一種鋁合金表面活化連接方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鋁合金表面活化連接方法，即：首先對鋁合金表面進(jìn)行預(yù)處理去除氧化膜及雜質(zhì)，然后利用磁控濺射技術(shù)活化鋁合金表面并沉積中間層，在真空或惰性氣體保護(hù)狀態(tài)下，將鋁合金試樣裝配加熱到連接溫度并保溫一定時(shí)間，利用中間層與鋁合金發(fā)生共晶反應(yīng)生成共晶液相達(dá)到鋁合金的連接，隨后共晶液相等溫凝固，獲得組織性能良好的鋁合金連接接頭，本發(fā)明結(jié)合磁控濺射技術(shù)與瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接，實(shí)現(xiàn)了鋁合金表面活化、有效去除了鋁合金表面氧化膜并阻礙新的氧化膜形成，消除了氧化膜對鋁合金連接的不利影響，依靠共晶液相的產(chǎn)生達(dá)到鋁合金的冶金結(jié)合，最終獲得組織、性能良好的鋁合金連接接頭。
【專利說明】
一種鋁合金表面活化連接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬表面處理方法，具體說是一種鋁合金表面活化連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我們知道，鋁合金具有高的比強(qiáng)度、低密度、良好的耐腐蝕性、良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。為了保證效率及符合輕量化要求，以輕質(zhì)鋁合金替代其他金屬及合金作為結(jié)構(gòu)件具有重要的意義，而鋁合金的連接技術(shù)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)則起到了舉足輕重的作用，但是鋁及鋁合金表面存在著一層致密而穩(wěn)定的氧化膜，氧化膜的存在阻礙了鋁合金的連接，尤其在鋁合金的釬焊及擴(kuò)散焊過程中，氧化膜會阻礙熔融釬料的潤濕與鋪展、阻礙原子的擴(kuò)散與反應(yīng)，使得接頭性能惡化。
[0003]由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，焊前采用機(jī)械清理、化學(xué)清洗及超聲波清洗等方法去除鋁合金表面氧化膜所裸露出來的新鮮的鋁合金表面在與空氣接觸時(shí)又會迅速生成新的氧化膜，因而對鋁合金釬焊及擴(kuò)散連接的去膜要求比較高。目前鋁合金的釬焊多數(shù)采用添加釬劑，利用釬劑與氧化膜之間的反應(yīng)去除氧化膜，促進(jìn)釬料的潤濕鋪展，形成良好的接頭。但是鋁合金釬劑的應(yīng)用會帶來如下問題:(I)在釬焊過程中釬劑與氧化膜的反應(yīng)可能產(chǎn)生氣泡等缺陷，降低釬焊接頭的性能；(2)鋁合金釬劑本身及其殘?jiān)哂泻軓?qiáng)的腐蝕性，若釬焊后未及時(shí)清洗，會對釬焊接頭造成腐蝕性損傷；(3)反應(yīng)釬劑在使用時(shí)會產(chǎn)生刺激性和腐蝕性的煙霧，因而釬焊過程中要求通風(fēng)。鋁合金的擴(kuò)散連接則利用壓力在微觀接觸表面產(chǎn)生塑性變形以破壞氧化膜，達(dá)到去除氧化膜形成良好的連接接頭的目的，但是該連接方法對壓力及真空度的要求比較高且耗費(fèi)時(shí)間較長。
[0004]瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接(TLP)通常采用比母材熔點(diǎn)低的材料或者與母材發(fā)生共晶反應(yīng)生成共晶液相的材料作為中間層，在加熱到連接溫度時(shí)，中間層熔化或與母材反應(yīng)生成共晶液相，在結(jié)合面上形成瞬間液膜，在保溫過程中，隨著低熔點(diǎn)組元向母材中擴(kuò)散，共晶液相發(fā)生等溫凝固而形成連接接頭。共晶液相在母材表面潤濕鋪展，實(shí)現(xiàn)材料的緊密結(jié)合，且共晶液相在氧化膜下形成“潛流”效應(yīng)，促進(jìn)氧化膜的破碎分裂，得到結(jié)合性能良好的連接接頭。
[0005]磁控濺射技術(shù)作為一種高效率的鍍膜技術(shù)，與其他鍍膜技術(shù)相比具有濺射鍍膜速度快、膜層致密、膜層附著性好、可精確控制鍍膜過程獲得均勻的高精度的膜厚等優(yōu)點(diǎn)，況且磁控濺射過程中等離子體轟擊起到了活化基體表面、去除表面氧化膜的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了有效徹底的清除鋁合金表面氧化膜并阻止新的氧化膜生成，達(dá)到鋁合金表面活化并形成高質(zhì)量的鋁合金連接接頭，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鋁合金連接目的。本發(fā)明結(jié)合磁控濺射技術(shù)與瞬時(shí)液相擴(kuò)散連接技術(shù)以提供一種鋁合金表面活化連接方法。
[0007]本發(fā)明通過以下措施達(dá)到:
一種鋁合金表面活化連接方法，步驟如下: 1)、首先將鋁合金依次進(jìn)行600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂紙打磨，并依次用10%Na0H溶液、10%HN03溶液進(jìn)行化學(xué)清洗，之后用去離子水沖洗干凈，最后依次用丙酮超聲波清洗15min?30min并吹干；
2)將處理后的鋁合金試樣置入磁控濺射設(shè)備并抽取至真空狀態(tài)，隨后通入純Ar進(jìn)行預(yù)派射5min?15min以清除革E材表面的雜質(zhì)；
3)在派射沉積中間層之前進(jìn)行等離子體清洗20min?30min，以徹底去除招合金表面氧化膜及雜質(zhì)，之后以純Ar作為工作氣體，利用磁控濺射技術(shù)在鋁合金表面沉積中間層，得到表面鍍層的招合金試樣；
4)將表面鍍層的鋁合金試樣裝配放入真空爐中，在真空狀態(tài)(真空度為5X 10—3 Pa)下，以5°020°C/min的升溫速率加熱到連接溫度并保溫15min?60min，隨后以5°010°C/min的速率降溫至400°C后隨爐冷卻，得到連接后的鋁合金試樣。
[0008]本發(fā)明步驟I)中所述的鋁合金為熔點(diǎn)高于Al-Cu共晶溫度或Al-Si共晶溫度的鋁
I=IO
[0009]本發(fā)明步驟2)中所述的真空狀態(tài)的真空度范圍為IX 10—3 Pa?5 X 10—3 Pa。
[0010]本發(fā)明步驟3)所述的中間層是指能與Al元素發(fā)生共晶反應(yīng)生成共晶液相的純Cu層或純Si層。
[0011]本發(fā)明步驟4)所述的連接溫度指的是稍高于Al-Cu共晶溫度的550t>58(TC之間或稍高于Al -S i共晶溫度的580 °0620 °C之間。
[0012]相對于一般的鋁合金釬焊及擴(kuò)散焊連接，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
(1)本發(fā)明所提供的鋁合金表面活化連接方法結(jié)合磁控濺射技術(shù)與瞬時(shí)液相連接技術(shù)，有效去除鋁合金表面氧化膜并阻礙新的氧化膜的形成，消除了氧化膜對鋁合金連接的不利影響，獲得組織、性能良好的連接接頭；
(2)本發(fā)明的連接過程中只需要額外附加很小的壓力(0.1MPa)甚至無需額外壓力只依靠鋁合金試樣自身重量以達(dá)到連接目的；
(3)本發(fā)明所提供的鋁合金表面活化連接方法無需添加釬劑，中間層對鋁合金試樣無腐蝕性，連接過程中不產(chǎn)生刺激性煙霧；
(4)本發(fā)明所提供的鋁合金表面活化連接方法采用磁控濺射技術(shù)得到的中間層致密，且中間層與鋁合金基體之間緊密結(jié)合無缺陷，消除了中間層與基體間缺陷對鋁合金連接的不利影響。
【附圖說明】
[0013]圖1為鋁合金連接裝配示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0015]實(shí)施例1
一種鋁合金表面活化連接方法步驟如下:
I)將兩塊尺寸分別為1mm X 20mm X 5mm和5mm X 5mm X 5mm的1060鋁合金依次用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂紙打磨，并依次用10%Na0H溶液、10%HN03溶液進(jìn)行化學(xué)清洗10?15s，之后用去離子水沖洗干凈，最后依次用無水乙醇、丙酮超聲波清洗15min并吹干；
2)將1060鋁合金試樣放入磁控濺射設(shè)備，抽取真空度至5X 10—3 Pa后通入純Ar(純度99.99%)，對純SifE材進(jìn)行預(yù)派射1min，在磁控派射沉積Si膜之前，通過脈沖偏壓電源給基體上提供負(fù)高壓，利用基體表面自輝光放電產(chǎn)生的等離子體清洗試樣表面30min;
3)以純Ar為工作氣體，利用磁控濺射技術(shù)在1060鋁合金表面沉積厚度為5μπι的純Si
膜；
4)將鍍膜后的1060鋁合金試樣裝配放入真空釬焊爐中，在真空狀態(tài)下(真空度約5X10一3 Pa)先以20°C/min的速率升溫至560°C并保溫lOmin，之后以5°C/min的速率升溫至590°C并保溫30min，隨后以10°C/min的速率降溫至400°C后隨爐冷卻，獲得鋁合金連接接頭。
[0016] 實(shí)施例2
一種鋁合金表面活化連接方法步驟如下:
1)將兩塊尺寸分別為1mmX 20mm X 5mm和5mm X 5mm X 5mm的7075鋁合金依次用600#、800#、1200#、1500#、2000#金相砂紙打磨，并依次用10%Na0H溶液、10%HN03溶液進(jìn)行化學(xué)清洗10?15s，之后用去離子水沖洗干凈，最后依次用無水乙醇、丙酮超聲波清洗15min并吹干；
2)將7075鋁合金試樣放入磁控濺射設(shè)備，抽取真空度至5X 10—3 Pa后通入純Ar(純度99.99%)，對純CufE材進(jìn)行預(yù)派射1min，在磁控派射沉積Cu膜之前，通過脈沖偏壓電源給基體上提供負(fù)高壓，利用基體表面自輝光放電產(chǎn)生的等離子體清洗試樣表面30min;
3)以純Ar為工作氣體，利用磁控濺射技術(shù)在7075鋁合金表面沉積厚度為ΙΟμπι的純Cu
膜；
4)將鍍膜后的7075鋁合金試樣裝配放入真空釬焊爐中，在真空狀態(tài)下(真空度約5X10一3 Pa)先以20°C/min的速率升溫至540°C并保溫lOmin，之后以5°C/min的速率升溫至560°C并保溫30min，隨后以10°C/min的速率降溫至400°C后隨爐冷卻，獲得鋁合金連接接頭。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于步驟如下: 步驟一、首先將鋁合金進(jìn)行機(jī)械打磨、化學(xué)清洗去除表面氧化膜及雜質(zhì)，之后用去離子水沖洗干凈，最后用丙酮超聲波清洗15min?30min并吹干； 步驟二、將步驟一中處理后的鋁合金試樣置入磁控濺射設(shè)備并抽真空至8.0 X 10—3Pa?5.0X 10—4Pa，隨后通入純Ar進(jìn)行預(yù)濺射以清除靶材表面的雜質(zhì)； 步驟三、進(jìn)行等離子體清洗，以徹底去除鋁合金表面氧化膜及雜質(zhì)；之后以純Ar作為工作氣體，利用磁控濺射技術(shù)在鋁合金表面沉積中間層，得到表面鍍層的鋁合金試樣； 步驟四、裝配表面鍍層的鋁合金試樣，然后放入真空爐中，在真空狀態(tài)下以5t>2(TC/min的升溫速率加熱到連接溫度并保溫15min?60min，隨后以5°010°C/min的速率降溫至400°C后隨爐冷卻，得到連接后的鋁合金試樣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于步驟一中所述的鋁合金為熔點(diǎn)高于Al-Cu共晶溫度或Al-Si共晶溫度的鋁合金。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟二中所述的真空狀態(tài)的真空度范圍為5 X 10—3 Pa?I X 10—3 Pa。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟二中所述的預(yù)派射時(shí)間為5min?15min。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟三中等離子體清洗時(shí)間為1min?30min。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟三所述的中間層厚度為Iym?50μηι。7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟三所述的中間層為純Cu層或純Si層。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟四中所述真空狀態(tài)的真空度范圍為5 X 10—3 Pa?I X 10—3 Pa。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁合金表面活化連接方法，其特征在于:步驟四中的連接溫度為550°0580°C 或580°0620°C。
【文檔編號】C23C14/35GK105925948SQ201610330200
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】宋曉國, 牛超楠, 劉海建, 彭赫力, 趙璇, 趙一璇, 曹建, 李中權(quán)
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）, 上海航天精密機(jī)械研究所