【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于焊接领域，具体涉及一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法。
技术介绍
1、随着航天航空工业的发展，结构对轻量化和功能性提出了更高的要求。铝合金拥有密度低，比强度和比刚度高，同时兼具优异的焊接性能和综合力学性能，被认为是航空航天领域最有竞争力的轻量化结构材料之一。但是由于铝合金在扩散连接过程中，由于表面极易被氧化，形成一层致密且连续的氧化膜，在没有中间层的前提下，即使通过加压变形也难以完全去除，阻碍了界面原子间相互扩散，得到的接头强度非常低。虽然可以通过提高焊接压力的方式增大焊缝强度，但也导致了构件焊接精度变差。且这层氧化膜在高温下也无法分解，很容易在扩散连接界面形成空洞缺陷。
2、用传统的钎焊方式获得的铝合金构件存在钎料易堵塞、溶蚀等问题，而用瞬时液相扩散焊方法目前存在的主要问题是接头结合强度较低。由于采用异种材料作为中间层，极易造成接头界面处形成金属间化合物，界面金属间化合物脆性倾向大，对接头性能有很大影响。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术铝合金材料扩散连接存在的上述不足，而提供一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法。
2、一、首先对铝合金表面进行机械打磨，然后进行酸处理，再进行碱处理，最后使用无水乙醇清洗，得到预处理后的铝合金；
3、二、使用物理气相沉积技术在预处理后的铝合金的表面沉积一层纳米铜，得到表面含有铜纳米层的铝合金；
4、三、将预处理后的铝合金和表面含有铜纳米层的铝合金进行
5、四、预制两块铝合金板材，对两块铝合金板材中间区域喷涂氮化硼，形成阻焊区域，所述中间区域距离铝合金板材四周边缘5~10mm，对两块铝合金板材进行四周封焊并预留气道接通自动送气系统，得到柔性气垫组件；
6、五、将步骤四得到的柔性气垫组件放置于步骤三得到的抽真空处理后的待焊包套的下方，组装成装配件并固定在模具中，再将模具放入热压成形机中进行反应扩散连接；
7、六、保温完成，停止加热，将柔性气垫组件内的压力降至0.1mpa，焊件随炉冷却至室温，卸掉机械压力，取出焊件，完成铝合金的反应扩散连接。
8、本专利技术的原理：
9、一、本专利技术区别于传统铝合金通过添加中间层实现扩散连接的工艺过程，而是先通过气相沉积技术在铝合金表面沉积一层铜纳米层，气相沉积铜纳米层因其晶粒处于纳米尺度，晶粒十分细小晶界占比较高，与粗晶材料相比具有优异的物化性能，所以纳米材料具有较大的扩散系数，甚至比粗晶材料高出几个数量级，对材料的扩散连接有显著的促进作用，能够活化待连接表面，降低扩散过程中的能量需求，达到缩短扩散时间、降低扩散温度的效果；同时由于铝合金表面铜纳米层的存在，完全避免了铝合金表面致密且连续的氧化层的形成。
10、二、本专利技术区别于传统铝合金通过添加中间层实现扩散连接的工艺过程，而是在通过气相沉积铜纳米层促进界面扩散连接的同时，实现反应连接，铜纳米层与铝合金第二相发生固相反应，生成新相从而完成连接，此种方法不仅能提高铝合金扩散连接界面的结合强度，而且铜纳米层与铝合金第二相发生固相反应的同时进一步提高扩散速率。
11、三、本专利技术的技术关键在于铝合金表面铜纳米层的形成即促进界面扩散连接的同时，又阻碍了铝合金表面致密且连续的氧化层的形成，还在界面处实现反应连接；该技术在大气条件下将待焊板材四周封焊并预留气道抽真空处理，保证了整个焊接及冷却过程中待焊铝合金表面的真空度，有效的解决了铝合金表面氧化膜造成扩散连接界面缺陷的现象，得到强度等同于母材的高强度接头。
12、四、本专利技术的技术关键在于铝合金表面铜纳米层的形成即促进界面扩散连接的同时，还在界面处实现反应连接；该技术在大气条件下使用柔性气垫组件和机械压力同时加压实现铝合金的反应扩散连接，柔性气垫组件经过气体挤压在微区和板材同时变形，填补由于板材粗糙度不均匀等问题带来的微区接触不良造成的扩散不均匀等现象，完美的解决了由于氧化膜、板材粗糙度等问题造成的扩散连接界面空洞问题，且反应扩散连接可以在较小的压力下进行，减小了对成形设备的需求和对模具的损坏。
13、本专利技术的有益效果是：
14、一、传统直接扩散连接因为铝合金表面氧化膜的阻碍，同种材料扩散困难，无法在大气环境中实现有效连接等问题；相较于传统直接扩散连接，本专利技术在铝合金表面沉积一层铜纳米层，既阻碍了铝合金表面致密且连续的氧化层的形成，又利用铝合金和铜纳米层之间的反应扩散，提高了铝合金扩散速率的同时，实现了铝合金的有效连接；
15、二、添加钎料中间层实现铝合金的扩散连接，由于钎焊是通过钎料熔化，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法，对钎焊温度要求较高，焊后应力大，很难控制大尺寸板材扩散连接界面成形；相较于添加钎料中间层，本专利技术利用气相沉积技术在铝合金表面沉积一层纳米铜，可精确控制表面纳米层厚度，通过纳米层与铝合金实现反应扩散连接，可应用于大尺寸板材扩散连接，获得高强度扩散连接接头；
16、三、在铝合金表面沉积纳米层的主要成分是铜元素，其主要原因是铜的流动性较好，可打通扩散通道，促进原子间相互扩散实现结合；且铜原子可有限溶于铝原子中，和铜原子在常温下以固溶体的形式存在，对铝合金界面扩散连接起到促进作用；
17、四、采用本专利技术扩散连接完成后的接头剪切强度可达151.3mpa，拉伸强度可达407.2mp；
18、五、本专利技术应用于铝合金扩散连接领域，适用于铝合金中空结构零件的扩散连接和批量生产。
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1.一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于所述方法具体是按以下步骤完成的：
2.根据权利要求1所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的铝合金为1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的铝合金为5A90铝锂合金，厚度为1mm~2.5mm；步骤一中对铝合金表面进行机械打磨的具体方法为：依次使用400#和800#的砂纸进行打磨，打磨至铝合金表面光亮。
4.根据权利要求3所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的酸处理的具体方法为：将铝合金浸入到酸洗液中100s~120s，再取出；所述的酸洗液为氢氟酸、硫酸和水的混合溶液，其中HF的质量分数为5%~8%，H2SO4的质量分数为20%~30%。
5.根据权利要求3所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的碱处理的具体方法为：将铝合金浸入到温
6.根据权利要求1或2所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的铜纳米层的厚度为5μm~10μm。
7.根据权利要求1或2所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的物理气相沉积技术所采用的靶材为质量分数为99.99%的铜板，其工艺参数为：气体压力：1.2MPa~2.0MPa，功率：50W~70W，沉积时间：10min~30min。
8.根据权利要求1或2所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤四中所述的铝合金板材为5A90铝锂合金，厚度为1mm~2mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤三中对待焊包套进行抽真空处理，真空度达到-10-2Mpa以下，得到抽真空处理后的待焊包套；步骤四中所述的柔性气垫组件中预留的气道连接自动送气系统，自动送气系统可对气垫组件进行阶梯加压。
10.根据权利要求1或2所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤五中所述的反应扩散连接是在热压炉内进行的，具体工艺为：首先以15℃/min ~20℃/min的速率将炉内温度升温至500℃~520℃，保温0.5h~1h使其模具温度和炉内温度同时达到500℃~520℃，再向模具施加3t~5t的机械压力，并逐渐增加气垫组件内的压力到3MPa~3.5MPa，在温度为500℃~520℃和气垫压力为3MPa~3.5MPa下保持30min~60min；所述的气垫组件内的压力增加率为0.3MPa/10min~0.4MPa/10min。
...【技术特征摘要】
1.一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于所述方法具体是按以下步骤完成的：
2.根据权利要求1所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的铝合金为1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的铝合金为5a90铝锂合金，厚度为1mm~2.5mm；步骤一中对铝合金表面进行机械打磨的具体方法为：依次使用400#和800#的砂纸进行打磨，打磨至铝合金表面光亮。
4.根据权利要求3所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的酸处理的具体方法为：将铝合金浸入到酸洗液中100s~120s，再取出；所述的酸洗液为氢氟酸、硫酸和水的混合溶液，其中hf的质量分数为5%~8%，h2so4的质量分数为20%~30%。
5.根据权利要求3所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤一中所述的碱处理的具体方法为：将铝合金浸入到温度为50℃~70℃的碱洗液中200s~220s，再取出；所述的碱洗液为氢氧化钠和水的混合溶液，其中氢氧化钠的质量分数为35%~40%；步骤一中使用无水乙醇清洗的次数为3次~5次。
6.根据权利要求1或2所述的一种界面沉积铜纳米层实现铝合金反应扩散连接方法，其特征在于步骤二中所述的铜纳米层的厚度为5μm~1...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢振，高一迪，张成才，黄承乾，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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