異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法

2023-05-30 17:41:06 1

專利名稱：：異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法
技術領域：
：本發明涉及異種合金的固態連接技術，具體地說是一種異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方糹去，它是用可實1LE應力狀態剪切變形的模具通過剪切作用產生的塑性變形並通過熱擴散和再結晶來實現兩段或多段同種或異種金屬材料的連接方法。本發明禾,等通道模具的擠壓和剪切作用進行固態連接，是固態連接的一種新方法。
背景技術：
：隨著航空航天、交,輸、化工、建築和電子工業的ffiit發展，不斷i似寸材料的性能提出越來越苛刻的要求，傳統的單一的材料在全面滿足力學性能、化學性能和電磁性能等要求方面遇到越來越多的困難。因此，異種合金間的連接技術，特別是固態連接技術一直是國內外研究者關注的熱點前沿課^一。經過多年的發展，現代連接技術主要包括冶M接(俗稱焊接)、機械連接、化學連接(即膠接)，其中焊接技術佔主導地位，應用最為廣泛。焊接方法主要有鉤極氣體保護電弧焊(GTAWAI1G)、熔化極氣體保護電弧焊(GMAW/MIG)、電阻焊、摩擦焊、擴散焊、超聲波焊、釺焊、雷射焊、電子束焊和氣焊等等，其中很多是熔化焊，由於在被連接件表面局部加熱使之熔化成液體，同時還要加入填充物或氣體，容易產生焊接熱裂紋、元素燒損、氣L等缺陷，熔化區凝固後會產生內應力、生成脆而硬的金屬間化合物、產生鑄態組織，這些因素都會降低接頭性能；而且在生產過程中噪音大，產生弧光輻射、煙塵和飛濺等，嚴重汙染了環境。因此新的綠色無汙染的固態連接技術的研發是焊接技術發展的目標。1991年英國焊接研究所(TWI)發明了一種新型固態連接技術一攪拌磨擦焊(FSW)。其工作原理是攪拌焊頭在高速旋轉的同時插入待焊接材料接縫中，旋轉的攪拌焊頭與悍件之間摩擦產生的熱量，使接縫處的材料溫度升高而軟化，同時，攪拌焊頭一邊旋轉一邊沿著接縫與焊件作相對運動，攪拌焊頭前面材料發生強烈的塑性變形並流向攪拌焊頭的後面，肩部所施加的壓力使接縫處的變形金屬通過相互擴散與再結晶牢固地結合在一起，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。FSW不會產生飛濺、煙塵，不需添加焊絲和保護氣體，接頭部位不存在金屬的熔化過程，故不存在熔焊時的各種缺陷；同時，由於熔焊過程中接頭部位大範圍的熱塑性變化過程，焊後接頭的內應力小、變形小，基本可實現板件的低應力無變形焊接，成為一種新型的綠色焊接技術。f朋sw由於受到攪拌磨擦頭尺寸的限制，通常適用於板材間的連接，對於焊接截面很大的材料，其中心部分難以實現焊合。擴散連接作為另一種固態連接技術也能夠避免採用熔焊方法時產生的缺陷，被廣泛應用於異種金屬板材的連接。它是在小於0.7Tm(Tm為材料熔點的鄉敘中離)和低的壓力下，在兩個待連接材料表面出現與時間有關的塑性流動區，發生材料向表面空隙的擴散，經過較長時間後空隙從初始表面完全消失，從而實現界面的緊密結合。擴散連接的材料不需要後續的焊接加工、在連接後仍有良好的尺寸穩定性。等通道角擠壓(EqualChannelAngularExtrusion,簡稱ECAE)技術發展至今已有二十多年的歷史，是一項新穎高效的高性能合誠'j紐術，其機理題過施加壓力把材料從一個通道擠壓至拐一個通道，試樣在轉角的地方發生純剪切變形，材料的橫截面開m在擠壓後保持不變，可以重複此過程，利用等截面通道轉角處的強烈剪切應變的累積效應，在保持大i央材料的狀態下經反覆多道次剪切變形的累積迭加而得到相當大的總應變量，顯著細化晶粒尺寸，產生或亞微米級晶粒；等通道角擠壓技術目前主要應用Ti式驗研究工作，是一種創新有效的晶粒細化方法，可以改善材料的性能並提高成形性，或者用來研究材料的超塑性能和組織結構的變化等。ECAE工藝的優點受到工業界的廣泛關注，目前開展了一些工業應用的探索，並取得了一定的進展，如韓國的C2S2工藝，金屬條帶軋制後利用ECAE進行連續剪切變形，用於連續軋制板帶；另外，帶移動壁的ECAE裝置為加工大尺寸產品提供了方向；而旋轉模ECAE裝置簡化了試樣多次裝卸過程的難度，ECAE正在向著工業應用逐步前進。禾,等通道轉角擠壓時的獨特優點，可以選用合適的異種合金材料，尤其是非板形的±央體材料，進行固態連接。剪切變形擠壓過程中材料在一定溫度一定壓力下發生劇烈塑性變形同時伴隨著擴散的進行而實現初步的連接，這與超塑性擴散連接的原理相同；同時在剪切變形的過程中材料表面之間存在的摩擦也會弓胞塑性流變，這又與攪拌磨擦焊的原理相似。因此等通道固態連接實際上是擴散連接和攪拌磨擦焊的綜合，具有二者的優點，同時它還具備這兩種技術所不具有的優點——提高材料的整體性能並實現±央#^才料的連接。所以等通道轉角剪切變形固態連接技術是一種將材料加工技糊焊接技術結合在一起的一種新型固態連接加工技術。利用剪切變形固態連接加工技術，有望實現不同合金的固態連接，例如鎂合金、鋁合金、鋅合金、鈦合金、銅合金和鋼鐵材料等。同時，它可以實現精確的尺寸控制，生產尺寸精確的產品。可以預見，剪切變形固態連接加工技術在工業上具有廣泛的應用前景。
發明內容本發明的目的在於利用等通道轉角剪切變形技術實現固態連接，提供一種異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，它是可靠性較高、能夠實現塊體材料的大面積連接而工藝簡捷有效的異種合金固態連接方法。解決傳統連接方法中存在的易產生焊接熱裂紋、燒損、氣孔、變形、內應力、難以實現塊^^才料的大界面的有效連接等問題。本發明的技術方案是本發明通M^^用的合金種類、設計其排列方式，經過剪切變形擠壓實現異種金屬的固態連接。例如鋁合金與f齢金的連接件，既具有鋁的抗腐蝕、高強度等優點，又具有,I^金的減震、吸聲和電磁屏蔽性高，勢，有效的綜合了二者的性能；實現了異種材料優點的綜合。本發明的材料選配和組合方式比較自由，可以採取以兩段或多段金屬並聯或串聯等方式組合不同的金屬材料，通過壓應力和剪切變形進行固態連接，然後通過退火^iS擴散實現界面有效結合，進一步增強連接強度。本發明使用壓應力和剪切變形進行異種金屬的連接，其優越性主要體現在由於連接是在固態下進行，因此不會產生熔化區，就不會產生熱裂紋、元素燒損、氣孔等缺陷，也不會產生金屬間化合物與凝固組織；才才料在一定^L度下承受靜壓應力和剪切應力，可以有效破壞表面的氧化膜，使新鮮金屬裸露從而保證材料面與面之間的緊密接觸，避免了擴散連接方法表面金屬流動困難的缺點，同時塑性流動條件下擴散速度會更快，會獲得結合狀態良好的界面；材料整體晶粒得以細化，塑性得至鵬高。本發明具備超塑性擴散連接和攪拌磨擦焊的優點的同時克服了傳統固態連接方法只適合板材的連接而不能焊接大厚度材料的缺點；本發明還特別適合多種異種金屬間的一次高效連接，而不像上述傳統方法那樣，一次只能連接一道縫隙。可以採取兩段或多段坯料間以並聯或串聯等方式組合不同的金屬材料，一次實現多層的連接，提高了生產效率，是一種固態連接的新方法。本發明使用壓應力和剪切變形方法實現異種金屬連接。首先選取合適的合金組合，經過表面處理後進行合理的搭配，採用合理的加工工藝，在剪切變形模具(如等通道轉角擠壓模具)裡進行一次或多次擠壓剪切變形，實現連接。擠壓後根據異種合金的界面組織和相的性能，選取適當的^it和時間進行熱處理進一步促進界面擴散和再結晶，從而使界面組織均勻、結合牢固。本發明利用壓應力和剪切變形實現異種金屬的固態連接的技術，將兩段或多段金屬材料並聯或串聯疊放於可以實現剪切變形的模具內；然後，將坯料在模具內進行剪切變形^^屬材料通過模具通道，實現異種金屬的固態連接；包連結設備剪切變形模具的設計和應用；待連接材料的表面預處理、排列方式和接頭形狀設計；剪切變形擠壓過程控制；後續退火處理。主要工藝步驟如下1)根據需要和合金的性質選擇優l戰用的合金組合，對表面適當處理後，通過等通道模具擠壓產生的剪切塑性變形而形成面與面之間的結合。一般說來，氧化膜是界面結合的障礙，有氧化膜的地方材料魏以焊合的，只有氧化膜破裂，新鮮金屬裸露並且相互接觸，金屬之間才有可能結合。氧化鵬薄、越脆，在金屬變形時越易破碎，焊合就越容易；氧化膜韌而易變形，則在變形時氧化膜會隨著金屬一起變形，使新鮮金屬難以裸露，金屬焊合就困難。因此需要採取適當的預處理，在一定的溫度和壓力的作用下，通過塑性變形將金屬或合金結合成一體，並使其界面達到冶金結合。擠壓加工開始前，X寸坯料表面進行預處理，〗頓機械法(如用砂輪、鐵刷或砂紙等)或液,洗法(如酸、鹼或酒精等)或物理、化學方法等去除不利於焊合的金屬表面油汙、氧化皮和夾雜等附著物，i呆證獲得乾淨而又有一定ffil造度的結合面，以利於較多的表面新鮮點接觸；或者採用化學或電化學塗鍍法製備助複合的膜層；也可以不對表面做任何處理直接進行剪切變形擠壓。2)擠壓前可以向剪切變形模具內加入少量潤滑油，減少金屬和型腔的摩擦。控制擠壓溫度，防止在界面上形成金屬間化合物；對於結合性能較差的金屬，可以在界面之間添加有利於提高結合強度的過渡金屬層。擠壓過程可以進行一次或多次，多次擠壓時可以和起初的擠壓方向和方位一致，或者沿擠壓軸向轉動90°或180。再次擠壓，即沿自身高度方向旋轉90-180°。採用專用的組合剪切變形模具，模具結構包括衝頭、模具體、等通道等，擠壓轉角為50-170°，模具帶有加熱和控溫裝置，組合模具的尺寸和結構如附圖1所示，剪切變形模具型腔寬度(W)和厚度(L)範圍為5-5000mm(圖1)，高度(H)範圍20-5000mm。剪切變形模具型腔橫截面開鄰可以是圓形、正方形、長方形、平行四邊形、梯形或"槽形"等。模具轉角優選範圍為90-150°,型腔寬度和厚度範圍為10-1000mm，高度範圍為100-2000mm，等通道型腔橫截面形狀優選正方形、長方形或圓形。本發明適用於各種金屬材料，根據實際需要和材料盼性質進行材料的選擇和搭配；並聯方式連接時，每層金屬材料的寬度和模具剪切通道的寬度(W)—致(圖l)，總厚度和剪切模具等通道的厚度(L)一致。寬度與厚度之比任意選擇，寬厚比的範圍為1-1000;串聯時，金屬材料截面開鄰與模具截面微尺寸相同。當為串聯方式時，金屬待連接頭開沐為平頭、V字頭、半圓頭或槽形。擠壓工開始前，坯料在模具中預熱，預熱,範圍為室溫至100(TC，保溫時間0-10h，預熱皿i^範圍室溫至50(TC，保溫時間tte範圍5min-3h;也可以用其它加熱方式在模具外加熱後再搬運到模具型腔中。組合坯料在模具內進行擠壓和組織控制，剪切變開鄉度為室^MIOO(TC，優選範圍100-80(TC;擠壓速率範圍為(10-5-100)/s，雌範圍(10—3-1)/s;坯料在模具內均溫並保溫0-10h，優選範圍5min-3h。3)根據需要，擠壓後進行擴散退火。通過退火促進熱擴散和再結晶，提高界面結合強度，根據相圖選SM火溫度，一般要選擇在原材料的再結晶溫度以上，如果組元的再結晶溫度相差較大，可選擇兩種再結晶，之間的一定範圍。退火處理的鵬以室鵬100(TC為宜，溫度過低擴散效果不明顯，結合不牢固；驢過高容易產生脆性金屬間化合物；退火時間可取為0.5-100小時，時間過短擴散不充分，時間過長會出現晶粒長大或材料過度軟化。必要時可以充入保護氣氛，如N2或Ar等氣體。合理控制工藝以獲得理想的過渡層的組織、成分、厚度。退火處理溫度i^範圍200-1000°C，保溫時間優選範圍0.5-10h。本發明通過剪切變形擠壓，實現了異種合金的固態連接，同時可以細化內部組織提高材料的整體性能，可以實現規模化、連續化生產。本發明具有如下優點:1、剪切變形固態連接技術能夠將兩種或兩種以上物理、化學、力學性能不同的金屬以並聯或串聯方式連接在一起的一種新技術，它彌補了各組元的不足，綜合了各組元的優點；通itX寸各組元合金的優化配合，可以實現整體性能的多樣性。本發明的材料選配和組合方式比較自由，可以採取雙層或多層以及兩段或多段等方式組合不同的金屬材料，通過壓力和剪切變形進行熱擠壓實現連接，然後利用退火^a界面結合。2、使用剪切變形模具進行異種金屬的連接，由於是在固相溫度下進行，不會產生熔化區，因此不會產生熱裂紋、元素燒損、氣L、等缺陷，也不會產生金屬間化合物。3、本發明是在一定溫度、一定壓力下進行，具有擴散連接技術的諸多優點，同時，劇烈的剪切作用引起的塑性流動還會f腿擴散過程的進行，生產效率明顯提高。4、本發明不僅能夠實現固態連接，而且能夠細化整體材料的晶粒，提高強度和塑性，是一種將加工技^n焊接技術結合的新技術。5、本發明可以根據對材料的需求，進行一次或多次擠壓，以達到使用要求。6、本發明適用於各種金屬材料的連接，如鎂、鋁、鈦、銅、鋅、鎳和鋼等，可以根據實際需要和材料的性質進行材料的選擇和搭配。7、本發明能夠使具有大的橫截面的材料之間實現中心的焊合，而不僅僅是四周或板材間小橫截面的焊合。8、本發明通過可以實現壓應力狀態和剪切變形的模具達到異種合金固態連接的目的。選取合適的合金組合，在特殊模具(如等通道轉角模具)裡進行剪切變形，通過熱擴散和再結晶實現連接。剪切變形後進行熱處理促進再結晶和原子擴散，使界面結合更加牢固。圖1(a)-圖1(b)為剪切變形t莫具示意圖，圖1(c)是模具型腔截面開鄰。其中，l衝頭；2模具體(帶加熱裝置)；3通道；4坯料(工件)。圖2樣品在模具內的排列方式。其中，(l)樣品上下串聯方式，結合面垂直於衝頭的壓應力；(2)樣品結合面垂直於樣品出口方向的並聯方式；(3)樣品結合面平行於樣品出口方向的並聯方式。圖3串聯方式時樣品的接頭開3犬。其中，(1)接頭形糹犬為平頭；(2)接頭9開沐為半圓；(3)接頭開刻犬為槽。圖4純鋁和鎂合金以不同接頭形狀按串連方式通過剪切變形連接後的宏觀照片。其中，(1)樣品的側面；(2)樣品接頭是平頭；(3)樣品接頭是半圓頭；(4)樣品接頭是槽形。圖5(a)-圖5(b)純銅和!鈴金以並聯方式通過剪切變形實現固態連接後的宏觀照片。具體實施例方式如圖1(a)-圖1(c)所示，圖1(a)剪切模具內有兩個截面相等、以一定角度相交的通道，兩通道的內交角O範圍為50-170°，外接弧角vj/範圍為0-170°，通道內壁具有高光潔度，高度為20-5000mm。模具體(帶加熱裝置)2內設有通壓力和剪切的通道3，衝頭1設置於通道3—端，用於將通道3內的坯料4擠壓出來；圖1(b)是多通道剪切變形模具意圖，也就是材料通髒個通道實現連續兩次剪切變形累積高應變，三個模具體2上的通道3依次艦，其中兩個相鄰的通道3夾角a為30-90°，另兩個相鄰的通道3夾角P為0-90°，衝頭1設置於一側模具體2上的通道3—端，用於^ltJ齊壓坯料4;圖l(c)通道模具型腔橫截面形狀也可以是矩形、梯形或圓形等，b,h，w,d的尺寸範圍為5-1000mm。圖2為樣品在模具內的排列方式。其中，(1)樣品上下串聯方式，結合面垂直於衝頭的壓應力；(2)樣品結合面垂直於樣品出口方向的並聯方式；(3)樣品結合面平行於樣品出口方向的並聯方式。圖2中，A、B分別代表不同合金材料。下面結合實施例詳述本發明實施例1本實施例1使用等通道轉角模具以串連方式連接純A1與ZW61鎂合金的基本操作步驟如下I)合金成分:tableseeoriginaldocumentpage10II)等通道轉角擠壓連接的具體步驟:1)先將ZW61合金和純鋁板材進行接頭預處理，去除表面油汙後在水砂紙上磨平，然後進行乾燥處理。2)將待連接材料切為截面為12mmxl2mm，高為50mm，接頭形狀為平頭、半圓、V形的棒。3)將型腔截面尺寸為12mmxl2mm、轉角為90。的等通道轉角模具升溫至300°C，然後以串聯方式把ZW61合金在下和純鋁在上放入模具內預熱。4)在300。C保溫10分鐘後，以8mm/min的速度進行一次擠壓。5)擠壓完成後在300。C退火lh。IID、連接後的組織形貌1、fOT等通道轉角連接後，以不同接頭開鄰組合的連接材料宏觀形貌如附圖4所示。如圖3-4所示，鎂合金和純鋁以串聯方式、不同接頭幵鄰焊合而成的材料(1)不同形狀接頭的側面；(2)接頭形狀為平頭；(3)接頭開別犬為半圓；(4)接頭形狀為槽。實施例2本實施例2使用等通道轉角模具以並聯方式連接純銅與ZW61鎂合金的基本操作步驟如下I)合金成分:tableseeoriginaldocumentpage11II)等通道轉角擠壓連接的具體步驟1)先將ZW61合金和純銅板材進fi^接表面預處理，去除表面油汙後在水砂紙上磨平，然後進行^B喿處理。2)將純銅切為界面為12mmx4mm，高為100mm的長方體；將ZW61切為界面為12mmx8mm，高為100mm的長方體。2)將型腔截面尺寸為12mmxl2mm、轉角為90。的等通道轉角模具升溫至35(TC，然後以並聯方式把ZW61合金純銅放入模具內預熱。3)在350。C保溫10分鐘後，以8mm/min的速度進行一次擠壓。IID、連接後的宏觀照片見圖5(a)-圖5(b)。實驗表明，本發明通過可以實現壓應力狀態和剪切變形的模具達到異種合金固態連接的目的，且界面結合牢固。權利要求1、一種異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於將兩段或多段金屬材料並聯或串聯疊放於實現剪切變形的模具內；然後，將坯料在模具內進行剪切變形使金屬材料通過模具通道，實現異種金屬的固態連接；擠壓溫度為室溫至1000℃，坯料在模具內均溫並保溫0-10h，擠壓速率範圍為(10-5-100)/s。2、按照權利要求1所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於通過剪切變形的模具實現固態連接後，進一步進行退火處理通過熱擴散增強界面結合強度，退火處理溫度範圍室溫至100(TC，保溫時間0.5-100h。3、按照權利要求2所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其牛寺徵在於經擠壓剪切變形實;E見初步連接後進行退火處理，退火處理溫度範圍200-1000。C，保溫時間優選範圍0.5-10h;直t魏行退火，或者採用保護性氣氛進行退火，傲戶性氣氛雌氬氣或氮氣。4、按照權利要求1所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於剪切變形過程進行一次或多次；多次剪切時，金屬材料和初始的擠壓方向和方位一致，或者沿擠壓軸向轉動90°或180。再次擠壓；擠壓M^優選範圍為100-80(TC，坯料在模具內均溫並保溫時間伏選範圍為5min-3h;擠壓速率優選範圍為(10-3-1)/s。5、按照權利要求1所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於適用於各種金屬材料，根據實際需要和材料的性質進行材料的選擇和搭配；並聯方式連接時，每層金屬材料的厚度和剪切模具等通道的厚度一致，總寬度和模具剪切通道的寬度一致，寬厚比任意選擇；串聯時，金屬材料截面形狀與模具截面開鄰尺寸相同。6、按照權利要求5所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於當為串聯方式時，金屬待連接頭形狀為平頭、V字頭、半圓頭或槽形。7、按照權利要求1所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於採用專用的組合剪切變形模具，擠壓轉角為10°-170°;模具有加熱和控溫裝置，模具型腔寬度和厚度範圍為5-5000mm;高度範圍20-5000mm;模具型腔橫截面和坯料橫截面開鄰是圓形、正方形、長方形、平行四邊形、梯形或"槽形，。8、按照權利要求7所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於剪切變形模具擠壓轉角的,範圍90-150°;模具型腔寬度和厚度的ite範圍10-1000mm，高度1M範圍100-2000mm;模具型S對黃截面開刻犬,正方形、長方形或圓形。9、按照權利要求1所述的異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，其特徵在於材料組裝後直接進行剪切變形；或者剪切變形加工開始前，根據需要進行預處理和預熱；戶;M預處理為剪切加工開始前，對坯料的結合表面進行預處理，使用機械法、液^m洗法或物理、化學方法去除表面附著物和氧化物；或者，採用化學或電化學塗鍍法製備助複合的膜層。全文摘要本發明涉及異種合金的固態連接技術，具體地說是一種異種合金壓應力和剪切變形實現固態連接的方法，通過可以實現壓應力狀態和剪切變形的模具達到異種合金固態連接的目的。選取合適的合金組合，在模具裡進行剪切變形，通過熱擴散和再結晶實現連接。剪切變形後進行熱處理促進再結晶和原子擴散，使界面結合更加牢固。本發明具備超塑性擴散連接和攪拌磨擦焊的優點的同時克服了其只適合板材的連接而不能焊接大厚度材料的缺點，並且能夠提高材料的整體性能；還適合多種異種金屬間的一次高效連接，而不像傳統方法一次只能連接一道縫隙。本方法可以以並聯或串聯等方式組合坯料，一次實現多層的連接，提高了生產效率，是一種固態連接的新方法。文檔編號B21C31/00GK101422847SQ20071015785公開日2009年5月6日申請日期2007年10月31日優先權日2007年10月31日發明者宏閆,陳榮石,韓恩厚申請人:中國科學院金屬研究所