异种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方法.pdf

本发明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。

权利要求书
1、  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。

2、  按照权利要求1所述的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：通过剪切变形的模具实现固态连接后，进一步进行退火处理通过热扩散增强界面结合强度，退火处理温度范围室温至1000℃，保温时间0.5-100h。

3、  按照权利要求2所述的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：经挤压剪切变形实现初步连接后进行退火处理，退火处理温度优选范围200-1000℃，保温时间优选范围0.5-10h；直接进行退火，或者采用保护性气氛进行退火，保护性气氛优选氩气或氮气。

4、  按照权利要求1所述的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：剪切变形过程进行一次或多次；多次剪切时，金属材料和初始的挤压方向和方位一致，或者沿挤压轴向转动90°或180°再次挤压；挤压温度优选范围为100-800℃，坯料在模具内均温并保温时间优选范围为5min-3h；挤压速率优选范围为(10-3-1)/s。

5、  按照权利要求1所述的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：适用于各种金属材料，根据实际需要和材料的性质进行材料的选择和搭配；并联方式连接时，每层金属材料的厚度和剪切模具等通道的厚度一致，总宽度和模具剪切通道的宽度一致，宽厚比任意选择；串联时，金属材料截面形状与模具截面形状尺寸相同。

6、  按照权利要求5所述的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：当为串联方式时，金属待连接头形状为平头、V字头、半圆头或槽形。

7、  按照权利要求1所述的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：采用专用的组合剪切变形模具，挤压转角为10°-170°；模具有加热和控温装置，模具型腔宽度和厚度范围为5-5000mm；高度范围20-5000mm；模具型腔横截面和坯料横截面形状是圆形、正方形、长方形、平行四边形、梯形或“槽形”。

8、  按照权利要求7所述的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：剪切变形模具挤压转角的优选范围90-150°；模具型腔宽度和厚度的优选范围10-1000mm，高度优选范围100-2000mm；模具型腔横截面形状优选正方形、长方形或圆形。

9、  按照权利要求1所述的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：材料组装后直接进行剪切变形；或者剪切变形加工开始前，根据需要进行预处理和预热；
所述预处理为：剪切加工开始前，对坯料的结合表面进行预处理，使用机械法、液体浸洗法或物理、化学方法去除表面附着物和氧化物；或者，采用化学或电化学涂镀法制备助复合的膜层。

说明书异种合金压应力和剪切变形实现固态连接的方法
技术领域
本发明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，它是用可实现压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。本发明利用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。
背景技术
随着航空航天、交通运输、化工、建筑和电子工业的迅速发展，不断地对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题之一。
经过多年的发展，现代连接技术主要包括冶金连接(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。焊接方法主要有钨极气体保护电弧焊(GTAW/TIG)、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、气孔等缺陷，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)发明了一种新型固态连接技术—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，旋转的搅拌焊头与焊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。但FSW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为材料熔点的绝对温度)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金制备技术，其机理是通过施加压力把材料从一个通道挤压到另一个通道，试样在转角的地方发生纯剪切变形，材料的横截面形状在挤压后保持不变，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，在保持大块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，产生微米或亚微米级晶粒；等通道角挤压技术目前主要应用于试验研究工作，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。
利用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，尤其是非板形的块体材料，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引起塑性流变，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块体材料的连接。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术和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。
发明内容：
本发明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、难以实现块体材料的大界面的有效连接等问题。
本发明的技术方案是：
本发明通过选择适用的合金种类、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。例如铝合金与镁合金的连接件，既具有铝的抗腐蚀、高强度等优点，又具有镁合金的减震、吸声和电磁屏蔽性高等优势，有效的综合了二者的性能；实现了异种材料优点的综合。
本发明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，然后通过退火促进扩散实现界面有效结合，进一步增强连接强度。
本发明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；材料在一定温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，塑性得到提高。本发明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；本发明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。
本发明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，选取适当的温度和时间进行热处理进一步促进界面扩散和再结晶，从而使界面组织均匀、结合牢固。
本发明利用压应力和剪切变形实现异种金属的固态连接的技术，将两段或多段金属材料并联或串联叠放于可以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；包括连接设备剪切变形模具的设计和应用；待连接材料的表面预处理、排列方式和接头形状设计；剪切变形挤压过程控制；后续退火处理。主要工艺步骤如下：
1)根据需要和合金的性质选择优化适用的合金组合，对表面适当处理后，通过等通道模具挤压产生的剪切塑性变形而形成面与面之间的结合。一般说来，氧化膜是界面结合的障碍，有氧化膜的地方材料是难以焊合的，只有氧化膜破裂，新鲜金属裸露并且相互接触，金属之间才有可能结合。氧化膜越薄、越脆，在金属变形时越易破碎，焊合就越容易；氧化膜韧而易变形，则在变形时氧化膜会随着金属一起变形，使新鲜金属难以裸露，金属焊合就困难。因此需要采取适当的预处理，在一定的温度和压力的作用下，通过塑性变形将金属或合金结合成一体，并使其界面达到冶金结合。
挤压加工开始前，对坯料表面进行预处理，使用机械法(如用砂轮、铁刷或砂纸等)或液体浸洗法(如酸、碱或酒精等)或物理、化学方法等去除不利于焊合的金属表面油污、氧化皮和夹杂等附着物，保证获得干净而又有一定粗糙度的结合面，以利于较多的表面新鲜点接触；或者采用化学或电化学涂镀法制备助复合的膜层；也可以不对表面做任何处理直接进行剪切变形挤压。
2)挤压前可以向剪切变形模具内加入少量润滑油，减少金属和型腔的摩擦。控制挤压温度，防止在界面上形成金属间化合物；对于结合性能较差的金属，可以在界面之间添加有利于提高结合强度的过渡金属层。挤压过程可以进行一次或多次，多次挤压时可以和起初的挤压方向和方位一致，或者沿挤压轴向转动90°或180°再次挤压，即沿自身高度方向旋转90-180°。
采用专用的组合剪切变形模具，模具结构包括：冲头、模具体、等通道等，挤压转角为50-170°，模具带有加热和控温装置，组合模具的尺寸和结构如附图1所示，剪切变形模具型腔宽度(W)和厚度(L)范围为5-5000mm(图1)，高度(H)范围20-5000mm。剪切变形模具型腔横截面形状可以是圆形、正方形、长方形、平行四边形、梯形或“槽形”等。模具转角优选范围为90-150°，型腔宽度和厚度优选范围为10-1000mm，高度优选范围为100-2000mm，等通道型腔横截面形状优选正方形、长方形或圆形。
本发明适用于各种金属材料，根据实际需要和材料的性质进行材料的选择和搭配；并联方式连接时，每层金属材料的宽度和模具剪切通道的宽度(W)一致(图1)，总厚度和剪切模具等通道的厚度(L)一致。宽度与厚度之比任意选择，宽厚比的优选范围为1-1000；串联时，金属材料截面形状与模具截面形状尺寸相同。当为串联方式时，金属待连接头形状为平头、V字头、半圆头或槽形。
挤压加工开始前，坯料在模具中预热，预热温度范围为室温至1000℃，保温时间0-10h，预热温度优选范围室温至500℃，保温时间优选范围5min-3h；也可以用其它加热方式在模具外加热后再搬运到模具型腔中。组合坯料在模具内进行挤压和组织控制，剪切变形温度为室温至1000℃，优选范围100-800℃；挤压速率范围为(10-5-100)/s，优选范围(10-3-1)/s；坯料在模具内均温并保温0-10h，优选范围5min-3h。
3)根据需要，挤压后进行扩散退火。通过退火促进热扩散和再结晶，提高界面结合强度，根据相图选择退火温度，一般要选择在原材料的再结晶温度以上，如果组元的再结晶温度相差较大，可选择两种再结晶温度之间的一定范围。退火处理的温度以室温至1000℃为宜，温度过低扩散效果不明显，结合不牢固；温度过高容易产生脆性金属间化合物；退火时间可取为0.5-100小时，时间过短扩散不充分，时间过长会出现晶粒长大或材料过度软化。必要时可以充入保护气氛，如N2或Ar等气体。合理控制工艺以获得理想的过渡层的组织、成分、厚度。退火处理温度优选范围200-1000℃，保温时间优选范围0.5-10h。
本发明通过剪切变形挤压，实现了异种合金的固态连接，同时可以细化内部组织提高材料的整体性能，可以实现规模化、连续化生产。本发明具有如下优点：
1、剪切变形固态连接技术能够将两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属以并联或串联方式连接在一起的一种新技术，它弥补了各组元的不足，综合了各组元的优点；通过对各组元合金的优化配合，可以实现整体性能的多样性。本发明的材料选配和组合方式比较自由，可以采取双层或多层以及两段或多段等方式组合不同的金属材料，通过压力和剪切变形进行热挤压实现连接，然后利用退火促进界面结合。
2、使用剪切变形模具进行异种金属的连接，由于是在固相温度下进行，不会产生熔化区，因此不会产生热裂纹、元素烧损、气孔、等缺陷，也不会产生金属间化合物。
3、本发明是在一定温度、一定压力下进行，具有扩散连接技术的诸多优点，同时，剧烈的剪切作用引起的塑性流动还会促进扩散过程的进行，生产效率明显提高。
4、本发明不仅能够实现固态连接，而且能够细化整体材料的晶粒，提高强度和塑性，是一种将加工技术和焊接技术结合的新技术。
5、本发明可以根据对材料的需求，进行一次或多次挤压，以达到使用要求。
6、本发明适用于各种金属材料的连接，如镁、铝、钛、铜、锌、镍和钢等，可以根据实际需要和材料的性质进行材料的选择和搭配。
7、本发明能够使具有大的横截面的材料之间实现中心的焊合，而不仅仅是四周或板材间小横截面的焊合。
8、本发明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，在特殊模具(如等通道转角模具)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。
附图说明
图1(a)-图1(b)为剪切变形模具示意图，图1(c)是模具型腔截面形状。其中，1中头；2模具体(带加热装置)；3通道；4坯料(工件)。
图2样品在模具内的排列方式。其中，(1)样品上下串联方式，结合面垂直于冲头的压应力；(2)样品结合面垂直于样品出口方向的并联方式；(3)样品结合面平行于样品出口方向的并联方式。
图3串联方式时样品的接头形状。其中，(1)接头形状为平头；(2)接头形状为半圆；(3)接头形状为槽。
图4纯铝和镁合金以不同接头形状按串连方式通过剪切变形连接后的宏观照片。其中，(1)样品的侧面；(2)样品接头是平头；(3)样品接头是半圆头；(4)样品接头是槽形。
图5(a)-图5(b)纯铜和镁合金以并联方式通过剪切变形实现固态连接后的宏观照片。
具体实施方式：
如图1(a)-图1(c)所示，图1(a)剪切模具内有两个截面相等、以一定角度相交的通道，两通道的内交角Φ范围为50-170°，外接弧角ψ范围为0-170°，通道内壁具有高光洁度，高度为20-5000mm。模具体(带加热装置)2内设有通压力和剪切的通道3，冲头1设置于通道3一端，用于将通道3内的坯料4挤压出来；图1(b)是多通道剪切变形模具意图，也就是材料通过三个通道实现连续两次剪切变形累积高应变，三个模具体2上的通道3依次连通，其中两个相邻的通道3夹角α为30-90°，另两个相邻的通道3夹角β为0-90°，冲头1设置于一侧模具体2上的通道3一端，用于将挤压坯料4；图1(c)通道模具型腔横截面形状也可以是矩形、梯形或圆形等，a，b，h，w，d的尺寸范围为5-1000mm。图2为样品在模具内的排列方式。其中，(1)样品上下串联方式，结合面垂直于冲头的压应力；(2)样品结合面垂直于样品出口方向的并联方式；(3)样品结合面平行于样品出口方向的并联方式。图2中，A、B分别代表不同合金材料。
下面结合实施例详述本发明：
实施例1
本实施例1使用等通道转角模具以串连方式连接纯Al与ZW61镁合金的基本操作步骤如下：
I)合金成分：

II)等通道转角挤压连接的具体步骤：
1)先将ZW61合金和纯铝板材进行接头预处理，去除表面油污后在水砂纸上磨平，然后进行干燥处理。
2)将待连接材料切为截面为12mm×12mm，高为50mm，接头形状为平头、半圆、V形的棒。
3)将型腔截面尺寸为12mm×12mm、转角为90°的等通道转角模具升温至300℃，然后以串联方式把ZW61合金在下和纯铝在上放入模具内预热。
4)在300℃保温10分钟后，以8mm/min的速度进行一次挤压。
5)挤压完成后在300℃退火1h。
III)、连接后的组织形貌：
1、使用等通道转角连接后，以不同接头形状组合的连接材料宏观形貌如附图4所示。
如图3-4所示，镁合金和纯铝以串联方式、不同接头形状焊合而成的材料：(1)不同形状接头的侧面；(2)接头形状为平头；(3)接头形状为半圆；(4)接头形状为槽。
实施例2
本实施例2使用等通道转角模具以并联方式连接纯铜与ZW61镁合金的基本操作步骤如下：
I)合金成分：

II)等通道转角挤压连接的具体步骤：
1)先将ZW61合金和纯铜板材进行连接表面预处理，去除表面油污后在水砂纸上磨平，然后进行干燥处理。
2)将纯铜切为界面为12mm×4mm，高为100mm的长方体；将ZW61切为界面为12mm×8mm，高为100mm的长方体。
2)将型腔截面尺寸为12mm×12mm、转角为90°的等通道转角模具升温至350℃，然后以并联方式把ZW61合金纯铜放入模具内预热。
3)在350℃保温10分钟后，以8mm/min的速度进行一次挤压。
III)、连接后的宏观照片见图5(a)-图5(b)。
实验表明，本发明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，且界面结合牢固。