用超高等静压静温环境焊接的方法技术

本发明专利技术涉及一种用超高等静压静温环境焊接的方法，用于提供静压力100‑4000MPa，静温度300‑2000摄氏度的等静压静温环境。该环境为粉状材料热压、异种金属材料界面连接提供所需物理条件。本发明专利技术提出采用高沸点(>2000度)液态金属作为工质进行加热获得高静温，同时采用局部直接加压方式，利用液态工质的液压传递特性获得高静压，从而形成高温高压的静环境条件。

【技术实现步骤摘要】
一种超高等静压静温环境生成装置及方法
本专利技术涉及一种超高等静压静温环境生成装置及方法，属于材料加工处理

技术介绍
自上个世纪50年代以来，一种利用材料原子在高温高压下的热扩散效应实现材料界面连接和粉末材料成型的技术逐渐在材料加工成型领域快速发展起来。它就是热等静压(Hotisostaticpressing,HIP)技术。由于在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压，因此所加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点，已广泛应用于航空、航天、能源、运输、电工、电子、化工和冶金等行业,用于生产高质量产品和制备新型材料。目前，工业界常规的等静压静温产生方法采用惰性气体作为工质，通过对气体工质整体加热加压的手段提供等静压静温环境，主要的缺陷有：是受气体压缩机能力和加热元件温度限制，工业应用压强一般在100-400MPa量级，温度一般在1000-2000度范围，且气体工质在高温高压状态存在较大的安全性问题(爆炸危险)，设备较复杂且能耗高。另外，受气密性限制，热等静压技术在材料内部及界面位置很难保证无残留气体杂质。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：提供一种超高等静压静温环境生成装置及方法，具有可产生更高的环境压强(100-4000MPa)和温度(300-2000度)；液态金属密封，无杂质气体影响；且能耗小、安全性高的优点。本专利技术技术解决方案：具体实现步骤如下：一种超高等静压静温环境生成装置，包括：压杆(1)、底座(2)、绝缘套(3)、换热包层(4)、液态金属(5)、待加工材料(6)、绝缘隔层(7)、静压腔(8)、电源正极(9)、电源负极(10)、液压加压装置(11)和密封块(12)；底座(2)为圆柱状在最下方，绝缘隔层(7)在底座(2)上方隔绝底座与静压腔(8)；静压腔(8)内表层为绝缘套(3)，外表层为换热包层(4)；静压腔(8)内部填充满液态金属(5)，待加工材料(6)在液态金属(5)内部被液态金属包围；静压腔(8)上表面中心圆孔由密封块(12)封闭堵塞，同时压杆(1)可推动密封块(12)沿静压腔(8)开口内部下移；压杆(1)的移动由液压加压装置(11)控制，绝缘隔层(7)在压杆(1)和液压加压装置(11)之间隔绝电流；电源正极(9)连接在压杆(1)上，电源负极(10)连接在静压腔(8)上。一种超高等静压静温环境生成方法，包括以下步骤：步骤1:对将要焊接的待加工材料(6)预处理，使待加工材料(6)需要结合的面，即需要连接的异种金属材料连接面，紧贴接在一起，使结合面在液态金属(5)中不会分离或被浸入，如果是粉末材料热压，则放入预处理成型的粉末金属材料；步骤2:将预处理后的待加工材料(6)和熔化的液态金属(5)注入静压腔(8)；步骤3:安装好密封块(12)，压杆(1)在液压加压装置(11)的作用下加压向下压缩密封块(12)，当密封块(12)接触到液态金属(5)时停止；步骤4:将电源正极(9)和电源负极(10)接通电源，此时液态金属(5)会自身发热，并不通过其他介质导热；步骤5:在加热时，密封块(12)会膨胀产生自密封，静压腔(8)被密封；步骤6:压杆(1)上方的液压加压装置(11)再次加载力并保持恒定，压杆(1)达到恒定压强并通过密封块(12)作用于液态金属(5)，由于被密封的液态金属(5)中压强大小不变的传递，待加工材料(6)四周将同时受到液态金属(5)的压力；换热包层(4)通冷却液对静压腔(8)外壁进行冷却，保证静压腔(8)外壁温度不会过高而失去强度，具体大小通过控制加热和冷却功率平衡来控制；步骤7:通过对静压腔(8)内部液态金属(5)的温度检测，控制静压腔(8)内部液态金属(5)的温度维持在待加工材料(6)连接加工需要的温度范围；步骤8:维持超高等静压静温环境生成装置静压腔内部液态金属压强和温度一定时间，然后冷却到略高于液态金属熔点的温度后，抽走液态金属，取出加工材料。所述液态金属(5)采用高沸点>2000度的液态金属，在密闭容器内的金属液体能把它受到的压强按原来的大小向各个方向传递，通过对密闭容器内的液态金属局部加压至100-4000MPa范围和液态金属内部通电加热至300-2000摄氏度范围形成等静压静温环境，处理待加工材料。所述液态金属(5)为高温下化学性质稳定的金属锡或镓。所述步骤6中，恒定压强大于等于100MPa，小于等于4000MPa，4000MPa是考虑到工业条件下容器耐压限制，实验条件下还可以更高。所述步骤7中，内部液态金属(5)的温度维持在300-2000摄氏度范围，加热方式为对液态金属通直流电使其自发热。所述步骤1中，预处理采用焊接处理，金属粉末可使用普通热压处理或3D打印成型。所述步骤2中，静压腔(8)由耐高温耐高压材料构成，并采用同步箍紧式预应力技术设计，其中内壁可承受2000度高温接触，而整壁结构可承受4000MPa内压，这样在超高热等静压过程中保证能形成完整腔体，不发生液态金属泄漏。所述步骤5中，密封块(12)下端采用弧形设计，使其在高温下膨胀与静压腔(8)紧密贴合，对静压腔(8)产生有效的密封，保证液态金属(5)不溢出；压杆(1)上端所需输入力可由需要产生的压强乘以压杆端面面积确定。所述步骤8中的一定时间为1-10小时，优选3-4小时。更进一步的，所述步骤4中接通电极后，由于静压腔内部绝缘套(3)将可以使正极与静压腔外壁绝缘。保证电流只经过液态金属，实现单加热液态金属的目的。更进一步的，所述步骤5中，压杆(1)底部的密封块(12)采用弧形设计(弧对应圆心角为120至150度)，可以使其在高温下膨胀，对静压腔及作用套筒产生有效的密封。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术用于提供静压强100-4000MPa，静温度300-2000摄氏度(根据需求可选择范围内任意温度)的等静压静温环境。该环境为粉状材料热压、异种金属材料界面连接提供所需物理条件。目前，常规的热等静压技术是采用惰性气体作为工质，通过加热加压的手段提供等静压静温环境，主要的缺陷是受气体压缩机压缩能力和加热元件温度限制，工业应用中很难超过400MPa量级，且高温高压状态存在较大的安全性问题。本专利技术提出采用高沸点(>2000度)液态金属作为工质进行加热获得高静温，并采用局部直接加压，利用液态工质传递液压的特点，获得高静压，从而形成高温高压的静环境条件。(2)本专利技术可产生更高的环境压强(>400MPa)。采用液态金属作为加压工质，压力上限只取决于高压容器的承载能力，这避免了一般热等静压技术中使用惰性气体作为工质的压力限制，可以达到更高的压强；而且利用液态金属高沸点、高导热系数特性，可以实现更高的环境温度。利用金属液态物相下压力传递特性，可在液态金属小空间局部加压而得到大空间等同的环境压强，因此需要很小的能耗即可获得大空间的超高静压和静温环境。(3)本专利技术通过利用密封液态金属局部受热膨胀产生的较高压强并将压强等大小传递到静压腔各处的特点，经济性和安全性得到极大的提高。其经济性在于不需要很大很复杂的加压装置即可达到高压目的；所用液态金属无毒、化学性质稳定，沸点高于2000摄氏度，低于沸点温度以内即使出现泄漏，也不会发生爆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高等静压静温环境生成装置，其特征在于：包括压杆(1)、底座(2)、绝缘套(3)、换热包层(4)、液态金属(5)、待加工材料(6)、绝缘隔层(7)、静压腔(8)、电源正极(9)、电源负极(10)、液压加压装置(11)和密封块(12)；底座(2)为圆柱状在最下方，绝缘隔层(7)在底座(2)上方隔绝底座与静压腔(8)；静压腔(8)内表层为绝缘套(3)，外表层为换热包层(4)；静压腔(8)内部填充满液态金属(5)，待加工材料(6)在液态金属(5)内部被液态金属包围；静压腔(8)上表面中心圆孔由密封块(12)封闭堵塞，同时压杆(1)可推动密封块(12)沿静压腔(8)开口内部下移；压杆(1)的移动由液压加压装置(11)控制，绝缘隔层(7)在压杆(1)和液压加压装置(11)之间隔绝电流；电源正极(9)连接在压杆(1)上，电源负极(10)连接在静压腔(8)上。

【技术特征摘要】
1.一种超高等静压静温环境生成装置，其特征在于：包括压杆(1)、底座(2)、绝缘套(3)、换热包层(4)、液态金属(5)、待加工材料(6)、绝缘隔层(7)、静压腔(8)、电源正极(9)、电源负极(10)、液压加压装置(11)和密封块(12)；底座(2)为圆柱状在最下方，绝缘隔层(7)在底座(2)上方隔绝底座与静压腔(8)；静压腔(8)内表层为绝缘套(3)，外表层为换热包层(4)；静压腔(8)内部填充满液态金属(5)，待加工材料(6)在液态金属(5)内部被液态金属包围；静压腔(8)上表面中心圆孔由密封块(12)封闭堵塞，同时压杆(1)可推动密封块(12)沿静压腔(8)开口内部下移；压杆(1)的移动由液压加压装置(11)控制，绝缘隔层(7)在压杆(1)和液压加压装置(11)之间隔绝电流；电源正极(9)连接在压杆(1)上，电源负极(10)连接在静压腔(8)上。2.根据权利要求1所述的超高等静压静温环境生成装置，其特征在于：所述压杆(1)的底部有密封顶块，密封顶块采用弧形设计。3.一种超高等静压静温环境生成方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1:对将要焊接的待加工材料(6)预处理，使待加工材料(6)需要结合的面，即需要连接的异种金属材料连接面，紧贴接在一起，使结合面在液态金属(5)中不会分离或被浸入，如果是粉末材料热压，则放入预处理成型的粉末金属材料；步骤2:将预处理后的待加工材料(6)和熔化的液态金属(5)注入静压腔(8)；步骤3:安装好密封块(12)，压杆(1)在液压加压装置(11)的作用下加压向下压缩密封块(12)，当密封块(12)接触到液态金属(5)时停止；步骤4:将电源正极(9)和电源负极(10)接通电源，此时液态金属(5)会自身发热，并不通过其他介质导热；步骤5:在加热时，密封块(12)会膨胀产生自密封，静压腔(8)被密封；步骤6:压杆(1)上方的液压加压装置(11)再次加载力并保持恒定，压杆(1)达到恒定压强并通过密封块(12)作用于液态金属(5)，由于被密封的液态金属(5)中压强大小不变的传递，待加工材料(6)四周将同时受到液态金属(5)的压力；换热包层(4)通冷却液对静压腔(8)外壁进行冷却，保证静压腔(8)外壁温度不会过高而失去强度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄生洪，郑智风，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34