[发明专利]一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纯铝材料的表面处理方法及其在铝/镍扩散连接中的应用。

背景技术

铝及铝合金具有低密度，高韧性，良好的热稳定性，以及良好的导电、导热性等优点，是目前应用最广泛的金属材料之一。镍是一种适用于各种苛刻腐蚀环境的金属材料，将这两种材料连接起来制成铝/镍复合构件可以充分发挥这两种材料的优良性能，具有重要的理论和实用意义。

由于纯铝表面极易形成一层致密的氧化铝薄膜，并且氧化铝的物理化学性质稳定，在焊接过程中很难自发分解或溶解于金属中。因此，目前广泛应用于铝及铝合金的连接方法主要为熔焊、搅拌摩擦焊等去膜效果比较好的焊接技术。而当需要实现异种材料连接或得到精密连接结构时，扩散连接是一种极为重要甚至唯一可靠的连接方法。扩散连接工艺简单，接头质量好，结构变形小，可连接大面积接头，是一种极具实用价值的高质量连接方法。对于铝及铝合金的扩散连接研究，主要采用提高扩散连接温度、延长保温时间或提高连接压力的方式来实现，这主要是由于铝极易在表面形成一层致密的氧化膜，对扩散连接有着很大的阻碍作用。因此对铝合金去除氧化膜十分重要，常见的去膜方法有化学法，变形法，等离子轰击法等，它们分别有易发生二次氧化，加工困难，设备成本高等缺点。

中国专利申请“一种加速制备合金涂层的方法”(专利公开号：1584102A)是在封闭振动容器内放置介质球，复合粉剂和待处理零件，同时将封闭容器放置于加热炉内，经过多个物理化学作用进而在金属表面形成金属化合物涂层。该方法设备复杂，表面处理温度高易发生化学反应生成金属化合物，在焊接领域中的应用会有很大限制。

发明内容

本发明的目的是减少铝表面氧化膜对原子扩散的阻碍作用得到优良的连接质量，避免因直接扩散连接而造成的母材性能下降，从而实现铝和镍的可靠连接。

本发明的一种用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理方法，它是采用机械振动表面处理法对纯铝表面进行处理；具体处理方法如下：

取纯铝进行软化退火处理后，粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入镍粉末和不锈钢小球，将不锈钢罐刚性固定于上下往复振动的振动台上，进行机械振动表面处理，即完成所述的用于铝/镍扩散连接的纯铝表面处理；其中，机械振动表面处理条件为：振动时间为 30～60min，振动幅度为5mm，振动频率为50Hz，小球直径为2.5～5mm，小球数量为100～200个；所述的镍粉末加入量为5～10g。

本发明提出的纯铝的机械振动表面处理过程：将纯铝板材线切割加工成厚度，大小合适的试样，在350℃下进行软化退火处理后，用502胶水粘于不锈钢罐子的底部，在罐中加入一定质量的镍粉末和一定数量不锈钢小球。将不锈钢罐刚性固定于可上下往复振动的振动台上，钢球会随振动试验机的振动产生无规则上下运动，粘着粉末与底部的纯铝试样发生反复碰撞，使纯镍粉末可以涂覆于纯铝母材表面甚至嵌入其中，达到表面处理的作用。

本发明提出的机械振动表面处理方法的原理：在球-粉-球的碰撞过程中，粉末得以细化并吸收小球带来的机械能。在球-粉-金属试样的不断碰撞过程中，粘着粉末的小球与纯铝母材之间的剧烈碰撞，有利于纯铝表面氧化膜的破碎，且纯镍粉末与纯铝母材之间由于碰撞导致的能量升高会不断发生冷焊，镍会部分镶嵌入纯铝母材，最终会形成厚度不均匀的涂层。

本发明具有以下有益效果：

用本发明提出表面处理方法处理后的铝母材与纯镍母材进行扩散连接，开始阶段，由于纯铝母材经过了机械振动表面处理后表面十分粗糙，在压力作用下表面发生变形会使部分氧化膜破碎，而且在表面处理的过程中，在小球的剧烈碰撞下部分氧化膜也会破碎进而被镍取代。然后在焊接压力和焊接温度的作用下纯铝母材先和纯铝进行表面处理时嵌入铝表面的镍先发生扩散反应。最后，纯铝母材与纯镍母材发生扩散反应，反应层与铝结合的界面呈锯齿状。

与常规扩散连接相比，对纯铝进行本发明提出的机械振动表面处理后得到的铝/镍扩散连接接头由于氧化膜的减少，原子扩散更充分，间隙更少，焊合率明显提高，连接质量得到了显著的改善。

本发明采用的机械振动对纯铝表面处理的方法具有成本低、操作简单、不易发生二次氧化等显著优点。

附图说明

图1为本发明机械振动表面处理方法示意图；

图2为本发明纯铝经过表面处理后的宏观表面形貌照片；

图3为本发明最佳处理工艺参数下得到的纯铝表面微观形貌背散射照片；

图4为本发明最佳工艺参数下得到的纯铝横截面形貌背散射照片；