CN102554386A - 一种高孔隙率开孔泡沫不锈钢与金属实体连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种将孔隙率为92％～97％的开孔泡沫不锈钢与金属实体材料进行有效、便捷、低成本的冶金连接方法。具体步骤：首先对开孔泡沫不锈钢和实体材料的接合面进行平整化和清洗处理。将微米级NiCrBSi金属粉末、无毒水溶性有机聚合物及去离子水混合并进行充分搅拌后得到金属浆料，再通过调整水及有机有机聚合物的加入量获得粘度为2～12Pa·s的金属浆料。将金属浆料以涂刷、浸渍或喷涂的方式附着于金属实体的接合面部分或使浆料粘附于多孔体接合面的骨架部分。使多孔体与实体的结合面接触，采用夹持模具进行固定，并进行干燥，之后在真空加热炉或气氛炉中进行加热。冷却后，拆除夹持模具，得到开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金结合连接体。

Description

一种高孔隙率开孔泡沫不锈钢与金属实体连接的方法

一、技术领域

本发明涉及高孔隙率(92％～97％)的开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金连接方法。

二、背景技术

高孔隙率开孔泡沫金属(孔隙率一般大于90％)具有低密度、大比表面积及孔隙连通等特点。这种构造使其具有轻质、低热导率、大热交换率、流体通过时低压降等性能，具有广泛的应用前景。目前虽然低熔点开孔泡沫金属(如泡沫铝)的制备及相关加工技术较为成熟，但对于高温使用环境(如700℃以上)，则需要考虑使用更高熔点材质(如不锈钢、镍基耐热合金、铁铬铝等)的开孔泡沫金属，但这类金属的制备及相关加工技术研究很少。

在高温环境下的多数应用都要求开孔泡沫金属与金属实体(如板材、管材或形状更为复杂的异型件)进行连接，以便实现热交换(强制对流条件下)、隔热和流体均布等功能特性。这种连接必须为冶金结合，其界面要具有较高的高温强度和耐蚀性，以满足高温、腐蚀性流体等苛刻的使用环境。

不锈钢和金属实体的面接合方法，传统上一是采用钎焊料(膏)置于平整的结合面边缘，利用高温下焊料(膏)渗透到结合面间隙实现界面的冶金结合。其要点是结合面的间隙要相当小，以实现焊料(膏)在高温下的自发渗透(即毛细现象)。二是将非晶箔状焊料置于平整的结合面间隙，利用高温冶金反应实现界面的冶金结合。三是采用胶结。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种将孔隙率为92％～97％的开孔泡沫不锈钢与实体材料进行有效、便捷、低成本的高孔隙率开孔泡沫不锈钢与金属实体连接的方法。

本发明的技术方案如下：

第一步：采用孔隙率为92％～97％、孔径为0.6mm～1.2mm的开孔泡沫不锈钢作为多孔材料，采用钢或铁基耐热合金作为实体连接材料，

第二步：对多孔材料和实体连接材料的两个对应接合面进行平整化和清洗处理，

第三步：将粒径小于50μm的NiCrBSi金属粉末、去离子水及无毒水溶性有机聚合物按质量比(7～14)∶(1～1.8)∶(0.005～0.009)混合并进行充分搅拌后得到金属浆料，再通过调整去离子水及有机聚合物的加入量获得粘度为2～12Pa·s的金属浆料，

第四步：选用以下两种方式之一进行浆料涂覆：

将浆料附着于金属实体的接合面部分；或者，

将多孔材料的接合面与金属浆料接触，使浆料粘附于多孔材料接合面的骨架表层，

第五步：使多孔材料与实体连接材料的结合面接触，使用夹持模具进行固定，之后进行干燥，

第六步：加热过程在真空加热炉或气氛炉中进行，全程升温速度为4～6℃/min，在1100℃～1200℃保温10min～40min，随炉冷却后，取出样品，拆除夹持模具后，得到开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金结合连接体。

本发明的特点及有益效果为：

本发明涉及的开孔泡沫不锈钢具有很高的孔隙率，呈网状结构，实际连接部分占连接总面积的比例很小(＜10％)，多孔体与实体呈分散的点或线接触，连接面的孔隙尺寸达到毫米级，无毛细现象发生，即采用传统的钎焊法无法实现多孔体与实体的焊接。非晶箔状焊料的制备成本较高，且高温焊材一般质脆，难以用于多孔体与实体的结合面为复杂形状时的焊接。而胶结法强度低，且无法适应高温使用环境。

1)本发明利用高温冶金扩散原理将一种三维网状开孔结构、孔隙率＞90％的泡沫不锈钢与金属实体材料接合在一起，解决了传统的钎焊法无法实现多孔体与实体的焊接问题(多孔体孔隙尺寸为毫米级，无毛细现象发生，即钎焊料在高温下无法渗透到连接界面)。

2)通过调整水及有机聚合物的加入量能够获得粘度为2～12Pa·s的金属浆料，适应于涂刷、喷涂、浸渍等不同涂覆情况，这样不仅可以对简单形状实体材料进行涂覆，也适用于复杂构造的异型件实体表面涂覆，以实现多孔体与实体的结合面为复杂形状时的焊接。而非晶箔状焊料难以实现多孔体与实体的结合面为复杂形状时的焊接。

3)本发明选用去离子水作为介质分散金属粉末，同时向其中添加一种无毒水溶性有机聚合物黄原胶，这种有机聚合物的特征是加入极少的量(一般不大于去离子水质量的0.6％)就能显著增加金属浆料的粘度。另外加入了无毒表面活性剂(聚丙烯酰胺，不大于去离子水质量的0.3％)以提高金属浆料对金属表面的润湿性。由于金属浆料中有机物含量极少，其热分解残留也极少，因此分解残留的有害组分对于接合过程的不利影响也降到最小，且环保性优异。

4)本发明所制成的多孔/实体的复合结构，其结合界面层主要为镍铬合金，能够使用于800℃以上的温度环境。泡沫不锈钢具有开孔结构、90％以上孔隙率以及大的比表面积等特性，因此本身具有很低的热导率，在强制对流条件下又具有很高的热交换率等特性，采用本发明所制成的多孔/实体的冶金复合结构能够对上述特性进行有效利用。

5)本发明使用自制夹具对连接体进行固定，通过调节夹具的夹持力，使泡沫不锈钢微量变形，减小与实体材料之间的间隙，可简化对泡沫不锈钢进行预加工的步骤，并提升接合质量。

四、附图说明

图1为开孔泡沫不锈钢样品的宏观形貌，孔隙率为94％，平均孔径为1mm。

图2为图1样品的微观形貌。

图3为高温真空连接后金属实体/泡沫不锈钢/金属实体三明治构件。

图4为金属实体/泡沫不锈钢连接界面的扫描电子显微形貌，其中1为Ni基合金连接层截面，2为金属实体材料截面，3为泡沫不锈钢骨架截面。

图5为连接件剪切测试后破坏部位的宏观形貌，可见剪切破坏发生在泡沫不锈钢内部，而连接界面并没有发生破坏，证明其连接强度大于多孔部位强度，达到了性能要求。

五、具体实施方式

实例1：

多孔体材质为FeCrNi(不锈钢)，孔径为0.8mm，孔隙率为93％。实体材质为FeCrNi(不锈钢)薄板。粘接层金属粉末为NiCrBSi粉末，熔点为940℃～1030℃，形态为球形，粒度为＜48um。

对多孔体和实体的两个对应接合面进行平整化和清洗处理。使用不同型号砂纸依次对泡沫不锈钢及实体材料的相应连接面进行打磨。使用丙酮在超声震荡条件下清洗20min，并于120℃烘干2h。

将NiCrBSi粉末、去离子水、黄原胶、聚丙烯酰胺按质量比10∶1.2∶0.005∶0.0025进行搅拌混合，得到粘度为6Pa·s的金属浆料。将浆料以浸渍的方式均匀涂覆于金属实体的接合面上。使用自制夹具对连接体进行固定。

在真空电炉中进行加热过程。全程升温速度为4℃/min，在1150℃保温30min，真空度控制在10^-2Pa的数量级。最后随炉冷却至室温。

实例2：

多孔体材质为FeCrNi(不锈钢)，孔径为1mm，孔隙率为95％。实体材质为FeCrNi(不锈钢)薄板。粘接层金属粉末为NiCrBSi粉末，熔点为940℃～1030℃，形态为球形，粒度为＜30um。

对多孔体和实体的两个对应接合面进行平整化和清洗处理。使用不同型号砂纸依次对泡沫不锈钢及实体材料的相应连接面进行打磨。使用丙酮在超声震荡条件下清洗20min，并于120℃烘干2h。

将NiCrBSi粉末、去离子水、黄原胶、聚丙烯酰胺按质量比7∶1.8∶0.004∶0.002进行搅拌混合，得到粘度为2Pa·s的金属浆料。将浆料以喷涂的方式均匀涂覆于金属实体的接合面上。使用自制夹具对连接体进行固定。

在真空电炉中进行加热过程。全程升温速度为5℃/min，在1100℃保温40min，真空度控制在10^-2Pa的数量级。最后随炉冷却至室温。

实例3：

多孔体材质为FeCrNi(不锈钢)，孔径为0.6mm，孔隙率为92％。实体材质为FeCrNi(不锈钢)薄板。粘接层金属粉末为NiCrBSi粉末，熔点为940℃～1030℃，形态为球形，粒度为＜48um。

对多孔体和实体的两个对应接合面进行平整化和清洗处理。使用不同型号砂纸依次对泡沫不锈钢及实体材料的相应连接面进行打磨。使用丙酮在超声震荡条件下清洗20min，并于120℃烘干2h。

将NiCrBSi粉末、去离子水、黄原胶、聚丙烯酰胺按质量比14∶1∶0.005∶0.0025进行搅拌混合，得到粘度为12Pa·s的金属浆料。将浆料以涂刷的方式均匀涂覆于金属实体的接合面上。使用自制夹具对连接体进行固定。

在真空电炉中进行加热过程。全程升温速度为6℃/min，在1200℃保温20min，真空度控制在10^-2Pa的数量级。最后随炉冷却至室温。

实施例4

一种高孔隙率开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金连接方法：

第一步：采用孔隙率为92％～97％、孔径为0.6mm～1.2mm的开孔泡沫不锈钢作为多孔材料，采用钢或铁基耐热合金作为实体连接材料，本实施例中，开孔泡沫不锈钢的孔隙率为92％、94％或97％，孔径为0.6mm、0.9mm或1.2mm，

第二步：对多孔材料和实体连接材料的两个对应接合面进行平整化和清洗处理，

第三步：将粒径小于50μm的NiCrBSi金属粉末、去离子水及无毒水溶性有机聚合物按质量比(7～14)∶(1～1.8)∶(0.005～0.009)混合并进行充分搅拌后得到金属浆料，再通过调整去离子水及有机聚合物的加入量获得粘度为2～12Pa·s的金属浆料，本实施例第三步得到的金属浆料的粘度为2Pa·s、7Pa·s或12Pa·s，金属粉末、去离子水及无毒水溶性有机聚合物的质量比可以选择为7∶1.8∶0.006、10∶1.1∶0.007或14∶1∶0.0075，

第四步：选用以下两种方式之一进行浆料涂覆：

将浆料附着于金属实体的接合面部分；或者，

将多孔材料的接合面与金属浆料接触，使浆料粘附于多孔材料接合面的骨架表层，

第五步：使多孔材料与实体连接材料的结合面接触，使用夹持模具进行固定，之后进行干燥，

第六步：加热过程在真空加热炉或气氛炉中进行，全程升温速度为4℃/min～6℃/min，在1100℃～1200℃保温10min～40min，随炉冷却后，取出样品，拆除夹持模具后，得到开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金结合连接体。本实施例第六步的全程升温速度选择为4℃/min、5℃/min或6℃/min，烧结温度选择为1100℃、1150℃或1200℃，保温时间选择为10min、25min或40min。

Claims (3)

1.一种高孔隙率开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金连接方法，其特征在于：

第一步：采用孔隙率为92％～97％、孔径为0.6mm～1.2mm的开孔泡沫不锈钢作为多孔材料，采用钢或铁基耐热合金作为实体连接材料，

第二步：对多孔材料和实体连接材料的两个对应接合面进行平整化和清洗处理，

第三步：将粒径小于50μm的NiCrBSi金属粉末、去离子水及无毒水溶性有机聚合物按质量比(7～14)∶(1～1.8)∶(0.005～0.009)混合并进行充分搅拌后得到金属浆料，再通过调整去离子水及有机聚合物的加入量获得粘度为2～12Pa·s的金属浆料，

第四步：选用以下两种方式之一进行浆料涂覆：

将浆料附着于金属实体的接合面部分；或者，

将多孔材料的接合面与金属浆料接触，使浆料粘附于多孔材料接合面的骨架表层，

第五步：使多孔材料与实体连接材料的结合面接触，使用夹持模具进行固定，之后进行干燥，

第六步：加热过程在真空加热炉或气氛炉中进行，全程升温速度为4～6℃/min，在1100℃～1200℃保温10min～40min，随炉冷却后，取出样品，拆除夹持模具后，得到开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金结合连接体。

2.根据权利要求1所述的开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金连接方法，其特征在于，所述的无毒水溶性有机聚合物由黄原胶和聚丙烯酰胺组成，黄原胶与聚丙烯酰胺的质量比为2∶1。

3.根据权利要求1所述的开孔泡沫不锈钢与金属实体材料的冶金连接方法，其特征在于，将浆料附着于金属实体的接合面部分的方法是涂刷、喷涂或浸渍。

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