CN108623192A - 一种基于中间层梯度的钛合金-k9玻璃复合连接设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金‑K4玻璃的复合连接设备和方法，本发明的设备包括操作机、控制器、图象卡、图像传感器CCD、滤光片及镜头、微型计算机CPU、数模D/A转换卡、压力控制***、压头。本发明将表面等离子喷涂Al2O3陶瓷之后的K9玻璃与铝合金，黄铜，表面镀银的钛合金叠放在一起，运用热压技术,选用Ar气作为保护气体，进行半固态连接，使玻璃和Al合金在界面处发生冶金反应，同时在热压的作用下，促使Al合金和黄铜，黄铜和钛合金界面发生元素扩散，各个界面实现冶金连接。本发明降低了连接所需温度，减少了焊接时间，同时降低了对实验设备的要求，最终达到减少内应力的产生，提高了焊接的效率和焊接强度。

Description

一种基于中间层梯度的钛合金-K9玻璃复合连接设备及方法
技术领域
本发明属于金属加工领域，具体涉及适用于一种基于中间层梯度的钛合金-K9玻璃复合连接设备及方法。
技术背景
随着国家工业4.0的提出，高性能材料和电子工业高速发展，电子器件越来越要求小型化，多样化以及精密化，而金属与非金属的连接构件因为整合了金属和非金属的部分特性，能应用于严酷的实验环境中，成为研究热点。由于具有玻璃材料具有抗氧化、耐蚀、耐高温、高硬耐磨等特点，但其本身的低延性和冲击韧性等缺点妨碍了其在工程结构中的广泛应用，钛合金具有质轻，抗腐蚀，在低温下性能不变性等优点，两者的连接常被用于电子，航空航天，军工，仪器仪表上。
虽然非金属和金属的连接件优点繁多，且应用广泛，但是，非金属与金属之间的连接是有很大难度的：一是热应力和残余应力，二是玻璃表面难以湿润。热应力和残余应力形成的原因在于k9玻璃和钛合金热膨胀系数相差近两倍，而湿润难易与否反映了结合的强度。
目前世界前沿主要采用三种方法进行玻璃和钛的焊接，分别是：匹配封接，阳极键合和钎焊连接。匹配封接的原理在于先对金属进行预氧化，在金属表面形成一层金属氧化膜，而金属氧化膜具有良好的粘附性，它的优点在于接头具有良好的耐高温性和气密性，但是接头力学性能不高。阳极键合的原理在于在静电场力的作用下通过元素的互扩散，在界面处发生氧化反应和固相反应而形成键合，形成玻璃和钛的连接，它的缺点在于易形成孔洞串或虚焊点，使连接强度显著下降。钎焊的原理是通过在钎料中加入少量活性元素，比如Ag、Ti、Ni等，促进钎料在玻璃表面的湿润，从而形成反应层，实现连接。它的优点在于连接强度高、工艺简单、接头形状尺寸适应性广等，但是缺点在于所需温度较高且需要真空施焊。
发明内容
本发明的目的在于提供了基于中间层梯度的钛合金-K9玻璃复合连接设备及方法，具有焊接温度低，工艺简单，结合强度高，接件不易脱落的特点。
实现本发明的技术方案为：一种基于中间层梯度的钛合金-K9玻璃复合连接方法为：
对中间层6061铝合金、黄铜表面进行预处理；
进行钛合金表面镀银，再对K9玻璃表面进行等离子喷涂Al2O3陶瓷；
将表面经等离子喷涂Al2O3陶瓷的K9玻璃与铝合金，黄铜，表面镀银的钛合金依次叠在一起；放入真空中，通入Ar气，加热至620～635℃，同时施加压0.2～0.8MPa，并调整压头速率，确保下压速率为0.01mm/min～0.05mm/min；
加压至使整个工件厚度为工件原厚度的75％—85％，完成钛合金和K9玻璃的连接；
保持压力不变，稳压15min～60min，再卸载压力，随炉冷却到室温。
进一步的，钛合金为TC4。
优选的，钛合金、黄铜、6061铝合金、K9玻璃均块体。
优选的，钛合金上面镀上一层5-20μm的银层。
表面经等离子喷涂Al2O3陶瓷的K9玻璃与6061铝合金，黄铜，表面镀银的钛合金依次进行叠合时，K9玻璃喷涂Al2O3陶瓷的表面与6061铝合金相接，钛合金的镀银面与黄铜相接。
中间层6061铝合金、黄铜表面预处理具体为：去污、去氧化膜处理。
一种用于钛合金-K4玻璃异种材料的复合连接方法的设备，包括：连杆、控制器、图象卡、图像传感器CCD、滤光片及镜头、微型计算机CPU、数模D/A转换卡、真空热压炉上压头，正空热压炉下压头，压力控制***；其中，真空热压炉上压头置于连杆末端，连杆通过控制器进行姿态控制，通过连杆实现真空热压炉上压头的下压及下压速率控制；滤光片及镜头安装在图像传感器CCD上，图像传感器CCD与图像卡相连，图像传感器CCD采集的不同速率条件下真空热压炉上压头移动图像信号输入图像卡，再输入CPU进行移动速率信号转换、比较处理计算，CPU输出信号经数模D/A转换卡转换为模拟信号送至压力***进行真空热压炉上压头压力参数闭环控制，使压头保持在规定的移动速率范围内。
本发明与现有的连接技术相比，其显著特点为：(1)在钛合金和K9玻璃间利用铝，黄铜，银作为过渡层，避免了因玻璃和钛合金直接连接存在的内应力大，无法达到高强度连接的问题，提升了接头强度。(2)在真空热压炉中，热压的温度在铝的半固态温度范围内，使铝处于半固态，降低了玻璃与钛焊接所需要的温度，提高焊接效率。(3)采用CCD传感在线调整压头下压速率，能够使热压过程更加精确、稳定、可控，可以减小K9玻璃内部微裂纹的产生。
附图说明
图1是本发明的K9玻璃与TC4钛合金方法及设备结构示意图；
图2是本发明的工件装配示意图；
图3是本发明K9玻璃与TC4钛合金连接方法工艺流程图；
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明TC4玻璃-K9玻璃的复合连接设备，包括连杆1、控制器2、图象卡3、图像传感器CCD4、滤光片及镜头5、微型计算机CPU6、数模D/A转换卡7、加工工件8、真空热压炉上压头9，真空热压炉下压头10，压力***,11，9置于连杆1末端，操作机1由控制器2进行姿态控制，从而控制了压头9的下压速率；工件8放置于真空热压炉上压头9和真空热压炉下压头10之间，压头8进行下压；滤光片及镜头5安装在图像传感器CCD4上，图像传感器CCD4与图像卡3相连，图像传感器CCD4采集的信号输入图像卡3，再输入CPU6进行处理，CPU6输出信号经数模D/A转换卡7转换为模拟信号送至压力***10进行压力参数控制。
结合图2和图3，本发明K9玻璃与TC4钛合金连接方法，先对6061铝合金，黄铜表面进行去污去氧化膜处理，钛合金进行表面镀银，再对K9玻璃表面进行等离子喷涂Al2O3陶瓷,并将其与铝合金，黄铜，表面镀银的钛合金依次叠在一起，放入到真空连接炉中，选用Ar气作为保护气体，加热至620～635℃，同时施加压0.2～0.8MPa，并由压力控制***调整压头速率，确保下压速率为0.01mm/min～0.05mm/min，作用相应的时间，使玻璃和Al实现半固态连接，同时在热压的作用下，促使Al合金和黄铜，黄铜和钛合金界面发生元素扩散，实现冶金连接。最终实现钛合金和K9玻璃的连接，提高玻璃和钛合金结合的强度。然后保持压力不变，稳压15min～60min，再卸载压力，随炉冷却到室温。
在620～635℃温度条件下，金属铝处于液固两相区，具有很好的粘性和流动性，在压力作用下，进入玻璃表面氧化铝陶瓷缝隙，发生半固态连接作用，实现半固态连接，实现玻璃界面和铝合金界面的紧密结合。同时在Al合金和黄铜界面，黄铜和钛合金界面由于热压作用，促使Al合金和黄铜，黄铜和钛合金界面发生元素扩散，发生冶金连接生成化合物，实现紧密连接。从而保证连接工件整体的焊接强度和焊接界面结合率。
实施例1
实验取用的是直径为50mm，厚度为5mm的圆形钛合金，玻璃与之等径，厚度为1.1mm，Al薄片和钛合金等径，厚度为1mm。黄铜和钛合金等径，厚度为1mm实验前，准备Al2O3陶瓷粉末作为喷涂材料，针对TC4钛合金，依次使用SiC砂纸以及金相砂纸对待焊断面进行机械抛光去除表面氧化膜，然后用丙酮除去油脂。再在表面镀上10μm的银层。首先采用等离子喷涂技术，对玻璃表面进行Al2O3陶瓷粉末喷涂，喷涂距离为12cm，基体温度为520℃,形成一层致密的Al2O3喷涂层。将喷涂后的玻璃和6061Al，黄铜，表面镀银的TC4钛合金层叠放入真空热压炉中，运用Ar气作为保护气体，以10℃/min的速率升温至620℃，同时施加压0.3MPa，并由压力控制***调整压头速率，确保下压速率为0.03mm/min，作用60min，使玻璃和Al合金实现半固态连接，同时在热压的作用下，促使Al合金和黄铜，黄铜和钛合金界面发生元素扩散，各个界面实现冶金连接。保压20min，卸载压力，关闭电源，随炉冷却，观察所得TC4玻璃和K9玻璃可达到100％结合，同时剪切头强度可以达到21MPa。
实施例2
实验取用的是长宽为80x80mm，厚度为5mm的矩形钛合金，玻璃与之相同尺寸，厚度为1.1mm，Al薄片和钛合金同尺寸，厚度为1.5mm。黄铜和钛合金同尺寸，厚度为1.5mm。实验前，准备Al2O3陶瓷粉末作为喷涂材料，针对TC4钛合金，依次使用SiC砂纸以及金相砂纸对待焊断面进行机械抛光去除表面氧化膜，然后用丙酮除去油脂。再在表面镀上15μm的银层。首先采用等离子喷涂技术，对玻璃表面进行Al2O3陶瓷粉末喷涂，喷涂距离为12cm，基体温度为520℃,形成一层致密的Al2O3喷涂层。将喷涂后的玻璃和6061Al，黄铜，表面镀银的TC4钛合金层叠放入真空热压炉中，运用Ar气作为保护气体，以10℃/min的速率升温至630℃，同时施加压0.5MPa，并由压力控制***调整压头速率，确保下压速率为0.04mm/min，作用50min，使玻璃和Al合金实现半固态连接，同时在热压的作用下，促使Al合金和黄铜，黄铜和钛合金界面发生元素扩散，各个界面实现冶金连接。保压40min，卸载压力，关闭电源，随炉冷却，观察所得TC4玻璃和K9玻璃可达到100％结合，同时剪切头强度可以达到23MPa。

Claims (7)

1.一种基于中间层梯度的钛合金-K4玻璃复合连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
对中间层6061铝合金、黄铜表面进行预处理；
进行钛合金表面镀银，再对K9玻璃表面进行等离子喷涂Al2O3陶瓷；
将表面经等离子喷涂Al2O3陶瓷的K9玻璃与铝合金，黄铜，表面镀银的钛合金依次叠在一起；放入真空中，通入Ar气，加热至620～635℃，同时施加压0.2～0.8MPa，并调整压头速率，确保下压速率为0.01mm/min～0.05mm/min；
加压至使整个工件厚度为工件原厚度的75％—85％，完成钛合金和K9玻璃的连接；
保持压力不变，稳压15min～60min，再卸载压力，随炉冷却到室温。
2.如权利要求1所述的复合连接方法，其特征在于，所述的钛合金、黄铜、6061铝合金、K9玻璃均为块体。
3.如权利要求1所述的复合连接方法，其特征在于，钛合金上面镀上一层5-20μm的银层。
4.如权利要求1所述的复合连接方法，其特征在于，所述的表面经等离子喷涂Al2O3陶瓷的K9玻璃与6061铝合金，黄铜，表面镀银的钛合金依次进行叠合时，K9玻璃喷涂Al2O3陶瓷的表面与6061铝合金相接，钛合金的镀银面与黄铜相接。
5.如权利要求1所述的复合连接方法，其特征在于，所述的中间层6061铝合金、黄铜表面预处理具体为：去污、去氧化膜处理。
6.如权利要求1所述的复合连接方法，其特征在于，所述的钛合金为TC4。
7.一种用于基于中间层梯度的钛合金-K4玻璃复合连接方法的设备，其特征在于：包括：连杆(1)、控制器(2)、图象卡(3)、图像传感器CCD(4)、滤光片及镜头(5)、微型计算机CPU(6)、数模D/A转换卡(7)、真空热压炉上压头(9)，正空热压炉下压头(10)，压力控制***(11)；其中，真空热压炉上压头(9)置于连杆(1)末端，连杆(1)通过控制器(2)进行姿态控制，通过连杆(1)实现真空热压炉上压头(9)的下压及下压速率控制；滤光片及镜头(5)安装在图像传感器CCD(4)上，图像传感器CCD(4)与图像卡(3)相连，图像传感器CCD(4)采集的不同速率条件下真空热压炉上压头(9)移动图像信号输入图像卡(3)，再输入CPU(6)进行处理，CPU(6)输出信号经数模D/A转换卡(7)转换为模拟信号送至压力***(11)进行真空热压炉上压头(9)下压速率压力参数闭环控制。
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