CN110743957A - 一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法 - Google Patents

一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法 Download PDF

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Abstract

一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，它涉及一种镁合金扩散连接方法。本发明的目的是要解决现有镁合金的活性大，表面易氧化且难消除，镁合金扩散连接性能差，中空结构难以实现的问题。方法：一、预处理；二、制备芯板；三、叠放板料；四、面板超塑成形；五、芯板与芯板的扩散连接；六、芯板超塑成形；七、面板与芯板的扩散连接；八、脱膜，得到成型零件。本发明为一体化成形，即在一个周期内完成成形和连接两个工序，提高成形效率，降低生产成本；采用本发明的方法制备的零件没有从焊缝处断裂，且零件的剪切强度可以达到母材剪切强度的98％以上。本发明适用于镁合金扩散连接。

Description

一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一 体化成形方法
技术领域
本发明涉及一种镁合金扩散连接方法。
背景技术
结构轻量化作为节省材料、节约燃料、减少污染物排放和提高机动性能的重要途径之一，已在汽车、飞机、火箭等运输工具上得到广泛应用，尤其在航空航天领域，每减重1kg经济效益就十分显著，中空结构很大程度上满足了轻量化需求，目前，钛合金由于其优秀的力学性能，在超塑成形/扩散连接方面应用的极为广泛，而稀土镁合金和钛合金相比，密度更小，强度较高，其中空结构会进一步地实现轻量化的要求，但镁合金扩散连接的难点在于材料活性大，表面易氧化且难消除，对扩散连接起到强烈的阻碍作用，中空结构难以实现。
发明内容
本发明的目的是要解决现有镁合金的活性大，表面易氧化且难消除，镁合金扩散连接性能差，中空结构难以实现的问题，而提供一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法。
一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，是按以下步骤完成的：
一、预处理：
去除镁板表面的油和氧化皮，再对铜箔进行清洗，得到预处理的镁板和预处理的铜箔；
二、制备芯板：
首先在预处理的镁板的一个表面上喷涂3mm～5mm可剥离胶，然后在镁板喷涂有可剥离胶的表面上固定剥离板，镁板喷涂有可剥离胶的表面上未覆盖剥离板处的区域为阻焊区，再将阻焊区处的可剥离胶清除，取下剥离板，再在阻焊区处喷涂隔离剂溶液，隔离剂溶液干燥后，清除镁板上剩余的可剥离胶，得到芯板；
三、叠放板料：
将预处理的镁板作为面板，按照第一层面板、第二层预处理的铜箔、第三层芯板、第四层预处理的铜箔、第五层芯板、第六层预处理的铜箔和第七层面板的顺序将板料自下而上依次叠放，再将叠放后的板料放入成形模具中；
四、面板超塑成形：
将成形模具放入热压炉中，再利用真空泵将两层芯板之间抽真空，再将成形模具以 10K/min～30K/min的升温速率从室温升温至650K～700K，再在温度为650K～700K下固定成形模具，向第一层面板和第二层预处理的铜箔之间及第六层预处理的铜箔和第七层面板之间分别通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为650K～700K和气压为1.5MPa～3MPa的条件下保压30min～60min；
五、芯板与芯板的扩散连接：
将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从650K～700K升温至750K～800K，将两层芯板之间继续抽真空，再在第二层预处理的铜箔和第三层芯板之间及第五层芯板和第六层预处理的铜箔之间分别施加1.5MPa～3MPa压力，在温度为750K～800K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
六、芯板超塑成形：
将成形模具以10K/min～30K/min的降温速率从750K～800K降温至650K～700K，向两层芯板之间通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为650K～700K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
七、面板与芯板的扩散连接：
将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从650K～700K升温至750K～800K，再在温度为750K～800K的条件下向两层芯板之间通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为 750K～800K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
八、脱膜：
将成形模具从热压炉中取出，自然冷却至450K～500K，再将成型零件从成形模具中取出，即完成一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法。
本发明具备以下有益效果：
一、本发明方法将铜箔置于扩散界面之间，在温度和气压的作用下，使铜和扩散界面的镁合金及残余的氧化膜发生反应，增加扩散界面的接触面积，同时由于气体介质压力传递各向同性的特点，从而在较低压力情况下实现均匀加载的扩散连接；
二、本发明为一体化成形，即在一个周期内完成成形和连接两个工序，提高成形效率，降低生产成本；
三、采用本发明的方法制备的零件没有从焊缝处断裂，且零件的剪切强度可以达到母材剪切强度的98％以上。
本发明适用于镁合金扩散连接。
附图说明
图1为实施例一中镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法的示意图，a为面板超塑成形，b为芯板与芯板的扩散连接，c为芯板超塑成形，d为面板与芯板的扩散连接，图中1为成形模具，2为第一层面板、3为第二层预处理的铜箔、4 为第三层芯板、5为第四层预处理的铜箔、6为第五层芯板、7为第六层预处理的铜箔，8 为第七层面板；
图2为实施例一得到的成型零件的数码照片图；
图3为实施例一得到的成型零件的区域组织图片；
图4为实施例一得到的成型零件剪切前的数码照片图；
图5为实施例一得到的成型零件剪切后的数码照片图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式是一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，是按以下步骤完成的：
一、预处理：
去除镁板表面的油和氧化皮，再对铜箔进行清洗，得到预处理的镁板和预处理的铜箔；
二、制备芯板：
首先在预处理的镁板的一个表面上喷涂3mm～5mm可剥离胶，然后在镁板喷涂有可剥离胶的表面上固定剥离板，镁板喷涂有可剥离胶的表面上未覆盖剥离板处的区域为阻焊区，再将阻焊区处的可剥离胶清除，取下剥离板，再在阻焊区处喷涂隔离剂溶液，隔离剂溶液干燥后，清除镁板上剩余的可剥离胶，得到芯板；
三、叠放板料：
将预处理的镁板作为面板，按照第一层面板、第二层预处理的铜箔、第三层芯板、第四层预处理的铜箔、第五层芯板、第六层预处理的铜箔和第七层面板的顺序将板料自下而上依次叠放，再将叠放后的板料放入成形模具中；
四、面板超塑成形：
将成形模具放入热压炉中，再利用真空泵将两层芯板之间抽真空，再将成形模具以 10K/min～30K/min的升温速率从室温升温至650K～700K，再在温度为650K～700K下固定成形模具，向第一层面板和第二层预处理的铜箔之间及第六层预处理的铜箔和第七层面板之间分别通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为650K～700K和气压为1.5MPa～3MPa的条件下保压30min～60min；
五、芯板与芯板的扩散连接：
将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从650K～700K升温至750K～800K，将两层芯板之间继续抽真空，再在第二层预处理的铜箔和第三层芯板之间及第五层芯板和第六层预处理的铜箔之间分别施加1.5MPa～3MPa压力，在温度为750K～800K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
六、芯板超塑成形：
将成形模具以10K/min～30K/min的降温速率从750K～800K降温至650K～700K，向两层芯板之间通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为650K～700K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
七、面板与芯板的扩散连接：
将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从650K～700K升温至750K～800K，再在温度为750K～800K的条件下向两层芯板之间通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为 750K～800K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
八、脱膜：
将成形模具从热压炉中取出，自然冷却至450K～500K，再将成型零件从成形模具中取出，即完成一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法。
本实施方式具备以下有益效果：
一、本实施方式方法将铜箔置于扩散界面之间，在温度和气压的作用下，使铜和扩散界面的镁合金及残余的氧化膜发生反应，增加扩散界面的接触面积，同时由于气体介质压力传递各向同性的特点，从而在较低压力情况下实现均匀加载的扩散连接；
二、本实施方式为一体化成形，即在一个周期内完成成形和连接两个工序，提高成形效率，降低生产成本；
三、采用本实施方式的方法制备的零件没有从焊缝处断裂，且零件的剪切强度可以达到母材剪切强度的98％以上。
本实施方式适用于镁合金扩散连接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤二中首先在预处理的镁板的一个表面上喷涂3mm～5mm可剥离胶。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中依次使用碳化硅砂纸180#、碳化硅砂纸400#、碳化硅砂纸800#、金相砂纸400#和金相砂纸800#对镁板表面进行打磨，至镁板表面光亮，再将镁板在丙酮中超声清洗5min～10min，去除镁板表面的油和氧化皮，得到预处理的镁板。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中将铜箔在丙酮中超声清洗5min～10min，得到预处理的铜箔。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中所述的镁板的厚度为0.5mm～10mm。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的铜箔的厚度为0.01mm～0.05mm。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的可剥离胶为威镀宝CW-32型。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇的混合液；所述的混合粉末为氮化硼、氧化锆和石墨粉末中的一种或几种任意比例的混合物；所述的隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为 25％～30％，水的质量分数为25％～30％，余量为无水乙醇；所述的混合粉末的粒径为40μm～60μm。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤四中所述的气压为惰性气体的压力，惰性气体为氮气或氩气；通入气压的速度为每5min通入0.1MPa；步骤六中所述的气压为惰性气体的压力，惰性气体为氮气或氩气；通入气压的速度为每 5min通入0.1MPa；步骤七中所述的气压为惰性气体的压力，惰性气体为氮气或氩气；通入气压的速度为每5min通入0.1MPa。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：所述的铜箔的厚度为0.03mm。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，是按以下步骤完成的：
一、预处理：
依次使用碳化硅砂纸180#、碳化硅砂纸400#、碳化硅砂纸800#、金相砂纸400#和金相砂纸800#对镁板表面进行打磨，至镁板表面光亮，再将镁板在丙酮中超声清洗10min，去除镁板表面的油和氧化皮，得到预处理的镁板；将铜箔在丙酮中超声清洗10min，得到预处理的铜箔；
步骤一中所述的镁板的厚度为2mm；
步骤一中所述的铜箔的厚度为0.03mm；
二、制备芯板：
首先在预处理的镁板的一个表面上喷涂4mm可剥离胶，然后在镁板喷涂有可剥离胶的表面上固定剥离板，镁板喷涂有可剥离胶的表面上未覆盖剥离板处的区域为阻焊区，再将阻焊区处的可剥离胶清除，取下剥离板，再在阻焊区处喷涂隔离剂溶液，隔离剂溶液干燥后，清除镁板上剩余的可剥离胶，得到芯板；
步骤二中所述的隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇的混合液；所述的混合粉末为氮化硼；所述的隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为30％，水的质量分数为30％，余量为无水乙醇；所述的混合粉末的粒径为40μm～60μm；
步骤二中所述的可剥离胶为威镀宝CW-32型；
三、叠放板料：
将预处理的镁板作为面板，按照第一层面板、第二层预处理的铜箔、第三层芯板、第四层预处理的铜箔、第五层芯板、第六层预处理的铜箔和第七层面板的顺序将板料自下而上依次叠放，再将叠放后的板料放入成形模具中；
四、面板超塑成形：
将成形模具放入热压炉中，再利用真空泵将两层芯板之间抽真空，再将成形模具以 20K/min的升温速率从室温升温至680K，再在温度为680K下固定成形模具，向第一层面板和第二层预处理的铜箔之间及第六层预处理的铜箔和第七层面板之间分别通入2.2MPa气压，再在温度为680K和气压为2.2MPa的条件下保压45min；
步骤四中所述的气压为氮气气压；通入氮气气压的速度为每5min通入0.1MPa；
五、芯板与芯板的扩散连接：
将成形模具以20K/min的升温速率从680K升温至780K，将两层芯板之间继续抽真空，再在第二层预处理的铜箔和第三层芯板之间及第五层芯板和第六层预处理的铜箔之间分别施加2.2MPa压力，在温度为780K及压力为2.2MPa的条件下保温保压45min；
六、芯板超塑成形：
将成形模具以20K/min的降温速率从780K降温至680K，向两层芯板之间通入2.2MPa 气压，再在温度为680K及压力为2.2MPa的条件下保温保压45min；
步骤六中所述的气压为氮气气压；通入氮气气压的速度为每5min通入0.1MPa；
七、面板与芯板的扩散连接：
将成形模具以20K/min的升温速率从680K升温至780K，再在温度为780K的条件下向两层芯板之间通入2.2MPa气压，再在温度为780K及压力为2.2MPa的条件下保温保压45min；
步骤七中所述的气压为氮气气压；通入氮气气压的速度为每5min通入0.1MPa；
八、脱膜：
将成形模具从热压炉中取出，自然冷却至450K，再将成型零件从成形模具中取出，即完成一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法。
图1为实施例一中镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法的示意图，a为面板超塑成形，b为芯板与芯板的扩散连接，c为芯板超塑成形，d为面板与芯板的扩散连接，图中1为成形模具，2为第一层面板、3为第二层预处理的铜箔、4 为第三层芯板、5为第四层预处理的铜箔、6为第五层芯板、7为第六层预处理的铜箔，8 为第七层面板；
图2为实施例一得到的成型零件的数码照片图；
从图2可知，成形后得到的零件芯板与芯板、面板与芯板之间扩散连接质量比较好，选取的扩散连接温度、保温时间、压力和加载方式都比较合适。
图3为实施例一得到的成型零件的区域组织图片；
从图3可知，扩散连接接头焊缝两侧晶粒大小基本一致，组织形态无明显差别，且焊缝宽度仅为几微米，扩散连接效果比较好。
图4为实施例一得到的成型零件剪切前的数码照片图；
图5为实施例一得到的成型零件剪切后的数码照片图。
从图4和图5可知，实施例一得到的成型零件没有从焊缝处断裂，零件的剪切强度可以达到母材剪切强度的98.5％。

Claims (10)

1.一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于该方法是按以下步骤完成的：
一、预处理：
去除镁板表面的油和氧化皮，再对铜箔进行清洗，得到预处理的镁板和预处理的铜箔；
二、制备芯板：
首先在预处理的镁板的一个表面上喷涂可剥离胶，然后在镁板喷涂有可剥离胶的表面上固定剥离板，镁板喷涂有可剥离胶的表面上未覆盖剥离板处的区域为阻焊区，再将阻焊区处的可剥离胶清除，取下剥离板，再在阻焊区处喷涂隔离剂溶液，隔离剂溶液干燥后，清除镁板上剩余的可剥离胶，得到芯板；
三、叠放板料：
将预处理的镁板作为面板，按照第一层面板、第二层预处理的铜箔、第三层芯板、第四层预处理的铜箔、第五层芯板、第六层预处理的铜箔和第七层面板的顺序将板料自下而上依次叠放，再将叠放后的板料放入成形模具中；
四、面板超塑成形：
将成形模具放入热压炉中，再利用真空泵将两层芯板之间抽真空，再将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从室温升温至650K～700K，再在温度为650K～700K下固定成形模具，向第一层面板和第二层预处理的铜箔之间及第六层预处理的铜箔和第七层面板之间分别通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为650K～700K和气压为1.5MPa～3MPa的条件下保压30min～60min；
五、芯板与芯板的扩散连接：
将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从650K～700K升温至750K～800K，将两层芯板之间继续抽真空，再在第二层预处理的铜箔和第三层芯板之间及第五层芯板和第六层预处理的铜箔之间分别施加1.5MPa～3MPa压力，在温度为750K～800K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
六、芯板超塑成形：
将成形模具以10K/min～30K/min的降温速率从750K～800K降温至650K～700K，向两层芯板之间通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为650K～700K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
七、面板与芯板的扩散连接：
将成形模具以10K/min～30K/min的升温速率从650K～700K升温至750K～800K，再在温度为750K～800K的条件下向两层芯板之间通入1.5MPa～3MPa气压，再在温度为750K～800K及压力为1.5MPa～3MPa的条件下保温保压30min～60min；
八、脱膜：
将成形模具从热压炉中取出，自然冷却至450K～500K，再将成型零件从成形模具中取出，即完成一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法。
2.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤二中首先在预处理的镁板的一个表面上喷涂3mm～5mm可剥离胶。
3.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤一中依次使用碳化硅砂纸180#、碳化硅砂纸400#、碳化硅砂纸800#、金相砂纸400#和金相砂纸800#对镁板表面进行打磨，至镁板表面光亮，再将镁板在丙酮中超声清洗5min～10min，去除镁板表面的油和氧化皮，得到预处理的镁板。
4.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤一中将铜箔在丙酮中超声清洗5min～10min，得到预处理的铜箔。
5.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤一中所述的镁板的厚度为0.5mm～10mm。
6.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤一中所述的铜箔的厚度为0.01mm～0.05mm。
7.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤二中所述的可剥离胶为威镀宝CW-32型。
8.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤二中所述的隔离剂溶液由混合粉末、水和无水乙醇的混合液；所述的混合粉末为氮化硼、氧化锆和石墨粉末中的一种或几种任意比例的混合物；所述的隔离剂溶液中混合物粉末的质量分数为25％～30％，水的质量分数为25％～30％，余量为无水乙醇；所述的混合粉末的粒径为40μm～60μm。
9.根据权利要求1所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于步骤四中所述的气压为惰性气体的压力，惰性气体为氮气或氩气；通入气压的速度为每5min通入0.1MPa；步骤六中所述的气压为惰性气体的压力，惰性气体为氮气或氩气；通入气压的速度为每5min通入0.1MPa；步骤七中所述的气压为惰性气体的压力，惰性气体为氮气或氩气；通入气压的速度为每5min通入0.1MPa。
10.根据权利要求6所述的一种镁合金中空四层结构低温成形/高温反应扩散连接的一体化成形方法，其特征在于所述的铜箔的厚度为0.03mm。
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