电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法

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1.本发明属于双金属制备技术领域，涉及一种电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法。

背景技术：

2.由于当前额定压力35mpa以上高压柱塞泵依赖进口，使得高压柱塞泵成为我国航空装备创新发展的“卡脖子”难题。高压柱塞泵服役环境复杂，使用要求严苛，采用轻质/耐磨/高强的铜合金/钛合金双金属材料有望解决问题。
3.目前铜合金/钛合金双金属材料的连接强度普遍较低，借助添加中间过渡层能够实现高质量连接。而高压柱塞泵缸体为多孔结构，形状复杂，必须通过材料表面处理的方式来添加中间过渡层。因此，需要提出一种新的连接工艺来制备铜合金/钛合金双金属材料，改善其界面组织结构，以获得性能优良、满足使用要求的双金属缸体复杂结构件。在众多的材料表面处理方式中，电沉积工艺易实现，灵活性高，可在平面和非平面基板上沉积单层或多层金属，且性能较好。借助电沉积工艺在铜合金表面制备ag中间层，并与钛合金复合制备铜合金/钛合金双金属材料，为形状复杂的铜合金/钛合金双金属材料制备奠定基础。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，该方法打破了目前添加中间过渡层铜合金/钛合金双金属连接时对构件结构要求的局限性，解决了现有连接方法存在的连接强度低、界面结合差的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，具体包括如下步骤：
6.步骤1，将铝青铜合金和钛合金均加工为圆柱体，并进行机械打磨处理，随后进行超声清洗；
7.步骤2，对步骤1清洗后的铝青铜合金和钛合金进行酸洗，随后再次清洗，得到预处理后的铝青铜合金和钛合金，将钛合金烘干保存备用；
8.步骤3，将步骤2中得到的预处理后的铝青铜合金进行电沉积，得到沉积银层的铝青铜合金，并进行后处理，烘干保存备用；
9.步骤4，将步骤3中沉积银层的铝青铜合金、步骤2中保存的钛合金依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中进行真空扩散连接，得到铝青铜/钛合金双金属试样。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤1中，钛合金与铝青铜合金保持同径；机械打磨后的铝青铜合金和钛合金在超声波清洗器中清洗的具体流程依次为：去离子水超声清洗1～10min、无水乙醇超声清洗1～10min、丙酮溶液超声清洗1～5min去离子水超声清洗1～5min，烘干。
12.步骤2中：酸洗具体过程为：浸泡在10％的硝酸酒精溶液中30～120s，所述再次清
洗采用无水乙醇超声清洗5～10min。
13.步骤3中：电沉积过程参数工艺为：电沉积温度为20～30℃，电沉积液ph值为4～6，电流强度为0.3～0.7a，电沉积时间为5～25min，沉积银层的厚度为1～20μm；
14.所述后处理具体过程为：依次采用去离子水超声清洗1～10min、丙酮溶液超声清洗1～5min、无水乙醇超声清洗1～5min。
15.步骤4中，真空扩散连接过程具体为：使真空热压烧结炉的真空度达到6.0
×
10-3
pa～9.0
×
10-3
pa后开始加热，烧结时间为40～50min，加热温度到700～～50℃后保温1h，保温开始时施加压力5～10mpa，直至温度降低至200～300℃停止加压，随炉冷却后得到铝青铜/钛合金双金属。
16.本发明的有益效果是，本发明提供的电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，为铜合金/钛合金异质双金属连接提供了一种新的工艺——电沉积-真空扩散连接复合工艺。一方面，电沉积法灵活性高，可在复杂结构上沉积且性能较好，最重要的是沉积层厚度可控，可获得后续连接所需范围内的沉积层厚度；另一方面，通过表面电沉积银层与扩散连接相结合的工艺，有利于控制金属化合物形成，弥补孔洞等缺陷，从而改善界面结构，界面结合强度较高。形成的双金属，解决了复杂构件难以连接的难题，界面结合强度高，最高可达23～.71mpa。
附图说明
17.图1是本发明电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法的实施案例2中铝青铜/钛合金双金属界面形貌图；
18.图2是本发明电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法的实施案例2中铝青铜/钛合金双金属剪切强度曲线示意图；
19.图3是本发明电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法中实施案例3中铝青铜/钛合金双金属界面形貌图；
20.图4是本发明电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法中实施案例3中铝青铜/钛合金双金属界面显微硬度变化趋势图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.本发明电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，具体按照如下步骤进行：
23.步骤1，将铝青铜合金和钛合金加工为圆柱体，并对其进行机械打磨处理，即将其表面用～0#、2～0#、400#、600#、～00#、1000#、1200#、1500#、2000#砂纸依次打磨，随后分别放入到去离子水、无水乙醇、丙酮、去离子水中进行超声清洗；
24.步骤1中，圆柱体的铝青铜合金的直径尺寸为20mm，高度为25mm，钛合金的直径尺寸为20mm，高度为25mm，与铝青铜合金保持同径。机械打磨后的铝青铜合金和钛合金在超声波清洗器中清洗的具体流程为：去离子水超声清洗1～10min——无水乙醇超声清洗1～10min——丙酮溶液超声清洗1～5min——去离子水超声清洗1～5min，烘干后进行步骤2中的酸洗。
25.步骤2，对清洗后的铝青铜合金和钛合金进行酸洗，随后再次清洗，最后得到预处理后的铜合金基体材料和钛合金，将钛合金烘干保存备用；
26.步骤2中，所述酸洗具体过程为：浸泡在10％的硝酸酒精溶液中30～120s，所述清洗采用无水乙醇超声清洗5～10min。
27.步骤3，将步骤2中预处理后的铝青铜合金进行电沉积，得到沉积银层的铝青铜合金，并进行后处理，烘干保存备用；
28.步骤3中，所述电沉积过程，电沉积液为包含如下成分的水溶液：硝酸银40g/l，硫代硫酸钠200g/l，焦亚硫酸钾40g/l，加入适量硼酸使得电沉积液的ph值为4～6；具体工艺参数为：电沉积温度为20～30℃，电沉积液ph值为4～6，电流强度为0.3～0.7a，电沉积时间为5～25min，在上述工艺参数下可以将沉积银层的厚度控制为1～20μm范围内。所述后处理具体过程为：去离子水超声清洗1～10min——丙酮溶液超声清洗1～5min——无水乙醇超声清洗1～5min。
29.步骤4：将步骤3中沉积银层的铝青铜、步骤2中保存的钛合金依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中进行真空扩散连接，得到铝青铜/钛合金双金属试样。
30.步骤4中，所述真空扩散连接过程具体为：使真空热压烧结炉的真空度达到6.0
×
10-3
pa～9.0
×
10-3
pa后开始加热，烧结时间为40～50min，加热温度到700～～50℃后保温1h，保温开始时施加压力5～10mpa，直至低温200～300℃停止加压，随炉冷却后得到铝青铜/钛合金双金属。
31.实施例1
32.制备铝青铜/钛合金双金属，将牌号qal10-5-5的铝青铜(以下简称为qal10-5-5)和牌号为tc6的钛合金(以下简称为tc6)加工为φ20mm
×
25mm圆柱体。对qal10-5-5和tc6进行机械打磨处理，按照去离子水、无水乙醇、丙酮、去离子水的顺序进行超声清洗，随后进行酸洗，浸泡在10％硝酸酒精酸洗30s，再用无水乙醇清洗5min得到预处理后的qal10-5-5和tc6，将tc6烘干保存备用。
33.对预处理后的qal10-5-5进行电沉积，具体工艺参数为：电沉积温度为室温25℃，电沉积液ph值为4.5，电流强度为0.5a，电沉积时间为25min，得到的沉积银层厚度为15μm。对其进行后处理，烘干保存备用。
34.将tc6和沉积银层的qal10-5-5依次放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合界面氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到6.20
×
10-3
pa后开始加热，烧结51min，加热温度到～35℃后保温60min，保温开始时同时施加压力5mpa，直至低温200～300℃停止加压，随炉冷却得到铝青铜/钛合金双金属试样。制备金相试样进行组织观察，如图1所示，界面结合较好，无裂纹、孔洞等缺陷出现。经力学性能检测，其界面剪切强度可达23～.71mpa，如图2所示。
35.实施例2
36.制备铝青铜/钛合金双金属，将牌号qal10-5-5的铝青铜(以下简称为qal10-5-5)和牌号为tc6的钛合金(以下简称为tc6)加工为φ20mm
×
25mm圆柱体。对qal10-5-5和tc6进行机械打磨处理，按照去离子水、无水乙醇、丙酮、去离子水的顺序进行超声清洗，随后进行酸洗，浸泡在10％硝酸酒精酸洗30s，再用无水乙醇清洗5min得到预处理后的qal10-5-5和
tc6，将tc6烘干保存备用。
37.对预处理后的qal10-5-5进行电沉积，具体工艺参数为：电沉积温度为室温25℃，电沉积液ph值为4.3，电流强度为0.5a，电沉积时间为25min，得到的沉积银层厚度为15μm。对其进行后处理，烘干保存备用。
38.将tc6和沉积银层的qal10-5-5依次放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合界面氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到6.～0
×
10-3
pa后开始加热，烧结49min，加热温度到～05℃后保温60min，保温开始时同时施加压力5mpa，直至低温200～300℃停止加压，随炉冷却得到铝青铜/钛合金双金属试样。制备金相试样进行组织观察，如图3所示，界面无明显缺陷，结合良好。经显微硬度检测，双金属界面处的显微硬度发生明显变化，其中间过渡层的显微硬度与进行真空扩散连接前得到的电沉积银层显微硬度保持一致，为140.3hv，如图4所示。经力学性能检测，其界面剪切强度为161.7～mpa。
39.实施例3
40.制备铝青铜/钛合金双金属，将牌号qal10-5-5的铝青铜(以下简称为qal10-5-5)和牌号为tc6的钛合金(以下简称为tc6)加工为φ20mm
×
25mm圆柱体。对qal10-5-5和tc6进行机械打磨处理，按照去离子水、无水乙醇、丙酮、去离子水的顺序进行超声清洗，随后进行酸洗，浸泡在10％硝酸酒精酸洗30s，再用无水乙醇清洗5min得到预处理后的qal10-5-5和tc6，将tc6烘干保存备用。
41.对预处理后的qal10-5-5进行电沉积，具体工艺参数为：电沉积温度为室温25℃，电沉积液ph值为4.6，电流强度为0.5a，电沉积时间为25min，得到的沉积银层厚度为15μm。对其进行后处理，烘干保存备用。
42.将tc6和沉积银层的qal10-5-5依次放置于热压模具中，然后将热压模具放入真空热压烧结炉中，为了防止界面结合界面氧化，将真空热压烧结炉抽至高真空，当真空热压烧结炉内真空度达到6.30
×
10-3
pa后开始加热，烧结50min，加热温度到～20℃后保温60min，保温开始时同时施加压力5mpa，直至低温200～300℃停止加压，随炉冷却得到铝青铜/钛合金双金属试样。经力学性能检测，其界面剪切强度为91.37mpa。
43.本发明电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，为铜合金/钛合金异质双金属连接提供了一种新的工艺——电沉积-真空扩散连接复合工艺。一方面，电沉积法灵活性高，可在复杂结构上沉积且性能较好，沉积层厚度可控，可获得后续连接所需范围内的沉积层厚度；另一方面，通过表面电沉积银层与扩散连接相结合的工艺，有利于控制金属化合物形成，弥补孔洞等缺陷，改善界面结构，提高界面结合强度。形成的双金属除了具有铝青铜合金和钛合金各自的优越性能外，还具备良好的界面结合性能，解决了复杂构件难以连接的难题。

技术特征：

1.电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，将铝青铜合金和钛合金均加工为圆柱体，并进行机械打磨处理，随后进行超声清洗；步骤2，对步骤1清洗后的铝青铜合金和钛合金进行酸洗，随后再次清洗，得到预处理后的铝青铜合金和钛合金，将钛合金烘干保存备用；步骤3，将步骤2中得到的预处理后的铝青铜合金进行电沉积，得到沉积银层的铝青铜合金，并进行后处理，烘干保存备用；步骤4，将步骤3中沉积银层的铝青铜合金、步骤2中保存的钛合金依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中进行真空扩散连接，得到铝青铜/钛合金双金属试样。2.根据权利要求1所述的电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，其特征在于：所述步骤1中，钛合金与铝青铜合金保持同径；机械打磨后的铝青铜合金和钛合金在超声波清洗器中清洗的具体流程依次为：去离子水超声清洗1～10min、无水乙醇超声清洗1～10min、丙酮溶液超声清洗1～5min去离子水超声清洗1～5min，烘干。3.根据权利要求1所述的电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，其特征在于：所述步骤2中：酸洗具体过程为：浸泡在10％的硝酸酒精溶液中30～120s，所述再次清洗采用无水乙醇超声清洗5～10min。4.根据权利要求1所述的电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，其特征在于：所述步骤3中：电沉积过程参数工艺为：电沉积温度为室温25℃，电沉积液ph值为4～6，电流强度为0.3～0.7a，电沉积时间为5～25min，沉积银层的厚度为1～20μm；所述后处理具体过程为：依次采用去离子水超声清洗1～10min、丙酮溶液超声清洗1～5min、无水乙醇超声清洗1～5min。5.根据权利要求1所述的电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，其特征在于：所述步骤4中，真空扩散连接过程具体为：使真空热压烧结炉的真空度达到6.0
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10-3
pa～9.0
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10-3
pa后开始加热，烧结时间为40～50min，加热温度到700～750℃后保温1h，保温开始时施加压力5～10mpa，直至温度降低至200～300℃停止加压，随炉冷却后得到铝青铜/钛合金双金属。

技术总结

本发明公开了电沉积银层铜合金/钛合金异质双金属连接的方法，具体包括如下步骤：步骤1，将铝青铜合金和钛合金均加工为圆柱体，并进行打磨，随后进行超声清洗；步骤2，对步骤1清洗后的铝青铜合金和钛合金进行酸洗，随后再次清洗，将钛合金烘干保存备用；步骤3，将步骤2中得到的铝青铜合金进行电沉积，得到沉积银层的铝青铜合金，并进行后处理，烘干保存备用；步骤4，将铝青铜合金、钛合金依次放置于热压模具中，将热压模具置入真空热压烧结炉中进行真空扩散连接，得到铝青铜/钛合金双金属试样。本发明打破了目前添加中间过渡层铜合金/钛合金双金属连接时对构件结构要求的局限性，解决了现有连接方法存在的连接强度低、界面结合差的问题。题。题。