受約束的金屬凸緣及其制造方法

專利名稱：受約束的金屬凸緣及其制造方法
技術領域：
本發明涉及產生受約束的金屬凸緣的方法，其允許連結高膨脹金屬物品與低膨脹材料。另外，本發明涉及帶凸緣金屬物品和包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的帶凸緣物品。
背景技術：
在目前用來連結由不同的材料制成的兩個構件的組裝技術之中，可發現傳統的機械組裝，由于體積、重量、成本和/或不良的動態行為的原因，常常發現傳統的機械組裝是不適合的。已知使用銅焊來將不同材料的兩個零 件組裝在一起。然而，這樣的技術往往難以用來將陶瓷構件連結到金屬構件上，因為兩種材料有非常不同的熱力學和物理化學屬性。例如，在陶瓷和金屬的熱膨脹系數之間的巨大差異可在包括連結到金屬構件上的陶瓷構件的物品中產生不合需要的殘余應力。這些應力可導致強度降低或導致有不密閉的接頭，并且可導致接頭失效。陶瓷典型地是脆性的，并且具有較小的忍受溫度和其它機械應力源的突變的能力。為了形成包括直接連結到金屬材料上的陶瓷構件的物品，常用的連結技術要求兩種材料的熱膨脹特性恰當地匹配。在本領域中已知金屬-陶瓷銅焊接頭的開發。典型地，這種方法要求金屬構件具有與陶瓷的熱膨脹系數密切匹配的熱膨脹系數(CTE)。這個要求嚴重限制了可用的材料選擇。CTE良好地匹配的材料可展現不合需要的特性，例如難以處理、成本高、化學相容性不良、耐環境性不足，以及在處理期間對化學污染敏感。因而，發現使得能夠將諸如陶瓷的脆性低膨脹材料連結到諸如金屬的高強度高膨脹材料上的新技術是非常合乎需要的。另外，將合乎需要的是，這樣的新技術能夠用來將大范圍的金屬連結到大范圍的陶瓷材料上，以及其中最大程度地減小了被連結的物品之間的熱膨脹特性的巨大差異的負面影響。

發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種制造帶凸緣金屬物品的方法，該方法包括(a)將第一銅焊化合物施用到金屬物品的第一部分上；(b)用一定長度的約束金屬部件纏繞金屬物品的第一部分；以及(C)將金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件加熱到高于第一銅焊化合物的固相線溫度的溫度，以提供帶凸緣金屬物品，其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTE I，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。根據本發明的另一方面，提供了一種帶凸緣金屬物品，其包括(a)包括一定長度的約束金屬部件的金屬物品的經纏繞的第一部分；以及(b)與約束金屬部件以及金屬物品的經纏繞的第一部分的表面接觸的第一銅焊化合物；其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTEI，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。根據本發明的另一方面，提供了一種帶凸緣物品，其包括(a)連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件，其中，用鑰線材纏繞帶凸緣金屬構件，并且其中，帶凸緣金屬構件包含鎳、鐵、鈷和鉻中的一種或多種；以及(b)與帶凸緣金屬構件以及鑰線材的表面接觸的第一銅焊化合物，其中，帶凸緣金屬構件具有熱膨脹系數CTE I，鑰線材具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I比CTE 2大至少100%。根據本發明的另一方面，提供了一種制造包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品的方法，其包括(a)將第一銅焊化合物施用到金屬物品的第一部分上；(b)用一定長度的約束金屬部件纏繞金屬物品的第一部分；(C)將金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件加熱到高于第一銅焊化合物的固相線溫度的溫度，以提供帶凸緣金屬物品，其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTE 1，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTEI大于CTE 2 ； (d)使帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分與第二銅焊化合物和陶瓷物品接觸，使得第二銅焊化合物設置在金屬物品的帶凸緣部分和陶瓷物品之間；以及(e)將帶凸緣金屬物品、第二銅焊化合物和陶瓷物品加熱到高 于第二銅焊化合物的固相線溫度的溫度，以提供包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品。根據以下詳細描述、附圖和所附權利要求，本發明的其它實施例、方面、特征與優點對本領域普通技術人員將變得顯而易見。


當參照附圖來閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面與優點將變得更好理解，在附圖中，相同符號在所有圖中表示相同部件，其中圖I是用于制造本發明的金屬凸緣的工藝流程圖。圖2是在熱處理之前的本發明的組件的橫截面圖的示意圖。圖3是在熱處理和形成凸緣之前的、包括圓柱形金屬物品、第一銅焊化合物和約束金屬部件的本發明的組件的示意圖。圖4是在熱處理之后的本發明的金屬凸緣的橫截面圖的示意圖。圖5是在熱處理之后的本發明的圓柱形金屬凸緣的示意圖。圖6是包括單層約束金屬部件的本發明的陶瓷物品和金屬凸緣的組件的示意圖。圖7是包括多層約束金屬部件的本發明的陶瓷物品和金屬凸緣的組件的示意圖。圖8是在熱處理之后的本發明的陶瓷物品和金屬凸緣的組件的示意圖。部件列表8在加熱之前的金屬凸緣10在加熱之后的金屬凸緣12陶瓷物品14金屬物品16金屬物品的端部部分/第一部分18第一銅焊化合物20約束金屬部件22因科鎳合金管的內表面24因科鎳合金管的頂表面26在管頂表面24和被包裹部分的頂部之間的間隔28在加熱之后的缸體的擴張部分
30第二銅焊化合物32包括連結到陶瓷構件12上的帶凸緣金屬構件10 (包括單層約束金屬部件20)的物品的一部分。34包括連結到陶瓷構件12上的帶凸緣金屬構件10 (包括多層約束金屬部件20)的物品的一部分。36帶凸緣金屬物品/包括連結到陶瓷物品12上的帶凸緣金屬物品10的物品。
具體實施例方式單數形式“一個”、“一種”和“該”包括復數個所指對象，除非上下文清楚地另有規 定。如本文所用，用語“銅焊化合物”包括諸如金金屬、銀金屬和鈀金屬的純材料以及諸如銀-銅銅焊合金、金-鎳銅焊合金和銀-銅-鋅銅焊合金的多成分銅焊材料兩者。在一個實施例中，本發明提供一種制造帶凸緣金屬物品的方法，該方法包括(a)將第一銅焊化合物施用到金屬物品的第一部分上；(b)用一定長度的約束金屬部件纏繞金屬物品的第一部分；以及(C)將金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件加熱到高于第一銅焊化合物的固相線溫度的溫度，以提供帶凸緣金屬物品，其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTE I，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。可在各種各樣的應用中使用根據本發明的方法所產生的凸緣，但是在期望將具有較低的熱膨脹系數(CTE)的材料連結到具有較高的熱膨脹系數的材料上時(例如在將金屬連結到陶瓷上時)它們特別有用。根據本發明的方法所產生的凸緣在這樣的意義上是“受約束”的金屬凸緣凸緣的熱膨脹特性相對于金屬物品起始材料而受約束金屬部件的限制。用作用于制備本發明的帶凸緣金屬物品的起始材料的金屬物品可為其中期望形成凸緣的任何金屬物品。適當的金屬物品的非限制性實例包括金屬的管、桿、板和容器。如所提到的那樣，金屬物品是用于制備本發明提供的帶凸緣金屬物品的起始點。構建金屬物品的適當的材料的非限制性實例包括金、鎳、鈦、銀、銅、鉬、鈀、鈮、鉭、鑰、合金625、鋯、鈷、鉻、不銹鋼和這些材料的組合。在一個實施例中，用來產生帶凸緣金屬物品的金屬物品包含了包含鎳的合金、包含鐵的合金、包含鈷的合金、包含銅的合金和包含鋁的合金中的至少一種。因而，在一個實施例中，金屬物品起始材料包括包含鎳的合金。在備選實施例中，金屬物品起始材料包括包含鐵的合金。在又一個實施例中，金屬物品包含了包含鎳和鐵的合金。在一些實施例中，金屬物品包含鈮。在一個實施例中，金屬物品由鈮基合金制成。在又一個實施例中，金屬物品基本由鈮組成。在各種實施例中，金屬物品可包含碳鋼、鎳合金、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、銅合金或招合金。在一些實施例中，金屬物品包含一種或多種超合金。本領域普通技術人員已知多種多樣的超合金，并且它們適于根據本發明的一個或多個實施例來使用。在一個實施例中，金屬物品包含選自由鎳基超合金、鐵基超合金、鈷基超合金和前述中的兩種或更多種的組合組成的組的一種或多種超合金。鎳基超合金由阿斯特羅洛伊鎳基超耐熱合金(Astroloy)、哈司特鎳合金(Hastelloy)、因科鎳合金(INC0NEL)、尼孟鎳合金(Nimonic)、派羅梅特鎳基耐熱合金(Pyromet)、雷內鎳基高溫耐蝕合金(Rene)、尤迪梅特鎳基耐熱合金(Udimet)和沃斯帕洛伊合金(Waspaloy)示出。鐵基超合金由迪卡洛耐熱鋼(Discaloy)和因科鎳鉻不銹鋼(Incoloy)示出。鈷基超合金由Airresist、埃爾基洛伊耐蝕游絲合金(Elgiloy)、MP35N和司太立特硬質合金(Stellite)示出。金屬物品可具有任何期望的形狀，例如圓柱形形狀、圓錐形形狀、球形形狀、長方形形狀、立方體形狀或者甚至不規則的形狀。在一些實施例中，金屬物品是缸體。在一個實施例中，圓柱形金屬物品具有在大約0.005英寸至大約0. 10英寸的范圍中的厚度。在一個具體的實施例中，圓柱形金屬物品具有大約0. 035英寸的厚度。在一個實施例中，金屬物品是管，例如，金屬物品是鎳合金管。在備選實施例中，金屬物品是桿。如所提到的那樣，是用于制備本發明提供的帶凸緣金屬物品的起始點的金屬物品具有第一銅焊化合物可施用到其上的第一部分。在一個實施例中，金屬物品的第一部分是端部部分。在備選實施例中，金屬物品的第一部分為 非端部部分，例如管的中間區段。如所提到的那樣，將是用于制備本發明提供的帶凸緣金屬物品的起始材料中的一種的第一銅焊化合物設置成使得其接觸金屬物品的第一部分和約束金屬部件兩者。在一個實施例中，在將約束金屬部件纏繞在金屬物品的第一部分的周圍之前，將第一銅焊化合物施用在金屬物品的第一部分上。在備選實施例中，在將約束金屬部件纏繞在金屬物品的第一部分的周圍之后，將第一銅焊化合物施用到金屬物品的第一部分上。可基于本領域普通技術人員已知的各種各樣的因素來選擇第一銅焊化合物，例如銅焊性能特性(例如銅焊溫度)和成本。在本領域中已知各種各樣的銅焊化合物，并且其可為單成分的銅焊化合物(例如諸如金、銀和鈀的較純的金屬)和多成分的銅焊化合物，例如銅焊合金，例如銀-銅銅焊合金、銀-鋅銅焊合金、銅-鋅銅焊合金、銀-銅-鋅銅焊合金、銀-銅-鋅-鎘銅焊合金、銅-磷銅焊合金、銀-銅-磷銅焊合金、金-銀銅焊合金、金-銅銅焊合金、金-鎳銅焊合金、金-鈀銅焊合金、鈀基銅焊合金、鎳基銅焊合金、鈷基銅焊合金、鋁基銅焊合金(例如鋁硅銅焊合金)，以及包含一種或多種活性金屬成分的銅焊合金。在一個具體的實施例中，第一銅焊化合物是較純的金。在一個實施例中，第一銅焊化合物選自由金基銅焊化合物、銅基銅焊化合物、銀基銅焊化合物、鉬基銅焊化合物、鈀基銅焊化合物、鈦基銅焊化合物、釩基銅焊化合物、鎳基銅焊化合物和它們的組合組成的組。在一些其它實施例中，第一銅焊化合物是活性銅焊化合物，有時在本文中也稱為活性銅焊合金。本領域普通技術人員已知多種多樣的銅焊化合物和活性銅焊化合物，并且它們可商購獲得。如所提到的那樣，一定長度的約束金屬部件與第一銅焊化合物結合起來使用，以形成帶凸緣金屬物品。如其名稱所暗示的那樣，約束金屬部件在熱處理和隨后的冷卻期間約束金屬物品。約束金屬部件可包括(但不限于)繩股、細絲、線材、多細絲繩纜、線性約束條、片、帶、穿孔帶和箔。在一個實施例中，約束金屬部件是單細絲線材。在備選實施例中，約束金屬部件是多細絲線材。在一個實施例中，約束金屬部件是具有長度和寬度的尺寸的線性物品，并且其特征在于高的縱橫比。線性的意思是，約束金屬部件易于纏繞或包裹在金屬物品的周圍。如本文所用，用語“縱橫比”指的是所采用的各個約束金屬部件的長度與寬度的比。例如，單細絲線材的縱橫比指的是單細絲線材的長度與單細絲線材的寬度(或厚度)的比。在一些實施例中，約束金屬部件或者部分地或者完全地纏繞在金屬物品的第一部分的周圍。例如，約束金屬部件可為纏繞在金屬物品的第一部分的周圍的線材。在各種實施例中，通過在金屬物品的第一部分的周圍產生多圈來將約束金屬部件纏繞在金屬物品的周圍。約束金屬部件的圈數可取決于金屬物品的大小、約束金屬部件的長度和金屬物品的熱膨脹特性而改變。在一些實施例中，用約束金屬部件纏繞金屬物品，使得約束金屬部件在金屬物品的第一部分的表面上形成一個或多個層。在一些實施例中，可用兩個或更多個約束金屬部件一個在另一個上來纏繞金屬物品，以形成在金屬物品上包括多層約束金屬部件的組件。在各種實施例中，約束金屬部件的縱橫比在大約10至大約10000的范圍中。在一個實施例中，約束金屬部件的縱橫比在從約10至大約1000的范圍中。在又一個實施例中，約束金屬部件的縱橫比在大約10至大約100的范圍中。在一個實施例中，約束金屬部件具有固定的長度和可變的寬度(或厚度)，在這種情況下，可通過約束金屬部件的長度與其平均寬度(或厚度)的比來確定約束金屬部件的縱橫比。約束金屬部件可選擇成在升高的溫度下具有低的熱膨脹系數和高的彈性模數。可按這樣的方式來將約束金屬部件纏繞到金屬物品的第一部分的周圍允許金屬物品的第一部分在受加熱后膨脹成與約束金屬部件密切 配合地接觸。在各種實施例中，可通過最初將約束金屬部件纏繞在金屬物品的周圍有多緊來控制產生的凸緣的尺寸。在金屬物品、約束金屬部件和銅焊化合物的組件被加熱時，金屬物品比約束金屬部件有更大程度的膨脹，而且如所提到的那樣，金屬物品密切配合地接觸約束金屬部件。在冷卻之后，在金屬物品和約束金屬部件之間的密切接觸阻止金屬物品的與約束金屬部件和第一銅焊化合物密切配合地接觸的那部分收縮。如所提到的那樣，約束金屬部件典型地由具有較低的CTE的、可合適地成形(例如塑造成箔或線材)以便于其用作約束金屬部件的材料構成。在一個實施例中，約束金屬部件包含鑰、鎢、碳化硅、熔凝石英、石墨或玻璃中的至少一種。在一個實施例中，約束金屬部件選自由鉿部件、鋯部件、鉻部件、鎳部件、鐵部件、鑰部件、鈮部件和前述中的兩種或更多種的組合組成的組。如本文所用，用語鉿部件、鋯部件、鉻部件、鎳部件、鐵部件、鑰部件和鈮部件指的是包含前面提到的元素中的一種或多種的約束金屬部件。因而，鉿部件包含鉿，鋯部件包含鋯，鉻部件包含鉻，鎳部件包含鎳，鐵部件包含鐵，鑰部件包含鑰，而鈮部件包含鈮。本領域普通技術人員將理解，約束金屬部件可包含呈其元素形式的金屬、金屬合金或沒有資格作為呈其元素形式的金屬或其金屬合金的金屬物質。在一個具體的實施例中，約束金屬部件是鑰部件，并且包含元素鑰。在備選實施例中，約束金屬部件是包含鑰合金的鑰部件。在一個實施例中，約束金屬部件包含鑭鑰。鑭鑰可為其它鑰基材料的有用的替代物。在一個實施例中，約束金屬部件由包含大約0. 875%的La2O3的鑭鑰構成。在一個具體的實施例中，約束金屬部件是鑰線材。鑰具有小于適于構建金屬物品起始材料的材料的各種鎳基超合金的熱膨脹系數的熱膨脹系數。在下面的表I中示出了一些示例性金屬材料的CTE。如可在表中看到的那樣，適于用作約束金屬部件的鑰金屬具有顯著地低于適于用作金屬物品的材料的因科鎳合金625的CTE。表I :多種金屬材料的CTE
材料CTE
在20°C處或在20°C附近為7. IX 10_6/°C "11在 20°C處或在 20°C 附近為 4. 8X 10_6/°C因科鎳合金625~ 在20°C處或在20°C附近為13. 1X10_6/°C鑰的額外的性質在于其比各種鎳基超合金具有顯著地更高的彈性模數。如所提到的那樣，在一個實施例中，約束金屬部件由鑰合金構成。鑰及其合金典型地在升高的溫度下保持有用的機械屬性。由于鑰及其合金的熱屬性和機械屬性的原因，使用包含鑰和/或鑰的合金的約束金屬部件可為尤其有利的。在某些實施例中，鎢和碳化硅也可有利地用作構建約束金屬部件的材料。在一個實施例中，薄的鑰線材可在鎳合金管的端部部分(金屬物品的第一部分)的周圍纏繞多次，金銅焊化合物設置在鎳合金管的端部部分的外表面上，使得金銅焊化合物接觸管的外表面和鑰線材兩者。然后這個組件受加熱，并且隨后被冷卻，以產生帶凸緣金屬物品。在另一個實施例中，薄的鑰線材可纏繞在鎳合金 管上，并且將金銅焊化合物施加到管的經纏繞的部分上，使得金銅焊化合物接觸鑰線材。然后這個組件可受加熱且隨后被冷卻，以產生帶凸緣金屬物品。可取決于金屬物品的膨脹和收縮特性來恰當地調節約束金屬部件的寬度，以便控制產生的凸緣的大小和形狀。在一些實施例中，約束金屬部件是尺寸較均勻且具有在大約0. 005英才至大約0. 025英寸的范圍中的直徑的線材，并且例示了 “薄”線材。在一個具體的實施例中，約束金屬部件的直徑為大約0.012英寸。例如，約束金屬部件可為具有在大約0. 005英寸至大約0. 025英寸的范圍中的直徑的鑰線材，而在一個具體的實施例中，約束金屬部件是具有大約0. 012英寸的直徑的鑰線材。典型地，約束金屬部件在金屬物品的第一部分的周圍纏繞多次，但是在某些實施例中可能不需要多匝，例如在約束金屬部件呈帶的形式時。但是，典型地，約束金屬部件在金屬物品的第一部分的周圍纏繞兩次或更多次。在一個實施例中，約束金屬部件纏繞成使得金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件包含5匝至1000匝。在備選實施例中，約束金屬部件纏繞成使得金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件包含10匝至100匝。在又一個實施例中，約束金屬部件纏繞成使得金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件包含10匝至25匝。如所提到的那樣，用來制備本發明的帶凸緣金屬物品的金屬物品具有大于約束金屬部件的CTE 2的熱膨脹系數CTE I。在各種實施例中，CTE I必須大于CTE 2，以便約束金屬部件發揮其功能，即在加熱和冷卻期間限制金屬物品的膨脹和收縮。在一個實施例中，CTE I比CTE 2大至少10%。在另一個實施例中，CTE I比CTE 2大大約10%至大約300%。在備選實施例中，CTE I比CTE 2大大約50%至大約250%。在又一個實施例中，CTE I比CTE 2大大約35%至大約225%。在一個具體的實施例中，CTE I比CTE 2大大約200%。在一個實施例中，金屬物品包含具有比包含鑰的約束金屬部件的CTE(CTE2)大大約200%的CTE (CTE I)的鎳合金。如所提到的那樣，本發明的一個實施例提供帶凸緣金屬物品，其包括(a)包括一定長度的約束金屬部件的金屬物品的經纏繞的第一部分；以及(b)與約束金屬部件以及金屬物品的經纏繞的第一部分的表面的接觸的第一銅焊化合物；其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTEl，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。在本發明的另一個實施例中，帶凸緣金屬物品包括(a)連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件，其中，帶凸緣金屬構件纏繞有鑰線材，并且其中，帶凸緣金屬構件包含鎳、鐵、鈷和鉻中的一種或多種；以及(b)與帶凸緣金屬構件以及鑰線材的表面接觸的第一銅焊化合物，其中，帶凸緣金屬構件具有熱膨脹系數CTE I，鑰線材具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I比CTE 2大至少100%。在一個實施例中，本發明提供一種制造包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品的方法，該方法包括(a)將第一銅焊化合物施用到金屬物品的第一部分上；(b)用一定長度的約束金屬部件纏繞金屬物品的第一部分；(C)將金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件加熱到高于第一銅焊化合物的固相線溫度的溫度，即典型地在大約300°C至大約2500°C的范圍中的溫度，以提供帶凸緣金屬物品，其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTE I，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2 ; (d)使帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分與第二銅焊化合物和陶瓷物品接觸，使得第二銅焊化合物設置在金屬物品的帶凸緣部分和陶瓷物品之間；以及(e)將帶凸緣 金屬物品、第二銅焊化合物和陶瓷物品的組件加熱到高于第二銅焊化合物的固相線溫度的溫度，即典型地在大約300°C至大約2500°C的范圍中的溫度，以提供包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品。本領域普通技術人員將理解，以上加熱步驟(c)和(e)在本文中有時可稱為“銅焊”步驟；步驟(c)表示第一銅焊步驟，而步驟(e)表示第二銅焊步驟，各個步驟的特征在于，銅焊溫度高于第一銅焊化合物和第二銅焊化合物的固相線溫度。典型地，執行第二銅焊步驟時所處的溫度(第二銅焊溫度)低于執行第一銅焊步驟時所處的溫度(第一銅焊溫度)。這個預防措施可幫助防止在第一銅焊步驟中形成的銅焊接頭由于第二銅焊步驟中的熱處理而有有害的變化。如本領域普通技術人員將理解的那樣，根據本發明的方法來連結到陶瓷物品上的帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分可為端部凸緣或不是端部凸緣的凸緣。在一個實施例中，將第二銅焊化合物施用到形成于帶凸緣金屬物品的端部部分處的凸緣上，然后將該端部部分連結到陶瓷物品上。第二銅焊化合物可與第一銅焊化合物相同或不同，但是，如所提到的那樣，第二銅焊化合物典型地不同于第一銅焊化合物。可用作第二銅焊化合物的適當的銅焊化合物包括關于第一銅焊化合物所示出的那些。在一個實施例中，第二銅焊化合物選自由金、金銅焊合金、銅銅焊合金、銀、銀銅焊合金、鈀、鈀銅焊合金、鈦銅焊合金、釩銅焊合金、鎳銅焊合金和前述銅焊化合物中的兩種或更多種的組合組成的組。在一些實施例中，第二銅焊化合物是促進陶瓷表面的濕潤的活性銅焊化合物。在一個實施例中，活性銅焊化合物包括選自由鈦、鋯、鉻和釔組成的組的一種或多種活性元素。在另一個實施例中，活性銅焊化合物包含一種或多種稀土兀素。將帶凸緣金屬物品、第二銅焊化合物和陶瓷物品的組件加熱到高于第二銅焊化合物的固相線溫度的溫度以及隨后冷卻該組件會在帶凸緣金屬構件(帶凸緣金屬物品)和陶瓷構件(陶瓷物品)之間產生堅固的接頭。帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分(凸緣)仍然受到約束金屬部件的約束，并且因而在加熱期間相對于形成它的金屬物品或其所連結的陶瓷物品展現更小的膨脹(或者在冷卻期間展現更小的收縮)。因而，在各種實施例中，約束金屬部件會補償在金屬物品起始材料和其所期望附連的陶瓷構件之間的熱膨脹特性的失配。通過控制連結到陶瓷物品上的帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分中和帶凸緣部分周圍的熱膨脹特性，可連結帶凸緣金屬物品和陶瓷物品，并且可在加熱和冷卻循環期間避免對陶瓷物品有損害。
在一個實施例中，在根據本發明的方法來組裝包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品時，可調節約束金屬部件的寬度，以優化帶凸緣金屬構件和陶瓷構件兩者的熱膨脹特性之間的匹配。如本領域普通技術人員將理解的那樣，所采用的銅焊化合物的量應當足以在第一銅焊化合物的情況下在金屬物品和約束金屬部件之間，以及在第二銅焊化合物的情況下在帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分和陶瓷物品之間產生堅固的結合。在一些實施例中，施用到金屬物品或帶凸緣金屬物品上的第一銅焊化合物或第二銅焊化合物具有在大約0.0001英寸至大約0.05英寸的范圍中的厚度。例如，金銅焊化合物可施用到金屬物品上，并且具有在大約0. 001英寸至大約0. 005英寸的范圍中的厚度。在另一個實例中，施用到金屬物品上的金銅焊化合物具有大約0.002英寸的厚度。可按各種物理形式來施用銅焊化合物。例如，除了別的以外，可將銅焊化合物作為箔、板條、線材、 膏、預成型件或漿來進行施用。在一個實施例中，銅焊化合物是瞬態液相(TLP)銅焊化合物。在一個實施例中，本發明采用第一銅焊化合物和第二銅焊化合物，它們中的各個均是TLP銅焊化合物。在其中必須在本發明提供的物品中產生多個銅焊接頭以及其中在相同或不同的銅焊溫度下以單獨的銅焊步驟來產生銅焊接頭的情況下，使用TLP銅焊化合物可為有利的。在備選實施例中，本發明提供一種制備包括在單個加熱循環中形成的多個銅焊接頭的帶凸緣金屬物品的方法。參照圖1，其顯示了用于制造本發明的金屬凸緣的工藝流程圖(步驟1-3)，其包括步驟I :將第一銅焊化合物施用到鎳合金管的外部端部部分上。然后，在步驟2中，將鑰線材纏繞在步驟I中用第一銅焊化合物處理過的管的節段的周圍。然后在步驟3中，對管、第一銅焊化合物和鑰線材的組件進行熱處理和冷卻而形成金屬凸緣。該圖進一步示出了用于制備包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品的方法(步驟1-6)。因而，在步驟1-3之后，在步驟4中，將第二銅焊化合物設置在暴露的管端(帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分)上，并且在步驟5中，使陶瓷物品與第二銅焊化合物接觸，以在金屬凸緣和陶瓷物品之間形成連接。最后，在步驟6中，對帶凸緣金屬物品、第二銅焊化合物和陶瓷物品的組件進行熱處理和冷卻，以在它們之間實現堅固的接頭，并且提供包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的制成品。圖2是本發明提供的組件8的橫截面圖的示意圖。不存在凸緣，因為圖2表示加熱之前的組件。組件8包括金屬物品14、設置在金屬物品14的端部部分16上的第一銅焊化合物18，以及纏繞在金屬物品的端部部分的周圍且接觸第一銅焊化合物的一定長度的約束金屬部件20。圖3顯示了金屬缸體的示意圖，待使用本發明的方法來修改該金屬缸體而產生帶凸緣金屬物品。如在圖2中那樣，不存在凸緣，因為圖表示在熱處理和形成凸緣之前的本發明的組件。在一些實施例中，金屬物品14是鎳合金管，第一銅焊化合物18是金銅焊化合物，而約束金屬部件20是鑰線材，其中，鑰線材纏繞在具有內表面22和管頂表面24的管的周圍。在圖3中顯示的實施例中，在管頂表面24和包括約束金屬部件20的組件的被包裹部分的頂部之間存在間隔26。在某些實施例中，使間隔26保持盡可能地小，以便最大程度地減少不接觸約束金屬部件和銅焊化合物的管的部分。最大程度地減小間隔26可幫助在將管的頂部部分連結到陶瓷物品上時減少變形和/或裂紋的形成。
圖4是顯示了本發明提供的帶凸緣圓柱形金屬物品10的橫截面圖的示意圖。顯示了約束金屬部件20在金屬物品14的端部部分16的周圍纏繞多次，其中，第一銅焊化合物18設置在端部部分上，使得第一銅焊化合物18接觸物品14的外表面和約束金屬部件20兩者。
現在參照圖5，圖表示由金屬缸體14制成的帶凸緣金屬物品10，已經使用本發明的方法來修改該金屬缸體14而產生帶凸緣金屬物品。纏繞有約束金屬部件20且與第一銅焊化合物18接觸的缸體14的端部部分16包括在對缺乏帶凸緣部分的金屬缸體、第一銅焊化合物18和約束金屬部件20的組件進行熱處理之后形成的凸緣28。如所提到的那樣，金屬缸體比約束金屬部件20有更大程度的膨脹，并且在加熱步驟期間與約束金屬部件密切配合地接觸。在冷卻之后，在金屬缸體和約束金屬部件20之間的密切接觸阻止與第一銅焊化合物和約束金屬部件接觸的金屬缸體的部分收縮，并且導致凸緣28 (也稱為擴張端部部分28)的形成。現在，參照圖6，該圖顯示了本發明提供的、包括連結到陶瓷構件12上的帶凸緣金屬構件10的物品32的橫截面圖的示意圖。在所顯示的實施例中，通過在帶凸緣金屬物品的頂表面24和陶瓷物品12之間施用第二銅焊化合物30來將帶凸緣金屬物品連結到陶瓷物品12上。帶凸緣金屬物品10可具有相容的形狀和大小，以連結到陶瓷物品12上。在一個示例性實施例中，帶凸緣金屬物品10與同心陶瓷缸體結合起來而存在。圖7顯示了本發明提供的、包括連結到陶瓷構件12上的帶凸緣金屬構件10的物品34的橫截面圖的示意圖。在所顯示的實施例中，包括包含多層約束金屬部件20的帶凸緣部分的帶凸緣金屬物品通過設置在帶凸緣金屬物品的頂表面24和陶瓷構件12之間的第二銅焊化合物30來連結到陶瓷物品12上。圖8示出了本發明提供的、包括連結到陶瓷物品12上的帶凸緣金屬物品10的物品36。在圖7中示出的實施例中，帶凸緣金屬物品10包括凸緣28、第一銅焊化合物18，以及纏繞在已經根據本發明的一個或多個實施例經受熱處理和凸緣的形成的起始金屬物品14的第一部分的周圍的約束金屬部件20。在一個實施例中，第一銅焊化合物18和第二銅焊化合物30可包含金基銅焊材料，并且可通過銅焊中采用的一種或多種連結技術來連結到金屬物品14上。可通過諸如包覆、裱糊、焊接、鍍覆、淀積、鑄造、機械附連或熱噴涂技術的各種各樣的方法來將銅焊化合物直接設置在金屬物品14的表面上。使用第二銅焊化合物30來將帶凸緣金屬構件10連結到陶瓷構件12上，并且第二銅焊化合物30可幫助適應由于帶凸緣金屬構件、第二銅焊化合物和陶瓷構件的組件的熱處理而引起的機械應變。第一銅焊化合物18和第二銅焊化合物30可為相同或不同的材料。在一個實施例中，第一銅焊化合物18和第二銅焊化合物30能夠在惡劣的環境中運行，例如其中銅焊接頭同時暴露于一種或多種腐蝕性化學物質(例如水和硫化氫氣體的氣態混合物)和高溫(例如500°C)的環境。這樣的環境在本文中有時稱為惡劣的熱化學環境。根據本發明的一個或多個實施例，可采用各種額外的層。例如，可將額外的金屬層設置在起始金屬物品的端部部分、銅焊化合物或包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的帶凸緣物品的陶瓷構件上。在一個實施例中，本發明提供包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的物品，其中，在第二銅焊化合物和陶瓷構件之間設置金屬中間層。這種金屬中間層可促進帶凸緣金屬構件與陶瓷構件的連結。這樣的額外的金屬層的適當的源包括金屬箔、涂層和粉末。在一個實施例中，額外的金屬層包含鑰和鎂，并且可通過本領域普通技術人員已知的一種或多種技術來結合到本發明提供的物品中。在一個實施例中，在本發明提供的物品中結合額外的層，以便促進特別的一個或多個表面的濕潤。例如，可采用包含鎳的濕潤層來增強第二銅焊化合物的連結相容性。可通過例如電鍍技術和無電鍍覆技術(例如無電鎳鍍)來制備適當的濕潤層。另外，可將各種保護涂層設置在銅焊化合物的上面。在一個實施例中，將保護涂層施用到第二銅焊化合物30(圖8)的暴露部分上，以便保護帶凸緣金屬構件和陶瓷構件之間的接頭不發生熱化學環境退化。實例材料使用具有5英寸的直徑和0. 25英寸的壁厚的脆性低膨脹氧化鋁管道作為陶瓷構件。待直接與陶瓷構件連結的高膨脹金屬物品是直 徑大致相同(5英寸)的0.035英寸厚的因科鎳合金 625管道。使用具有0.015英寸的直徑的30英尺長的鑰線材(Rembar公司)作為約束金屬部件，并且使用具有0. 002英寸的厚度、0. 5英寸的寬度和16英寸的長度的99. 99%的金箔(威廉姆斯高級材料公司(Williams AdvancedMaterials))作為第一銅焊化合物。使用PAIXUSIL 10 (摩根技術陶瓷-唯思古金屬分公司(Morgan TechnicalCeramics-Wesgo Metals Division))作為第二銅焊化合物。實例I :制備帶凸緣金屬物品將具有大約0. 035英寸的厚度的因科鎳合金 625片材卷成圓柱形形狀，并且對其進行縫焊，以產生具有大約4. 85英寸的直徑的管道。將金屬塞插入管道的端部中，以保持管道的圓度，以及在可旋轉軸線的周圍提供支承。將金箔第一銅焊化合物點焊到管道的端部部分的外表面上。用手將具有0. 015英寸的直徑的30英尺長的鑰線材纏繞在金箔第一銅焊化合物的頂部上。在管道的周圍產生多圈鑰線材，使得各圈(或匝)接近或接觸相鄰的圈，以及接觸第一銅焊化合物。然后將鑰線材的端部絞在一起，以使圈保持就位，并且將產生的組件置于真空加熱爐中，并且將該組件加熱到1107°C的溫度達一分鐘，以形成帶凸緣金屬物品。當使用金基銅焊化合物時，這種加熱規程是典型的。帶凸緣金屬物品在凸緣的區域中和凸緣的區域的周圍展現均勻的銅焊化合物流。在熱處理時，管道比鑰線材有更大程度的膨脹，并且與鑰線材密切配合地接觸。在冷卻之后，鑰線材約束管道的端部部分，并且阻止管道的端部部分收縮回其原來的形狀和大小，因此管道的端部部分則轉變成例如圖4中顯示的金屬凸緣。使用坐標測量機(CMM)來測量產生的管道的變形。用坐標測量機獲得的結果的分析認為，0. 04英寸厚的鑰線材對于結合這個實例中使用的0.035英寸厚的金屬物品的約束金屬部件來說可為最佳厚度。另夕卜，結果認為，使用0. 04英寸厚的鑰線材作為約束金屬部件將允許在產生的凸緣和氧化鋁陶瓷構件的熱膨脹特性之間有更好的匹配。實例2 具有0. 035英寸的厚度和大約5英寸的直徑的三個因科鎳合金@625管道被用金第一銅焊化合物處理、被纏繞0. 04英寸厚的鑰線材，以及如在實例I中經熱處理，以提供三個帶凸緣金屬物品。將第二銅焊化合物(PAIXUSIL-10)施用到三個帶凸緣金屬物品中的各個的帶凸緣部分的頂表面(參見例如圖5的元件24)上。然后使各自具有與帶凸緣金屬物品的帶凸緣部分大致相同的直徑和厚度的三個氧化鋁陶瓷管道接觸三個帶凸緣金屬物品中的各個，使得第二銅焊化合物接觸帶凸緣金屬物品和陶瓷管道兩者。然后根據以下加熱規程725°C /3小時、830°C /I分鐘和881°C /I分鐘，在真空下加熱帶凸緣金屬物品、第二銅焊化合物和陶瓷管道的組件，以將陶瓷管道連結到帶凸緣金屬物品上，以及獲得包括連結到陶瓷構件上的帶凸緣金屬構件的制成品。在鑰線材和因科鎳合金625管道之間的含金的銅焊接頭未受這個第二加熱步驟的干擾，因為第二銅焊化合物(PALCUSIL-10)在足夠低的溫度下有效地將陶瓷管道連結到帶凸緣金屬物品上，使得第一銅焊化合物在第二加熱規程期間沒有流動。對三個制成品中的各個進行拉伸測試。因而在因科鎳合金625管道的端部部分上施加拉伸載荷。記錄了 3635英尺-磅(物品I)、14898英尺-磅(物品2)和14414英尺-磅(物品3)的極限拉伸載荷。在銅焊化合物中直接觀察到因為在陶瓷管道構件和帶凸緣因科鎳合金625管道構件的連結表面之間的 第二銅焊化合物的覆蓋范圍不足的原因引起的第一零件的失效。在物品2和物品3的情況下，觀察到發生了在PAIXUSIL-10銅焊接頭的附近的陶瓷破裂引起的失效。一些陶瓷材料在失效之后在因科鎳合金625凸緣上保持完好，這表明銅焊接頭的強度超過了接頭附近的陶瓷管道的強度。比較性實例I :在約束金屬部件的情況下進行銅焊作為控制實驗，在沒有約束金屬部件的情況下，將像實例I和2中采用的那個一樣的因科鎳合金625管道銅焊到陶瓷管道上，以及因此，陶瓷管道在銅焊熱處理期間失效。這個結果符合預計在銅焊步驟期間在陶瓷中引起的應力將超過陶瓷的強度的分析。比較性實例I的結果與實例2中獲得的結果截然相反，在實例2中，物品的陶瓷部分在室溫下的殘余應力足夠地低，以允許在陶瓷失效之前添加顯著的額外拉伸載荷。雖然參照實例、比較性實例和示例性實施例來描述了本發明，但是本領域普通技術人員將理解，可作出各種改變，并且等效元件可代替用來描述本發明的聲明的元件，而不偏離發明人構思的本發明的范圍。另外，可對本發明的教導作出修改，以使其適于特定的應用，而不偏離發明人構思的本發明的范圍。因此，意圖的是本發明不限于公開的用于執行本發明的實施例，而是本發明包括落在意圖的權利要求的范圍內的所有實施例。本書面描述使用實例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。本發明的可授予專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這樣的其它實例具有不異于權利要求的字面語言的結構元素，或者如果這樣的其它實例包括與權利要求的字面語言無實質性差異的等效結構元素，則它們意圖處于權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種制造帶凸緣金屬物品(10)的方法，所述方法包括 (a)將第一銅焊化合物(18)施用到金屬物品(14)的第一部分(16)上； (b)用一定長度的約束金屬部件(20)纏繞所述金屬物品的所述第一部分(16);以及 (c)將所述金屬物品(14)、所述約束金屬部件(20)和所述第一銅焊化合物(18)的組件加熱到高于所述銅焊化合物的固相線溫度的溫度，以提供帶凸緣金屬物品(10)， 其中，所述金屬物品(14)具有熱膨脹系數CTE 1，所述約束金屬部件(20)具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，CTEI比CTE 2大至少10%。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述金屬物品包含一種或多種超合金。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述超合金選自由鎳基超合金、鐵基超合金、鈷基超合金和前述中的兩種或更多種的組合組成的組。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述金屬物品(10)是缸體。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一銅焊化合物(18)選自由金基銅焊化合物、銅基銅焊化合物、銀基銅焊化合物、鉬基銅焊化合物、鈀基銅焊化合物、鈦基銅焊化合物、釩基銅焊化合物、鎳基銅焊化合物和它們的組合組成的組。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述約束金屬部件(20)選自由鉿部件、鋯部件、鉻部件、鎳部件、鐵部件、鑰部件、鈮部件和前述中的兩種或更多種的組合組成的組。
8.一種帶凸緣物品(36)，包括 (a)連結到陶瓷構件(20)上的帶凸緣金屬構件(10)，其中，用鑰線材(20)纏繞所述帶凸緣金屬構件(10)，并且其中，所述帶凸緣金屬構件包含鎳、鐵、鈷和鉻中的一種或多種；以及 (b)與所述帶凸緣金屬構件(10)以及所述鑰線材(20)的表面接觸的第一銅焊化合物(18)， 其中，所述帶凸緣金屬構件(10)具有熱膨脹系數CTE 1，所述鑰線材具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I比CTE 2大至少100%。
9.根據權利要求8所述的帶凸緣金屬物品(36)，其特征在于，所述帶凸緣金屬構件(10)包括多層所述鑰線材(20)。
10.一種制造包括連結到陶瓷構件(12)上的帶凸緣金屬構件(10)的物品(36)的方法，所述方法包括 (a)將第一銅焊化合物(18)施用到金屬物品的第一部分(16)上； (b)用一定長度的約束金屬部件(20)纏繞所述金屬物品的所述第一部分； (c)將所述金屬物品(10)、所述約束金屬部件(20)和所述第一銅焊化合物(18)的組件加熱到高于所述第一銅焊化合物(18)的固相線溫度的溫度，以提供帶凸緣金屬物品(36)，其中，所述金屬物品(14)具有熱膨脹系數CTE 1，所述約束金屬部件(20)具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE I大于CTE 2 ； (d)使所述帶凸緣金屬物品(36)的帶凸緣部分(10)與第二銅焊化合物(30)和陶瓷物品(12)接觸，使得所述第二銅焊化合物設置在所述金屬物品的所述帶凸緣部分和所述陶瓷物品之間；以及 (e)將所述帶凸緣金屬物品、所述第二銅焊化合物和所述陶瓷物品的組件加熱到高于所述第二銅焊化合物的固相線溫度的溫度，以提供包括連結到所述陶瓷構件上的所述帶凸緣金屬構件的所述 物品。
全文摘要
本發明涉及受約束的金屬凸緣及其制造方法。本發明提供一種制造帶凸緣金屬物品的方法。該方法包括(a)將第一銅焊化合物施用到金屬物品的第一部分上；(b)用一定長度的約束金屬部件纏繞金屬物品的第一部分；以及(c)將金屬物品、約束金屬部件和第一銅焊化合物的組件加熱到高于第一銅焊化合物的固相線溫度的溫度，即典型地在大約300℃至大約2500℃的范圍中的溫度，以提供帶凸緣金屬物品，其中，金屬物品具有熱膨脹系數CTE 1，約束金屬部件具有熱膨脹系數CTE 2，并且CTE 1大于CTE 2。本發明進一步提供一種金屬凸緣，它最大程度地減小高膨脹金屬和低膨脹脆性材料之間的熱膨脹失配。
文檔編號B23K31/02GK102672357SQ20121005033
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者D·M·利普金, J·D·范達姆, K·K·丹尼克, K·S·哈蘭, M·S·彼得森二世 申請人:通用電氣公司