异种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方法技术

本发明专利技术涉及异种合金的固态连接技术，具体地说是一种异种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方法，通过可以实现压应力状态和剪切变形的模具达到异种合金固态连接的目的。选取合适的合金组合，在模具里进行剪切变形，通过热扩散和再结晶实现连接。剪切变形后进行热处理促进再结晶和原子扩散，使界面结合更加牢固。本发明专利技术具备超塑性扩散连接和搅拌磨擦焊的优点的同时克服了其只适合板材的连接而不能焊接大厚度材料的缺点，并且能够提高材料的整体性能；还适合多种异种金属间的一次高效连接，而不像传统方法一次只能连接一道缝隙。本方法可以以并联或串联等方式组合坯料，一次实现多层的连接，提高了生产效率，是一种固态连接的新方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及异种合金的固态连接技术，具体地说是一种异种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方纟去，它是用可实1LE应力状态剪切变形的模具通过剪切 作用产生的塑性变形并通过热扩散和再结晶来实现两段或多段同种或异种金属材 料的连接方法。本专利技术禾,等通道模具的挤压和剪切作用进行固态连接，是固态 连接的一种新方法。
技术介绍
随着航空航天、交,输、化工、建筑和电子工业的ffiit发展，不断i似寸材 料的性能提出越来越苛刻的要求，传统的单一的材料在全面满足力学性能、化学 性能和电磁性能等要求方面遇到越来越多的困难。因此，异种合金间的连接技术， 特别是固态连接技术一直是国内外研究者关注的热点前沿课^一 。经过多年的发展，现代连接技术主要包括冶M接(俗称焊接)、机械连接、 化学连接(即胶接)，其中焊接技术占主导地位，应用最为广泛。焊接方法主要 有钩极气体保护电弧焊(GTAWAI1G)、熔化极气体保护电弧焊(GMAW/MIG)、 电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、钎焊、激光焊、电子束焊和气焊等等，其 中很多是熔化焊，由于在被连接件表面局部加热使之熔化成液体，同时还要加入 填充物或气体，容易产生焊接热裂纹、元素烧损、气 L等缺陷，熔化区凝固后会 产生内应力、生成脆而硬的金属间化合物、产生铸态组织，这些因素都会降低接 头性能；而且在生产过程中噪音大，产生弧光辐射、烟尘和飞溅等，严重污染了 环境。因此新的绿色无污染的固态连接技术的研发是焊接技术发展的目标。1991年英国焊接研究所(TWI)专利技术了一种新型固态连接技术一搅拌磨擦焊 (FSW)。其工作原理是搅拌焊头在高速旋转的同时插入待焊接材料接缝中， 旋转的搅拌焊头与悍件之间摩擦产生的热量，使接缝处的材料温度升高而软化， 同时，搅拌焊头一边旋转一边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面材料发 生强烈的塑性变形并流向搅拌焊头的后面，肩部所施加的压力使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶牢固地结合在一起，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。FSW不 会产生飞溅、烟尘，不需添加焊丝和保护气体，接头部位不存在金属的熔化过程，故不存在熔焊时的各种缺陷；同时，由于熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变化过程，焊后接头的内应力小、变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接，成为一种新型的绿色焊接技术。f朋sw由于受到搅拌磨擦头尺寸的限制，通常适用于板材间的连接，对于焊接截面很大的材料，其中心部分难以实现焊合。扩 散连接作为另一种固态连接技术也能够避免采用熔焊方法时产生的缺陷，被广泛应用于异种金属板材的连接。它是在小于0.7Tm (Tm为材料熔点的乡叙中離)和 低的压力下，在两个待连接材料表面出现与时间有关的塑性流动区，发生材料向 表面空隙的扩散，经过较长时间后空隙从初始表面完全消失，从而实现界面的紧 密结合。扩散连接的材料不需要后续的焊接加工、在连接后仍有良好的尺寸稳定 性。等通道角挤压(Equal Channel Angular Extrusion,简称ECAE)技术发展至今 已有二十多年的历史，是一项新颖高效的高性能合誠'j紐术，其机理题过施 加压力把材料从一个通道挤压至拐一个通道，试样在转角的地方发生纯剪切变形， 材料的横截面开m在挤压后保持不变，可以重复此过程，利用等截面通道转角处 的强烈剪切应变的累积效应，在保持大i央材料的状态下经反复多道次剪切变形的 累积迭加而得到相当大的总应变量，显著细化晶粒尺寸，产生 或亚微米级晶 粒；等通道角挤压技术目前主要应用Ti式验研究工作，是一种创新有效的晶粒细 化方法，可以改善材料的性能并提高成形性，或者用来研究材料的超塑性能和组 织结构的变化等。ECAE工艺的优点受到工业界的广泛关注，目前开展了一些工业应用的探索， 并取得了一定的进展，如韩国的C2S2工艺，金属条带轧制后利用ECAE进行连 续剪切变形，用于连续轧制板带；另外，带移动壁的ECAE装置为加工大尺寸产 品提供了方向；而旋转模ECAE装置简化了试样多次装卸过程的难度，ECAE正 在向着工业应用逐步前进。禾,等通道转角挤压时的独特优点，可以选用合适的异种合金材料，尤其是 非板形的±央体材料，进行固态连接。剪切变形挤压过程中材料在一定温度一定压 力下发生剧烈塑性变形同时伴随着扩散的进行而实现初步的连接，这与超塑性扩 散连接的原理相同；同时在剪切变形的过程中材料表面之间存在的摩擦也会弓胞塑性流变，这又与搅拌磨擦焊的原理相似。因此等通道固态连接实际上是扩散连 接和搅拌磨擦焊的综合，具有二者的优点，同时它还具备这两种技术所不具有的 优点——提高材料的整体性能并实现±央#^才料的连接。所以等通道转角剪切变形 固态连接技术是一种将材料加工技糊焊接技术结合在一起的一种新型固态连接 加工技术。利用剪切变形固态连接加工技术，有望实现不同合金的固态连接，例如镁合 金、铝合金、锌合金、钛合金、铜合金和钢铁材料等。同时，它可以实现精确的 尺寸控制，生产尺寸精确的产品。可以预见，剪切变形固态连接加工技术在工业 上具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用等通道转角剪切变形技术实现固态连接，提供一种异 种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方法，它是可靠性较高、能够实现块体 材料的大面积连接而工艺简捷有效的异种合金固态连接方法。解决传统连接方法 中存在的易产生焊接热裂纹、烧损、气孔、变形、内应力、难以实现块^^才料的 大界面的有效连接等问题。本专利技术的技术方案是本专利技术通M^^用的合金种类、设计其排列方式，经过剪切变形挤压实现 异种金属的固态连接。例如铝合金与f齢金的连接件，既具有铝的抗腐蚀、高强 度等优点，又具有,I^金的减震、吸声和电磁屏蔽性高，势，有效的综合了二 者的性能；实现了异种材料优点的综合。本专利技术的材料选配和组合方式比较自由，可以采取以两段或多段金属并联或 串联等方式组合不同的金属材料，通过压应力和剪切变形进行固态连接，然后通过退火^iS扩散实现界面有效结合，进一步增强连接强度。本专利技术使用压应力和剪切变形进行异种金属的连接，其优越性主要体现在 由于连接是在固态下进行，因此不会产生熔化区，就不会产生热裂纹、元素烧损、 气孔等缺陷，也不会产生金属间化合物与凝固组织；才才料在一定^L度下承受静压 应力和剪切应力，可以有效破坏表面的氧化膜，使新鲜金属裸露从而保证材料面 与面之间的紧密接触，避免了扩散连接方法表面金属流动困难的缺点，同时塑性 流动条件下扩散速度会更快，会获得结合状态良好的界面；材料整体晶粒得以细 化，塑性得至鹏高。本专利技术具备超塑性扩散连接和搅拌磨擦焊的优点的同时克服了传统固态连接方法只适合板材的连接而不能焊接大厚度材料的缺点；本专利技术还 特别适合多种异种金属间的一次高效连接，而不像上述传统方法那样， 一次只能 连接一道缝隙。可以采取两段或多段坯料间以并联或串联等方式组合不同的金属 材料， 一次实现多层的连接，提高了生产效率，是一种固态连接的新方法。本专利技术使用压应力和剪切变形方法实现异种金属连接。首先选取合适的合金 组合，经过表面处理后进行合理的搭配，采用合理的加工工艺，在剪切变形模具 (如等通道转角挤压模具)里进行一次或多次挤压剪切变形，实现连接。挤压后 根据异种合金的界面组织和相的性能，选取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方法，其特征在于：将两段或多段金属材料并联或串联叠放于实现剪切变形的模具内；然后，将坯料在模具内进行剪切变形使金属材料通过模具通道，实现异种金属的固态连接；挤压温度为室温至１０００℃，坯料在模具内均温并保温０－１０ｈ，挤压速率范围为（１０↑［－５］－１００）／ｓ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：闫宏，陈荣石，韩恩厚，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]