使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法
【專利摘要】本發明公開了一種使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法，包括如下步驟：對非晶合金和銅片進行切割、研磨、拋光和清洗，同時用刀片將中間層劃分成規定的尺寸，對非晶合金薄片，中間層以及銅薄片進行組裝和固定，以形成固定后的工件，將固定后的工件放進真空擴散爐中，使中間層溶解于非晶合金薄片與銅薄片中實現擴散焊接。本發明使用中間層能夠降低擴散溫度，使得非晶合金薄板在擴散后中仍然保持非晶態。復合結構具有非晶合金的強度和銅的韌性，能阻斷非晶合金塑性變形時剪切帶的延伸，從而避免了純非晶合金材料容易脆斷的問題，增強抗剪切能力，焊接后薄片表面質量高，連接可靠。
【專利說明】使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于擴散焊接領域，更具體地，涉及一種使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法。
【背景技術】
[0002]非晶合金是20世紀材料領域的重大發現，材料內部原子排列呈長程無序短程有序結構，沒有位錯和晶界等缺陷。這種獨特的結構使非晶合金材料具有許多優異的性能，如高強度、硬度、耐磨性、耐蝕性、優異的軟磁性等，在軍事、微/納制造、體育器材、光通訊、光集成、激光、新型太陽能電池、高效磁性和輸電材料等領域有著廣泛的應用前景。非晶合金是極具前途的新結構材料與功能材料，不僅有著很好的科學研究價值、而且還有巨大的市場前景。
[0003]然而，現有非晶合金材料存在以下問題:其在室溫下具有較大的脆性，抗剪切能力差，且其作為新型工程材料的應用價值被大大限制。采用擴散制備多層非晶合金與銅復合結構，能夠大大增強材料的抗剪切能力。而使用非晶合金與銅直接擴散焊接時，需要選擇較高的溫度，這會導致非晶合金在擴散過程中發生晶化，從而失去材料本身的優異性能。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法，其目的在于，解決現有方法中無法在較低的溫度下直接擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的技術問題。
[0005]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法，包括以下步驟:
[0006](I)對非晶合金薄片及銅薄片進行切割、打磨、拋光和清洗，用刀片將鋁箔劃分成與非晶合金薄片同樣的長寬，作為非晶合金薄片與銅薄片擴散焊接的中間層，并對中間層進行清洗；
[0007](2)對非晶合金薄片、中間層及銅薄片進行組裝和固定，以形成固定的工件；本步驟具體包括以下步驟:
[0008](2-1)在WC硬質合金下壓頭上放置止焊層；
[0009](2-2)在止焊層上依次交叉放置非晶合金薄片、中間層和銅薄片，最后壓上WC硬質合金上壓頭；
[0010](2-3)依次套上模具組合外套和模具外套，以形成固定后的工件；
[0011](3)將固定后的工件放進真空擴散爐中進行焊接，本步驟具體包括以下子步驟:
[0012](3-1)將固定后的工件置于真空擴散焊設備下壓頭上，調整擴散焊設備上壓頭，以產生5至20MPa的預緊力；
[0013](3-2)關閉真空室門，打開真空擴散爐開始抽真空；
[0014](3-3)當真空度在IX KT3Pa至IXlO-2Pa時，開始加熱，加熱速率為10至15°C /min ；
[0015](3-4)加熱至370°C至450°C時，保溫30min至50min，同時施加90MPa的保溫壓力。
[0016](3-5)保溫過程結束后，卸載保溫壓力，工件隨爐冷卻至室溫。
[0017]優選地，非晶合金材料為Zr41Ti14Cu12.5Ni1QBe22.5 及 Zr55Cu30Al10Ni5 薄板。
[0018]優選地，步驟(I)包括以下子步驟:
[0019](1-1)采用切片機將非晶合金、鋁箔及銅板材切割成規定尺寸；
[0020](1-2)用刀片將鋁箔劃分成與非晶合金包片相同的長寬；
[0021](1-3)先后用細顆粒砂紙和金相拋光布磨平非晶合金薄片及銅薄片的待焊接表面并拋光，以去除表面氧化層；
[0022](1-4)將非晶合金薄片，中間層及銅薄片放在丙酮中進行超聲波清洗，以去掉表面油脂雜質；
[0023](1-5)將非晶合金薄片，中間層及銅薄片放在無水乙醇中進行第二次超聲波清洗，并在清洗干凈后放在干凈的無水乙醇中保存。
[0024]優選地，步驟(1-3)中非晶合金與銅薄片拋光后的厚度為0.1至0.5_。
[0025]優選地，鋁箔的厚度為5至20um。
[0026]優選地，止焊層是由陶瓷片或石墨片制成。
[0027]優選地，非晶合金薄片、中間層和銅薄片的層數為3至20層。
[0028]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果:
[0029]1、本發明的復合結構可阻斷非晶合金材料在剪切過程中剪切帶的延伸，從而避免了純非晶合金材料脆性大的問題，增強了抗剪切能力:
[0030]2、本發明采用真空擴散焊接非晶合金薄片與晶態金屬薄片，形成良好的焊接區；
[0031]3、本發明通過在合適保溫壓力下調整焊接溫度與焊接時間的配合，能夠使焊接后的非晶材料繼續保持非晶特性，材料結構和性能不僅沒有破壞，復合結構材料的抗剪切性較純非晶合金材料得到很大的提高，韌性增強，焊接后薄片表面質量高、連接可靠；
[0032]4、本發明操作簡單，制造成本及性能方面均有明顯優勢，適用范圍廣，便于推廣使用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法的流程圖。
[0034]圖2是本發明對非晶合金薄片、中間層及銅薄片進行組裝和固定的示意圖。
[0035]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0036]1-真空擴散焊設備上壓頭；2_WC硬質合金上壓頭；3_止焊層；4_非晶合金薄片；5-組合模具套；6_模具外套；7_真空擴散焊設備下壓頭；8-WC硬質合金下壓頭；9_銅薄片；10-中間層。
【具體實施方式】
[0037]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0038]如圖1所示，本發明擴散焊制備多層非晶合金與銅復合結構的方法包括以下步驟:
[0039](I)對非晶合金薄片及銅薄片進行切割、打磨、拋光和清洗，用刀片將鋁箔劃分成與非晶合金薄片同樣的長寬，作為非晶合金薄片與銅薄片擴散焊接的中間層，并對中間層進行清洗;在本實施方式中，非晶合金材料包括Zr41Ti14Cu12.5Ni1QBe22.5和Zr55Cu30Al10Ni5,晶態金屬材料為鋯，鋁箔的厚度為5至20um ;本步驟具體包括以下子步驟:
[0040](1-1)采用切片機分別切割非晶合金薄片及晶態金屬薄片，非晶合金薄片及銅薄片的厚度同為0.1至0.5mm,同時用刀片將鋁箔劃分成和非晶合金薄片相同的長寬作為非晶合金薄片與銅薄片擴散焊接的中間層；
[0041](1-2)先后用細顆粒砂紙和金相拋光布磨平非晶合金薄片及銅薄片的待焊接表面并拋光，以去除表面氧化層；
[0042](1-3)將非晶合金薄片、中間層及銅薄片放在丙酮中進行超聲波清洗，以去掉表面油脂雜質，非晶合金與銅薄片拋光后的厚度為0.1至0.5mm ;
[0043](1-4)將非晶合金薄片、中間層及銅薄片放在無水乙醇中進行第二次超聲波清洗，并在清洗干凈后放在干凈的無水乙醇中保存；
[0044](2)對非晶合金薄片及晶態金屬薄片進行組裝和固定；如圖2所示，本步驟具體包括以下子步驟:
[0045](2-1)在WC硬質合金下壓頭8上放置止焊層3 ;在本實施例中，止焊層3是由陶瓷或石墨片制成；
[0046](2-2)在止焊層3上依次交叉放置非晶合金薄片4、中間層10和銅薄片9，最后壓上WC硬質合金上壓頭2 ;在本實施方式中，非晶合金薄片4、中間層10和銅薄片9的層數為3至20層；
[0047](2-3)依次套上組合模具外套5和模具外套6，以形成固定后的工件；
[0048](3)將固定后的工件放進真空擴散爐中進行焊接；本步驟具體包括以下子步驟:
[0049](3-1)將固定后的工件置于真空擴散焊設備下壓頭7上，調整擴散焊設備上壓頭1，產生5至20MPa的預緊力；
[0050](3-2)關閉真空室門，打開真空擴散焊設備開始抽真空；
[0051](3-3)當真空度在I X 10_3Pa至0.5X 10_2Pa時，開始加熱，加熱速率為10至15°C /min ;在本實施方式中,優選的加熱速率為15°C /min ；
[0052](3-4)加熱至370°C至450°C時，保溫30min至50min，并施加70至IOOMPa的保溫壓力；在本實施方式中，優選的保溫壓力為90MPa ；
[0053](3-5)保溫過程結束后，卸載保溫壓力，工件隨爐冷卻至室溫。
[0054]實施例1:
[0055]首先將厚度為0.2mm對Zr41Ti14Cu12.5Ni1(lBe22.5薄片及銅薄片切割成規定的尺寸，并將厚度為5um的鋁箔劃分成與非晶合金薄片相同的長寬。用粒度為800#，1000#, 1200#砂紙依次打磨工件斷面，加工后的平行度優于0.02_，用拋光布拋光至優于1.6um，去除氧化層。將工件放入丙酮中超聲清洗15min，取出工件后，放入無水乙醇中進行第二次超聲波清洗機，然后將清洗后的工件放入干凈的無水乙醇中保存。在WC硬質合金壓下頭上按照自下而上的順序依次放置止焊層，交叉放置Zr41Ti14CU12.5Ni10Be22.5薄片、鋁箔、銅薄片、止焊層，最后放置WC硬質合金上壓頭，套上模具組合外套及模具外套，形成固定工件。將固定工件置于真空擴散爐中，真空擴散設備上、下壓頭間施加IOMPa的預緊力。關閉真空室門，開始抽真空。當真空度在IX KT3Pa至0.5 X KT2Pa時，以10°C /min的升溫速率加熱至400°C開始保溫，施加90MPa的保溫壓力，并保溫50min。保溫結束后，卸載軸向壓力，工件隨爐冷卻至室溫。通過真空擴散焊接，Zr41Ti14Cu12.5Ni1(lBe22.5薄片、招箔及銅片形成多層復合結構。
[0056]實施例2:
[0057]首先將厚度為0.2mm對Zr55Cu3tlAlltlNi5薄片及銅薄片切割成規定的尺寸，并將厚度為5um的鋁箔劃分成與非晶合金薄片相同的長寬。用粒度為800#，1000#, 1200#砂紙依次打磨工件斷面，加工后的平行度優于0.02mm，用拋光布拋光至優于1.6um，去除氧化層。將工件放入丙酮中超聲清洗15min，取出工件后，放入無水乙醇中進行第二次超聲波清洗機，然后將清洗后的工件放入干凈的無水乙醇中保存。在WC硬質合金壓下頭上按照自下而上的順序依次放置止焊層，交叉放置Zr55Cu3ciAlltlNi5薄片、鋁箔、銅薄片、止焊層，最后放置WC硬質合金上壓頭，套上模具組合外套及模具外套，形成固定工件。將固定工件置于真空擴散爐中，真空擴散設備上、下壓頭間施加IOMPa的預緊力。關閉真空室門，開始抽真空。當真空度在IX KT3Pa至0.5 X KT2Pa時，以10°C /min的升溫速率加熱至400°C開始保溫，施加90MPa的保溫壓力，并保溫50min。保溫結束后，卸載軸向壓力，工件隨爐冷卻至室溫。通過真空擴散焊接，Zr55Cu30Al10Ni5薄片、鋁箔及銅片形成多層復合結構。
[0058]實施例3:
[0059]首先將厚度為0.2mm對Zr55Cu3tlAlltlNi5薄片及銅薄片切割成規定的尺寸，并將厚度為5um的鋁箔劃分成與非晶合金薄片相同的長寬。用粒度為800#，1000#, 1200#砂紙依次打磨非晶合金與銅薄片的斷面，加工后的平行度優于0.02mm,用拋光布拋光至優于1.6um,去除氧化層。將工件放入丙酮中超聲清洗15min，取出工件后，放入無水乙醇中進行第二次超聲波清洗機，然后將清洗后的工件放入干凈的無水乙醇中保存。在WC硬質合金壓下頭上按照自下而上的順序依次放置止焊層，交叉放置Zr55Cu3ciAlltlNi5薄片、鋁箔、銅薄片、止焊層，最后放置WC硬質合金上壓頭，套上模具組合外套及模具外套，形成固定工件。將固定工件置于真空擴散爐中，真空擴散設備上、下壓頭間施加IOMPa的預緊力。關閉真空室門，開始抽真空。當真空度在I X 10_3Pa至0.5 X 10_2Pa時，以10°C /min的升溫速率加熱至450°C開始保溫，施加90MPa的保溫壓力，并保溫30min。保溫結束后，卸載軸向壓力，工件隨爐冷卻至室溫。通過真空擴散焊接，Zr55Cu30Al10Ni5薄片、鋁箔及銅片形成多層復合結構。
[0060]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種使用中間層擴散制備多層非晶合金與銅復合結構的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對非晶合金薄片及銅薄片進行切割、打磨、拋光和清洗，用刀片將鋁箔劃分成與非晶合金薄片同樣的長寬，作為非晶合金薄片與銅薄片擴散焊接的中間層，并對中間層進行清洗； (2)對非晶合金薄片、中間層及銅薄片進行組裝和固定，以形成固定的工件；本步驟具體包括以下步驟: (2-1)在WC硬質合金下壓頭上放置止焊層； (2-2)在止焊層上依次交叉放置非晶合金薄片、中間層和銅薄片，最后壓上WC硬質合金上壓頭; (2-3)依次套上模具組合外套和模具外套，以形成固定后的工件； (3)將固定后的工件放進真空擴散爐中進行焊接，本步驟具體包括以下子步驟: (3-1)將固定后的工件置于真空擴散焊設備下壓頭上，調整擴散焊設備上壓頭，以產生5至20MPa的預緊力； (3-2)關閉真空室門，打開真空擴散爐開始抽真空； (3-3)當真空度在IX KT3Pa至IXKT2Pa時，開始加熱，加熱速率為10至15°C /min ； (3-4)加熱至370°C至450°C時，保溫30min至50min，同時施加90MPa的保溫壓力。 (3-5)保溫過程結束后，卸載保溫壓力，工件隨爐冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，非晶合金材料為Zr41Ti14Cu12.5附1(^22.5及Zr55Cu30Al10Ni5 薄板。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)包括以下子步驟: (1-1)采用切片機將非晶合金、鋁箔及銅板材切割成規定尺寸； (1-2)用刀片將鋁箔劃分成與非晶合金包片相同的長寬； (1-3)先后用細顆粒砂紙和金相拋光布磨平非晶合金薄片及銅薄片的待焊接表面并拋光，以去除表面氧化層； (1-4)將非晶合金薄片，中間層及銅薄片放在丙酮中進行超聲波清洗，以去掉表面油脂雜質； (1-5)將非晶合金薄片，中間層及銅薄片放在無水乙醇中進行第二次超聲波清洗，并在清洗干凈后放在干凈的無水乙醇中保存。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟(1-3)中非晶合金與銅薄片拋光后的厚度為0.1至0.5mm。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，鋁箔的厚度為5至20um。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，止焊層是由陶瓷片或石墨片制成。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，非晶合金薄片、中間層和銅薄片的層數為3至20層。
【文檔編號】B23P15/00GK103753123SQ201310699504
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】廖廣蘭, 李默, 陳彪, 史鐵林, 文弛, 朱志靖 申請人:華中科技大學