CN110732768A - 一种基于非晶合金的同种/异种金属连接成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于非晶合金与金属材料连接成形领域，具体涉及一种基于非晶合金的同种/异种金属之间的连接成形方法。首先对两种金属基材进行表面粗化处理，然后将非晶合金置于粗化处理后的两种金属基材的中间，得到三明治复合结构，先对该复合结构进行加压，然后对该复合结构进行加热，最后保温保压一定时间，利用非晶合金作为介质使同种/异种金属基材连接起来。本发明可以用来连接同种难焊金属材料或异种金属材料，克服同种/异种材料连接困难的问题。

Description

一种基于非晶合金的同种/异种金属连接成形方法
技术领域：
本发明属于非晶合金与金属材料连接成形领域，具体涉及一种基于非晶合金的同种/异种金属连接成形方法。
背景技术：
非晶合金由于其独特的非晶态结构，具有明显优于传统晶态材料的力学、物理和化学性能。例如高强度、好的耐磨性以及耐腐蚀性，并且，非晶合金在过冷液相区能够表现出超塑性，该特征使非晶合金能够进行热塑性成形。
目前，在航天推进***和航空发动机中采用了大量的异种金属连接的管路结构(钛合金、铝合金以及不锈钢之间的连接)。由于异种合金的物理化学性能存在着很大的差异，对连接的要求比较苛刻。传统的机械连接和胶接有着很多缺点，比如强度低、结构质量大、胶接时产生了多余物等。而常规的熔焊方法连接异种金属人容易出现以下问题：1)冶金不相容性，在界面形成脆性化合物相；2)热物理性能不匹配，产生残余应力；3)力学性能差异大，导致连接界面力学失配产生严重的应力奇异行为。从而使得材料连接困难，并且影响到焊接接头的组织、性能和力学行为，对接头的断裂性能和可靠性造成不良影响，甚至严重影响结构的完整性。
随着异种材料连接结构的应用前景不断扩大，其连接技术也会越来越受到重视。连接方法的选择要根据不同的异种材料组合、不同的结构形状以及不同的应用环境来确定。钎焊技术是目前异种材料连接的最重要的方法，其他方法都存在各自的局限性。熔钎焊、电子束钎焊、激光钎焊、活性软钎焊和搅拌摩擦焊等都是近年发展起来的新方法，在异种材料的连接方面还处于研究阶段。
在新技术发展不断的今天，适用于异种材料组合的连接技术越来越多，新技术的不断发展为异种材料的连接提供着新的技术保障。而基于非晶合金塑性变形的***焊、冷轧焊、超声焊、搅拌摩擦焊以及摩擦焊等技术得到了快速发展。但非晶合金连接都要克服在连接界面处的问题，避免在金属合金与非晶合金连接处出现结晶的情况。
目前，基于非晶合金的连接成形方法大部分在焊接时温度会高于非晶合金的Tx(非晶合金的起始晶化温度)，从而会导致非晶合金晶化，导致非晶合金变脆，使得在结合处强度变低。专利CN103286473A“一种低Cu和Ni含量的TiZr基非晶合金钎料及其制备方法”公开了一种低Cu和Ni含量的TiZr基非晶合金钎料及其制备方法，可以用来连接钛合金、钛铝合金自身或者异种材料的连接。该方法制备的钎料，在连接时仍旧会加热到材料的液相线以上，从而使非晶合金钎料晶化。
发明内容：
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种非晶合金连接成形方法，其充分的结合了非晶合金与晶态材料的特点与需求，针对性的对非晶合金与晶态材料的连接成形方法进行了新的设计，相应的获得了较好的连接复合结构。非晶合金作为中间介质连接同种或异种金属合金，加热温度在非晶合金的过冷液相区(Tg-Tx)之间，能够保持非晶合金的非晶态结构的同时，并且不使母材发生相变，由此解决了现在异种材料连接成形困难、结合强度不够以及工艺复杂等技术难题。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于非晶合金的同种/异种金属连接成形方法，包括以下步骤：
(1)利用物理或化学方法对待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行粗化处理，使所述第一金属基材和第二金属基材的待连接的表面均出现划痕和/或凹坑，得到经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材；
(2)将非晶合金放在所述经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材的中间，得到复合结构，并对该复合结构施加压力，然后加热到所述非晶合金的过冷液相区的温度区间，并保温保压一定时间，使非晶合金能够充分压入到粗化处理后的第一金属基材和第二金属基材的表面凹坑或者划痕中，最后使复合结构炉冷到室温；
其中，所述第一金属基材和第二金属基材为金属单质或金属合金，所述第一金属基材和第二金属基材为同种或异种金属基材。
优选地，所述物理或化学方法为电化学腐蚀、机械加工、脉冲激光或砂纸打磨。
优选地，所述粗化处理后还包括清洗步骤，对经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行清洗，以去除表面污渍。
优选地，所述非晶合金的临界尺寸Dc>20mm，过冷液相温度区间ΔTx>50K，热塑性成形能力指标S>0.15。
优选地，所述第一金属基材与所选非晶合金的润湿角小于90°，所述第二金属基材与所选非晶合金的润湿角小于90°。
优选地，步骤(2)施加压力的大小低于所述第一金属基材和所述第二金属基材在该温度下的屈服强度。
优选地，步骤(2)所述加热温度介于所述非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间。
优选地，步骤(2)所述加热温度低于所述第一金属基材的相变温度，且低于所述第二金属基材的相变温度。
优选地，步骤(2)加热前先对炉内进行抽真空处理，然后通入氩气保护气体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明结合非晶合金的热塑性成形性能，提出了一种非晶合金连接异种金属基材的方法。首先对复合结构进行加压，然后对该复合结构进行加热，最后保温保压一定时间，使非晶合金与同种或异种金属基材连接起来。该方法与常见的异种金属连接方法，例如压焊、钎焊等相比较，连接成形效果更好。非晶合金与金属或金属合金接触面是在施加恒定均匀压力下连接成形的，各个位置连接效果均一，无明显的缺陷。
(2)该方法使用非晶合金连接同种或异种金属基材时，没有出现常见连接成形方法出现的焊缝热影响区，也就不会在连接成形件中出现“薄弱区”，连接成形件的服役效果更好。
(3)该方法利用非晶合金在过冷液相区的热塑性性能，能够容易的连接同种/异种金属，并且两种金属合金的结合强度较好，一个实施例中测得的剥离强度(剥离时的角度为180度)约为：30.18N/m，能够满足日常工程结构件的需求。利用非晶超塑性充满表面粗化所得的空洞结构是很重要的提高结合强度的因素。
(4)该方法利用非晶合金作为介质连接异种金属，由于非晶合金本身高强度、高硬度等优异性能，利用非晶合金在过冷液相区的超塑性，且有较低的热膨胀系数，可以在远低于传统连接成形技术的温度下连接异种金属，在连接过程中不会到达大部分金属材料的相变点，例如：纯钛的相变点温度为885℃，钛合金TC4的相变温度为998℃，不锈钢SS304的相变点温度在1000℃以上，因而会使母材的结构性能更稳定，得到的连接成形件的质量更好。
(5)该方法对非晶合金的表面进行了处理，增加了非晶合金表面粗糙度，更有利于非晶合金与金属材料在界面处的结合，能够很好的克服金属合金在连接成形过程中界面处结合的问题。
(6)本发明提供了一种新的异种金属连接方法。利用非晶合金在过冷液相区的超塑性，对非晶合金加热加压，能够保持非晶合金的非晶态结构，并且保持母材的原始性能，得到性能结构稳定的连接成形件。本发明所采用的加热温度在非晶合金的过冷液相区(Tg-Tx)之间，不会使材料晶化，保持了非晶合金本身的优异性能，使非晶合金与金属在结合处有良好的结合强度。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例所构建的方法的流程图；
图2是本发明实施例1所做的实际案例示意图；
图3是本发明实施例1加热过程中时间-温度曲线；
图4是本发明实施例1加压过程中时间-压力曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点根据清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，起初所描述的具体实施例仅仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。除此之外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种非晶合金与金属材料连接成形的方法。包括以下步骤：
(1)利用物理或化学方法对待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行粗化处理，使所述第一金属基材和第二金属基材的待连接的表面均出现深浅不一的划痕和/或凹坑，得到经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材；
(2)将非晶合金放在所述经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材的中间，得到复合结构，并对该复合结构施加压力，然后加热到所述非晶合金的过冷液相区的温度区间，并保温保压一定时间，使非晶合金能够充分压入到粗化处理后的第一金属基材和第二金属基材的表面凹坑或者划痕中，最后使复合结构炉冷到室温；
其中，所述第一金属基材和第二金属基材为金属单质或金属合金，所述第一金属基材和第二金属基材为同种或异种金属基材。
本发明所述待连接的第一金属基材和第二金属基材材料表面处理的情况与连接成形件的质量好坏直接关联。步骤(1)所述利用物理或化学方法对待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行处理，这里可以采用各种用于金属表面处理的物理或化学方法，比如电化学腐蚀、机械加工、脉冲激光器或者砂纸打磨。处理之后要有明显的深浅不一的凹坑或者划痕，以便于后续与非晶合金的连接。
优选实施例中，一般选用基体材料即待连接的第一金属基材和第二金属基材材料的尺寸与非晶合金样品尺寸相匹配。
对待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行粗糙化处理后，优选实施例中，还对处理后的表面进行清洗，比如采用超声清洗，以去除表面污渍。所述的样品要进行超声清洗，清除表面的污渍，以免表面的杂质影响界面处的结合。
本发明所述的第一金属基材和第二金属基材可以为同种金属或合金，也可以为不同种金属或金属合金。
本发明一些实施例中，所述的非晶合金的成分种类选择标准：非晶成形能力强，非晶合金的临界尺寸Dc>20mm(非晶合金的临界尺寸即为制备该体系非晶合金时最大能够得到的尺寸)；非晶合金材料的尺寸根据其成形能力和热塑性成形能力来确定。热稳定性较好，过冷液相温度区间ΔTx>50K，优选大于80K，其中ΔTx＝Tx-Tg，Tx为起始晶化温度，Tg为玻璃转变温度。所采用的非晶合金过冷液相区范围较大，ΔTx>50K，留有足够的时间进行保压。热塑性成形性能佳，即热塑性成形能力指标S>0.15，其中S＝ΔTx/(TL-Tg)，TL为液相线温度，如Zr基非晶合金、Cu基非晶合金等。
本发明所述的非晶合金形式可为薄带(板)或者粉末。
另外，优选实施例中，待连接的第一金属基材和第二金属基材母材应该与所选非晶合金的润湿角小于90°，母材与非晶合金的润湿角越小，表明非晶合金与母材的化学性能和化学结合方式更接近，这样有利于母材与非晶合金在界面处的结合，
本发明对步骤(2)所述的复合结构要先施加一定的压力，然后再对复合结构进行加热。步骤(2)施加压力的大小低于所述第一金属基材和所述第二金属基材在该温度下的屈服强度，优选小于且接近所述第一金属基材和所述第二金属基材在该温度下的屈服强度。
非晶合金在过冷液相区的具体加热温度根据材料实际流动性来确定。具体加热温度可根据非晶合金DSC曲线测试得。步骤(2)所述加热温度介于所述非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间，且在复合结构相变点以下为宜，加热速率考虑材料的热膨胀系数。
当将复合结构的温度加热到了Tg与Tx之间时，在该温度下，对复合结构保压足够时间，使得非晶合金能够与上、下面的金属基材充分结合。保压一定时间(根据非晶合金DSC曲线，保证非晶合金在不晶化的情况下选择较大时间)，使非晶合金能够充分压入到上、下金属基材的表面凹坑或者划痕中。
一些实施例中，所述的非晶合金与第一金属基材、第二金属基材有足够的接触面，留出并且留有足够的余量进行剥离强度测试。
一些实施例中，采用热压烧结炉对复合结构进行加热加压处理，控制加热速率，使得温度控制与压力控制较为准确。
一些实施例中，对复合结构样品加热加压完成后，炉冷到室温，避免冷却过程中冷却速度过快，导致两种热膨胀系数不同的材料在结合处出现裂纹。
一些优选实施例中，加热前先对炉内进行抽真空处理，然后通入氩气保护气体，减弱加热过程中氧化带来的影响。
本发明非晶合金类别的选择应该根据待连接的第一金属基材和第二金属基材母材的合金元素来确定，非晶合金中有母材成分的元素时更有利于非晶合金与母材的结合。
本发明提供的连接成形方法可以将非晶合金与同种/异种金属或金属合金两种材料连接起来，并且连接质量较好，非晶合金可以充分渗入到金属合金表面孔洞或者划痕中，而且连接之后剥离强度可达30.18N/m，性能较好。
本发明通过加热加压使金属合金连接起来，与传统的焊接工艺不同，没有显著的热影响区，导致的材料在结合处性能均匀，无明显的缺陷。
本发明在加热过程中只需要加热到其过冷液相区的温度区间，加热温度较低，可以低于母材的相变点温度，不会对母材原始性能造成改变，得到的连接成形件性能结构稳定。
优选实施例中，由于温度只加热到非晶合金的过冷液相区温度区间，并且是在真空氩气保护气体下进行加热加压，所以非晶合金并没有发生晶化，非晶合金本身结构性能稳定。
一些具体的优选实施例中，本发明提出的一种利用非晶合金连接同种/异种金属成形的方法，包括如下步骤：
(1)利用线切割得到的钛合金合金、铜合金以及非晶合金，利用机械处理、电化学腐蚀、砂纸打磨等方式对钛合金和不锈钢表面进行打磨，得到表面有明显的深浅不一的划痕和孔洞，对钛合金和铜合金表面进行处理时要保证表面的划痕和孔洞足够深，以便有助于合金之间的连接。
(2)所选用的非晶合金成分种类选择标准为：非晶成形能力强，临界成形尺寸Dc>20mm；热稳定性较好，过冷液相区的温度ΔTX>80K。其中ΔTx＝Tx-Tg，Tx为起始晶化温度，Tg为玻璃转变温度；热塑性成形性能佳，即热塑性成形能力指标S>0.15，其中S＝ΔTx/(TL-Tg)，TL为液相线温度。如Zr基、Cu基等。
(3)将步骤有(1)所述的样品进行热压处理，样品如图2放置，先加压到10KN，再加热到400℃，最后在400℃保压60min。得到非晶合金连接的异种金属成形件。
其中，非晶合金、钛合金以及不锈钢选用尺寸为2×10×20mm的板材，以便进行剥离强度测试，所有样品利用线切割得到，然后对其表面进行超声清洗，除去污渍，以免影响界面处的结合。
本发明属于非晶合金连接成形和热塑性成形技术领域，具体涉及一种非晶合金连接异种金属的成形方法。首先对两种金属基材进行表面粗化处理，然后将非晶合金置于粗化处理后的两种金属基材的中间，得到三明治结构的复合结构，先对该复合结构进行加压，然后对该复合结构进行加热，最后保温保压一定时间，利用非晶合金作为介质使同种/金属合金连接起来。本发明可以用来连接同种难焊金属材料或异种金属材料，克服同种/异种材料连接困难的问题。
本发明对表面粗化处理后的两种不同的金属合金，将非晶合金作为中间介质，将非晶合金加热到过冷液相区来连接异种金属。通过对不同金属材料表面进行处理，并选择合适的加热时间以及施加的压力，能够连接异种金属件。异种金属间的连接成形问题一直是焊接领域中的热点和难点问题。异种金属连接所存在的一些固有问题阻碍了它的发展，如异种金属熔合区的构成和性能，异种金属焊接结构的破坏多半发生在熔合区，由于靠近熔合区各段上焊缝结晶特点不同，又易形成性能不好的、成分变化的过渡层。例如：在熔焊中，总有部分母材熔入焊缝而引起稀释，另外，还会形成诸如金属间化合物、共晶体等。导致结合区的强度不够；而对于压焊，大多数压焊方法对接头形式是有一定要求的，例如点焊、缝焊、超声波焊必须用搭接接头；摩擦焊时至少有一个工件必须具有旋转体的截面；***焊只适用于较大面积的连接等。压焊设备目前也还不普及。这些无疑地都限制了压焊的应用范围。相比较于常见异种件的连接方法。例如：压焊、钎焊、熔焊等，利用非晶合金热塑性性能连接异种金属件，能够减少焊接接头处的应力集中。对于本发明提出的连接成形的方法，能够克服两种金属与非晶合金结合区的出现焊缝热影响区的问题，从而克服焊缝结合区的强度不足的问题，能够更好的控制金属件结合区的脆性物质层。优选实施例中，最终得到的连接成形件的剥离强度可达30.18N/m。
以下为具体实施例：
实施例1
图1是按照本发明的优选的实施例所构建的方法的流程图。如图1所示，非晶合金连接异种金属的方法，其包括以下步骤：
步骤(1)：利用线切割准备所需尺寸为2×10×20mm的钛合金、铜合金和非晶合金Vit1，非晶合金Vit1的临界形成尺寸大于20mm，玻璃转变温度约为Tg＝350℃，起始晶化温度Tx＝432℃，液相线温度TL＝744℃过冷液相区间ΔTx＝82℃，热塑性成形指标S＝ΔTx/(TL-Tg)＝0.263。然后使用100#的砂纸对钛合金和不锈钢的一个表面进行打磨处理，得到表面具有明显深浅不一的孔洞或者划痕，最后利用超声清洗除去材料表面的污渍；
步骤(2)，将钛合金、不锈钢和非晶合金Vit1按照图2所示的方式放置，并对其进行加热加压处理。图2连接成形放置图中，a)为连接结构示意图；b)为非晶合金与金属合金接触界面局部发大图，其中白色区域为金属材料粗化处理得到的凹坑；c)为连接完成时非晶合金与金属合金接触界面局部发大图，其中金属材料表面凹坑被非晶合金填充。图3为该加热过程中时间-温度曲线，图4为加压过程中时间-压力曲线。先对材料加压到10KN，并一直保持该压力，再以15℃/min的升温速率加热到400℃，然后在400℃保持60min，最后炉冷到室温，进行剥离强度测试。
测得的剥离强度约为30.18N/m，结合强度较好，适合异种金属间的连接成形。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于非晶合金的同种/异种金属连接成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用物理或化学方法对待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行粗化处理，使所述第一金属基材和第二金属基材的待连接的表面均出现划痕和/或凹坑，得到经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材；
(2)将非晶合金放在所述经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材的中间，得到复合结构，并对该复合结构施加压力，然后加热到所述非晶合金的过冷液相区的温度区间，并保温保压一定时间，使非晶合金能够充分压入到粗化处理后的第一金属基材和第二金属基材的表面凹坑或者划痕中，最后使复合结构冷却到室温；
其中，所述第一金属基材和第二金属基材为金属单质或金属合金，所述第一金属基材和第二金属基材为同种或异种金属基材。
2.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，所述物理或化学方法为电化学腐蚀、机械加工、脉冲激光或砂纸打磨。
3.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，所述粗化处理后还包括清洗步骤，对经过表面粗化处理的待连接的第一金属基材和第二金属基材的表面进行清洗，以去除表面污渍。
4.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，所述非晶合金的临界尺寸Dc>20mm，过冷液相温度区间ΔTx>50K，热塑性成形能力指标S>0.15。
5.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，所述第一金属基材与所选非晶合金的润湿角小于90°，所述第二金属基材与所选非晶合金的润湿角小于90°。
6.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，步骤(2)施加压力的大小低于所述第一金属基材和所述第二金属基材在该温度下的屈服强度。
7.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，步骤(2)所述加热温度介于所述非晶合金的玻璃转变温度Tg和起始晶化温度Tx之间。
8.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，步骤(2)所述加热温度低于所述第一金属基材的相变温度，且低于所述第二金属基材的相变温度。
9.如权利要求1所述的连接成形方法，其特征在于，步骤(2)加热前先对炉内进行抽真空处理，然后通入氩气保护气体。
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