CN110606672A - 一种热电池钛合金盖的玻璃封接方法 - Google Patents

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乔道鹏
刘丹
路阳
张庆宏
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    • C03C27/06—Joining glass to glass by processes other than fusing
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    • H01M6/30—Deferred-action cells
    • H01M6/36—Deferred-action cells containing electrolyte and made operational by physical means, e.g. thermal cells

Abstract

本发明公开了一种钛合金玻璃烧结方法，通过前处理、玻璃封接、后处理实现了钛合金与玻璃的可靠封接。其过程为：1)对钛合金盖及其芯柱表面去油；2)将钛合金盖、玻璃体、芯柱封闭于石墨夹具中进行固定，设置炉温和网带频率，设置惰性保护气体流量和压力后，进行烧结；3)对烧结后的玻璃封进行表面处理，酸洗去除氧化层、氮化层，表面清洗，烘干。本钛合金玻璃烧结方法能够完全满足产品寿命周期内外观、结构、气密和绝缘性能要求，同时能够满足热电池的使用需求，并且具有良好的通用性、经济性和实用性。

Description

一种热电池钛合金盖的玻璃封接方法
技术领域
本发明涉及材料的封接技术领域，特别是一种热电池用钛合金盖玻璃封接的工艺方法。
背景技术
在航空、航天领域，随着飞行器轻小型化的不断深入，飞行器配套使用的热电池为了减重，逐渐开始探索使用密度较小的金属材料。当前，热电池普遍采用钢材作为电池的壳体，钢材料的电池盖与极柱进行玻璃封接技术较成熟。然而，现有的玻璃与金属的封接技术无法满足钛合金盖组玻璃封接的有效可靠，无法满足热电池在全寿命周期内的使用要求。所以，钛合金电池盖与极柱进行玻璃封接是一个全新的课题，通过探索和试验找到一种方法，使得钛合金电池盖、极柱与玻璃进行可靠的封接，且能够满足热电池全寿命内的使用要求尤其是绝缘性能，是亟需解决的关键技术。
因此，针对钛合金的玻璃烧结，需要探索一种新的工艺方法，保证热电池钛合金电池组盖的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺方法，将玻璃体与钛合金电池盖、极柱可靠封接，且保证电池盖的外观、结构、气密及绝缘性能。
为达到上述目的，本发明方案如下：
本发明提出一种钛合金盖的玻璃封接方法，其过程为：1)钛合金盖包括钛基板，芯柱和玻璃，对钛合金盖及其芯柱表面去油；2)石墨夹具位于最下层，其开孔处放置石墨台；石墨夹具上部放置钛基板，钛基板开封接孔，封接孔处依次放入玻璃和芯柱，在玻璃上部放置石墨台压紧固定，将钛基板、玻璃、芯柱封闭于石墨夹具中进行固定，设置炉温和网带频率，设置惰性保护气体流量和压力后，进行烧结；3)对烧结后形成的玻璃封进行表面处理以酸洗去除钛基板表面形成的氧化层、氮化层，表面清洗，烘干。
采用上述方案的有益效果：
1)玻璃能够承受相应的拉力而不发生脆裂；
2)电池盖表面呈现钛合金本体的金属光泽，表面无金黄色钛氮化合物、钛氧化合物、灰黑色钛的杂化态物质的残留，无锈蚀；
3)电池盖满足气密性漏率的要求(不大于3.0×10-9Pa〃m3/s，对氦气)；
4)极柱与钛合金电池盖的绝缘性能良好；
5)在贮存期限内，能够保证热电池承受力、气密性良好，极柱周围和钛合金本体表面无脱落粉末，保证了绝缘性能。
附图说明
附图1是封接工装夹具固定示意图。
附图2是芯柱热缩塑紧示意图。
附图3是盖板与玻璃封接缝隙示意图。
附图4是封接玻璃体凸出设计示意图。
具体实例方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的描述。
为达到上述目的，本发明方案如下：进行钛合金电池盖的玻璃封接的具体方法及步骤为：前处理、玻璃封接、后处理。
钛合金盖包括钛基板，芯柱和玻璃，钛合金电池盖的玻璃封接处理过程为：
1)对钛合金盖及其芯柱表面去油。
2)石墨夹具位于最下层，其开孔处放置石墨台；石墨夹具上部放置钛基板，钛基板封接孔处依次放入玻璃体和芯柱，在玻璃体上部放置石墨台压紧固定，将钛基板、玻璃体、芯柱封闭于石墨夹具中进行固定，设置炉温和网带频率，设置惰性保护气体流量和压力后，进行烧结；烧结的目的是让玻璃和芯柱，玻璃和钛基板高温熔合。封接孔为钛基板的开孔，放入玻璃和芯柱。
3)对烧结后形成的玻璃封进行表面处理以酸洗去除钛基板表面形成的氧化层、氮化层，表面清洗，烘干。
钛合金盖在封接前，对钛合金盖板和芯柱表面去油，使用去油剂(主要成分：Na2CO3、NaHCO3)做清洗除油处理，去油后冲洗。
将钛基板、玻璃、芯柱封闭于石墨工装夹具中进行固定(如附图1)，石墨夹具主要起固定钛基板位置，控制盖板外径尺寸，下面的石墨台，起固定芯柱作用，同时有利于钛合金盖从模具中退出；上边石墨台，保证玻璃在熔化后，能够充分与钛基板结合，保证密封性。在封接过程，钛与氧气、氮气反应生成二氧化钛和氮化钛。在该产品的封接工艺温度下，石墨不与钛发生反应，钛合金盖表面可能会附着少量石墨，在后续的酸洗及水洗过程会将其去除。
设置好炉温和网带频率，气体流量和压力后，进行烧结。封接温度范围1040±25℃，网带频率6.56Hz，封接过程使用的保护气体为氮气。氮气输入压力0.2MPa～0.35MPa。炉内速率5cm/min，出炉时间4.5h。
通过XPS(X射线光电子能谱)和XRD(X射线衍射)的综合分析，烧结后的电池盖表面的氮化物和氧化物的存在形式主要为TiNx和TiO，残存的氮化物和氧化物以多孔、疏松的形态存在于基体表面，外表面表现出暗灰色的颜色特征。如不进行表面残留物处理，后续经过焊接等过程后会发生残留物从基体表面剥离、脱落的现象。TiNx氮化物和氧化物具有导电性，剥落后以不规则颗粒状态存在，会导致电池极柱与壳体的绝缘性能下降。采取实施如下：
将某几种酸和水按照一定的比例配置酸洗液。进行钛合金盖的表面处理，用酸液进行酸洗去氧化皮，清洗，烘干。氮化物可与酸溶液，在一定温度条件下，充分反应后溶解。基体Ti也可与酸液反应，从而进一步剥离表面的氧化物和氮化物。
在酸洗前将热缩管套在芯柱上，并热缩塑紧，然后进行酸洗，及后续水洗，烘干后去除热缩套管，芯柱塑封以后见附图2。热缩后，套管与芯柱紧密结合，没有缝隙，在后续的酸洗和烘干过程不会引起残留。
封接结构的优化：1)封接孔位置不进行倒角孔，选为直角孔，因为倒角的大小和深度公差，如果玻璃坯不足，会在玻璃与钛基板封接位置存在缝隙缺陷，如附图3。在后续酸洗处理过程中，酸液在缝隙处残留，水洗无法完全去除，残留的腐蚀介质会继续腐蚀盖板金属基体，发生缝隙腐蚀，在后续电池焊接过程中，腐蚀产物受热胀冷缩效应影响，加速产生剥离掉粉现象。相对而言，直孔封接更易于准确控制玻璃坯的重量，选用直孔封接更有利于提高产品的质量和一致性。2)加大封接孔直径，增大盖板基体与极柱的有效绝缘距离，增强绝缘效果，预防粉末在极柱区的团聚。3)采用玻璃体凸出的封接形式(如附图4)，玻璃凸出区控制在合理的高度范围内，利用凸出区和云母片空间结构组合，形成有效的物理隔离，可起到杜绝粉末团聚在玻璃体上导致绝缘性能异常的可能。同时，凸出的玻璃体形式可避免盖板与玻璃封接位置缝隙形成。
采用上述方案的有益效果：
1)玻璃能够承受相应的拉力而不发生脆裂；
2)电池盖表面呈现钛合金本体的金属光泽，表面无金黄色钛氮化合物、钛氧化合物、灰黑色钛的杂化态物质的残留，无锈蚀；
3)电池盖满足气密性漏率的要求(不大于3.0×10-9Pa〃m3/s，对氦气)；
4)极柱与钛合金电池盖的绝缘性能良好；
5)在贮存期限内，能够保证热电池承受力、气密性良好，极柱周围和钛合金本体表面无脱落粉末，保证了绝缘性能。

Claims (6)

1.一种钛合金盖的玻璃封接方法，其特征在于，其过程为：
1)所述钛合金盖包括钛基板、芯柱和玻璃，对钛合金盖及其芯柱表面去油；
2)石墨夹具位于最下层，其开孔处放置石墨台；石墨夹具上部放置钛基板，钛基板开封接孔，封接孔处依次放入玻璃和芯柱，在玻璃上部放置石墨台压紧固定，将钛基板、玻璃、芯柱封闭于石墨夹具中进行固定，设置炉温和网带频率，设置惰性保护气体流量和压力后，进行烧结；
3)对烧结后形成的玻璃封进行表面处理以酸洗去除钛基板表面形成的氧化层、氮化层，表面清洗，烘干。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在酸洗前将热缩管套在芯柱上，并热缩塑紧，然后进行酸洗，及后续水洗，烘干后去除热缩套管。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，封接孔为直角孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用玻璃体凸出钛合金盖板的封接形式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用去油剂做清洗除油处理，去油后冲洗，去油剂成分包括：Na2CO3、NaHCO3。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，炉温封接温度范围1040±25℃，网带频率6.56Hz，封接过程使用的惰性保护气体为氮气，氮气输入压力0.2MPa～0.35MPa，炉内速率5cm/min，出炉时间4.5h。
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