CN109746566B - 用于连接不同材料的夹层结构和连接不同金属的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是用于连接不同材料的夹层结构和连接不同金属的方法。用于连接不同材料的夹层结构包括：第一材料基板；第二材料基板，其组成与第一材料基板的组成不同；和设置在第一材料基板和第二材料基板之间的多个夹层，其包括最靠近第一材料基板的第一夹层和最靠近第二材料基板的最后夹层。第一夹层的组成选择为在第一材料基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于第一材料基板的组成中的其他夹层，并且最后夹层的组成选择为在第二材料基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于第二材料基板的组成中的其他夹层。

Description

用于连接不同材料的夹层结构和连接不同金属的方法
技术领域
本说明书涉及连接不同材料的领域，特别是通过摩擦焊接连接钛基组分与铁基组分。
背景技术
对连接不同材料以产生组成分级结构的兴趣增加。然而，连接不同材料涉及许多挑战，包括不同材料之间的冶金不相容性。
钛基合金由于其优异的机械和冶金性质而经常被考虑使用，并且将钛基合金与不同材料(例如不锈钢)连接的兴趣增加，这些材料具有优异的可焊性并且比钛基合金低廉得多。传统上，钛基合金和铁基合金(例如钢)难以连接。大多数连接和焊接技术涉及一些种类的热输入，以产生适当键合所需的能量。然而，这种能量输入能够形成有害相，这显著地阻碍了两种不同金属之间界面的稳定性和强度。这使得设计利用钛和钢系统两者，同时满足接合点的设计标准的机身结构成为一项挑战，
因此，在连接不同材料——特别是将钛基组分与铁基组分连接——的领域中，本领域技术人员继续研究和开发。
发明内容
在一个实施方案中，用于连接不同材料的夹层结构包括：第一金属基板；第二金属基板，其组成与第一金属基板的组成不同；和设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层，其包括最靠近第一金属基板的第一夹层和最靠近第二金属基板的最后夹层。第一夹层的组成选择为在第一金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第一金属基板的组成中的溶解度，和最后夹层的组成选择为在第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第二金属基板的组成中的溶解度。
在另一个实施方案中，用于将钛基组分与铁基组分连接的夹层结构包括：包含钛的第一金属基板；包含铁的第二金属基板；设置在第一金属基板和第二金属基板之间的第一夹层，第一夹层包含钼和钒中的至少一种；和设置在第一夹层和第二金属基板之间的第二夹层，第二夹层包含铬和镍中的至少一种。
在又一个实施方案中，用于连接不同金属的方法包括：提供夹层结构，其包括：第一金属基板；第二金属基板，其组成与第一金属基板的组成不同；和设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层，其包括最靠近第一金属基板的第一夹层和最靠近第二金属基板的最后夹层，其中第一夹层的组成选择为在第一金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第一金属基板的组成中的溶解度，和其中最后夹层的组成选择为在第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第二金属基板的组成中的溶解度；和在第一金属基板和第二金属基板之间，通过来源于相对运动的摩擦热来连接第一金属基板和第二金属基板。
根据以下详细说明、附图和所附权利要求，所公开的用于连接不同材料的夹层结构和用于连接不同金属的方法的其他实施方案将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本说明书的一个实施方案用于连接不同材料的示例性夹层结构的侧视图；
图2是根据本说明书的一个实施方案用于连接不同材料的另一示例性夹层结构的侧视图；
图3是在连接图1或图2的示例性夹层结构之后的示例性连接结构的侧视图；
图4是钛-钼体系的二元相图。
图5是钛-钒体系的二元相图。
图6是铁-铬体系的二元相图。
图7是镍-铁体系的二元相图。
图8是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的示例性夹层结构的侧视图。
图9是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的另一示例性夹层结构的侧视图。
图10是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的又一示例性夹层结构的侧视图；
图11是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的又一示例性夹层结构的侧视图；
图12是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的又一示例性夹层结构的侧视图；
图13是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的又一示例性夹层结构的侧视图；
图14是根据本发明的一个实施方案用于将钛基组分与铁基组分连接的又一示例性夹层结构的侧视图；
图15是飞机制造和服务方法的流程图；和
图16是飞机的框图。
具体实施方式
图1图解了用于连接不同材料的示例性的夹层结构100，其包括第一金属基板110，组成与第一金属基板组成不同的第二金属基板120，以及设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层130。多个夹层包括最靠近第一金属基板的第一夹层132和最靠近第二金属基板的最后夹层136。
图2图解了用于连接不同材料的另一示例性的夹层结构200，其包括第一金属基板210，组成与第一金属基板组成不同的第二金属基板220，以及设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层230。多个夹层包括最靠近第一金属基板的第一夹层232和最靠近第二金属基板的最后夹层236，以及第一夹层和最后夹层之间的第二夹层234。在另一个实例中，多个夹层可以包括在第二夹层和最后夹层之间的第三夹层。在又另一个实例中，多个夹层可以包括在第三夹层和最后夹层之间的第四夹层等。
在图1和图2所示的实例中，已经图解了多个夹层为沉积在第一金属基板上。在另一个实例中，多个夹层可以沉积在第二金属基板上。在又另一个实例中，多个夹层中的一个或多个可以沉积在第一金属基板上，并且多个夹层中的剩余夹层可以沉积在第二金属基板上。
在本说明书中，夹层通过摩擦焊接促进第一金属基板和第二金属基板的连接，而不与摩擦搅拌焊接相混淆。
摩擦焊接是一种已知的连接过程，其通过工件之间的彼此的相互运动(例如，如图1所示的线性振动或如图2所示的旋转)的机械摩擦产生热量，同时增加侧向力(如图1和2所示)以位移和熔化工件。与摩擦焊接相比，摩擦搅拌焊接利用外部搅拌销工具进行材料的机械混合。因此，摩擦搅拌焊接用于本说明书的夹层结构是不太可行的。
摩擦焊接的优点是它允许不同材料连接。然而，不同材料的直接摩擦焊接仍导致形成有害相，其显著地阻碍了两种不同金属之间的界面的稳定性和强度。因此，本说明书将多个夹层定位在第一金属基板和第二金属基板之间。
图3图解了在本说明书的夹层结构的摩擦焊接之后的连接结构。如图所示，连接结构300包括对应于第一金属基板110或210的第一金属基板310和对应于第二金属基板120或220的第二金属基板320。在摩擦焊接期间，一定量的材料将被作为焊瘤(flash)挤出，并且一定量的多个夹层130、230将作为互混的剩余夹层330保留在连接结构中。因此，夹层提供在第一金属基板和第二金属基板的摩擦焊接期间消耗的牺牲层。摩擦焊接可以得到设置在第一金属基板和第二金属基板之间的焊瘤排出之后至少0.0001英寸(例如至少0.001英寸)的互混剩余层。
在本说明书中，选择多个夹层的组成以防止或最小化在两种不同金属之间的界面处形成有害相。
在一个方面，第一夹层132、232的组成选择为在第一金属基板110、210的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第一金属基板110、210的组成中的溶解度，并且其中最后夹层136、236的组成选择为在第二金属基板120、220的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第二金属基板120、220的组成中的溶解度。
在另一个方面，第一夹层132、232的组成选择为在第一金属基板110、210的组成中具有最大固溶度，其大于最后夹层136、236在第一金属基板110、210的组成中的溶解度，并且其中最后夹层136、236的组成选择为在第二金属基板120、220的组成中具有最大固溶度，其大于或等于第一夹层132、232在第二金属基板120、220的组成中的溶解度。
在另一个方面，多个夹层包括在第一夹层132和最后夹层136之间的第二夹层，其中第二夹层的组成选择为在第一金属基板110的组成中具有最大固溶度，其大于最后夹层136在第一金属基板110的组成中的溶解度，并且在第二金属基板120的组成中具有最大固溶度，其大于第一夹层132在第二金属基板120的组成中的溶解度。
通过选择多个夹层的组成，可以控制夹层在第一金属基板中和第二金属基板中的最大固溶度，以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。
在本说明书中，术语“最大固溶度”是指在室温至熔融温度的任何温度下，固体溶质组分在各自的固体溶剂组分中的最高(以原子百分比计)的平衡固溶度。例如，如果固体溶质组分在升高的温度下，在各自的固体溶剂组分内在平衡下完全可溶，那么最大固溶度将是100％。如果固体溶质组分在升高的温度下，在各自的固体溶剂组分中可溶解至多15原子％，但在室温下在各自的固体溶剂组分中仅至多5原子％，那么最大固溶度将为15％。
在本说明书中，第一金属基板和第二金属基板的尺寸，例如长度、宽度和高度，不依赖于夹层的尺寸，并且不依赖于镦锻距离，其是一个独立的工艺控制变量。
在本说明书中，选择夹层的厚度以防止或最小化在两种不同金属之间的界面处形成有害相。
回到图3，在摩擦焊接期间，一定量的材料将被作为焊瘤挤出，其量对应于第一金属基板和第二金属基板之间的镦锻距离。除了考虑镦锻距离之外，由于第一金属基板和第二金属基板之间的机械摩擦产生的热量，在跨越界面的小距离处发生材料的扩散。
因此，选择多个夹层的总厚度大于第一金属基板和第二金属基板之间的镦锻距离加跨越第一金属基板和第二材料之间的界面的材料的扩散区域的宽度。将镦锻距离确定为摩擦焊接过程的参数，并且可以通过先前实验结果的扩散区域的经验测量来确定扩散区域的宽度。考虑到这些因素，多个夹层可具有至少0.01英寸的总厚度，例如至少0.5英寸。
然而，不希望进一步增加多个夹层的总厚度，超过防止或最小化有害相形成所必需的厚度。因此，在一方面，多个夹层可具有至多1.0英寸的总厚度，例如至多0.5英寸。
此外，在摩擦焊接期间，多个夹层可以彼此互混。因此，每个夹层可具有至少0.001英寸的厚度，例如至少0.01英寸。而且，可以选择非相邻夹层的组成以防止或最小化由于这种互混的有害相的形成。
可以通过任何合适的方法将多个夹层沉积到第一金属基板和/或第二金属基板上，包括例如热喷涂工艺和增材制造工艺。
在本说明书的以下实施方案中，用于将钛基组分与铁基组分连接的夹层结构包括：包含钛的第一金属基板；包含铁的第二金属基板；第一夹层，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钼和钒中的至少一种；和第二夹层，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬和镍中的至少一种。
在一个方面，第一金属基板包含钛基合金。在另一个方面，第二金属基板包含铁基合金，例如钢，特别是不锈钢。
在一个方面，第一夹层包含钼。例如，第一夹层由钼和至多5％的其他元素组成。
在另一个方面，第一夹层包含钒。例如，第一夹层由钒和至多5％的其他元素组成。
在又另一个方面，第一夹层包含钼和钒。例如，第一夹层由钼、钒和至多5％的其他元素组成。
图4是钛-钼二元相图，显示了在升高的温度下钼在钛中的完全(即100％)固溶度。图5是钛-钒二元相图，显示了在升高的温度下钒在钛中的完全(即100％)固溶度。
通过选择包含钼和/或钒的第一夹层，可以防止或最小化在包含钛的第一金属基板和第一夹层之间的界面处形成有害相。
在一个方面，第二夹层包含铬。例如，第二夹层由铬和至多5％的其他元素组成。
在另一个方面，第二夹层包含镍。例如，第二夹层由镍和至多5％的其他元素组成。
在又另一个方面，第二夹层包含铬和镍。例如，第二夹层由铬、镍和至多5％的其他元素组成。
图6是铁-铬二元相图，显示了在升高的温度下铬在铁中的完全(即100％)固溶度。图7是镍-铁二元相图，显示了在升高的温度下镍在铁中的完全(即100％)固溶度。
通过选择包含铬和/或镍的第二夹层，可以防止或最小化在包含铁的第二金属基板和第二夹层之间的界面处形成有害相。
在一个方面，第一夹层的厚度为至少0.001英寸，例如至少0.01英寸。在另一方面，第二夹层的厚度为至少0.001英寸，例如至少0.01英寸。
在一个方面，第一夹层和第二夹层可以沉积在第一金属基板上。第一夹层可以直接沉积在第一金属基板上，并且第二夹层可以直接沉积在第一夹层上。
在另一个方面，第一夹层和第二夹层可以沉积在第二金属基板上。第二夹层可以直接沉积在第二金属基板上，并且第一夹层可以直接沉积在第二夹层上。
图8图解了用于连接钛基组分与铁基组分的示例性夹层结构800。夹层结构800包括：第一金属基板810，其包含钛基合金；第二金属基板820，其包含铁基合金；第一夹层830，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钼；和第二夹层840，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬。通过选择包含钼的第一夹层和包含铬的第二夹层，可以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。在该示例性实施方案中，第一夹层包含钼并且直接沉积在第一金属基板的钛上，和第二夹层包含铬并且直接沉积在包含钼的第一夹层上。第一夹层具有包含钼的选定组成，其在包含钛基合金的第一金属基板中具有最大固溶度，其大于或等于另一夹层(包含铬)在包含钛基合金的第一金属基板中的溶解度。同样地，第二夹层(或最后夹层)具有包含铬的选定组成，其在包含铁基合金的第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于另一夹层(包含钼)在包含铁基合金的第二金属基板中的溶解度。尽管第一夹层和第二夹层显示为沉积在第一金属基板上，但是第一夹层和第二夹层可以替代地沉积在第二金属基板上，或者第一夹层可以沉积在第一金属基板上并且第二夹层可以沉积在第二金属基板中。
图9图解了用于连接钛基组分与铁基组分的示例性夹层结构900。夹层结构900包括：第一金属基板910，其包含钛基合金；第二金属基板920，其包含铁基合金；第一夹层930，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钒；和第二夹层940，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬。通过选择包含钒的第一夹层和包含铬的第二夹层，可以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。在该示例性实施方案中，第一夹层包含钒并且直接沉积在第一金属基板的钛上，和第二夹层包含铬并且直接沉积在包含钒的第一夹层上。第一夹层具有包含钒的选定组成，其在包含钛基合金的第一金属基板中具有最大固溶度，其大于或等于另一夹层(包含铬)在包含钛基合金的第一金属基板中的溶解度。同样地，第二夹层(或最后夹层)具有包含铬的选定组成，其在包含铁基合金的第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于另一夹层(包含钒)在包含铁基合金的第二金属基板中的溶解度。尽管第一夹层和第二夹层显示为沉积在第一金属基板上，但是第一夹层和第二夹层可以替代地沉积在第二金属基板上，或者第一夹层可以沉积在第一金属基板上并且第二夹层可以沉积在第二金属基板中。
在本说明书的以下实施方案中，用于将钛基组分与铁基组分连接的夹层结构包括：包含钛的第一金属基板；包含铁的第二金属基板；第一夹层，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钼和钒中的至少一种；第二夹层，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬和镍中的至少一种；和第三夹层，其设置在第二夹层和第二金属基板之间，第三夹层包含铁。
在一个方面，第一金属基板包含钛基合金。在另一个方面，第二金属基板包含铁基合金，例如钢，特别是不锈钢。
在一个方面，第一夹层包含钼。例如，第一夹层由钼和至多5％的其他元素组成。
在另一个方面，第一夹层包含钒。例如，第一夹层由钒和至多5％的其他元素组成。
在又另一个方面，第一夹层包含钼和钒。例如，第一夹层由钼、钒和至多5％的其他元素组成。
在一个方面，第二夹层包含铬。例如，第二夹层由铬和至多5％的其他元素组成。
在另一个方面，第二夹层包含镍。例如，第二夹层由镍和至多5％的其他元素组成。
在又另一个方面，第二夹层包含铬和镍。例如，第二夹层由铬、镍和至多5％的其他元素组成。
在一个方面，第三夹层由镍和至多5％的其他元素组成。
在一个方面，第一夹层的厚度为至少0.001英寸，例如至少0.01英寸。在另一个方面，第二夹层的厚度为至少0.001英寸，例如至少0.01英寸。在又另一个方面，第三夹层可具有至少0.001英寸的厚度。
在一个方面，第一夹层、第二夹层和第三夹层可以沉积在第一金属基板上。第一夹层可以直接沉积在第一金属基板上，第二夹层可以直接沉积在第一夹层上，并且第三夹层可以直接沉积在第二夹层上。
在另一个方面，第一夹层、第二夹层和第三夹层可以沉积在第二金属基板上。第三夹层可以直接沉积在第一金属基板上，第二夹层可以直接沉积在第三夹层上，并且第一夹层可以直接沉积在第二夹层上。
图10图解了用于连接钛基组分与铁基组分的示例性夹层结构1000。夹层结构1000包括：第一金属基板1010，其包含钛基合金；第二金属基板1020，其包含铁基合金；第一夹层1030，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钼；第二夹层1040，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬；和包含铁的第三夹层1050，第三夹层设置在第二夹层和第二金属基板之间。通过选择包含钼的第一夹层、包含铬的第二夹层和包含铁的第三夹层，可以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。在该示例性实施方案中，第一夹层包含钼并且直接沉积在第一金属基板的钛上，第二夹层包含铬并且直接沉积在包含钼的第一夹层上，并且第三夹层包含铁并且沉积在包含铬的第二夹层上。第一夹层具有包含钼的选定组成，其在包含钛基合金的第一金属基板中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含铬和铁)在包含钛基合金的第一金属基板中的溶解度。同样地，第三夹层(或最后夹层)具有包含铁的选定组成，其在包含铁基合金的第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含钼和铬)在包含铁基合金的第二金属基板中的溶解度。尽管第一夹层、第二夹层和第三夹层显示为沉积在第一金属基板上，但是第一夹层、第二夹层和第三夹层可以替代地沉积在第二金属基板上，或者夹层可以以各种排列方式沉积在第一金属基板和第二金属基板上。
图11图解了用于连接钛基组分与铁基组分的示例性夹层结构1100。夹层结构1100包括：第一金属基板1110，其包含钛基合金；第二金属基板1120，其包含铁基合金；第一夹层1130，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钼；第二夹层1140，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含镍；和包含铁的第三夹层1150，第三夹层设置在第二夹层和第二金属基板之间。通过选择包含钼的第一夹层、包含镍的第二夹层和包含铁的第三夹层，可以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。在该示例性实施方案中，第一夹层包含钼并且直接沉积在第一金属基板的钛上，第二夹层包含镍并且直接沉积在包含钼的第一夹层上，并且第三夹层包含铁并且沉积在包含镍的第二夹层上。第一夹层具有包含钼的选定组成，其在包含钛基合金的第一金属基板中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含镍和铁)在包含钛基合金的第一金属基板中的溶解度。同样地，第三夹层(或最后夹层)具有包含铁的选定组成，其在包含铁基合金的第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含钼和镍)在包含铁基合金的第二金属基板中的溶解度。尽管第一夹层、第二夹层和第三夹层显示为沉积在第一金属基板上，但是第一夹层、第二夹层和第三夹层可以替代地沉积在第二金属基板上，或者夹层可以以各种排列方式沉积在第一金属基板和第二金属基板上。
图12图解了用于连接钛基组分与铁基组分的示例性夹层结构1200。夹层结构1200包括：第一金属基板1210，其包含钛基合金；第二金属基板1220，其包含铁基合金；第一夹层1230，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钒；第二夹层1240，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬；和包含铁第三夹层1250，第三夹层设置在第二夹层和第二金属基板之间。通过选择包含钒的第一夹层、包含铬的第二夹层和包含铁的第三夹层，可以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。在该示例性实施方案中，第一夹层包含钒并且直接沉积在第一金属基板的钛上，第二夹层包含铬并且直接沉积在包含钒的第一夹层上，并且第三夹层包含铁并且沉积在包含铬的第二夹层上。第一夹层具有包含钒的选定组成，其在包含钛基合金的第一金属基板中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含铬和铁)在包含钛基合金的第一金属基板中的溶解度。同样地，第三夹层(或最后夹层)具有包含铁的选定组成，其在包含铁基合金的第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含钒和铬)在包含铁基合金的第二金属基板中的溶解度。尽管第一夹层、第二夹层和第三夹层显示出沉积在第一金属基板上，但是第一夹层、第二夹层和第三夹层可以替代地沉积在第二金属基板上，或者夹层可以以各种排列方式沉积在第一金属基板和第二金属基板上。
图13示图解了用于连接钛基组分与铁基组分的示例性夹层结构1300。夹层结构1300包括：第一金属基板1310，其包含钛基合金；第二金属基板1320，其包含铁基合金；第一夹层1330，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钒；第二夹层1340，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含镍；和包含铁第三夹层1350，第三夹层设置在第二夹层和第二金属基板之间。在该示例性实施方案中，第一夹层包含钒并且直接沉积在第一金属基板的钛上，第二夹层包含镍并且直接沉积在包含钒的第一夹层上，并且第三夹层包含铁并且沉积在包含镍的第二夹层上。第一夹层具有包含钒的选定组成，其在包含钛基合金的第一金属基板中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含镍和铁)在包含钛基合金的第一金属基板中的溶解度。同样地，第三夹层(或最后夹层)具有包含铁的选定组成，其在包含铁基合金的第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层(包含钒和镍)在包含铁基合金的第二金属基板中的溶解度。通过选择包含钒的第一夹层、包含镍的第二夹层和包含铁的第三夹层，可以防止或最小化在第一金属基板和第二金属基板之间的界面处形成有害相。尽管第一夹层、第二夹层和第三夹层显示出沉积在第一金属基板上，但是第一夹层、第二夹层和第三夹层可以替代地沉积在第二金属基板上，或者夹层可以以各种排列方式沉积在第一金属基板和第二金属基板上。
图14表示用于连接不同金属1400的方法，其包括在框1410处提供夹层结构，其包括第一金属基板、组成与第一金属基板的组成不同的第二金属基板和设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层，其中多个夹层包括最靠近第一金属基板的第一夹层和最靠近第二金属基板的最后夹层，并且在框1420处，通过第一金属基板和第二金属基板之间的机械摩擦产生热量，同时增加侧向力以镦锻第一金属基板和第二金属基板来连接第一金属基板和第二金属基板。
在框1410处，提供夹层结构的步骤可包括提供如上所述的任何夹层结构。
在框1420处，连接第一金属基板和第二金属基板的步骤可包括通过线性摩擦焊接和惯性摩擦焊接中的至少一种进行连接。
在连接步骤中，在连接步骤期间可以消耗多个夹层的牺牲部分。
连接步骤可以在第一金属基板和第二金属基板之间得到具有至少0.0001英寸厚度的互混夹层。
可以在如图15所示的飞机制造和服务方法1500以及如图16所示的飞机1502的背景下描述本说明书的实例。在生产前期间，飞机制造和服务方法1500可以包括飞机1502的规格和设计1504以及材料采购1506。在生产期间，进行飞机1502的部件/子组件制造1508和系统集成1510。此后，飞机1502可以通过认证和交付1512以便投入使用1514。在客户使用的同时，飞机1502被安排进行常规维护和保养1516，其还可以包括修改、重新配置、翻新等等。
飞机制造和服务方法1500的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或进行。出于本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主系统转包商；第三方可以包括但不限于任何数量的出售商、转包商和供应商；运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
所公开的用于连接不同材料的夹层结构和用于连接不同金属的方法可以在飞机制造和服务方法1500的任何一个或多个阶段期间使用。
如图16所示，由飞机制造和服务方法1500生产的飞机1502可包括具有多个系统1520和内部1522的机身1518。多个系统1520的实例可包括推进系统1524、电气系统1526、液压系统1528和环境系统1530中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。所公开的用于连接不同材料的夹层结构和用于连接不同金属的方法可以用于飞机1502的任何系统。
用于连接不同材料的夹层结构和用于连接不同金属的方法在飞机的背景下描述；然而，本领域普通技术人员将容易认识到，所公开的用于连接不同材料的夹层结构和用于连接不同金属的方法可用于各种车辆和非车辆。
根据本公开的各个方面和实施方案提供以下内容：
A1.用于连接不同材料的夹层结构，其包括：第一金属基板；组成与第一金属基板的组成不同的第二金属基板；和设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层，其包括最靠近第一金属基板的第一夹层和最靠近第二金属基板的最后夹层，其中第一夹层的组成选择为在第一金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第一金属基板的组成中的溶解度，并且最后夹层的组成选择为在第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第二金属基板的组成中的溶解度。
A2.A1的夹层结构，其中第一夹层的组成选择为在第一金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于第一金属基板的组成中的最后夹层，并且其中最后夹层的组成选择为在第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于第一夹层在第二金属基板的组成中的溶解度。
A3.A1-A2中任一项的夹层结构，其中所述多个夹层包括在第一夹层和最后夹层之间的第二夹层，其中所述第二夹层的组成选择为在第一金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于最后夹层在第一金属基板的组成中的溶解度，并且在第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于第一夹层第二金属基板的组成中的溶解度。
A4.A1-A3中任一项的夹层结构，其中多个夹层沉积在第一金属基板和第二金属基板的至少一个上。
A5.A1-A4中任一项的夹层结构，其中所述多个夹层每个具有至少0.001英寸的厚度。
A6.A1-A5中任一项的夹层结构，其中所述多个夹层包括两个或更多个基本层，所述基本层分别包含铬、镍、钒、钼、铁及其组合中的一种。
B1.用于连接钛基组分与铁基组分的夹层结构，其包括：包含钛的第一金属基板；包含铁的第二金属基板；第一夹层，其设置在第一金属基板和第二金属基板之间，第一夹层包含钼和钒中的至少一种；和第二夹层，其设置在第一夹层和第二金属基板之间，第二夹层包含铬和镍中的至少一种。
B2.B1的夹层结构，其中第一金属基板包含钛基合金。
B3.B1-B2中任一项的夹层结构，其中第二金属基板包含铁基合金。
B4.B3的夹层结构，其中第二金属基板包含钢。
B5.B1-B4中任一项的夹层结构，其中第一夹层包含钼。
B6.B5的夹层结构，其中第一夹层由钼和至多5％的其他元素组成。
B7.B1-B4中任一项的夹层结构，其中第一夹层包含钒。
B8.B7的夹层结构，其中第一夹层由钒和至多5％的其他元素组成。
B9.B1-B4中任一项的夹层结构，其中第一夹层包含钼和钒。
B10.B9的夹层结构，其中第一夹层由钼、钒和至多5％的其他元素组成。
B11.B1-B10中任一项的夹层结构，其中第二夹层包含铬。
B12.B11的夹层结构，其中第二夹层由铬和至多5％的其他元素组成。
B13.B1-B10中任一项的夹层结构，其中第二夹层包含镍。
B14.B13的夹层结构，其中第二夹层由镍和至多5％的其他元素组成。
B15.B1-B10中任一项的夹层结构，其中第二夹层包含铬和镍。
B16.B15的夹层结构，其中第二夹层由铬、镍和至多5％的其他元素组成。
B17.B1-B16中任一项的夹层结构，其中第一夹层的厚度为至少0.001英寸。
B18.B1-B17中任一项的夹层结构，其中第二夹层的厚度为至少0.001英寸。
B19.B1-B18中任一项的夹层结构，其中第一夹层和第二夹层沉积在第一金属基板上。
B20.B19的夹层结构，其中第一夹层直接沉积在第一金属基板上。
B21.B19-B20中任一项的夹层结构，其中第二夹层直接沉积在第一夹层上。
B22.B1-B18中任一项的夹层结构，其中第一夹层和第二夹层沉积在第二金属基板上。
B23.B22的夹层结构，其中第二夹层直接沉积在第二金属基板上。
B24.B22-B23中任一项的夹层结构，其中第一夹层直接沉积在第二夹层上。
B25.B1-B18中任一项的夹层结构，进一步包括设置在第二夹层和第二金属基板之间的第三夹层，第三夹层包含铁。
B26.B25的夹层结构，其中第三夹层由铁和至多5％的其他元素组成。
B27.B25-B26中任一项的夹层结构，其中第三夹层的厚度为至少0.001英寸。
B28.B25-B27中任一项的夹层结构，其中第一夹层、第二夹层和第三夹层沉积在第一金属基板上。
B29.B28的夹层结构，其中第一夹层直接沉积在第一金属基板上。
B30.B28-B29中任一项的夹层结构，其中第二夹层直接沉积在第一夹层上。
B31.B28-B30中任一项的夹层结构，其中第三夹层直接沉积在第二夹层上。
B32.B25-B27中任一项的夹层结构，其中第一夹层、第二夹层和第三夹层沉积在第二金属基板上。
B33.B32的夹层结构，其中第三夹层直接沉积在第一金属基板上。
B34.B32-B33中任一项的夹层结构，其中第二夹层直接沉积在第三夹层上。
B35.B32-B34中任一项的夹层结构，其中第一夹层直接沉积在第二夹层上。
B36.B1的夹层结构，其中第一金属基板包含钛基合金，并且第二金属基板包含铁基合金。
B37.B36的夹层结构，其中第一夹层包含钒，并且第二夹层包含铬。
B38.B37的夹层结构，进一步包括设置在第二夹层和第二金属基板之间的第三夹层，第三夹层包含铁。
B39.B38的夹层结构，其中包含铁的第三夹层直接沉积在第二金属基板的钢上，包含铬的第二夹层直接沉积在包含铁的第三夹层上，并且包含钒的第一夹层直接沉积在包含铬的第二夹层上。
B40.B36的夹层结构，其中第一夹层包含钒并直接沉积在第一金属基板的钛上。
B41.B40的夹层结构，其中第二夹层包含铬并直接沉积在包含钒的第一夹层上。
B42.B41的夹层结构，进一步包括直接沉积在包含铬的第二夹层上的第三夹层，第三夹层包含铁。
C1.一种连接不同金属的方法，包括：提供夹层结构，其包括：第一金属基板；组成与第一金属基板组成不同的第二金属基板；和设置在第一金属基板和第二金属基板之间的多个夹层，其包括最靠近第一金属基板的第一夹层和最靠近第二金属基板的最后夹层，其中第一夹层的组成选择为在第一金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在第一金属基板的组成中的溶解度，并且其中最后夹层的组成选择为在第二金属基板组成中具有最大固溶度，其大于或等于其它夹层在第二金属基板的组成中的溶解度；和在第一金属基板和第二金属基板之间，通过来源于相对运动的摩擦热来连接第一金属基板和第二金属基板。
C2.C1的方法，其中连接包括线性摩擦焊接和惯性摩擦焊接中的至少一种。
C3.C1-C2中任一项的方法，进一步包括在连接步骤期间消耗多个夹层的牺牲部分。
C4.C1-C3中任一项的方法，其中连接步骤在第一金属基板和第二金属基板之间产生具有至少0.0001英寸厚度的混合层。
尽管已经显示和描述了所公开的用于连接不同材料的夹层结构和用于连接不同金属的方法的各种实施方案，但是本领域技术人员在阅读说明书后可以想到修改。本申请包括这些修改，并且仅受权利要求的范围限制。

Claims (25)

1.一种用于连接不同金属的夹层结构(100、200、800、900、1000、1100、1200、1300)，包括：
第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)；
第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)，其组成与所述第一金属基板的组成不同；和
设置在所述第一金属基板和所述第二金属基板之间的多个夹层，其包括最靠近所述第一金属基板的第一夹层(132、232、830、1030、1130、1230、1330)和最靠近所述第二金属基板的最后夹层(136、236)，
其中所述第一夹层(132、232、830、1030、1130、1230、1330)的组成选择为在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在所述第一金属基板的组成中的溶解度，并且所述最后夹层的组成选择为在所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在所述第二金属基板的组成中的溶解度，
其中所述多个夹层每个具有至少0.01英寸的厚度，并且所述多个夹层通过摩擦焊接促进第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)和第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)的连接。
2.根据权利要求1所述的夹层结构，其中所述第一夹层(132、232、830、1030、1130、1230、1330)的组成选择为在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)的组成中具有最大固溶度，其大于所述最后夹层在所述第一金属基板的组成中的溶解度，并且其中所述最后夹层的组成选择为在所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)的组成中具有最大固溶度，其大于所述第一夹层在所述第二金属基板的组成中的溶解度。
3.根据权利要求1所述的夹层结构，其中所述多个夹层沉积在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)和所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)中的至少一个上。
4.根据权利要求1所述的夹层结构，其中所述多个夹层分别包含铬、镍、钒、钼、或铁。
5.根据权利要求1所述的用于连接不同金属的夹层结构，其特征在于，所述不同金属包含与铁基组分连接的钛基组分，其中：
所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)包含钛；
所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)包含铁；
所述多个夹层包括设置在所述第一金属基板和所述第二金属基板之间的第一夹层(830、1030、1130、1230、1330)，所述第一夹层包含钼和钒中的至少一种；和
设置在第一夹层和第二金属基板之间的第二夹层(840、1040、1140、1240、1340)，所述第二夹层包含铬和镍中的至少一种，
其中所述多个夹层每个具有至少0.01英寸的厚度，并且所述多个夹层通过摩擦焊接促进第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)和第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)的连接。
6.根据权利要求5所述的夹层结构，其中所述第一夹层(1030)包含钼。
7.根据权利要求6所述的夹层结构，其中所述第二夹层(1040)包含镍。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的夹层结构，其中所述第一夹层和所述第二夹层沉积在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)上。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的夹层结构，进一步包含设置在所述第二夹层(1140、1240、1340)和所述第二金属基板(1120、1220、1320)之间的第三夹层(1150、1250、1350)，所述第三夹层包含铁。
10.根据权利要求5-7中任一项所述的夹层结构，其中所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)包含钛基合金并且所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)包含铁基合金。
11.根据权利要求10所述的夹层结构，其中所述第一夹层(1230)包含钒，并且所述第二夹层(1240)包含铬。
12.一种连接不同金属的方法，包括：
提供夹层结构，其包括：
第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)；
第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)，其组成与第一金属基板的组成不同；和
设置在所述第一金属基板和所述第二金属基板之间的多个夹层，其包括最靠近所述第一金属基板的第一夹层(132、232、830、1030、1130、1230、1330)和最靠近所述第二金属基板的第二夹层(840、1040、1140、1240、1340)，其中所述第一夹层(132、232、830、1030、1130、1230、1330)的组成选择为在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其他夹层在所述第一金属基板的组成中的溶解度，并且其中第二夹层(840、1040、1140、1240、1340)的组成选择为在所述第二金属基板的组成中具有最大固溶度，其大于或等于其它夹层在所述第二金属基板的组成中的溶解度；
将所述多个夹层沉积在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)和所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)中的至少一个上，其中所述多个夹层每个具有至少0.01英寸的厚度，其足以通过摩擦焊接实现第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)和第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)的连接；和
在所述第一金属基板和所述第二金属基板之间，通过来源于相对运动的摩擦热来连接所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)和第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中提供夹层结构包含提供包括含钛的第一金属基板和含铁的第二金属基板的夹层结构，并且所述连接包括线性摩擦焊接和惯性摩擦焊接中的至少一种。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包含在所述连接步骤期间消耗所述多个夹层的牺牲部分。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一夹层(132、232、830、1030、1130、1230、1330)和第二夹层(840、1040、1140、1240、1340)沉积在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)上。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个夹层分别包含铬、镍、钒、钼、或铁。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述不同金属包含与铁基组分连接的钛基组分，其中：
所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)包含钛；
所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)包含铁；
所述多个夹层包括设置在所述第一金属基板和所述第二金属基板之间的第一夹层(830、1030、1130、1230、1330)，所述第一夹层包含钼和钒中的至少一种；和
设置在第一夹层和第二金属基板之间的第二夹层(840、1040、1140、1240、1340)，所述第二夹层包含铬和镍中的至少一种。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一夹层(1030)包含钼。
19.根据权利要求17和18中任一项所述的方法，其中所述第二夹层(1040)包含镍。
20.根据权利要求17-18中任一项所述的方法，其中所述第一夹层和所述第二夹层沉积在所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)上。
21.根据权利要求17-18中任一项所述的方法，进一步包含设置在所述第二夹层(1140、1240、1340)和所述第二金属基板(1120、1220、1320)之间的第三夹层(1150、1250、1350)，所述第三夹层包含铁。
22.根据权利要求17-18中任一项所述的方法，其中所述第一金属基板(110、210、810、1010、1110、1210、1310)包含钛基合金并且所述第二金属基板(120、220、820、1020、1120、1220、1320)包含铁基合金。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一夹层(1230)包含钒，并且所述第二夹层(1240)包含铬。
24.根据权利要求12所述的方法，所述第二金属基板包含钢。
25.根据权利要求12所述的方法，所述第一夹层包含钼。
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