一种C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法技术

本发明专利技术公开了一种C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法。具体工艺步骤为：将Ti管打磨抛光去除氧化膜，超声清洗后真空烘干待用；将TiZrNiCu合金粉末和质量百分比为3

【技术实现步骤摘要】
一种C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法


[0001]本专利技术涉及复合材料与金属材料的连接方法，具体是一种C/C散热翅片与 Ti管的真空钎焊连接方法，属于材料连接领域。

技术介绍

[0002]随着人类对宇宙越来越深入的探索，航天器的发展显得尤为重要。由于航天器的发展理念趋于大功率和长寿命，空间核反应堆成为了航天器电源的主要选择，而空间核电源的热电转换效率低下，需要高效的散热器来排放大量废热以维持电源正常工作。结构简单、可靠性高的热管式辐射器是国内外研究最多的空间散热器。同时，在工作状况尤为苛刻的航天领域(航天器上大面积的薄板结构、导弹鼻锥体、固体火箭发动机喷管等)，需要散热材料具有高热导率、密度低、耐烧蚀、抗氧化及力学性能好等优异的综合性能，与传统导热金属(如铜、铝等)相比，C/C复合材料整体等温性更高，散热效率更好，并且比金属材料有着更低的密度和热膨胀系数、更高的比强度和耐腐蚀性能等，可以取代铜作为热管式辐射器翅片材料的新选择。
[0003]航天器设计的关键在于设备的轻量化，金属Ti由于其重量轻、比强度高的特征，被多用于航天领域。Ti的导热系数虽然比碳钢和铜低，但由于其优异的耐腐蚀性能，Ti管的厚度可以大大减薄，而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝，减少了热阻，使Ti的换热性能显著提高，因此，Ti比起碳钢和铜是作为航天领域中热管式辐射器材料的更好选择。
[0004]C/C翅片和Ti管连接后可作为热管式辐射器运用于航天领域。但是，由于 C/C复合材料和Ti之间的润湿性较差，再加上两者热膨胀系数的差异，会在焊接过程中会产生较大的残余热应力而产生C/C管开裂的现象。钎焊可以在无压力或者小压力的条件下进行，且对母材的表面工况要求不高，用于C/C翅片与 Ti管之间的连接可以解决母材润湿性较差的问题并减小残余热应力。
[0005]目前，国内外关于石墨与金属的钎焊报道较多，采用的钎料主要有银基钎料、铜基钎料、钛基钎料、镍基钎料和一些贵金属钎料。贵金属钎料价格昂贵, 而一般的银基钎料、铜基钎料使用温度不超过773K，镍基钎料钎焊接头虽然具有较好的高温性能，但一般的镍基钎料钎焊温度都在1273K以上，超过了Ti 的相变温度，这必然影响母材的性能。TiZrNiCu钎料是在Ti的基础上加入了降熔元素Zr、Ni和Cu，其熔点在1123K左右，钎焊温度低于Ti的相变温度，具有较低连接温度且较好高温力学性能的TiZrNiCu钎料是连接C/C和Ti的不错的选择。
[0006]另一方面，近年来逐渐获得关注的一种降低钎焊接头热应力的方法，是通过在连接层中引入低膨胀系数的增强相，降低连接层的热膨胀系数，如将Al2O3、 SiC和TiN陶瓷颗粒、金属W颗粒以及C短纤维分别加入到钎料中连接非金属与金属材料，均获得一定的效果。Ti的热膨胀系数为9.41
‑
10.03
×
10
‑6/℃，C/C 复合材料的径向热膨胀系数为5
‑6×
10
‑6/℃，而TiC的热膨胀系数仅为7.74
×
10
‑
6 /℃，在钎料中加入TiC不仅可以降低钎料连接层的热膨胀系数，而且可以在两种母材之间形成一段热膨胀系数梯度过渡层，这可以有效降低
焊接过程中残余热应力的产生并减小接头和母材的变形，提高焊接接头的结合强度，从而避免了连接件的开裂倾向。
[0007]针对异种材料焊接的难点，本专利技术利用TiC改性的TiZrNiCu膏状钎料进行真空钎焊以解决焊接过程中母材润湿性差和残余应力较大的问题，提出了一种 C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术公开了一种C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法，其特征在于具体是按以下步骤完成：
[0009]a.预处理：将Ti管用细于800粒度的水砂纸打磨抛光去除氧化膜后放入丙酮中超声清洗30min，再放入去离子水超声清洗10min，置于真空干燥箱烘干；
[0010]b.钎料改性：将
‑
200目的商用TiZrNiCu合金粉末和粒度为3
‑
5μm的TiC粉末加入球磨罐中，加入20％酒精进行球磨，球料比为3:1，球磨完毕后置于真空干燥箱干燥后使用60目筛网过筛，然后在过筛的粉末中加入10％的油性粘结剂搅拌成膏状钎料；
[0011]c.装配：将TiZrNiCu膏状钎料填充C/C散热翅片和打磨过的Ti管的连接表面之间并装配，将装配件用石墨夹具夹紧以防止滑动，而后将其放置于真空炉中；
[0012]d.钎焊：启动真空炉加热，真空度不低于1
×
10
‑3Pa，升温速率为4
‑
7℃/min，温度升至920℃后保温10
‑
20min；
[0013]e.最后炉冷却到室温后得到所焊样件，完成C/C散热翅片和Ti管的连接。
[0014]步骤b中所加的TiC粉末的质量百分比为3
‑
5％。
[0015]步骤b中所加的油性粘结剂的质量百分比为8
‑
10％。
[0016]步骤c中钎料的填充方法为灌浆法、浸泡法、刷涂法中的一种。其中，灌浆法是指将C/C管和Ti管预先装配好并留下合适的间隙空间，然后将调配好的 TiZrNiCu膏状钎料使用鼓吹球灌满间隙；浸泡法是指将处理好的Ti管浸泡在 TiZrNiCu膏状钎料当中，待表面覆满钎料后与C/C散热翅片装配；刷涂法是指使用细长的滚刷将TiZrNiCu膏状钎料均匀的刷涂在C/C散热翅片的装配内表面后再与Ti管装配。
[0017]本专利技术公开了一种C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法，其优点在于：
[0018](1)采用高导热、低密度的C/C复合材料来替代传统散热材料，并与低密度、高比强度的Ti管连接，这满足了航天领域所要求的结构轻量化和紧凑化。
[0019](2)使用真空钎焊的连接方法，可以在无压力或者小压力的条件下进行焊接，降低了焊接过程中残余应力的产生，非常适用于异种材料的连接。
[0020](3)。选用TiZrNiCu钎料，其熔点在1123K左右，钎焊温度低于Ti的相变温度，且具有较低连接温度且较好高温力学性能，同时钎料中的Ti元素与Ti 管同质，这也有利于焊接界面的润湿和元素扩散
[0021](4)在TiZrNiCu中加入TiC改性，这不仅降低了钎料连接层的热膨胀系数，而且可以在两种母材之间形成一段热膨胀系数梯度过渡层，有效的降低了焊接过程中残余热应力的产生，减小了接头和母材的变形，提高了焊接接头的结合强度，从而避免了连接件的开裂倾向。
[0022](5)工艺简单、安全无污染、成本低廉且可靠性高。
附图说明
[0023]图1为C/C散热翅片和Ti管的连接示意图。
[0024]图2为实施例1中，C/C散热翅片和Ti管焊接接头的扫描电镜图，可以看出连接良好，中间层及连接界面没有明显缺陷。
具体实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C/C散热翅片和Ti管的真空钎焊连接方法，其特征在于具体是按以下步骤完成：a.预处理：将Ti管用细于800粒度的水砂纸打磨抛光去除氧化膜后放入丙酮中超声清洗30min，再放入去离子水超声清洗10min，置于真空干燥箱烘干；b.钎料改性：将
‑
200目的商用TiZrNiCu合金粉末和粒度为3
‑
5μm的TiC粉末加入球磨罐中，加入20％酒精球磨15
‑
18h，球料比为3:1，球磨完毕后置于真空干燥箱干燥后使用60目筛网过筛，然后在过筛的粉末中加入油性粘结剂搅拌成膏状钎料；c.装配：将TiZrNiCu膏状钎料填充在C/C散热翅片和打磨过的Ti管的连接表面之间并装配，将装配件用石墨夹具夹紧以防止滑动，而后将其放置于真空炉中；d.钎焊：启动真空炉加热，真空度不低于1
×
10
‑3Pa，升温速率为4
‑
7℃/min，温度升至920℃后...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴靓，周子坤，肖逸锋，张乾坤，曾毅，熊翔，孙妍，刘茂，胡忠淇，郭景平，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：