CN107252942B - 一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，适用于改善过冷沸腾表面换热性能，主要应用于采用液态工质过冷沸腾换热的高热流部件，如聚变堆第一壁等，基本方法包括：根据实际部件或试件，选取待处理金属表面和对应微米级孔隙金属网及相容钎料，先将待处理表面进行打平，去氧化层，均匀涂抹所选钎料；再贴合金属网，烘干。用形面物件压紧金属网与待处理表面，进行真空钎焊。结束后即得到微纳米多层次复合结构表面，其中金属网构成微米级别凸凹表面孔隙，钎料熔化后形成的表面及金属丝连接的位面呈现纳米级孔洞及粗糙单元。本发明具有可控性高、成本低、简易方便、所形成的表面结构不损伤基体材料等特点。

Description

一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺
技术领域
本发明涉及一种金属(如铜或者其他合金)表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，属于材料表面微纳米加工技术领域及金属材料表面改性处理领域。
背景技术
由于具有微纳米表面结构的材料在声、光、电磁、热力学以及化学活性等方面都相比宏观特性有很大的变异，展显出其不同于宏观属性的特殊性能，从而人们一直在寻求比较方便、高效的微纳米加工方法。
研究发现，具有微纳米表面结构的换热表面能大幅度提高过冷沸腾换热的性能，这对具有强换热性能要求的工业换热器研制具有重大意义，如核聚变堆中面向等离子体部件(第一壁)的过冷沸腾换热管路，其超强换热性能可有效的提高第一壁结构安全性和可靠性。该结构目前主要采用翅片、扰动片及内螺纹管结构，流道阻力大，换热压强高，且翅片及内螺纹管结构不仅加工困难，而且易使基体出现疲劳损伤裂纹。采用具有微纳米结构的换热表面必然可较大程度改善这一现状。
但现阶段，微纳米表面加工技术主要有激光刻蚀、烧结、掩模结合化学沉积或者腐蚀等。调研发现，上述技术处理较小面积尚可，但大面积工业应用还存在较大困难，且价格昂贵。相比而言，烧结更具有一定大面积应用优势，但烧结需要严格工艺条件，形成的微纳米结构可控性存在较大困难。如中国专利申请CN201610218107.2公开了一种利用记忆高分子材料变形产生金属微纳米结构，但微纳米结构与基底间无法附着，且无法大规模便捷的制造多层次微结构。
综上，在金属表面产生多层次微纳米结构，且具有很好的强度而易实现大规模的制造，就目前而言，仍然是个技术难题。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，利用工业上可规模化生产的微米级孔隙金属网和钎焊技术，将金属网钎焊在金属表面形成可控的大规模金属表面微纳米多层次复合结构加工工艺，具备了便捷、低成本，结构完整性好且工艺可控的特点，是对前述技术难题的一种突破。
本发明的技术方案如下：如图1所示。
(1)对待处理的金属表面进行处理表面粗打平，去氧化层处理；
(2)裁剪与步骤(1)中待处理的金属表面尺寸一致的微米级孔隙金属网，使金属网按压平整而能与步骤(1)中待处理的金属表面贴合；
(3)选取与步骤(1)中待处理的金属表面以及步骤(2)中金属网相容的钎焊材料作为焊料；
(4)使用盐酸或其他酸性溶剂(可以除去氧化物而不过多损害基体材料的溶剂)分别将步骤(1)中待处理的金属表面和步骤(2)中金属网进行清洗，然后使用酒精再次重新清洗，并吹干；
(5)将步骤(3)中钎焊材料均匀涂抹在步骤(1)中待处理的金属表面，涂抹均匀，厚度低于步骤(2)中金属网的单丝直径；
(6)将步骤(2)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合，并用形面物件压紧；
(7)将步骤(6)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合的组合放入烘箱内，以200-300摄氏度的温度烘干10-20分钟，去除步骤(3)中钎焊材料中的粘合剂，保证更好地进行钎焊作业；
(8)将步骤(6)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合的组合放入真空钎焊炉中，在较高的真空度下，以及高于步骤(3)中钎焊材料液相温度下进行钎焊作业，钎焊保温若干时间；
(9)钎焊结束后，待炉内温度冷却，取出步骤(6)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合的组合，即得到百微米厚度具有微纳米多层次复合结构的金属表面。
如步骤(1)中待处理的金属表面为各种金属材料表面；步骤(2)中金属网材料与步骤(1)中待处理的金属表面材料一致或成分相近，热物理属性尽量相似。
如步骤(3)中钎焊材料应与金属表面材料和金属网材料相容，即能保证钎焊强度。
如步骤(3)中，对于铜或铜含量高的铜合金而言，选用银铜钛钎料作为钎焊材料；对于需更小级微纳结构(如几纳米或者几十纳米)，在钎料内混入更小的微纳米级别(几纳米或者几十纳米)的相容金属材料，例如纳米银等。
如步骤(7)中，利用孔目大的金属网(60目以上)和钎料两种材料焊接而产生不同尺度大小的微结构，并且其微结构还可以通过选取不同孔目和丝径的金属网及在钎料内混入不同尺度的纳米材料进行调控。
如步骤(8)中，在真空度为10-2Pa或更高量级，钎焊温度为略高于钎料熔化温度，保温时间5-10分钟。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)低成本，可大规模生产；
(2)结构工艺可控：微米级结构可通过使用不同规格网孔目数的金属网调控，纳米级结构可通过使用不同材料钎料或在钎料中混入不同尺度纳米颗粒来调控，从而使整个微纳结构的可控；
(3)采用钎焊不损伤表面基体，金属网具有较好的延展性和柔韧性，不易出现应力集中，因此基体和表面的抗热疲劳性能优；
(4)真空钎焊不易出现脱粘、大孔隙等常见焊接问题，连接强度好，不易于脱落或者损坏；
(5)实验证明，具有该表面结构的换热器件同等情况下相比采用光滑表面器件能明显提高表面换热系数1-5倍，提高临界热流密度50％以上。
附图说明
图1为本发明的操作流程图；
图2为本发明实物的金相显微图；
图3为本发明的换热特性测试结果，两条曲线1和2分别为微纳米处理后与普通平面结构的换热特性对比曲线，可见在过冷沸腾区间，性能成倍提高，临界热流提高50％以上。
具体实施方式
本发明涉及一种在金属(如铜或者其他合金)表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，适用于过冷沸腾换热性能改善的表面改性技术，主要应用于采用液态工质过冷沸腾换热的高热流部件，如聚变堆第一壁等。基本方法包括：根据实际部件或试件，选取待处理的部件或试件金属表面(如铬锆铜)，准备好与待处理表面尺寸对应的微米级孔隙金属网(材料与待处理表面相容，如丝径100μm,孔隙250μm的铜网)以及相容钎料(如银铜钛钎料，钎料中可预添加相容微纳米金属粉体，如纳米银等)。对待处理表面进行表面粗打平，去氧化层处理；将所选金属网整平，确保和待处理表面能很好贴合；将所选钎料均匀涂抹在试验件待处理表面；将金属网与涂抹钎料的表面贴合，烘箱中200摄氏度烘干10-20分钟以去除钎料中大多数粘合剂。为防止金属网在焊接过程中翘曲脱落，可用形面物件将金属网与待处理表面压紧；将上述处理后的部件或试件一起放入真空钎焊炉中，在稍高于钎料焊接温度下进行真空钎焊；待焊接结束，等待试件冷却，取出试件，即得到微纳米多层次复合结构表面，其中金属网构成微米级别凸凹表面孔隙，钎料熔化后形成的表面及金属丝连接的位面将呈现纳米级孔洞及粗糙单元。本发明具有可控性高、成本低、简易方便、所形成的微纳米级表面结构不损伤基体材料等特点。
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。
实施例1：
(1)选取100*10*10mm的铬锆铜，其中100*10mm的表面为待处理面，准备与待处理表面尺寸对应的即100*10mm大小的微米级孔隙铜网，其丝径为100μm，孔隙250μm，以及银铜钛钎料；
(2)并对铬锆铜表面进行处理，先表面粗打平，涂抹稀盐酸于待处理表面进行去氧化层处理，而后使用酒精及清水清洗；
(3)裁剪与铬锆铜待处理表面尺寸一致的即大小为100*10mm微米级孔隙铜网，使铜网按压平整而能与待处理表面贴合，并确保和待处理表面能很好贴合；
(4)使用稀盐酸分别将铬锆铜待处理表面和铜网进行清洗以去除其氧化层，而后使用酒精再次重新清洗，并吹干；
(5)用工具将银铜钛钎料均匀涂抹在铬锆铜待处理表面，涂抹均匀，厚度低于铜网直径；
(6)为防止金属网在焊接过程中翘曲脱落，将铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合，并用形面物件压紧；
(7)将上一步骤试件组合物体，即铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合的试件组合，放入烘箱内以200摄氏度烘干15分钟，其目的是为保证更好地进行钎焊作业；
(8)将上一步骤试件组合物体，即铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合的试件组合，一起放入真空钎焊炉中，在900摄氏度温度下进行真空钎焊，保证在较高的真空度下，真空度为1.2*10-2Pa，在900摄氏度温度下进行保温8分钟，后停止钎焊炉加热；
(9)钎焊结束后，待炉内温度冷却，取出试件，即得到具有微纳米多层次复合结构的金属表面，其中金属网构成微米级别凸凹表面孔隙，钎料熔化后形成的表面及铜丝连接的位面将呈现纳米级孔洞及粗糙单元。
如图2所示，为本发明实物的金相显微图，1为钎料本身产生微结构，2为铜网本身的微结构，通过图2的金相图，很直观地看到此种方法能够生成如1所示的几微米的微小结构以及2所示的百微米级别的微结构，很好地证明了此方法的可实现性
图3所示，为本发明的换热特性测试结果，两条曲线1和2分别为微纳米处理后与普通平面结构的换热特性对比曲线，可见在过冷沸腾区间，性能成倍提高，临界热流提高50％以上，很好地证明了此方法对换热性能效果的提升效果显著。
实施例2：
(1)选取100*10*10mm的铬锆铜，其中100*10mm的表面为待处理面，准备与待处理表面尺寸对应的即100*10mm大小的微米级孔隙铜网，其丝径为60μm,孔隙125μm，以及银铜钛钎料；
(2)并对铬锆铜表面进行处理，先将表面粗打平，涂抹稀盐酸于待处理表面进行去氧化层处理，而后使用酒精及清水清洗；
(3)裁剪与铬锆铜待处理表面尺寸一致的即大小为100*10mm丝径为60μm，孔隙125μm微米级孔隙铜网，使铜网按压平整而能与待处理表面贴合，并确保和待处理表面能很好贴合；
(4)使用稀盐酸分别将铬锆铜待处理表面和铜网进行清洗以去除其氧化层，而后使用酒精再次重新清洗，并吹干；
(5)用工具将银铜钛钎料均匀涂抹在铬锆铜待处理表面，涂抹均匀，厚度低于铜网直径；
(6)为防止金属网在焊接过程中翘曲脱落，将铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合，并用形面物件压紧；
(7)将上一步骤试件组合物体，即铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合的试件组合，放入烘箱内以250摄氏度烘干15分钟，其目的是为保证更好地进行钎焊作业；
(8)将上一步骤试件组合物体，即铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合的试件组合，一起放入真空钎焊炉中，在893摄氏度温度下进行真空钎焊，保证在较高的真空度下，真空度为1.1*10-2Pa，在893摄氏度温度下进行保温8分钟，后停止钎焊炉加热；
(9)钎焊结束后，待炉内温度冷却，取出试件，即得到具有微纳米多层次复合结构的金属表面，其中金属丝网构成微米级别凸凹表面孔隙，钎料熔化后形成的表面及铜丝连接位面将呈现纳米级孔洞及粗糙单元。
实施例3：
(1)与待处理表面尺寸对应的即100*10mm大小的微米级孔隙铜网，其丝径为100μm,孔隙250μm，银铜钛钎料，颗粒100nm的纳米金刚石粉；
(2)并对铬锆铜表面进行处理，先表面粗打平，涂抹稀盐酸于待处理表面进行去氧化层处理，而后使用酒精及清水清洗；
(3)裁剪与铬锆铜待处理表面尺寸一致的即大小为100*10mm丝径为100μm，孔隙250μm微米级孔隙铜网，使铜网按压平整而能与待处理表面贴合，并确保和待处理表面能很好贴合；
(4)使用稀盐酸分别将铬锆铜待处理表面和铜网进行清洗以去除其氧化层，而后使用酒精再次重新清洗，并吹干；
(5)将100nm的纳米金刚石粉与银铜钛钎料按照1:10的质量比例混合均匀；
(6)用工具将混合有纳米金刚石粉的银铜钛钎料均匀涂抹在铬锆铜待处理表面，涂抹均匀，厚度低于铜网直径；
(7)为防止金属网在焊接过程中翘曲脱落，将铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合，并用形面物件压紧；
(8)将上一步骤试件组合物体，即铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合的试件组合，放入烘箱内以250摄氏度烘干10分钟，其目的是为保证更好地进行钎焊作业；
(9)将上一步骤试件组合物体，即铜网与涂有银铜钛钎料的铬锆铜待处理表面贴合的试件组合，一起放入真空钎焊炉中，在890摄氏度温度下进行真空钎焊，保证在较高的真空度下，真空度为1.3*10-3Pa，在890摄氏度温度下进行保温10分钟，后停止钎焊炉加热；
(10)钎焊结束后，待炉内温度冷却，取出试件，即得到具有微纳米多层次复合结构的金属表面，其中金属丝网构成微米级别凸凹表面孔隙，钎料熔化后形成的表面、纳米金刚石颗粒以及铜丝连接位面将呈现纳米级孔洞及粗糙单元。
通过上述3个实例，可以看出本发明具有如下优点：
(1)由于钎料、纳米颗粒用料少，金属网相对比较廉价，故为低成本，可大规模生产；
(2)由工艺条件而定，结构工艺可控：微米级结构可通过使用不同规格网孔目数的金属丝网调控，纳米级结构可通过使用不同材料钎料及在钎料中混入不同尺度纳米颗粒来调控，从而使整个微纳结构的可控；
(3)采用钎焊不损伤表面基体，金属网具有较好的延展性和柔韧性，不易出现应力集中，因此基体和表面的抗热疲劳性能优；
(4)真空钎焊不易出现脱粘、大孔隙等常见焊接问题，连接强度好，不易于脱落或者损坏；
(5)实验证明，具有该表面结构的换热器件同等情况下(常压40摄氏度过冷水，0.3m/s水速)相比采用光滑表面器件在壁温150度时明显提高表面换热系数近5倍，提高临界热流密度50％。
以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：利用钎焊将微米级孔隙金属网焊接在金属表面，形成微纳米多层次复合结构，具体包括如下步骤：
(1)对待处理的金属表面进行处理表面粗打平，去氧化层处理；
(2)裁剪与步骤(1)中待处理的金属表面尺寸一致的微米级孔隙金属网，使金属网按压平整而能与步骤(1)中待处理的金属表面贴合；
(3)选取与步骤(1)中待处理的金属表面以及步骤(2)中金属网相容的钎焊材料作为焊料；
(4)使用盐酸或可以除去氧化物而不过多损害基体材料的溶剂分别将步骤(1)中待处理的金属表面和步骤(2)中金属网进行清洗，然后使用酒精再次重新清洗，并吹干；
(5)将步骤(3)中钎焊材料均匀涂抹在步骤(1)中待处理的金属表面，涂抹均匀，厚度低于步骤(2)中金属网的单丝直径；
(6)将步骤(2)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合，并用形面物件压紧；
(7)将步骤(6)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合的组合放入烘箱内，以200-300摄氏度的温度烘干10-20分钟，去除步骤(3)中钎焊材料中的粘合剂，保证更好地进行钎焊作业；
(8)将步骤(6)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合的组合放入真空钎焊炉中，在较高的真空度下，以及高于步骤(3)中钎焊材料液相温度下进行钎焊作业，钎焊保温若干时间；
(9)钎焊结束后，待炉内温度冷却，取出步骤(6)中金属网与涂有步骤(3)中钎焊材料的步骤(1)中待处理的金属表面贴合的组合，即得到与金属网厚度50-500微米，一致的具有微纳米多层次复合结构的金属表面。
2.根据权利要求1所述一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：步骤(1)中待处理的金属表面为各种金属材料表面；步骤(2)中金属网材料与步骤(1)中待处理的金属表面材料一致或成分相近，热物理属性尽量相似。
3.根据权利要求1所述一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：步骤(3)中钎焊材料应与金属表面材料和金属丝网材料相容，即能保证钎焊强度。
4.根据权利要求1所述一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：步骤(3)中，对于铜或铜含量高的铜合金而言，选用银铜钛钎料作为钎焊材料；对于需更小级微纳结构，即几纳米或者几百纳米，在钎料内混入更小的微纳米级别，即几纳米或者几百纳米的相容金属材料。
5.根据权利要求1所述一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：步骤(8)中，在真空度为10-2Pa或更高量级，保温时间5-10分钟。
6.根据权利要求1所述一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：步骤(7)中，利用孔目60目以上的金属网和钎料两种材料焊接而产生不同尺度大小的微结构，并且其微结构还可以通过选取不同孔目和丝径的金属网及在钎料内混入不同尺度的纳米材料进行调控。
7.根据权利要求1所述一种金属表面形成微纳米多层次复合结构的加工工艺，其特征在于：步骤(3)中，可在钎料中添加不同材料的微纳米颗粒几纳米或者几百纳米，以生成所选微纳米材料的微纳米结构。
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