CN117341295A - 一种铝合金不锈钢多层复合板及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金不锈钢多层复合板及其制备方法和应用，将铝合金板、纯铝板、纯钛板、纯镍板、不锈钢板五块金属板从上至下依次层叠放置，在任意两块金属板之间放置间隙柱，且控制金属板之间的间距从上至下依次减少，然后使各金属板之间形成局部真空，得到金属组件，将金属组件放在水槽底座上通过支撑板进行固定，并于铝合金板上放置缓冲垫，然后将炸药平铺至缓冲垫上的药框内，通过插放于药框内的起爆雷管，从金属板的长边中点开始起爆，引爆炸药实现金属组件的爆炸复合获得复合板，最后将复合板进行热处理即得铝合金不锈钢多层复合板，本发明所得铝合金不锈钢多层复合板可以实现界面结合率100％。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金不锈钢多层复合板及其制备方法和应用，属于层状金属复合材料制备技术领域。
背景技术
随着国家大力发展新兴产业、节能减排和绿色发展制造等政策的实施，石油化工、空气分离、工业制冷、低温储罐等行业迅速发展，其相关的设备需求量逐步递增，且向大型、超大型化发展，这使得对设备和管道的密封性等综合性能提出了更为苛刻的要求。铝和铝合金具有耐腐蚀性强、易加工、热传导性好、比强度高等特性，尤其是铝镁合金在低温下仍具有较好的韧性和强度，可耐受最低温度达-269℃，铝合金不锈钢多层复合材料是利用材料各自性能优势在界面实现牢固的冶金结合而制备的，既有钢的高强度又有铝的耐腐蚀、韧性好和质量轻等优点，适用低温、高压等恶劣工况下工业管道、容器设备的制造加工，主要用于铝容器和不锈钢管道过渡连接，但不锈钢和铝的熔点、线膨胀系数、导热系数、热容量及机械性能相差悬殊，在铝/不锈钢复合过程中热应力较大，易产生裂纹。且容易形成不可逆的、硬而脆的金属间化合物，使复合材料结合性变差，严重影响到结合界面的力学性能和成型性能。因此，其复合技术受到诸多限制。
目前层状金属复合材料制备的方法包括轧制复合法、挤压轧制法和爆炸复合法等，爆炸复合法最大的特点是能将理化性能差异大的金属材料迅速强固地焊接在一起，界面实现冶金结合，界面结合强度高，是制备大面积层状金属复合材料极具应用前景的重要方法，具有重要的工程意义，可以制造许多合成新型复合材料。多层复合材料一般采用一次、两次、多次的爆炸焊接法，最常用的方法是多层爆炸复合，但爆炸工艺复杂、成本高、效率低，且质地较软的金属减薄量经过多次爆炸复合后不易控制，后续的爆炸过程因多次的高温高压冲击容易对前期已复合的界面结合率和结合强度产生不利影响，界面容易生成连续的金属间化合物。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，本发明所提供的制备方法，可通过水下一次爆炸复合五层金属。
本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的高可靠性的铝合金不锈钢多层复合板。
本发明的第三个目的在于提供铝合金不锈钢多层复合板的应用，将所述铝合金不锈钢多层复合板应用于低温接头。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，将铝合金板、纯铝板、纯钛板、纯镍板、不锈钢板五块金属板从上至下依次层叠放置，在任意两块金属板之间放置间隙柱，且控制金属板之间的间距从上至下依次减少，然后使各金属板之间形成局部真空，得到金属组件，将金属组件放在水槽底座上通过支撑板进行固定，并于铝合金板上放置缓冲垫，然后将炸药平铺至缓冲垫上的药框内，通过插放于药框内的起爆雷管，从金属板的长边中点开始起爆，引爆炸药实现金属组件的爆炸复合获得复合板，最后将复合板进行热处理即得。
发明人发现，铝合金和不锈钢两种材料的理化性能差异大，为实现可靠连接，本发明在铝合金和不锈钢之间，逐步添加性能差异接近且热膨胀系数介于两者之间的金属材料进行过渡，可有效吸收因冷热变化而产生的应力，保证界面的结合强度和可靠性，其中纯镍可焊接性能好，不仅可以提高复合界面的结合强度，而且可以有效降低焊接时界面温度，即可以提高复合板耐焊接热循环能力；纯钛板作为常用的过渡层材料可有效提高金属间界面的结合强度；另因接头会接触腐蚀介质，采用纯铝作为过渡层，因纯铝与铝合金性能差异小，不仅可提高铝合金与钛的界面结合强度，而且可以有效保护铝合金和其他金属，通过上述板材的结构设置，使得本发明能够一次性实现爆炸复合，且得到质量高，结合强度高的铝合金不锈钢多层复合板。
此外，本发明在组装金属板时，控制金属板之间的间距从上至下依次减少，使爆炸焊接过程稳定和得到结合质量均匀性好的复合板，另外，本发明中控制从金属板的长边中点开始起爆，发明人发现，结合本发明金属板之间的间距大小、金属板厚度和炸药厚度，在本发明中，采用长边中点开始起爆能量利用率最高，复合板的结合质量稳定，均匀性好。
在实际操作过程中，将各金属板层叠组装之前，先使用打磨抛光设备对所需复合的金属界面进行打磨抛光，使待复合界面完全露出金属光泽，表面平整光洁。
优选的方案，所述纯钛板中的钛为TA1。发明人发现，当钛为TA1时，相比TA2等，最终复合质量最高。
优选的方案，所述铝合金板的厚度为8-12mm，纯铝板的厚度为2-6mm，纯钛板的厚度为1-2mm，纯镍板的厚度为1-2mm，不锈钢板的厚度≥16mm。将各层板的厚度控制在上述范围内，最终所得复合板的性能最优。
优选的方案，在任意两块金属板之间均放置若干均匀分布的内支撑，确保板材均处于水平位置不变形，不平度不高于5mm/m。
优选的方案，在任意两块金属板之间放置间隙柱，控制铝合金板、纯铝板、钛板、纯镍板、不锈钢板五块金属板之间从上至下的间距依次为9～14mm、6～8mm、3.5～5mm、2～3mm。
发明人发现，将板间距的控制在上述范围内，可以使爆炸复合时，覆板撞击基板均在等速区进行，使得爆炸过程稳定，最终获得结合质量均匀性好的复合板。
优选的方案，将各金属板外周通过密封胶密封使各金属板材之间形成密闭空间，并在任意相邻两块金属板的密封胶上均开一个出气孔，分别抽真空形成局部真空，且控制真空度均为10-2～10-3Pa。
在本发明中，通过分区的控制任意相邻两块金属板的真空度，最终爆炸复合的效果最优。
优选的方案，所述炸药选自乳化炸药或硝铵炸药。
优选的方案，所述炸药的爆速为4200～5600m/s。
发明人发现，采用更高爆速、能量更加集中的乳化炸药或硝铵炸药通过局部抽真空金属板之间的空气层置于水下进行爆炸复合，高爆速的乳化炸药或硝铵炸药并不会使多层复合出现降低结合率和结合强度的问题。
在实际操作过程中，对爆炸复合后的多层复合板经100％UT检测；然后对探伤检测后的复合板进行热处理以消除爆炸焊接时产生的内应力，最后将热处理后的复合板经校平、无损检测、切边，做力学性能、泄露率和水压试验等检测后，表面进行机械加工即得铝合金不锈钢多层复合板。
优选的方案，所述热处理的温度为180～220℃，热处理的时间为1～2h。
本发明还提供上述制备方法所制备的铝合金不锈钢多层复合板。
本发明还提供上述制备方法所制备的铝合金不锈钢多层复合板的应用，将所述铝合金不锈钢多层复合板应用于低温接头。
原理与优势
本发明在铝合金和不锈钢之间，逐步添加性能差异接近且热膨胀系数介于两者之间的金属材料纯铝、钛、镍作为过渡层材料，可有效吸收因冷热变化而产生的应力，保证界面的结合强度和可靠性，然后通过控制各金属板之间的间距，可以使爆炸复合时，覆板撞击基板均在等速区进行，使得爆炸过程稳定，同时通过分区的控制任意相邻两块金属板的真空度，使多层爆炸更可控，同时避免空气对板材复合质量的影响，最后采用更高爆速、能量更加集中的乳化炸药或硝铵炸药进行从长边中点起爆，一次性实现爆炸复合，且得到质量高，结合强度高的铝合金不锈钢多层复合板。
本发明可实现一次爆炸完成五种金属复合，与传统的多次爆炸复合相比，完成一次复合后须进行校平、再打磨抛光待复合面再重新爆炸复合，极大的提高了爆炸复合效率，且可以有效避免后续复合过程对已复合界面焊接质量的影响，本发明不仅大幅减少了原材料成本，而且一次复合的结合率和结合强度比多次的稳定性高，成品率高，降低了生产成本以及人力成本，减少多次噪声污染和环境污染，同时生产周期大大缩短，并可减少返工和重复生产情况。
使用本方法爆炸焊接制备的复合板可以实现界面结合率100％，整板综合性能的均匀性提高至10％以内，复合均匀无分层，用该方法制备的铝合金不锈钢五层复合过渡接头可靠性高，满足泄露率不高于10*10-10Pa·m3/s。
具体实施方式
实施例1：
步骤1：待复合面处理：使用打磨抛光设备对所需复合的金属界面进行打磨抛光，使待复合界面完全露出金属光泽，表面平整光洁；
步骤2：金属板材组装：在金属板之间均放置若干均匀分布的内支撑，确保板材均处于水平位置不变形，不平度不高于5mm/m，在8mm厚度的5083铝合金、2mm厚度的纯铝、1mm厚度的TA1、1mm厚度的纯镍板和16mm厚度的316L不锈钢板之间均匀放置若干同高度的间隙柱，各金属板之间的间隙柱高度从覆板到基板依次为9mm、6mm、3.5mm、2mm；
步骤3：金属板材组件抽真空：将各金属板外周通过密封胶密封使各金属板材之间形成密闭空间，并在任意相邻两块金属板的密封胶上均开一个出气孔，然后将整个组装好的复合板装置固定于干燥环境中，检查真空泵开启抽真空设备，连接真空设备和密封金属组件上的出气孔，将密闭组件中的各出气孔分别抽真空至真空度均为10-3Pa，形成局部真空的爆炸复合金属材料组件；
步骤4：爆炸复合：将装配好的形成局部真空的金属组件放入水槽底座上，并将金属组件通过支撑板进行固定，在覆板铝合金上放置缓冲垫，然后将调配好的爆速4200m/s的炸药均匀平铺至缓冲垫上的药框内，通过插放于药框内的起爆雷管，从长边中点开始起爆，引爆炸药实现金属材料组件的爆炸复合；
步骤5：探伤检测：爆炸复合后的多层复合板经100％UT检测；
步骤6：热处理：对探伤检测后的复合板进行热处理以消除爆炸焊接时产生的内应力，热处理工艺：复合板随炉升温至200±20℃，保温1～2h后随炉冷却；
步骤7：将热处理后的复合板经校平、无损检测、切边，做力学性能、泄露率和水压试验等检测后，表面进行机械加工。经检测，该复合材料的泄露率为4.2*10-10Pa·m3/s；在室温下进行25MPa水压试验，保压10min界面无分层现象；复合板的拉脱强度140MPa；复合板试样在液氮中浸泡10min，高温环境65℃保持10min，往复循环100次，界面无分层现象。
实施例2：
步骤1：待复合面处理：使用打磨抛光设备对所需复合的金属界面进行打磨抛光，使待复合界面完全露出金属光泽，表面平整光洁；
步骤2：金属板材组装：在金属板之间均放置若干均匀分布的内支撑，确保板材均处于水平位置不变形，不平度不高于5mm/m，在8mm厚度的5083铝合金、4mm厚度的纯铝、2mm厚度的TA1、2mm厚度的纯镍板和45mm厚度的316L不锈钢板之间均匀放置若干同高度的间隙柱，各金属板之间的间隙柱高度从覆板到基板依次为12mm、8mm、4mm、3mm；
步骤3：金属板材组件抽真空：将各金属板外周通过密封胶密封使各金属板材之间形成密闭空间，并在任意相邻两块金属板的密封胶上均开一个出气孔，然后将整个组装好的复合板装置固定于干燥环境中，检查真空泵开启抽真空设备，连接真空设备和密封金属组件上的出气孔，将密闭组件中的各出气孔分别抽真空至真空度均为10-2Pa，形成局部真空的爆炸复合金属材料组件；
步骤4：爆炸复合：将装配好的形成局部真空的金属组件放入水槽底座上，并将金属组件通过支撑板进行固定，在覆板铝合金上放置缓冲垫，然后将调配好的爆速4800m/s的炸药均匀平铺至缓冲垫上的药框内，通过插放于药框内的起爆雷管，从长边中点开始起爆，引爆炸药实现金属材料组件的爆炸复合；
步骤5：探伤检测：爆炸复合后的多层复合板经100％UT检测；
步骤6：热处理：对探伤检测后的复合板进行热处理以消除爆炸焊接时产生的内应力，热处理工艺：复合板随炉升温至200±20℃，保温1～2h后随炉冷却；
步骤7：将热处理后的复合板经校平、无损检测、切边，做力学性能、泄露率和水压试验等检测后，表面进行机械加工。经检测，该复合材料的泄露率为7.6*10-10Pa·m3/s；在室温下进行25MPa水压试验，保压10min界面无分层现象；复合板的拉脱强度144MPa；复合板试样在液氮中浸泡10min，高温环境65℃保持10min，往复循环100次，界面无分层现象。
实施例3：
步骤1：待复合面处理：使用打磨抛光设备对所需复合的金属界面进行打磨抛光，使待复合界面完全露出金属光泽，表面平整光洁；
步骤2：金属板材组装：在金属板之间均放置若干均匀分布的内支撑，确保板材均处于水平位置不变形，不平度不高于5mm/m，在12mm厚度的5083铝合金、6mm厚度的纯铝、2mm厚度的TA1、2mm厚度的纯镍板和60mm厚度的316L不锈钢板之间均匀放置若干同高度的间隙柱，各金属板之间的间隙柱高度从覆板到基板依次为14mm、8mm、5mm、3mm；
步骤3：金属板材组件抽真空：将各金属板外周通过密封胶密封使各金属板材之间形成密闭空间，并在任意相邻两块金属板的密封胶上均开一个出气孔，然后将整个组装好的复合板装置固定于干燥环境中，检查真空泵开启抽真空设备，连接真空设备和密封金属组件上的出气孔，将密闭组件中的各出气孔分别抽真空至真空度均为10-2Pa，形成局部真空的爆炸复合金属材料组件；
步骤4：爆炸复合：将装配好的形成局部真空的金属组件放入水槽底座上，并将金属组件通过支撑板进行固定，在覆板铝合金上放置缓冲垫，然后将调配好的爆速5600m/s的炸药均匀平铺至缓冲垫上的药框内，通过插放于药框内的起爆雷管，从长边中点开始起爆，引爆炸药实现金属材料组件的爆炸复合；
步骤5：探伤检测：爆炸复合后的多层复合板经100％UT检测；
步骤6：热处理：对探伤检测后的复合板进行热处理以消除爆炸焊接时产生的内应力，热处理工艺：复合板随炉升温至200±20℃，保温1～2h后随炉冷却；
步骤7：将热处理后的复合板经校平、无损检测、切边，做力学性能、泄露率和水压试验等检测后，表面进行机械加工。经检测，该复合材料的泄露率为5.5*10-10Pa·m3/s；在室温下进行25MPa水压试验，保压10min界面无分层现象；复合板的拉脱强度143MPa；复合板试样在液氮中浸泡10min，高温环境65℃保持10min，往复循环100次，界面无分层现象。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅是调配的炸药爆速为5800m/s，爆炸复合获得的复合板出现了部分未结合区域，探伤已结合区域局部位置结合强度低。这是因为爆炸焊接存在一个最佳的碰撞速度，碰撞速度过大会导致金属板之间碰撞时产生的压力过大，在结合界面出现熔化或未结合情况，从而严重影响焊接界面处的焊接质量。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅是过渡层金属TA1用TA2代替，爆炸复合获得的复合板出现了大面积未结合区域。由于钛板TA2比TA1具有更高的强度和硬度，强度高的金属适宜采用爆速较低的炸药进行爆炸复合，从而在结合界面出现熔化或未结合情况，严重影响焊接界面处的焊接质量。
对比例3
其他条件与实施例1相同，仅仅是覆板铝合金上未放置缓冲垫，经爆炸复合获得的复合板表面出现大量大小不等的凹坑，金属板材在爆炸焊接过程中瞬间会经受高速运动的爆轰波和爆炸产物的撞击以及数千度高温的作用，使覆层材料表面被打伤和氧化，这种损坏的程度会随炸药烈度的增加而增强，在金属表面放置缓冲垫等保护材料可以起到缓冲爆炸载荷和保护覆层表面的作用。
Claims (10)
1.一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：将铝合金板、纯铝板、纯钛板、纯镍板、不锈钢板五块金属板从上至下依次层叠放置，在任意两块金属板之间放置间隙柱，且控制金属板之间的间距从上至下依次减少，然后使各金属板之间形成局部真空，得到金属组件，将金属组件放在水槽底座上通过支撑板进行固定，并于铝合金板上放置缓冲垫，然后将炸药平铺至缓冲垫上的药框内，通过插放于药框内的起爆雷管，从金属板的长边中点开始起爆，引爆炸药实现金属组件的爆炸复合获得复合板，最后将复合板进行热处理即得。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：所述纯钛板中的钛为TA1。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：所述铝合金板的厚度为8-12mm，纯铝板的厚度为2-6mm，纯钛板的厚度为1-2mm，纯镍板的厚度为1-2mm，不锈钢板的厚度≥16mm。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：在任意两块金属板之间均放置若干均匀分布的内支撑，确保板材均处于水平位置不变形，不平度不高于5mm/m。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：在任意两块金属板之间放置间隙柱，控制铝合金板、纯铝板、钛板、纯镍板、不锈钢板五块金属板之间从上至下的间距依次为9～14mm、6～8mm、3.5～5mm、2～3mm。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：将各金属板外周通过密封胶密封使各金属板材之间形成密闭空间，并在任意相邻两块金属板的密封胶上均开一个出气孔，分别抽真空形成局部真空，且控制真空度均为10-2～10-3Pa。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：所述炸药选自乳化炸药或硝铵炸药；
所述炸药的爆速为4200～5600m/s。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金不锈钢多层复合板的制备方法，其特征在于：所述热处理的温度为180～220℃，热处理的时间为1～2h。
9.权利要求1-8任意一项所述的制备方法所制备的一种铝合金不锈钢多层复合板。
10.权利要求1-8任意一项所述的制备方法所制备的一种铝合金不锈钢多层复合板的应用，其特征在于：将所述铝合金不锈钢多层复合板应用于低温接头。
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