CN115008142B - 一种印刷板式换热器芯板的制备方法 - Google Patents

一种印刷板式换热器芯板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种印刷板式换热器芯板的制备方法,包括:对钛金属板和镍金属板进行酸洗抛光处理,复合轧制得到钛镍金属板;在钛镍金属板表面实现流道加工;后续通过预置钎料板片扩散焊接,得到印刷板式换热器芯板。本发明制备得到的印刷板式换热器芯板既有较高的机械强度和抗腐蚀性能,具有较好的抗生物附着能力,且兼具良好的导热性能,适用于海洋油气领域的LNG等船舶。

Description

一种印刷板式换热器芯板的制备方法
技术领域
本发明属于换热器领域,特别涉及一种印刷板式换热器芯板的制备方法。
背景技术
我国目前在南海蕴藏大量的油油气资源,其中的天然气储量达到20万亿m3,约占中国的油气储量1/3,目前中国在南海布局了若干个油气开采平台。南海油气资源离岸距离远,周边没有相关配套设施,一般采用浮式LNG装置来进行储藏,借鉴浮式生产储油装置(FPSO)通过建立浮式生产装置(FLNG)和浮式储存再气化装置(FSRU),采用的水下生产系统+外界管线+LNG运输船。这些LNG生产装置对油气中的换热器产生更高的要求,其中的刷板式换热器是海洋油气领域目前最理想的热交换装置。
印刷板式换热器的材质基本是由钢材进行焊接而成,钢材长时间在高温高压环境下进行生产作业,钢材上的冷热交换频率较多,致使90%以上换热器均是由于内部或外部腐蚀造成了其结构失效。因此通过优选材料及克服海洋生物生长等问题,解决印刷板式换热器设备长期以来使用寿命不长的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种印刷板式换热器芯板的制备方法,得到的印刷板式换热器芯板既有较高的机械强度和抗腐蚀性能,具有较好的抗生物附着能力,且兼具良好的导热性能,适用于海洋油气领域的LNG等船舶。
本发明提供了一种印刷板式换热器芯板的制备方法,包括:
(1)对钛金属板和镍金属板进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻,使得表面形成微微孔;其中,钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸;
(2)将经过上述处理的钛金属板和镍金属板清洗后,进行复合轧制,得到钛镍金属板;
(3)将钛镍金属板进行覆膜处理,对流道部位进行曝光显影处理,然后对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工;其中,喷淋蚀刻液由硝酸、FeCl3溶液、磷酸三丁酯、醋酸纤维素和聚谷氨酸组成;
(4)对经过上述处理的钛镍金属板进行精整,芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接,最后根据换热器芯层数要求拼叠焊接,得到印刷板式换热器芯板。
所述步骤(1)中的钛金属板的厚度为4-6mm;镍金属板的厚度为2-4mm。
所述步骤(1)中的硝酸浓度为20-60g/L,FeCl3溶液浓度为60-200g/L。
所述步骤(1)中的微细蚀刻的工艺参数为:一平方厘米面积接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为80s-120s。
所述步骤(2)中的复合轧制的工艺参数为:首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将放入氮气保护气氛炉中加热至550~650℃,保温30min~120min后复轧;轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为1.5~2mm。
所述步骤(3)中的喷淋蚀刻液中磷酸三丁酯、醋酸纤维素、聚谷氨酸的浓度均为0.5g/L~1g/L,三者的体积比为1:1:1;FeCl3溶液的浓度为120g/L~400g/L;硝酸的浓度为0.2~0.5mol/L。
所述步骤(3)中的喷淋蚀刻温度为30~45℃,蚀刻时间为3min~10min。
所述步骤(4)中的扩散焊接的工艺参数为:压力5-10MPa,温度600-800℃,时间3-5h。,采用的钎料为铜箔,厚度为0.1-0.5mm。通过扩散焊接在芯板内部形成类似蒙乃尔合金性能的合金组织,同时铜的存在可以解决海洋环境生物附着的问题,提高整个芯板的寿命。
有益效果
本发明制备得到的印刷板式换热器芯板既有较高的机械强度和抗腐蚀性能,具有较好的抗生物附着能力,且兼具良好的导热性能,适用于海洋油气领域的LNG等船舶。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
步骤1:选用钛金属板,其厚度为6mm,选用镍金属板,其厚度为4mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
作为上述微蚀技术方案的优选。硝酸浓度为60g/L,FeCl3溶液浓度为200g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为120s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至550℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为2mm。
作为上述轧制技术方案的优选。通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用应用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。蚀刻液体系中硝酸是氧化性酸,体系增加了氢离子,提高氯离子的蚀刻效率,达到调控蚀刻速度的作用,三氯化铁对镍的蚀刻是蚀刻液的最主要的作用,同时添加高聚物如磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸等,在蚀刻过程中,高聚物可附着在侧边,降低蚀刻过程中对侧面腐蚀,同时稳定溶液减少泡沫浓度,从而提高蚀刻线条的直线度和黑边(侧蚀)。
作为上述蚀刻技术方案的优选。蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为1g/L(三者的体积比为1:1:1),FeCl3的浓度为400g/L,硝酸的浓度为0.2mol/L,蚀刻温度为30℃,蚀刻时间为10min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
蚀刻的样本表面可能存在应力释放,导致板面有微小变形情况产生,因此为保证后续的焊接质量,需要对表面进行校平及修整,表面抛光。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。
具体过程为:将蚀刻的复合金属板进行精整后,对扩散焊接表面进行抛光处理,将扩散焊接部位(除流道)预置0.1mm铜箔,按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(10MPa)在800℃进行扩散焊接3h(真空环境)。应用铜箔主要目的是铜与镍合金在扩散容易形成类似蒙乃尔合金,这个合金具有强度高,抗腐蚀性强的特点,同时镍和铜对生物体具有毒副作用,避免微生物在芯板内部生长,到处流道的通畅和换热效率。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高,芯板在海水环境中的腐蚀电流密度(采用三电极测试,测试温度为20-60℃)为2.8μA/cm2,芯板抗撕裂强度为176MPa。
实施例2
步骤1:选用钛金属板,其厚度为5mm,选用镍金属板,其厚度为4mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
作为上述微蚀技术方案的优选。硝酸浓度为60g/L,FeCl3溶液浓度为200g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为90s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至600℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为1.6mm。
作为上述轧制技术方案的优选。通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用应用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。
作为上述蚀刻技术方案的优选。蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为0.9g/L(三者的体积比为1:1:1),FeCl3的浓度为350g/L,硝酸的浓度为0.5mol/L,蚀刻温度为45℃,蚀刻时间为3min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。
具体过程为:将蚀刻的复合金属板进行精整后,对扩散焊接表面进行抛光处理,将扩散焊接部位(除流道)预置0.1mm铜箔,按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(5MPa)在800℃进行扩散焊接3h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高,芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为2.5μA/cm2,芯板抗撕裂强度为178MPa。
实施例3
步骤1:选用钛金属板,其厚度为5mm,选用镍金属板,其厚度为3mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
作为上述微蚀技术方案的优选。硝酸浓度为50g/L,FeCl3溶液浓度为100g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为100s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至600℃,保温60min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为1.8mm。
作为上述轧制技术方案的优选。通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。
作为上述蚀刻技术方案的优选。蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为1g/L(三者的体积比为1:1:1),FeCl3的浓度为300g/L,硝酸的浓度为0.2mol/L,蚀刻温度为40℃,蚀刻时间为5min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。
具体过程为:将蚀刻的复合金属板进行精整后,对扩散焊接表面进行抛光处理,将扩散焊接部位(除流道)预置0.1mm铜箔,按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(5MPa)在700℃进行扩散焊接4h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高,芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为2.7μA/cm2,芯板抗撕裂强度为163MPa。
实施例4
步骤1:选用钛金属板,其厚度为4mm,选用镍金属板,其厚度为4mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
作为上述微蚀技术方案的优选。硝酸浓度为60g/L,FeCl3溶液浓度为150g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为100s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至650℃,保温40min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为1.5mm。
作为上述轧制技术方案的优选。通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用应用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。
作为上述蚀刻技术方案的优选。蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为0.8g/L(三者的体积比为1:1:1),FeCl3的浓度为350g/L,硝酸的浓度为0.3mol/L,蚀刻温度为35℃,蚀刻时间为10min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。
具体过程为:将蚀刻的复合金属板进行精整后,对扩散焊接表面进行抛光处理,将扩散焊接部位(除流道)预置0.1mm铜箔,按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(5MPa)在800℃进行扩散焊接3h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高,芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为2.1μA/cm2,芯板抗撕裂强度为168MPa。
实施例5
步骤1:选用钛金属板,其厚度为4mm,选用镍金属板,其厚度为3mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
作为上述微蚀技术方案的优选。硝酸浓度为50g/L,FeCl3溶液浓度为80g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为120s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至600℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为1.7mm。
作为上述轧制技术方案的优选。通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用应用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。
作为上述蚀刻技术方案的优选。蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为0.5g/L(三者的体积比为1:1:1),FeCl3的浓度为350g/L,硝酸的浓度为0.5mol/L,蚀刻温度为35℃,蚀刻时间为10min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。
具体过程为:将蚀刻的复合金属板进行精整后,对扩散焊接表面进行抛光处理,将扩散焊接部位(除流道)预置0.1mm铜箔,按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(10MPa)在600℃进行扩散焊接5h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高,芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为2.3μA/cm2,芯板抗撕裂强度为171MPa。
实施例6
步骤1:选用钛金属板,其厚度为4mm,选用镍金属板,其厚度为2mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
作为上述微蚀技术方案的优选。硝酸浓度为20g/L,FeCl3溶液浓度为60g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为80s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至550℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为2mm。
作为上述轧制技术方案的优选。通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用应用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。
作为上述蚀刻技术方案的优选。蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为0.5g/L(三者的体积比为1:1:1),FeCl3的浓度为120g/L,硝酸的浓度为0.4mol/L,蚀刻温度为30℃,蚀刻时间为10min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。
具体过程为:将蚀刻的复合金属板进行精整后,对扩散焊接表面进行抛光处理,将扩散焊接部位(除流道)预置0.1mm铜箔,按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(5MPa)在600℃进行扩散焊接5h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高,芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为2.6μA/cm2,芯板抗撕裂强度为162MPa。
对比例1
步骤1:选用钛金属板,其厚度为6mm,选用镍金属板,其厚度为4mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
硝酸浓度为60g/L,FeCl3溶液浓度为200g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为120s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至550℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为2mm。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用硝酸,三氯化铁,不含磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。
蚀刻液中FeCl3的浓度为400g/L,硝酸的浓度为0.2mol/L,蚀刻温度为30℃,蚀刻时间为10min。
在蚀刻过程中,由于蚀刻剂中不含磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸等,蚀刻过程难以控制流道的尺寸精度,且流道边缘存在明显的侧面腐蚀给后续焊接装配带来问题。
步骤4:由于流道蚀刻存在侧面腐蚀和尺寸精度问题,复合芯板进行精整难度较大,难以校平,表面修整、表面抛光工序难以解决上述问题。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(10MPa)在800℃进行扩散焊接3h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,发现存在漏气等问题;进行尺寸检验,发现换热器流道尺寸差异较大,不利于后续使用。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度较差且侧蚀明显,侧蚀在本技术方案中难以控制且表现出无规律性,后续装配精度难以保证,最终制备的芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为3.7μA/cm2,芯板抗撕裂强度为105MPa。性能显著低于实施例1。
对比例2
步骤1:选用钛金属板,其厚度为6mm,选用镍金属板,其厚度为4mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
硝酸浓度为60g/L,FeCl3溶液浓度为200g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为120s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至550℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为2mm。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯。不含醋酸纤维素,聚谷氨酸。
蚀刻液中FeCl3的浓度为400g/L,硝酸的浓度为0.2mol/L,1g/L磷酸三丁酯,蚀刻温度为30℃,蚀刻时间为10min。
在蚀刻过程中,蚀刻剂仅仅含磷酸三丁酯,无醋酸纤维素,聚谷氨酸。磷酸三丁酯作为工业用消泡剂,可使形成的泡沫的膜处于不稳定的状态而迅速消泡。但是蚀刻过程中FeCl3和硝酸与镍和钛的腐蚀过程中会存在气泡,单纯加入1g/L磷酸三丁酯会大大促进腐蚀过程的进行,难以控制流道的尺寸精度,且由于流道边缘无其他高聚物保护导致边缘侧面腐蚀更加严重,给后续焊接装配带来问题。
步骤4:由于流道蚀刻存在侧面腐蚀和尺寸精度问题,复合芯板进行精整难度较大,难以校平,表面修整、表面抛光工序难以解决上述问题。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。在根据换热器芯层数要求,拼叠焊接,得到PCHE芯板。按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(10MPa)在800℃进行扩散焊接3h(真空环境)。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,发现存在漏气等问题;进行尺寸检验,发现换热器流道尺寸差异较大,不利于后续使用。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度较差且侧蚀明显,侧蚀在本技术方案中难以控制且表现出无规律性,后续装配精度难以保证,最终制备的芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为4.2μA/cm2,芯板抗撕裂强度为86MPa。性能显著低于实施例1。
对比例3
步骤1:选用钛金属板,其厚度为4mm,选用镍金属板,其厚度为2mm。对上述两种表面进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻(表面微孔化),钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸,同时通入微细电流,达到化学及电化学复合微孔腐蚀。
硝酸浓度为20g/L,FeCl3溶液浓度为60g/L,微蚀方案采用化学及电化学综合蚀刻,同时应用磁力搅拌扰动腐蚀液,接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为80s。
步骤2:将经过上述处理的钛金属板和镍金属板表面用工业酒精清洗后,将一块钛金属板和两块镍金属板进行复合轧制:将钛金属板和镍金属板首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将轧制板带放入氮气保护气氛炉中加热至550℃,保温120min后复轧(循环多次)。轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为2mm。
通过表面微纳米加工后基板,进行轧制后,钛、镍金属形成互相机械咬合的特点,在进行炉中加热过程中,实现了钛镍金属扩散和软化,达到钛镍金属完成复合的目的。终板的1.5~2mm厚度为当前PCHE芯板的主流厚度。
步骤3:将步骤2获得复合板进行覆膜处理;对流道部位进行曝光显影处理;对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工。蚀刻液配方采用应用硝酸,三氯化铁,磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸。
蚀刻液中磷酸三丁酯,醋酸纤维素,聚谷氨酸的浓度分别为0.5g/L(三者的体积比为 1:1:1),FeCl3的浓度为120g/L,硝酸的浓度为0.4mol/L,蚀刻温度为30℃,蚀刻时间为10min。
步骤4:对蚀刻的复合芯板进行精整,采用校平及表面修整、表面抛光工序。
步骤5:在芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接。本步骤中未放置0.1mm铜箔。按照PCHE芯层数量要求进行叠放,将叠装后的芯板施加一定压力(5MPa)在600℃进行扩散焊接5h(真空环境)。焊接过程中由于钛和镍容易形成中间化合物,扩散焊后难以形成较高的结合强度,后续使用过程中容易诱化开裂。
步骤6:将焊接后PCHE芯板进行密闭透气测试,同时进行尺寸检验,无问题后,即得印刷板式换热器芯板。
上述方案制备的印刷板式换热器芯板流道平直度高且无侧蚀现象,尺寸精度高。但是由于在扩散焊中未放置Cu箔,一方面扩散焊的结合层容易形成钛镍金属间化合物,结合层抗撕裂强度低,且另一方面铜与镍合金在扩散容易形成类似蒙乃尔合金,具有结合层强度高,抗腐蚀性强的特点,同时镍和铜对生物体具有毒副作用,避免微生物在芯板内部生长,到处流道的通畅和换热效率。
芯板在海水环境中的腐蚀电流密度为2.9μA/cm2,芯板抗撕裂强度为62MPa。性能显著低于实施例1。

Claims (7)

1.一种印刷板式换热器芯板的制备方法,包括:
步骤(1)对钛金属板和镍金属板进行酸洗抛光处理,对表面进行微细蚀刻;其中,钛蚀刻溶液为硝酸,镍蚀刻溶液为FeCl3溶液和硝酸;
步骤(2)将经过上述处理的钛金属板和镍金属板清洗后,进行复合轧制,得到钛镍金属板;
步骤(3)将钛镍金属板进行覆膜处理,对流道部位进行曝光显影处理,然后对显影后的镍钛金属板使用蚀刻液进行喷淋蚀刻,实现流道加工;其中,喷淋蚀刻液由硝酸、FeCl3溶液、磷酸三丁酯、醋酸纤维素和聚谷氨酸组成;所述磷酸三丁酯、醋酸纤维素、聚谷氨酸的浓度均为0.5g/L~1g/L,三者的体积比为1:1:1;FeCl3溶液的浓度为120g/L~400g/L;硝酸的浓度为0.2~0.5mol/L;
步骤(4)对经过上述处理的钛镍金属板进行精整,芯板和芯板间预置钎料进行扩散焊接,最后根据换热器芯层数要求拼叠焊接,得到印刷板式换热器芯板。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的钛金属板的厚度为4-6mm;镍金属板的厚度为2-4mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的硝酸浓度为20-60g/L,FeCl3溶液浓度为60-200g/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的微细蚀刻的工艺参数为:一平方厘米面积接入电压为3V,电流0.5A,腐蚀时间为80s-120s。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的复合轧制的工艺参数为:首先进行冷轧,下压量为0.5~1mm;再将放入氮气保护气氛炉中加热至550~650℃,保温40min~120min后复轧;轧制下压量每次0.5mm,最终获得板厚为1.5~2mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的喷淋蚀刻温度为30~45℃,蚀刻时间为3min~10min。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(4)中的扩散焊接的工艺参数为:压力5-10MPa,温度600-800℃,时间3-5h,采用的钎料为铜箔,厚度为0.1mm。
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