CN117182243A - 一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属表面微纳米加工技术领域，且公开了一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，包括以下步骤：选取金属圆管、微米级铜网、钎焊材料、不锈钢管、堵头；金属圆管、铜网、不锈钢管去氧化处理、清洗、吹干；不锈钢管裹上碳纤维纸、铜网，涂抹钎焊材料，后插入金属圆管；向不锈钢管内加入固态纯锌或锡，用堵头将不锈钢管两端封闭；将组合试件置于烘箱中；将组合试件置于真空钎焊炉中；组合试件冷却后，拔出不锈钢管与碳纤维纸，得到具有表面网结构的金属圆管。本发明采用上述在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，能够解决现有技术无法在金属圆管内壁高效制备多层次微纳米结构换热表面的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面微纳米加工技术领域，尤其是涉及一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺。
背景技术
由于具有微纳米表面结构的材料在声、光、电磁、热力学以及化学活性等方面都相比宏观特性有很大的差异，展现出其不同于宏观属性的特殊性能，从而人们一直在寻求比较方便、高效的微纳米加工方法。
研究发现，具有微纳米表面结构的换热表面能大幅度提高过冷沸腾换热的性能，这对具有强换热性能要求的工业换热器研制具有重大意义，如核聚变堆中面向等离子体部件(第一壁)的过冷沸腾换热管路，其超强换热性能可有效的提高第一壁结构安全性和可靠性。该结构目前主要采用翅片、扰动片及内螺纹管结构，流道阻力大，换热压强高，且翅片及内螺纹管结构不仅加工困难，而且易使基体出现疲劳损伤裂纹。采用具有微纳米结构的换热表面可以克服上述困难。
但现阶段，微纳米表面加工技术主要有激光刻蚀、烧结、掩模结合化学沉积或者腐蚀等。调研发现，上述技术处理较小面积尚可，但大面积工业应用还存在较大困难，且价格昂贵。相比而言，烧结更具有一定大面积应用优势，但烧结需要严格工艺条件，形成的微纳米结构可控性存在较大困难。如中国专利申请CN201610218107.2公开了一种利用记忆高分子材料变形产生金属微纳米结构，但微纳米结构与基底间无法附着，且无法大规模便捷的制造多层次微结构。
同时，圆管内壁表面上钎焊形成微纳米结构又比平面上复杂很多，不仅存在不便于观察实验操作的困难，钎料如何涂抹均匀、如何防止金属网在曲面上产生的脱落和翘曲同样是很难解决的问题。
综上，在金属圆管内表面，尤其是在过冷沸腾换热管路内壁产生多层次微纳米结构，且具有很好的强度而易实现大规模的工业化制造，就目前而言，仍然是个技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，解决现有技术存在的无法在金属圆管内壁高效制备多层次微纳米结构换热表面的问题，利用工业上可规模化生产的微米级孔隙铜网和钎焊技术，将铜网钎焊在金属圆管内壁钎焊可控的大规模金属圆管内壁表面表面网结构新工艺，具备了便捷、低成本，结构完整性好且工艺可控的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，包括以下步骤：
步骤一，选取金属圆管、与金属圆管相容的微米级孔隙铜网以及钎焊材料，选取不锈钢管以及用于密封不锈钢管两端开口的堵头；
步骤二，金属圆管内壁表面打磨处理，金属圆管、铜网、不锈钢管进行去氧化层处理并清洗吹干；
步骤三，不锈钢管外表面上半部分依次裹上碳纤维纸、铜网，并涂抹钎焊材料，后插入金属圆管并压紧贴合其内壁；
步骤四，向不锈钢管内加入固态纯锌或锡，留出空间后用堵头将不锈钢管两端封闭；
步骤五，将上述组合试件整体置于烘箱中烘干；
步骤六，将烘干后的组合试件整体置于真空钎焊炉中进行钎焊工作；
步骤七，待组合试件冷却后，拔出不锈钢管与碳纤维纸，得到内壁表面具有表面网结构的金属圆管。
优选的，步骤一中，金属圆管内壁表面为各种金属圆管材料表面。
优选的，步骤一中，裁剪与金属圆管内壁尺寸相匹配的微米级孔隙铜网，选取与金属圆管内壁表面材料、铜网材料相容的钎焊材料，选取与金属圆管内壁表面尺寸相匹配的不锈钢管，并选取铜制堵头。
优选的，步骤二中，用砂纸对待处理的金属圆管内壁表面进行打磨处理，并用酒精清洗去除金属圆管内壁表面氧化膜和污渍；使用盐酸或具有除去氧化物作用的溶剂分别将铜网、不锈钢管以及酒精清洗后金属圆管进行清洗；使用酒精分别对金属圆管、铜网和不锈钢管进行再次清洗，并吹干。
优选的，步骤三中，将不锈钢管最外层铜网均匀涂抹上钎焊材料。
优选的，步骤三中，将不锈钢管、碳纤维纸、铜网和涂抹在铜网上的的钎焊材料的组合体插入金属圆管，使组合体与金属圆管内壁表面压紧贴合。
优选的，步骤五中，将不锈钢管、碳纤维纸、铜网、涂抹在铜网上钎焊材料插入金属圆管内壁表面贴合的组合试件整体放入烘箱内，以200-300摄氏度的温度烘干10-20分钟，去除钎焊材料中的粘合剂。
优选的，步骤六中，将烘干后的组合试件整体放入真空钎焊炉中，在10-2Pa真空度下，850-900℃下进行钎焊作业，钎焊保温5-10分钟。
因此，本发明采用上述在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明采用的方法钎焊成本低廉，可大规模应用生产；
(2)本发明采用的工艺可控：微米级结构可通过使用不同规格网孔目数的铜网调控，纳米级结构可通过使用不同材料钎料或在钎料中混入不同尺度纳米颗粒来调控，从而使整个微纳结构的可控；
(3)本发明采用钎焊不损伤表面基体，铜网具有较好的延展性和柔韧性，不易出现应力集中，因此基体和表面的抗热疲劳性能优；
(4)本发明采用真空钎焊不易出现脱粘、大孔隙等常见焊接问题，连接强度好，不易于脱落或者损坏；
(5)本发明的方法利用高温下液态锌或锡较大的膨胀系数，将不锈钢管外壁上的铜网及钎焊材料与金属圆管内壁紧密压实，不产生翘曲或脱落。
(6)本发明采用的工法解决了金属圆管内壁涂抹钎料困难及不均匀的问题，易于工业化生产。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程图；
图2为本发明实施例的组合试件结构示意图。
附图标记
1、金属圆管；2、不锈钢管；3、堵头。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
如图1所示，本发明所述的一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，利用高温下液态金属锌或锡较大的膨胀系数，将不锈钢管2外壁上的铜网及钎焊材料与金属圆管1内壁紧密压实，最终实现通过钎焊将微米级孔隙铜网焊接在金属圆管1内壁表面，形成表面网结构，具体包括如下步骤：
步骤一，选取金属圆管1，金属圆管1内壁表面为各种金属圆管1材料表面。裁剪与金属圆管1内壁尺寸一致的微米级孔隙铜网，将铜网按压平整而能与金属圆管1内壁表面贴合，铜网材料与金属圆管1内壁表面材料一致或成分相近，热物理属性相似。选取与金属圆管1内壁表面材料、铜网材料相容的钎焊材料，保证钎焊的强度。对于铜或铜含量高的铜合金而言，选用银铜钛钎料作为钎焊材料；对于需更小级微纳结构(如几纳米或者几十纳米)，在钎料内混入更小的微纳米级别(几纳米或者几十纳米)的相容铜材料，例如纳米银等。
选取与金属圆管1内壁表面尺寸相匹配的不锈钢管2，并选取用于密封不锈钢管2两端开口的耐高温的铜制堵头3。
步骤二，用砂纸对待处理的金属圆管1内壁表面进行打磨处理，并用酒精清洗去除金属圆管1内壁表面氧化膜和污渍。使用盐酸或可以除去氧化物而不过多损害基体材料的溶剂分别将铜网、不锈钢管2以及酒精清洗后金属圆管1进行清洗。使用酒精分别对金属圆管1、铜网和不锈钢管2进行再次清洗，并吹干。
步骤三，在不锈钢管2外壁裹上碳纤维纸，防止不锈钢管2和铜网钎焊在一起。在不锈钢管2和碳纤维纸外裹上铜网，在不锈钢管2、碳纤维纸和铜网外均匀涂抹上钎焊材料，厚度低于铜网的单丝直径。利用孔目大的铜网(60目以上)和钎焊材料两种材料焊接而产生不同尺度大小的微结构，并且其微结构还可以通过选取不同孔目和丝径的铜网及在钎料内混入不同尺度的纳米材料进行调控。将原本金属圆管1内壁涂抹钎焊材料的操作转变成在不锈钢管2外壁涂抹钎焊材料，解决了内壁涂抹不均匀以及不方便的问题。
将不锈钢管2、碳纤维纸、铜网和涂抹在铜网上的的钎焊材料的组合体缓慢插入金属圆管1，使组合体与金属圆管1内壁表面压紧贴合。
步骤四，向不锈钢管2内加入适量固态纯锌或锡，留出一部分空间作为膨胀的缓冲，用堵头3将不锈钢管2两端封闭。
常温时，不锈钢管2下半部分稍有一点内凹，这样可以保证不锈钢管2常温时可以完整进入金属圆管1。高温时，液态锌或锡会受热膨胀，从而挤压不锈钢管2的内凹部分使其恢复圆管状，不锈钢管2与金属圆管1完全贴合。利用高温下熔化后液态锌或锡较大的膨胀系数，将不锈钢管2外壁上的铜网及钎焊材料与金属圆管1内壁紧密压实，不产生翘曲或脱落。
步骤五，将不锈钢管2、碳纤维纸、铜网、涂抹在铜网上钎焊材料插入金属圆管1内壁表面贴合的组合试件整体放入烘箱内，以200-300摄氏度的温度烘干10-20分钟，去除钎焊材料中的粘合剂，保证更好地进行钎焊作业。
步骤六，将烘干后的组合试件整体放入真空钎焊炉中，在真空度为10-2Pa或更高量级真空度下真空度下，850-900℃下进行钎焊作业，钎焊保温5-10分钟。
步骤七，待组合试件冷却后，拔出不锈钢管2与碳纤维纸，得到内壁表面具有表面网结构的金属圆管1，如图2所示。
因此，本发明采用上述在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，利用工业上可规模化生产的微米级孔隙铜网和钎焊技术，将铜网钎焊在金属圆管内壁钎焊可控的大规模金属圆管内壁表面表面网结构新工艺，具备了便捷、低成本，结构完整性好且工艺可控的特点，能够解决现有技术存在的无法在金属圆管内壁高效制备多层次微纳米结构换热表面的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，选取金属圆管、与金属圆管相容的微米级孔隙铜网以及钎焊材料，选取不锈钢管以及用于密封不锈钢管两端开口的堵头；
步骤二，金属圆管内壁表面打磨处理，金属圆管、铜网、不锈钢管进行去氧化层处理并清洗吹干；
步骤三，不锈钢管外表面上半部分依次裹上碳纤维纸、铜网，并涂抹钎焊材料，后插入金属圆管并压紧贴合其内壁；
步骤四，向不锈钢管内加入固态纯锌或锡，留出空间后用堵头将不锈钢管两端封闭；
步骤五，将上述组合试件整体置于烘箱中烘干；
步骤六，将烘干后的组合试件整体置于真空钎焊炉中进行钎焊工作；
步骤七，待组合试件冷却后，拔出不锈钢管与碳纤维纸，得到内壁表面具有表面网结构的金属圆管。
2.根据权利要求1所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤一中，金属圆管内壁表面为各种金属圆管材料表面。
3.根据权利要求1所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤一中，裁剪与金属圆管内壁尺寸相匹配的微米级孔隙铜网，选取与金属圆管内壁表面材料、铜网材料相容的钎焊材料，选取与金属圆管内壁表面尺寸相匹配的不锈钢管，并选取铜制堵头。
4.根据权利要求3所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤二中，用砂纸对待处理的金属圆管内壁表面进行打磨处理，并用酒精清洗去除金属圆管内壁表面氧化膜和污渍；使用盐酸或具有除去氧化物作用的溶剂分别将铜网、不锈钢管以及酒精清洗后金属圆管进行清洗；使用酒精分别对金属圆管、铜网和不锈钢管进行再次清洗，并吹干。
5.根据权利要求4所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤三中，将不锈钢管最外层铜网均匀涂抹上钎焊材料。
6.根据权利要求5所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤三中，将不锈钢管、碳纤维纸、铜网和涂抹在铜网上的的钎焊材料的组合体插入金属圆管，使组合体与金属圆管内壁表面压紧贴合。
7.根据权利要求6所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤五中，将不锈钢管、碳纤维纸、铜网、涂抹在铜网上钎焊材料插入金属圆管内壁表面贴合的组合试件整体放入烘箱内，以200-300摄氏度的温度烘干10-20分钟，去除钎焊材料中的粘合剂。
8.根据权利要求7所述的在金属圆管内壁钎焊微纳米多层次复合结构的新工艺，其特征在于：步骤六中，将烘干后的组合试件整体放入真空钎焊炉中，在为10-2Pa真空度下，850-900℃下进行钎焊作业，钎焊保温5-10分钟。
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