CN111151863A - 一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法 - Google Patents

一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，包括包括以下步骤：S1：对钢连接件、铜连接件的连接面进行预处理，除去连接面上的氧化层后进行粗糙度加工；S2：分别将钢连接件、铜连接件固定在连接夹具上，在钢连接件、铜连接件的连接面中部加入结合层；S3：对钢连接件、铜连接件的连接处抽真空，预热后采用梯度升压加热法使结合层熔化为液态并分别与钢连接件、铜连接件进行扩散连接；S4：保持钢连接件、铜连接件连接面处温度和压力，继续保温扩散处理。总之，本发明具有工艺完善、方法简便、连接件强度高等优点。

Description

一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体是涉及一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法。
背景技术
连接成形是材料成形加工的重要方法之一。根据被加工母材在加工过程中是否熔化，可将连接方法分为两大类：第一类是熔焊，包括焊条电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、CO2保护气体焊、激光焊、气焊、电子束焊、电渣焊、等离子弧焊等多种焊接方法；第二类是固态连接，包括加中间层和不加中间层的固态扩散连接、钎焊、TLP扩散连接(或称瞬态液相扩散连接)、常规的试样旋转摩擦焊、搅拌摩擦焊等。
在工业领域，瞬态液相扩散连接常被用于攻坚之间的连接，比如大转子钢铜之间的连接，但是现有技术中对于大转子钢铜进行瞬态液相扩散连接的方法较为简单，制备得到的大转子强度不够，无法满足工件要求，所以，本发明公开了一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法。
本发明的技术方案是：一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，主要包括包括以下步骤：
S1：连接面预处理
对钢连接件、铜连接件的连接面进行预处理，分别除去连接面上的氧化层，然后对连接面进行粗糙度加工，连接面上形成的的氧化层会影响连接件质量，并且由于不同金属之间的形容性较差，所以增大连接面的粗糙度可以有效提高连接件的强度；
S2：夹接结合层
分别将钢连接件、铜连接件固定在连接夹具上，在钢连接件、铜连接件的连接面中部加入结合层，所述结合层包括：复合芯层、两个颗粒层和两个热应力补偿层，所述两个颗粒层分别设置在所述复合芯层的两侧，所述热应力补偿层分别设置在颗粒层与复合芯层之间，向钢连接件、铜连接件两端分别施加 0.2-0.3MPa的压力；
S3：瞬间液态扩散连接
对钢连接件、铜连接件的连接处抽真空，预热连接处温度至500-750K，然后采用梯度升压加热法分别将连接处温度升高至1300-1550K，钢连接件、铜连接件两端压力分别升高至0.7-0.8MPa，使结合层熔化为液态并分别与钢连接件、铜连接件进行扩散连接；
S4：保温扩散
保持钢连接件、铜连接件连接面处温度在1200K-1300K，按照0.05MPa/min 的升压速率升高钢连接件、铜连接件两端压力分别至1.0-1.1MPa，保持压力继续保温扩散处理15-20min，然后先撤去钢连接件、铜连接件两端压力，使钢连接件、铜连接件在保温条件下继续扩散30-40min，冷却后完成连接。
进一步地，所述S1中预处理的具体工艺为：先用砂轮对钢连接件、铜连接件的连接面分别进行打磨，去除连接面的氧化层，然后用激光清洗钢连接件、铜连接件的打磨面，清洗掉打磨过程中钢连接件、铜连接件吸附的杂质粒子，连接件在运输、存储过程中表面会产生氧化层，氧化层会影响连接件之间的扩散连接，而用砂轮将氧化层磨掉后是，砂轮上脱落的杂质可能会粘附在连接面上，所以采用清洗将连接面上粘附的杂质和油污除去，保证连接面的纯净。
进一步地，所述S1中粗糙度加工的具体工艺为：利用高压气流向钢连接件、铜连接件的连接面分别喷射钢砂、铜砂，使钢连接件、铜连接件的连接面粗糙度增大，增大连接面的粗糙度，可以提高连接处金属的扩散效率，提高连接件的强度。
优选地，所述S2中钢连接件、铜连接件与夹具接触面衬垫有阻隔材料，阻隔材料可以避免连接件与夹具产生反应，保证连接件的质量。
优选地，所述S2中的复合芯层为镍、钛、镍钛复合材料中的任意一种，金属芯层可以提高连接件连接处的强度。
优选地，所述S2中两个颗粒层分别为铜颗粒层和钢颗粒层，所述铜颗粒层与所述钢连接件的连接面接触连接，所述钢颗粒层与所述铜连接件的连接面接触连接，颗粒层分别与钢连接件、铜连接件的粗糙化连接面对应接触，促进结合层融化时与连接面的扩散速率。
优选地，所述S2中两个热应力补偿层均为铝锰合金、银锰合金、硅锰合金中的任意一种，连接件在进行高温处理时会产生体积形变的热应力，当热应力超过连接件材料的屈服强度时，就会引起连接件的变形，超过连接件材料的极限强度时就会使连接件开裂，而且温度过高会引起连接件内合金组织偏析，使连接件性能下降，结合层的作用就是补偿高温时连接件金属产生的热应力，并且降低连接件扩散连接所需温度，使连接件扩散均匀，提高连接件连接处强度。
优选地，所述S2中结合层各层之间的连接方式可以是压力粘合、真空粘合、粘合剂粘合、电镀键合中的任意一种，将结合层各层之间粘合，避免在加工过程中脱落，并且避免各层之间夹杂的空气会对瞬间液态扩散连接产生影响。
进一步地，所述S3中的梯度升压加热法具体工艺为：
升温阶段：以100K/min的升温速率将钢连接件、铜连接件的连接处温度升高至1000K-1250K，使结合层快速熔化，同时以0.02Mpa/min的升压速率将钢连接件、铜连接件两端压力升高至0.3-0.4MPa；
压力扩散阶段：以10K/min的升温速率升高钢连接件、铜连接件的连接处温度至1100-1350K，同时以0.03MPa的升压速率将钢连接件、铜连接件两端压力升高至0.6-0.7MPa，使融化后的结合层迅速扩散至进行粗糙度加工后的钢连接件、铜连接件的连接面内；
相互扩散连接：继续以10K/min的升温速率升高钢连接件、铜连接件的连接处温度至1300-1550K，同时以0.005MPa的升压速率将钢连接件、铜连接件两端压力升高至0.7-0.8MPa，结合层与钢连接件、铜连接件之间的原子进行相互扩散，连接处成分开始均匀化；
梯度升压加热法吸纳通过快速升温使连接处达到较高温度，结合层熔化，然后再加大压力使连接件与结合层进行扩散连接，最后将温度和压力保持稳定，优化了瞬间液态扩散连接的升温升压功率。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，通过对连接件的连接面进行氧化层去除、粗糙度加工，使连接面保持纯净并且可以提高连接处金属的扩散效率，提高连接件的强度，然后在连接件中间夹接结合层，提高连接件的强度同时消除连接处温度过高而产生的热应力，并且降低连接件扩散连接所需温度，使连接件扩散均匀，提高连接件连接处强度，挺尸采用梯度升温升压工艺对瞬间液态扩散连接进行流程优化，避免了不必要的能源浪费。总之，本发明具有工艺完善、方法简便、连接件强度高等优点。
附图说明
图1是瞬间液态扩散连接时不同温度下得到的大转子性能检测表；
图2是瞬间液态扩散连接时不同压力下得到的大转子性能检测表。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-2和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。
实施例1：一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，主要包括包括以下步骤：
S1：连接面预处理
对钢连接件、铜连接件的连接面进行预处理，分别除去连接面上的氧化层，具体工艺为：先用砂轮对钢连接件、铜连接件的连接面分别进行打磨，去除连接面的氧化层，然后用激光清洗钢连接件、铜连接件的打磨面，清洗掉打磨过程中钢连接件、铜连接件吸附的杂质粒子；
S2：夹接结合层
分别将钢连接件、铜连接件固定在连接夹具上，向钢连接件、铜连接件两端分别施加0.2MPa的压力；
S3：瞬间液态扩散连接
对钢连接件、铜连接件的连接处抽真空，预热连接处温度至500K，然后将连接处温度升高至1300K，钢连接件、铜连接件两端压力分别升高至0.7MPa，使结合层熔化为液态并分别与钢连接件、铜连接件进行扩散连接，
S4：保温扩散
保持钢连接件、铜连接件连接面处温度在1200K，按照0.05MPa/min的升压速率升高钢连接件、铜连接件两端压力分别至1.0MPa，保持压力继续保温扩散处理15min，然后先撤去钢连接件、铜连接件两端压力，使钢连接件、铜连接件在保温条件下继续扩散30min，冷却后完成连接。
实施例2：
与实施例1基本相同，不同之处在于：在S1除去连接面上的氧化层后对连接面进行粗糙度加工，具体工艺为：利用高压气流向钢连接件、铜连接件的连接面分别喷射钢砂、铜砂，使钢连接件、铜连接件的连接面粗糙度增大。
实施例3：
与实施例1基本相同，不同之处在于：S2中，在钢连接件、铜连接件的连接面中部加入结合层，结合层包括：复合芯层、两个颗粒层和两个热应力补偿层，结合层各层之间通过压力粘合连接的方式连接，
复合芯层为镍含量≥99.9％的13μm镍箔，
两个颗粒层分别设置在复合芯层的两侧，分别为10μm的铜颗粒层和10μ m的钢颗粒层，铜颗粒层与钢连接件的连接面接触连接，钢颗粒层与铜连接件的连接面接触连接，
热应力补偿层分别设置在颗粒层与复合芯层之间，热应力补偿层为7μm铝锰合金。
实施例4：
与实施例3基本相同，不同之处在于：复合芯层为钛含量≥99.9％的13μm 厚度的钛箔，热应力补偿层为7μm的银锰合金。
实施例5：
与实施例3基本相同，不同之处在于：复合芯层为13μm、镍钛含量比为 3:7的镍钛复合材料，热应力补偿层为7μm硅锰合金。
实施例6：
与实施例1基本相同，不同之处在于：S3中升温升压采用梯度升压加热法，具体工艺为：
升温阶段：以100K/min的升温速率将钢连接件、铜连接件的连接处温度升高至1000KK，使结合层快速熔化，同时以0.02Mpa/min的升压速率将钢连接件、铜连接件两端压力升高至0.3MPa；
压力扩散阶段：以10K/min的升温速率升高钢连接件、铜连接件的连接处温度至1100K，同时以0.03MPa的升压速率将钢连接件、铜连接件两端压力升高至0.6MPa，使融化后的结合层迅速扩散至进行粗糙度加工后的钢连接件、铜连接件的连接面内；
相互扩散连接：继续以10K/min的升温速率升高钢连接件、铜连接件的连接处温度至1550K，同时以0.005MPa的升压速率将钢连接件、铜连接件两端压力升高至0.8MPa，结合层与钢连接件、铜连接件之间的原子进行相互扩散，连接处成分开始均匀化。
实施例7：
与实施例1基本相同，不同之处在于：S3中预热连接处温度为750K，然后将连接处温度升高至1550K。
实施例8：
与实施例1基本相同，不同之处在于：S3中钢连接件、铜连接件两端压力分别升高至0.8MPa。
实施例9：
与实施例1基本相同，不同之处在于：S2中钢连接件、铜连接件与夹具接触面衬垫有阻隔材料云母片。
实验例1：研究连接面粗糙度对连接件强度的影响
分别利用实施例1、实施例2提供的方法进行大转子钢铜瞬间液态扩散连接，对分别制备得到的大转子连接处进行强度检测，检测结果如表1所示：
表1不同粗糙度连接面连接得到的大转子性能检测表
组别 连接面处理方法 强度/MPa
实施例1 打磨+激光清洗 200
实施例2 打磨+激光清洗+粗糙度加工 230
结论：通过对连接面的不同处理方法得到不同强度的连接件，在对连接件连接处进行强度检测后，发现粗糙度加工可以有效提升连接件连接处的强度。
实验例2：研究钢连接件、铜连接件之间加入不同结合层对连接件强度的影响
分别利用实施例1、实施例3、实施例4、实施例5提供的方法进行大转子钢铜瞬间液态扩散连接，对分别制备得到的大转子连接处进行强度检测，检测结果如表2所示：
表2连接件中不同结合层得到的大转子性能检测表
Figure RE-GDA0002435563490000071
Figure RE-GDA0002435563490000081
结论：通过在钢连接件与铜连接件之间加入结合层来提升连接件连接处的强度，在对连接件连接处进行强度检测后，发现结合层的组成为：复合芯层为 13μm、镍钛含量比为3:7的镍钛复合材料，颗粒层为10μm的铜颗粒层和10 μm的钢颗粒层，热应力补偿层为7μm硅锰合金时，连接件连接处的强度最高，说明上述材料的添加可以有效提升连接件的连接强度。
实验例3：研究瞬间液态扩散连接时温度对连接强度的影响
通过改变瞬间液态扩散连接时连接处的温度，对不同温度下分别制备得到的大转子连接处进行强度检测，检测结果如图1所示：
结论：温度对于连接件连接处的强度影响十分明显，通过图1可以明显得知，在1550K的温度下进行瞬间液态扩散连接，得到的大转子连接处强度最高，在温度高于1550K后，连接件的强度下降。
实验例4：研究瞬间液态扩散连接时压力对连接强度的影响
通过改变瞬间液态扩散连接时连接处的压力大小，对不同压力下分别制备得到的大转子连接处进行强度检测，检测结果如图2所示：
结论：压力会影响连接件连接处的强度，通过图2可以明显得知，在 0.8MPa的压力下进行瞬间液态扩散连接，得到的大转子连接处强度最高，之后提高压力大转子连接处强度变化不大。
实验例5：研究瞬间液态扩散连接时升温升压工艺对连接强度的影响
分别利用实施1、实施例6提供的方法进行大转子钢铜瞬间液态扩散连接，对分别制备得到的大转子连接处进行强度检测，检测结果如表5所示：
表5不同升温升压工艺得到的大转子性能检测表
组别 升温升压工艺 强度/MPa
实施例1 直接升压升温法 193
实施例6 梯度升压加热法 226
结论：通过不同的升温升压工艺对瞬间液态扩散连接时的温度和压力进行调节，在对制备得到的连接件连接处进行强度检测后，发现梯度升压加热法可以明显提升连接件连接处的强度。

Claims (9)

1.一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，主要包括包括以下步骤：
S1：连接面预处理
对钢连接件、铜连接件的连接面进行预处理，分别除去连接面上的氧化层，然后对连接面进行粗糙度加工；
S2：夹接结合层
分别将钢连接件、铜连接件固定在连接夹具上，在钢连接件、铜连接件的连接面中部加入结合层，所述结合层包括：复合芯层、两个颗粒层和两个热应力补偿层，所述两个颗粒层分别设置在所述复合芯层的两侧，所述热应力补偿层分别设置在颗粒层与复合芯层之间，向钢连接件、铜连接件两端分别施加0.2-0.3MPa的压力；
S3：瞬间液态扩散连接
对钢连接件、铜连接件的连接处抽真空，预热连接处温度至500-750K，然后采用梯度升压加热法分别将连接处温度升高至1300-1550K，钢连接件、铜连接件两端压力分别升高至0.7-0.8MPa，使结合层熔化为液态并分别与钢连接件、铜连接件进行扩散连接；
S4：保温扩散
保持钢连接件、铜连接件连接面处温度在1200K-1300K，按照0.05MPa/min的升压速率升高钢连接件、铜连接件两端压力分别至1.0-1.1MPa，保持压力继续保温扩散处理15-20min，然后先撤去钢连接件、铜连接件两端压力，使钢连接件、铜连接件在保温条件下继续扩散30-40min，冷却后完成连接。
2.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S1中预处理的具体工艺为：先用砂轮对钢连接件、铜连接件的连接面分别进行打磨，去除连接面的氧化层，然后用激光清洗钢连接件、铜连接件的打磨面，清洗掉打磨过程中钢连接件、铜连接件吸附的杂质粒子。
3.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S1中粗糙度加工的具体工艺为：利用高压气流向钢连接件、铜连接件的连接面分别喷射钢砂、铜砂，使钢连接件、铜连接件的连接面粗糙度增大。
4.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S2中钢连接件、铜连接件与夹具接触面衬垫有阻隔材料。
5.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S2中的复合芯层为镍、钛、镍钛复合材料中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S2中两个颗粒层分别为铜颗粒层和钢颗粒层，所述铜颗粒层与所述钢连接件的连接面接触连接，所述钢颗粒层与所述铜连接件的连接面接触连接。
7.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S2中两个热应力补偿层均为铝锰合金、银锰合金、硅锰合金中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，所述S2中结合层各层之间的连接方式可以是压力粘合、真空粘合、粘合剂粘合、电镀键合中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种大转子钢铜瞬间液态扩散连接的复合方法，其特征在于，S2中所述铜颗粒层与所述钢连接件的连接面接触连接，所述钢颗粒层与所述铜连接件的连接面接触连接。
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