CN111230513B - 界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种界面空间冶金结合的铝合金‑铝‑钢过渡接头制备方法。具体包括：1)待复合板钢板和铝合金板的波纹面加工以及待复合钢板、铝板以及铝合金板待复合面的处理；2)将待复合钢板、铝板以及铝合金板组装成组装坯；3)将组装坯置于压力机上进行压缩复合，制备出初步结合的铝合金‑铝‑钢复合板；4)将初步结合的铝合金‑铝‑钢复合板置于高温压力试验机上，进行微压力热扩散处理，最终形成空间冶金结合的铝合金‑铝‑钢复合板；5)将空间冶金结合的铝合金‑铝‑钢复合板进行切边处理，制备出铝合金‑铝‑钢过渡接头。本发明实现了界面规则空间冶金结合，产品性能稳定，产品经过微压力扩散退火后，界面强度对热敏感度降低。
Description
技术领域
本发明属于金属层状复合材料制备技术领域，具体涉及一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法。
背景技术
随着船舶制造工业技术的变革，高效环保的发展理念促使船舶行业不断革新技术，加快了新型造船材料、工艺、设备的应用发展。铝及铝合金材料由于比重小、比强度高、无磁性、可焊接、易加工成形、无低温脆性、耐海水腐蚀等优点，被广泛应用于船舶上层建筑、舾装件及甲板室等部位，极大地降低了船舶自身的重量，增加了船舶的运载能力，同时还可以降低船舶的重心，提升船舶航行速度、增加船舶稳定性。随着越来越多的铝及铝合金结构件被用于船舶制造中，钢与铝的连接问题成为人们关注的焦点。
钢与铝的连接主要采用搭接螺钉、铆接和过渡接头。现在，国内外使用最广泛的是钢-铝过渡接头，而搭接螺钉和铆接连接方式仅有少数国家在使用。钢-铝过渡接头主要有两大类，铝合金-钛-钢过渡接头和铝合金-铝-钢过渡接头。在满足船舶结构强度要求时，铝合金-铝-钢过渡接头具有更明显的经济优势。
铝合金-铝-钢过渡接头由采用爆炸复合法制备的铝合金-铝-钢复合板，利用机械加工的方法加工成条形、板形、圆形或其他形状。利用爆炸复合板制备的铝合金-铝-钢过渡接头其疲劳寿命已证实满足一般小型船舶的船体疲劳性能设计要求，被广泛应用于民船、中小船舶以及特殊用途船舶中。然而，随着使用环境和要求的不断改变，铝合金-铝-钢过渡接头综合性能要求也在不断的提升，如水下、水上大型舰船的设计和使用的“更高施焊温度、更大承载应力、更强结合界面及更高结构韧性”的要求，大型高速船体进一步轻量化后出现了对总厚为10mm左右的超薄铝合金-铝-钢过渡接头需求。传统爆炸复合制备的铝合金-铝-钢复合接头显得性能不足。加之，爆炸复合法制备复合板存在产品质量稳定性不好、噪声污染严重、产品规格受限等问题，急需开发新型工艺制备出综合性能优异的铝合金-铝-钢过渡接头。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法。该方法利用塑性成形或机械加工的方法将铝合金板待复合面和钢板待复合面制备出同等规格的波纹，利用铝合金板待复合面的波纹和钢板待复合面的波纹将压力机施加给待复合面的压力巧妙的转变为界面压力和剪切力混合作用，增强待复合面撕裂能力，降低压下量，并通过微压力热扩散，制备出界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头，具有生产方式简单、界面结合强度高、设备投入少、产品尺寸规格多样的优点。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法，包括以下步骤：
1)准备待复合铝合金板、待复合铝板、待复合钢板，利用塑性成形方法或机械加工方法在待复合铝合金板和待复合钢板的待复合面上加工出大小、形状一致且均匀的波纹，将制备好的待复合铝合金板和待复合钢板分别进行退火处理，然后除去待复合铝合金板波纹面和待复合钢板波纹面的油污和氧化膜，并对待复合铝合金板和待复合钢板的波纹面进行打磨，最后静置或烘干，将待复合铝板退火处理，然后除去待复合铝板待复合面的油污和氧化膜，并打磨待复合铝板两侧的待复合面，最后静置或烘干；
2)将处理好的待复合铝板放置在待复合铝合金板和待复合钢板之间，使待复合铝合金板和待复合钢板的波纹面分别与待复合铝板两侧的待复合面接触，且待复合铝板长度和宽度方向的对称面与待复合钢板和待复合铝合金板长度和宽度方向的对称面重合，同时，使待复合钢板波纹面的波峰与待复合铝合金板波纹面的波谷相对，获得组装坯。
3)将组装坯置于压力机上进行压缩复合，实现待复合界面的初步结合，制备出初步结合的铝合金-铝-钢复合板；
4)将初步结合的铝合金-铝-钢复合板置于高温压力试验机上，进行微压力热扩散处理，促进初步结合的铝合金-铝-钢复合板界面扩散，最终形成空间冶金结合的铝合金-铝-钢复合板；
5)将空间冶金结合的铝合金-铝-钢复合板进行切边处理，并制备出铝合金-铝-钢过渡接头。
进一步，所述步骤1)中待复合铝合金板为3系铝合金、5系铝合金中的任意一种，待复合铝板为1系工业纯铝，待复合钢板为船舶及海洋工程用B级钢和不锈钢中的任意一种。
再进一步，所述步骤1)中待复合铝合金板与待复合钢板的长度和宽度相同，待复合铝板的长度和宽度能够保证在形成初步结合的铝合金-铝-钢复合板时，待复合铝板的长度和宽度不小于待复合铝合金板的长度和宽度。
更进一步，所述步骤1)中待复合铝合金板和待复合钢板上波纹的高度H和宽度L之比为1:1～1:10，且宽度L的尺寸为1～20mm。
更进一步，所述步骤1)中待复合铝合金板和待复合钢板的待复合面加工出的波纹相互交错设置，即待复合铝合金板和待复合钢板的待复合面接触时，待复合面上的波纹能够相互啮合。
更进一步，所述步骤3)中压缩复合的压缩量大于2H，整体压缩率小于50％。
更进一步，所述步骤3)中界面波纹巧妙地将压缩给与的界面压力转变为界面压力和剪切力混合作用，降低了界面复合难度。
更进一步，所述步骤4)中微压力热扩散处理过程中的微压力为2～10MPa，热扩散温度为350℃～500℃。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明通过界面波纹处理，巧妙将界面压力转变为界面压力和剪切力混合作用，降低了钢铝过渡接头压力复合的难度，实现了界面规则空间冶金结合，产品性能稳定；避免了爆炸复合法噪音污染大、产品性能不稳定的问题；产品经过微压力扩散退火后，界面强度对热敏感度降低；且采用本发明所述的制备方法，需要的设备简单，可以根据产品规格进行设计，尺寸规格更为多样化。
附图说明
图1为本发明组装坯的结构示意图；
图2为本发明步骤3)中组装坯置于压力机上的结构示意图；
图3为本发明初步结合的铝合金-铝-钢复合板的结构示意图；
图4为本发明步骤4)中初步结合的铝合金-铝-钢复合板置于高温压力试验机上的结构示意图；
图5为本发明空间冶金结合的铝合金-铝-钢复合板的结构示意图；
图6为本发明待复合铝合金板的局部放大图；
图中待复合铝合金板—1、待复合铝板—2、待复合钢板—3、组装坯—4、初步结合的铝合金-铝-钢复合板—5、空间冶金结合的铝合金-铝-钢复合板—6、压力机—7、高温压力试验机—8。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1至图6所示，采用本发明的方法制备5083-1050-06Cr19Ni10过渡接头，具体步骤为：
1)选取长×宽×高为800×100×20mm的待复合5083铝合金板1和待复合06Cr19Ni10钢板3，利用塑性成形方法在待复合5083铝合金板1和待复合06Cr19Ni10钢板3的待复合面制备出高度H为4mm，宽度L为4mm的波纹，且待复合5083铝合金板1和待复合06Cr19Ni10钢板3上的波纹能够相互啮合，将待复合5083铝合金板1在280℃下去应力退火2小时后空冷至室温，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合5083铝合金板1的波纹面，然后烘干备用；将待复合06Cr19Ni10钢板3在600℃下退火2小时后空冷，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将齿面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合06Cr19Ni10钢板3的波纹面，然后烘干备用；选取长×宽×高为1000×160×6mm的待复合1050工业纯铝2，在280℃下去应力退火2小时，清除表面油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合1050工业纯铝2待复合面，然后烘干备用。
2)将处理好的待复合1050工业纯铝板2放置在待复合5083铝合金板1和待复合06Cr19Ni10钢板3之间，使待复合5083铝合金板1和待复合06Cr19Ni10钢板3的波纹面分别与待复合1050工业纯铝板2两侧的待复合面接触，且待复合1050工业纯铝板2长度和宽度方向的对称面与待复合06Cr19Ni10钢板3和待复合5083铝合金板1长度和宽度方向的对称面重合，同时，使待复合06Cr19Ni10钢板3波纹面的波峰与待复合5083铝合金板1波纹面的波谷相对，获得组装板坯4。
3)将组装板坯4放到压力机7上，利用压力机7进行压缩复合，压下量10mm，在压缩过程中待复合5083铝合金板1的波纹面与待复合1050工业纯铝板2之间由多处线接触逐渐变成局部面接触，最终形成完整的面接触；同样06Cr19Ni10钢板3的波纹面与待复合1050工业纯铝板1之间也是由线接触逐渐变成局部面接触，最终形成完整的面接触；这种在压缩过程中，待复合界面由线接触到面接触的演变，巧妙的将压力机7给与的界面压力转变为界面压力和剪切力混合作用，增强待复合面撕裂能力，增强界面破裂和新鲜金属裸露，实现待复合界面的初步结合，制备出初步结合的5083-1050-06Cr19Ni10复合板5。
4)将初步结合的5083-1050-06Cr19Ni10复合板5放入高温压力试验机8中，利用高温压力试验机8给初步结合的5083-1050-06Cr19Ni10复合板5施加40t压力，温度350℃，维持时间30min，形成空间冶金结合的5083-1050-06Cr19Ni10复合板6。
5)将空间冶金结合的5083-1050-06Cr19Ni10复合板6进行切边，制备出5083-1050-06Cr19Ni10过渡接头。
实施例2
如图1至图6所示，采用本发明的方法制备3003-1060-Q235B过渡接头，具体步骤为：
1)选取长×宽×高为600×50×10mm的待复合3003铝合金板1和待复合Q235B钢板3，利用机械加工方法在待复合3003铝合金板1和待复合Q235B钢板3的待复合面制备出高度H为1.5mm，宽度L为2mm的波纹，且待复合5083铝合金板1和待复合06Cr19Ni10钢板3上的波纹能够相互啮合，将待复合3003铝合金板1在280℃下去应力退火2小时，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合3003铝合金板1的波纹面，然后静置备用；将待复合Q235B钢板3在600℃下退火2小时后空冷，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将齿面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合Q235B钢板3的波纹面，然后静置备用；选取长×宽×高为750×70×2mm的待复合1060工业纯铝板2，在280℃下去应力退火2小时后空冷至室温，清除表面油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合1060工业纯铝板2待复合面，然后静置备用。
2)将处理好的待复合1060工业纯铝板2放置在待复合3003铝合金板1和待复合Q235B钢板3之间，使待复合5083铝合金板1和待复合Q235B钢板3的波纹面分别与待复合1050工业纯铝板2两侧的待复合面接触，且待复合1050工业纯铝板2长度和宽度方向的对称面与待复合Q235B钢板3和待复合5083铝合金板1长度和宽度方向的对称面重合，同时，使待复合Q235B钢板3波纹面的波峰与待复合5083铝合金板1波纹面的波谷相对，获得组装板坯4。
3)将组装板坯4放到压力机7上，利用压力机7进行压缩复合，压下量4mm，在压缩过程中待复合3003铝合金板1的波纹面与待复合1060工业纯铝板2之间由多处线接触逐渐变成局部面接触，最终形成完整的面接触；同样Q235B钢板3的波纹面与待复合1060工业纯铝板1之间也是由线接触逐渐变成局部面接触，最终形成完整的面接触；这种在压缩过程中，待复合界面由线接触到面接触的演变，巧妙的将压力机7给与的界面压力转变为界面压力和剪切力混合作用，增强待复合面撕裂能力，增强界面破裂和新鲜金属裸露，实现待复合界面的初步结合，制备出初步结合的3003-1060-Q235B复合板5。
4)将初步结合的3003-1060-Q235B复合板5放入高温压力试验机8中，利用高温压力试验机8给初步结合的3003-1060-Q235B复合板5施加30t压力，温度400℃，维持时间30min，制备出空间冶金结合的3003-1060-Q235B复合板6。
5)将空间冶金结合的3003-1060-Q235B复合板6进行切边，制备出3003-1060-Q235B过渡接头。
实施例3
如图1至图6所示，采用本发明的方法制备5A05-1070-Q235C过渡接头，具体步骤为：
1)选取长×宽×高为800×200×30mm的待复合5A05铝合金板1和待复合Q235C钢板3，利用塑性成形方法在待复合5A05铝合金板1和待复合Q235C钢板3的待复合面制备出高度H为2mm，宽度L为20mm的波纹，且待复合5A05铝合金板1和待复合Q235C钢板3上的波纹能够相互啮合，将待复合5A05铝合金板1在280℃下去应力退火2小时后空冷至室温，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合5A05铝合金板1的波纹面，然后烘干备用；将待复合Q235C钢板3在600℃下退火2小时后空冷，清除波纹面的油污和氧化膜，用丙酮和酒精将齿面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合Q235C钢板3的波纹面，然后烘干备用；选取长×宽×高为1000×250×5mm的待复合1070工业纯铝板2，在280℃下去应力退火2小时，清除表面油污和氧化膜，用丙酮和酒精将待复合面清洗干净，然后用打磨机打磨待复合1070工业纯铝板2待复合面，然后烘干备用。
2)将处理好的待复合1070工业纯铝板2放置在待复合5A05铝合金板1和待复合Q235C钢板3之间，使待复合5A05铝合金板1和待复合Q235C钢板3的波纹面分别与待复合1070工业纯铝板2两侧的待复合面接触，且待复合1070工业纯铝板2长度和宽度方向的对称面与待复合Q235C钢板3和待复合5A05铝合金板1长度和宽度方向的对称面重合，同时，使待复合Q235C钢板3波纹面的波峰与待复合5A05铝合金板1波纹面的波谷相对，获得组装板坯4。
3)将组装板坯4放到压力机7上，利用压力机7进行压缩复合，压下量6mm，在压缩过程中待复合5A05铝合金板1的波纹面与待复合1070工业纯铝板2之间由多处线接触逐渐变成局部面接触，最终形成完整的面接触；同样Q235C钢板3的波纹面与待复合1070工业纯铝板1之间也是由线接触逐渐变成局部面接触，最终形成完整的面接触；这种在压缩过程中，待复合界面由线接触到面接触的演变，巧妙的将压力机7给与的界面压力转变为界面压力和剪切力混合作用，增强待复合面撕裂能力，增强界面破裂和新鲜金属裸露，实现待复合界面的初步结合，制备出初步结合的5A05-1070-Q235C复合板5。
4)将初步结合的5A05-1070-Q235C复合板5放入高温压力试验机8中，利用高温压力试验机8给初步结合的5A05-1070-Q235C复合板5施加100t压力，温度450℃，维持时间20min，形成空间冶金结合的5A05-1070-Q235C复合板6。
5)将空间冶金结合的5A05-1070-Q235C复合板6进行切边，制备出5A05-1070-Q235C过渡接头。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)准备待复合铝合金板(1)、待复合铝板(2)、待复合钢板(3)，利用塑性成形方法或机械加工方法在待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)的待复合面加工出大小、形状一致且均匀的波纹，所述待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)的待复合面加工出的波纹相互交错设置，即待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)的待复合面接触时，待复合面上的波纹能够相互啮合，将制备好的待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)分别进行退火处理，然后除去待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)波纹面的油污和氧化膜，并对待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)的波纹面进行打磨，最后静置或烘干，将待复合铝板(2)退火处理，然后除去待复合铝板(2)待复合面的油污和氧化膜，并打磨待复合铝板(2)两侧的待复合面，最后静置或烘干；
2)将处理好的待复合铝板(2)对齐放置在待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)之间，使待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)的波纹面分别与待复合铝板(2)两侧的待复合面接触，且待复合铝板(2)长度和宽度方向的对称面与待复合钢板(3)和待复合铝合金板(1)的长度和宽度方向的对称面重合，同时，使待复合钢板(3)波纹面的波峰与待复合铝合金板(1)波纹面的波谷相对，获得组装坯(4)；
3)将组装坯(4)置于压力机(7)上进行压缩复合，实现待复合界面的初步结合，制备出初步结合的铝合金-铝-钢复合板(5)；
4)将初步结合的铝合金-铝-钢复合板(5)置于高温压力试验机(8)上，进行微压力热扩散处理，促进初步结合的铝合金-铝-钢复合板(5)界面扩散，最终形成空间冶金结合的铝合金-铝-钢复合板(6)，所述微压力热扩散处理过程中的微压力为2～10MPa，热扩散温度为350℃～500℃；
5)将空间冶金结合的铝合金-铝-钢复合板(6)进行切边处理，制备出铝合金-铝-钢过渡接头。
2.根据权利要求1所述的一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法，其特征在于：所述步骤1)中待复合铝合金板(1)为3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金中的任意一种，待复合铝板(2)为1系工业纯铝，待复合钢板(3)为船舶及海洋工程用B级钢和不锈钢中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法，其特征在于：所述步骤1)中待复合铝合金板(1)与待复合钢板(3)的长度和宽度相同，待复合铝板(2)的长度和宽度能够保证在形成初步结合的铝合金-铝-钢复合板(5)时，待复合铝板(2)的长度和宽度不小于待复合铝合金板(1)的长度和宽度。
4.根据权利要求3所述的一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法，其特征在于：所述步骤1)中待复合铝合金板(1)和待复合钢板(3)上波纹的高度H和宽度L之比为1：1～1：10，且宽度L的尺寸为1～20mm。
5.根据权利要求4所述的一种界面空间冶金结合的铝合金-铝-钢过渡接头制备方法，其特征在于：所述步骤3)中压缩复合的压缩量大于2H，整体压缩率小于50％。
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2020
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