[发明专利]一种锆钢层状复合材料的超声波固结成形方法

说明书

本发明公开了一种锆钢层状复合材料的超声波固结成形方法，包括如下步骤：1)对锆板和钢板的焊接面进行表面清洁处理，2)锆板在上，钢板在下堆叠构成单元体，3)将单元体置于超声波固结成形工作台上，预热升温，4)利用超声波固结成形设备按一定的路径进行焊接,直至锆钢复合成形。本发明属于低温制造，锆钢以物理冶金方式结合，扩散层薄，生产成本低，效率高。

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种锆钢层状复合材料的超声波固结成形方法。

技术背景

锆是一种稀有金属，具有易加工、耐蚀性好和热中子吸收截面低等优点，特别是锆的耐蚀性能优于不锈钢、钛、镍合金等而越来越多应用于石油、化工等行业，但是往往受到锆价格的限制。锆钢复合板可取代纯锆用于制造压力容器，不仅降低制造成本，而且极大节约了锆资源。所以锆与钢的复合在工程中是一项重要技术，但目前还没有找到一种令人十分满意的方法。锆合金与钢的复合存在一定困难，这主要存在两个方面原因：一是脆性金属间化合物的形成，使得接头的机械强度和耐腐蚀性降低；二是两种材料的热膨胀系数相差极大，连接后会造成很大的内应力。目前在国内主要是利用爆炸焊的手段制备锆钢复合板，而国外则更多利用扩散焊接这一技术来研究锆与钢的复合。爆炸焊的工艺极为复杂，操作困难，且十分危险，很难控制结合层的厚度以及成分；而扩散连接的温度高于850℃，扩散区域会出现多种硬度极高的金属间化合物。

近年来，在金属超声波固结(UltrasonicConsolidation，UC)成形技术基础上发展起来的超声波增材制造(UltrasonicAdditiveManufacturing，UAM)技术引起了国内外的普遍关注。UAM技术采用大功率超声能量，利用金属层与层振动摩擦产生的热量，使材料局部发生剧烈塑性变形，从而达到原子间的物理冶金结合，是实现同种或异种金属材料间固态连接的一种特殊方法。在金属超声波固结成形过程中既不需向工件输送电流，也不用向工件施以高温热源，只需在静压力作用之下，将弹性振动能量转换为工件界面间的摩擦功、形变能及有限的温升，使固结区域的金属原子瞬间被激活，通过金属塑性变形过程中界面处的原子相互扩散渗透，实现金属间的固态连接。金属超声波焊接类似于摩擦焊，但其焊接时间很短，局部焊接区温度低于金属的再结晶温度，并且与压力焊相比，其所需施加的静压力小得多。该技术具有以下优点：

(1)超声波固结过程是固态连接成形，温度低，一般是金属熔点的25％～50％，因此材料内部的残余内应力低，结构稳定性好，成形后无须进行去应力退火。

(2)节省能源，所消耗的能量只有传统成形工艺的5％左右；不产生任何焊渣、污水、有害气体等废物污染，因而是一种节能环保的快速成形与制造方法。

(3)该技术不仅可用于金属基复合材料和结构、金属泡沫和金属蜂窝夹芯结构面板的快速铺设成形和制造，还可以通过把功能元器件植入其中，制备出智能结构和零部件。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种便于操作，成本较低，无污染的锆钢层状复合材料的超声波固结成形方法。

技术方案：本发明公开了一种锆钢层状复合材料的超声波固结成形方法，包括如下步骤：

(1)对锆板和钢板的焊接面进行表面清洁处理；

(2)按照锆板在上，钢板在下的顺序堆叠构成单元体；

(3)将所述单元体置于超声波固结成形工作台上，预热升温；

(4)利用超声波固结成形设备按一定的路径进行焊接,直至锆钢复合成形。具体的，上述钢板为单层结构，锆板为单层或多层结构。

当锆板采用多层结构时，锆板采用逐层固结的方法，先在钢板上固结第一层锆板，然后在第一层锆板上固结第二层锆板、第三层锆板.....依次逐层固结。