力不下降；氦质谱检漏：将构件各开口处密封，内腔充入氦气，压力0.2MPa，结合界面漏率不超过1.0×10-6Pa·m3/s。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (14)

1.异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、根据待制备的复合构件的形状，设计并加工组成复合构件的基础组件，所述基础组件包括基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)，且基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)四个零件总共由至少两种不同的金属材料加工得到；
步骤(二)、加工包套组件，所述包套组件包括包套(1)、包套盖(2)和除气管(3)；
步骤(三)、对包套组件以及基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)进行表面处理；
步骤(四)、按照待制备复合构件的形状，将基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)进行组装，组装后装入包套(1)内，并盖上包套盖(2)，将包套(1)与包套盖(2)进行焊接，最后在包套盖(2)上预留的通孔位置焊接除气管(3)；
步骤(五)、采用真空泵通过除气管(3)将包套(1)内的空气抽出，使包套(1)内气压小于5.0×10-3Pa，并保持4～6小时，在真空条件下封堵除气管(3)，形成包套密闭结构；
步骤(六)、将包套密闭结构置于热等静压设备中进行热等静压处理；
步骤(七)、热等静压处理完成后，通过机械加工除去包套组件，得到待制备的复合构件。
2.根据权利要求1所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述基体毛坯(8)、镶块(5)采用铝合金材料，缸套毛坯(4)采用球墨铸铁材料，接头毛坯(7)采用不锈钢材料。
3.根据权利要求2所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述基体毛坯(8)、镶块(5)采用5A06铝合金材料，缸套毛坯(4)采用QT550或QT550A球墨铸铁材料，接头毛坯(7)采用0Cr18Ni9或1Cr18Ni9Ti不锈钢材料。
4.根据权利要求1所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述包套组件中的包套(1)、包套盖(2)和除气管(3)均采用铝。
5.根据权利要求4所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述包套组件中的包套(1)、包套盖(2)和除气管(3)均采用1060纯铝。
6.根据权利要求1所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述包套组件还包括垫块(6)，步骤(四)中进行组装时，垫块(6)设置在基础组件与包套盖(2)之间，用于支撑包套盖(2)，避免其在热等静压扩散连接过程中坍塌破裂。
7.根据权利要求6所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述垫块(6)采用低碳钢，对垫块(6)的表面处理为除油处理。
8.根据权利要求1-7之一所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述步骤(三)中对包套组件以及基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)进行表面处理的具体方法为：
对基体毛坯(8)、镶块(5)、包套组件进行碱洗处理，对缸套毛坯(4)表面进行镀镍处理，对接头毛坯(7)表面进行酸洗处理。
9.根据权利要求8所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述缸套毛坯(4)表面进行镀镍处理，方式为电镀，镀层厚度为50～100μm。
10.根据权利要求1所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述缸套毛坯(4)、接头毛坯(7)与基体毛坯(8)的结合面处加工啮合沟槽。
11.根据权利要求10所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述啮合沟槽的深度为1.0～1.5mm。
12.根据权利要求1-7，9-11之一所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述步骤(六)中进行热等静压处理的温度为500～540℃，压力不低于130MPa，保温保压时间为3～5小时。
13.根据权利要求1-7，9-11之一所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：所述步骤(四)中将基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)进行组装时，缸套毛坯(4)放置在基体毛坯(8)上部，接头毛坯(7)为L形结构，一端伸入缸套毛坯(4)内部，缸套毛坯(4)与接头毛坯(7)之间的空间内放置镶块(5)。
14.根据权利要求13所述的异种复合构件热等静压扩散连接制备方法，其特征在于：基体毛坯(8)、镶块(5)、缸套毛坯(4)和接头毛坯(7)组装完成后装入包套(1)内，并盖上包套盖(2)，其中基体毛坯(8)位于包套(1)的底部，缸套毛坯(4)的一端伸入包套盖(2)的凹腔内，接头毛坯(7)的一端与包套盖(2)之间的空隙内放置垫块(6)，镶块(5)则位于缸套毛坯(4)、接头毛坯(7)与包套盖(2)围成的空间内。
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