一种不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方 法 【技术领域】
本发明属于复合材料制备领域， 涉及一种复合材料热交换过渡区部件的制造方 法， 尤其是一种不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法。背景技术
低温换热器热交换管由于在低温液体中工作， 承受强烈、 反复的冷热循环， 上下不 锈钢隔板材质与纯铜热交换管材质之间存在较大的热膨胀系数差异， 致使不锈钢 / 铜管连 接处承受较高而又频繁的拉压应力作用。
目前公知的钎焊焊缝、 爆炸焊焊缝、 摩擦焊焊缝， 由于异种金属的热膨胀及热导率 存在差异， 在焊接过程中、 焊接冷却结束后及后续冷热循环工作中， 在不锈钢 / 铜管焊缝区 必然存在较高的热应力及残余应力， 这些应力将导致焊缝失效及焊缝开裂。 另外， 采用含铜 不锈钢热交换管尽管可以满足与不锈钢隔板的焊接可靠性， 但是热导率偏低， 将大大降低 热交换效率。 发明内容 为了克服现有技术在焊接性能与热导性能方面存在不可兼备的不足， 本发明提供 一种不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法， 该方法保证热交换管具有铜 的高热导率的同时也保证了具有不锈钢的优良焊接性能。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的 ： 这种不锈钢 / 铜复合梯度材料热 交换过渡区部件的制造方法， 包括以下步骤 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉按照 4 ∶ 1 ～ 12 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 0.5 ～ 2h， 至不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在 刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢球珠， 使堆垛的孔隙率由 33.3％至 66.7％过渡， 堆 垛完后在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 得到孔隙率均匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ； (3) 将上述所得的不锈钢多孔层板按梯度依次层叠， 在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 得 到梯度多孔不锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔隙率较大的一 端向上放入刚玉坩埚中， 在梯度多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈钢球 200％～ 600％的纯铜棒， 再用高温液相真空浸渗炉加热至 1100℃～ 1300℃熔渗纯铜保温 0.5 ～ 6h， 得到不锈钢 / 铜梯度复合材料过渡区部 件。
进一步的， 上述步骤 2) 高温液相真空浸渗炉中真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 800 ～ 1300℃保温 2 ～ 12h。
上述步骤 3) 对层叠的不锈钢多孔层板真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再 升温至 800 ～ 1300℃保温 2 ～ 12h。
上述步骤 3) 中， 不锈钢多孔层板按照孔隙率自小到大的梯度依次层叠。
本发明的具有以下有益效果 ： 本发明采用了真空熔渗工艺， 其是利用不锈钢与铜 的熔点差将纯铜熔化浸渗到不锈钢多孔层板中的技术工艺。该方法中由于不锈钢 / 铜梯度
复合材料过渡部件是由不锈钢按照一定梯度设计过渡至纯铜， 在保证热交换管具有铜的高 热导率的同时也保证了具有不锈钢的优良焊接性能。 附图说明
图 1 为本发明的不锈钢球珠分层堆垛结构示意图 ； 图 2 为本发明真空烧结后的不 锈钢多孔层板结构示意图 ； 其中●表示不锈钢球， ○表示空隙 ； 图 3 为本发明制备出的梯度 复合材料过渡部件在室温下的拉伸试验曲线图。具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细描述 ： 实施例 1 ： 本实施例的不锈钢 / 铜复合梯 度材料热交换过渡区部件的制造方法， 按照以下步骤进行 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉 按照 10 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 1h， 至不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在 刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢球珠， 使堆垛的孔隙率由 33.4％至 66.7％过渡 ( 如 图 1 所示 )， 堆垛完后在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 高温液相真空浸渗炉中真空烧结 时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1000℃保温 6h。真空烧结完成后得到孔隙率均 匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ( 如图 2 所示 ) ； (3) 将上述所得的不锈钢多孔层板按照孔 隙率自小到大的梯度依次层叠， 在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1300℃保温 2h， 烧结完成后得到梯度多孔不锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔隙率较大的一端向上放入刚玉坩埚中， 在梯 度 多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈钢球 600％的纯铜棒， 再用高温液相真空浸渗 炉加热至 1300℃熔渗纯铜保温 1h， 冷却后取出刚玉坩埚， 得到不锈钢 / 铜梯度复合材料过 渡区部件。 实施例 2 本实施例的不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法， 按 照以下步骤进行 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉按照 4 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 0.5h， 至 不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢球 珠， 使堆垛的孔隙率由 33.4％至 66.7％过渡 ( 如图 1 所示 )， 堆垛完后在高温液相真空浸渗 炉中真空烧结， 高温液相真空浸渗炉中真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 800℃保温 12h。真空烧结完成后得到孔隙率均匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ( 如图 2 所 示)； (3) 将上述所得的不锈钢多孔层板按照孔隙率自小到大的梯度依次层叠， 在高温液相 真空浸渗炉中真空烧结， 真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 800℃保温 12h， 烧结完成后得到梯度多孔不锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔 隙率较大的一端向上放入刚玉坩埚中， 在梯度多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈 钢球 200％的纯铜棒， 再用高温液相真空浸渗炉加热至 1100℃熔渗纯铜保温 6h， 得到不锈 钢 / 铜梯度复合材料过渡区部件。
实施例 3 本实施例的不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法， 按 照以下步骤进行 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉按照 12 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 2h， 至不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢 球珠， 使堆垛的孔隙率由 33.4％至 66.7％过渡， 堆垛完后在高温液相真空浸渗炉中真空烧 结， 高温液相真空浸渗炉中真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1300℃保温
2h。真空烧结完成后得到孔隙率均匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ； (3) 将上述所得的不锈 钢多孔层板按照孔隙率自小到大的梯度依次层叠， 在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 真 空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1300℃保温 2h， 烧结完成后得到梯度多孔 不锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔隙率较大的一端向上放入 刚玉坩埚中， 在梯度多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈钢球 600％的纯铜棒， 再用 高温液相真空浸渗 炉加热至 1300℃熔渗纯铜保温 0.5h， 得到不锈钢 / 铜梯度复合材料过 渡区部件。
实施例 4 本实施例的不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法， 按 照以下步骤进行 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉按照 5 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 1.5h， 至 不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢球 珠， 使堆垛的孔隙率由 33.4％至 66.7％过渡 ( 如图 1 所示 )， 堆垛完后在高温液相真空浸渗 炉中真空烧结， 高温液相真空浸渗炉中真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1000℃保温 8h。真空烧结完成后得到孔隙率均匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ( 如图 2 所 示)； (3) 将上述所得的不锈钢多孔层板按梯度依次层叠， 在高温液相真空浸渗炉中真空烧 结， 真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1100℃保温 7h， 烧结完成后得到梯度 多孔不锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔隙率较大的一端向上 放入刚玉坩埚中， 在梯度多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈钢球 400％的纯铜棒， 再用高温液相真空浸渗炉加热至 1200℃熔渗纯铜保温 5h， 得到不锈钢 / 铜梯度复合材料过 渡区部件。
实施例 5 本实施例的不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法， 按 照以下步骤进行 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉按照 7 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 1h， 至 不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢球 珠， 使堆垛的孔隙率由 33.4 ％至 66.7 ％过渡， 堆垛完后在高温液相真空浸渗炉中真空烧 结， 高温液相真空浸渗炉中真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1000℃保温 10h。真空烧结完成后得到孔隙率均匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ； (3) 将上述所得的不锈 钢多孔层板按照孔隙率自小到大的梯度依次层叠， 在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 真 空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 900℃保温 9h， 烧结完成后得到梯度多孔不 锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔隙率较大的一端向上放入刚 玉坩埚中， 在梯度多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈钢球 500％的纯铜棒， 再用高 温液相真空浸渗炉加热至 1200℃熔渗纯铜保温 3h， 得到不锈钢 / 铜梯度复合材料过渡区部 件。
实施例 6 本实施例的不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件的制造方法， 按照以下步骤进行 ： (1) 将不锈钢球珠与羰基镍粉按照 9 ∶ 1 的比例在球磨机中混合 2h， 至不锈钢球珠表面均匀涂覆一层羰基镍粉 ； (2) 在刚玉坩埚中分层堆垛完成球磨的不锈钢 球珠， 使堆垛的孔隙率由 33.4％至 66.7％过渡， 堆垛完后在高温液相真空浸渗炉中真空烧 结， 高温液相真空浸渗炉中真空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1300℃保温 2h。真空烧结完成后得到孔隙率均匀梯度分布的不锈钢多孔层板 ； (3) 将上述所得的不锈 钢多孔层板按照孔隙率自小到大的梯度依次层叠， 在高温液相真空浸渗炉中真空烧结， 真 空烧结时， 先升温至 400℃保温 30min， 再升温至 1300℃保温 3h， 烧结完成后得到梯度多孔不锈钢过渡接头 ； (4) 将上述所得的梯度多孔不锈钢过渡接头孔隙率较大的一端向上放入 刚玉坩埚中， 在梯度多孔不锈钢过渡接头的上方放入质量为不锈钢球 550％的纯铜棒， 再用 高温液相真空浸渗炉加热至 1200℃熔渗纯铜保温 4.5h， 冷却后取出刚玉坩埚， 得到不锈钢 / 铜梯度复合材料过渡区部件。
用以上工艺步骤制备出的不锈钢 / 铜复合梯度材料热交换过渡区部件进行拉伸 试验， 试验数据如图 3 和表 1 所示 ： 通过计算在断口处的抗拉强度为 320MPa， 从曲线的形状 来看其变形与断裂特性为非线 性弹性变形， 均匀塑性变形， 颈缩后聚集的塑性变形断裂， 与纯铜的断裂特性很相似， 但是比其抗拉强度 200 ～ 240MPa( 软态 ) 大 100MPa 左右。表 1 综上所述， 本发明将不锈钢 / 铜梯度复合材料过渡件过渡区部件与真空吸铸 技术相结合， 制造出光亮无缝完整的热交换管件， 大大提高了铸件的质量， 减少了铸件的次 品率， 并能实现铸件的净成型， 减少了后期加工工艺， 节约了制造成本， 提高了生产效率， 具 有显著的经济效益。 特别是在各种热循环条件下使用的换热器及冷凝器中具有显著的经济 效益。