在没有有害金属间化合物的情况下接合异种金属的方法技术

一种接合由异种金属制成的第一组件和第二组件的方法。在一些实施方案中，该方法包括在第一组件与第二组件之间施用摩擦力，该摩擦力足以在第一组件与第二组件之间的异种金属界面处生成准液态金属层和在准液态金属内产生剪切局部化；以及在生成准液态金属之后的预定时间终止摩擦力的施用。在一些实施方案中，该方法包括在异种金属界面处、在第一组件与第二组件的至少一部分之间施用无定形金属；将无定形金属加热到其玻璃化转变温度(T

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在没有有害金属间化合物的情况下接合异种金属的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年12月18日提交的美国实用专利申请第17/126987号的优先权，并要求于2020年1月2日提交的美国临时申请第62/956,368号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文中。


[0003]本公开涉及接合(joining)异种金属(dissimilar metals)，并且更具体地涉及使用准液态金属(quasi
‑
liquid metal)来接合异种金属。
[0004]
技术介绍
和
技术实现思路

[0005]本部分提供与本公开有关的背景信息，这些信息不一定是现有技术。本部分提供了本公开的总体概述而不是其全部范围或所有特征的全面公开。
[0006]通过基于熔融的方法(例如，电弧或高能束)或固态方法(例如，超声焊接、常规摩擦焊接和常规摩擦搅拌焊接)在接合界面处引入脆性金属间化合物，从而直接结合不相容的异种金属(例如，Al/Fe、Ti/Fe、Mg/Fe等)，使所得到的焊缝不适合作为安全关键的工程结构。传统的方法集中于通过降低处理峰值温度和/或增加制造过程中的冷却速率来影响相变动力学和扩散的冶金学。不幸的是，这些方法只会导致接合界面处金属间化合物的尺寸逐渐减小。问题仍未解决。
[0007]根据本教导的原理，提供了接合由异种金属制成的第一组件和第二组件的方法。在一些实施方案中，该方法包括在第一组件与第二组件之间施用快速摩擦力(rapid friction)，该快速摩擦力足以在第一组件与第二组件之间的界面处产生准液态金属层和剪切局部化，并且在生成准液态金属和剪切局部化之后的预定时间终止快速摩擦力的施用。在一些实施方案中，接合第一组件和第二组件的方法包括在第一组件与第二组件之间施用无定形金属，将无定形金属加热到高于其玻璃化转变温度(T
g
)并低于所包括的组件的最低熔化温度的温度，以将无定形金属转变为准液态金属，并施用压缩压力(compression pressure)以使准液态金属变形。根据本公开的方法能够以新型的、划算的方法制造更强的异种金属结构，从而使有害的金属间化合物的存在最小化。
[0008]根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。该
技术实现思路
中的描述和具体实施例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
[0009]本文中描述的附图仅用于所选实施方案的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。
[0010]图1A和图1B是示出了根据本教导的原理在滑动期间在快速滑动(摩擦)条件下形成准液态金属的分子动力学(molecular dynamic，MD)模拟；图1A示出了第一次的原子位置，且图1B示出了3ps期内的原子位移。
[0011]图2是示出了根据本教导的原理的钢(Fe)与铝合金(Al)之间的界面层或接合界面
的高分辨率透射电子显微镜观察结果。
[0012]图3是示出了跨Al
‑
Fe接头界面的原子化学沉积的、由原子探针断层摄影术提供的三维(three
‑
dimensional，3D)空间图像和沿线A
‑
A截取的组成图。
[0013]图4是通过第一组件与第二组件之间的高速摩擦力、沿异种金属界面原位生成准液态金属的截面示意图。
[0014]图5是用于通过将旋转工具插入穿过第一组件来在双金属界面处生成局部活化的快速摩擦力、以在异种金属界面处原位生成准液态金属、从而产生搭接接头的系统的截面示意图。
[0015]图6是用于通过将旋转工具插入穿过第一组件来在双金属界面处生成局部活化的快速摩擦力、以在异种金属界面处原位生成准液态金属、从而产生对接接头的系统的截面示意图。
[0016]图7是用于通过将旋转工具插入穿过第一组件来在双金属界面处生成局部活化的快速摩擦力、以在异种金属界面处原位生成准液态金属、从而产生斜接接头(beveled joints)的系统的截面示意图。
[0017]图8是示出了在焊接之前在第一组件下方的第二组件上产生的浅槽的系统的截面示意图。
[0018]图9是示出了使用从探针部的底部延伸的一个或多个定位支柱来保持探针部与结合线(bonding line)之间的距离的系统的截面示意图。
[0019]图10是示出了肩部和探针部可以单独操作的系统的截面示意图。
[0020]图11是示出了接合三个组件的系统的截面示意图。
[0021]图12示出了探针部的各种截面形状(包括圆形、多边形或不规则形状)；以及在探针表面上添加的表面特征以增加探针部的表面粗糙度。
[0022]图13是示出了具有一个或多个环形定位支柱的系统的截面示意图。
[0023]图14是示出了具有用于斜切密合面(beveled faying surface)的一个或多个环形定位支柱的系统的截面示意图。
[0024]图15是示出了具有一个或多个环形定位支柱和三个组件的系统的截面示意图。
[0025]图16是示出了具有用于约束材料流动的双肩部的系统的截面示意图。
[0026]图17是示出了通过施用的外部无定形金属产生点接合结合(spot joint binding)的系统的截面示意图。
[0027]图18是通过引入外部无定形金属和集成外部工具来制造的线性搭接接头。
[0028]图19是通过引入外部无定形金属来制造的线性对接接头。
[0029]图20是通过引入外部无定形金属和单独加热、以及压缩工具来制造的线性搭接接头。
[0030]贯穿说明书附图的若干视图，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施方式
[0031]现在将参考附图更全面地描述实施例实施方案。
[0032]提供了实施例实施方案，将使得本公开为彻底的，并且将范围充分地传递给本领域技术人员。阐述了许多具体细节(诸如，具体组件、设备和方法的实施例)，以提供对本公
开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员将是显而易见的是，不需要采用具体细节，实施例实施方案可以以许多不同的形式来体现，且具体细节不应被理解为限制本公开的范围。在一些实施例实施方案中，并未详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。
[0033]本文中使用的术语仅为了描述特定实施例实施方案的目的，且不旨在是限制性的。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述(the)”可以旨在包括复数形式。术语“包含(comprises，comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。除非明确地标识为执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种接合第一组件和第二组件的方法，所述第一组件和所述第二组件由异种金属制成，所述第一组件具有比所述第二组件更低的熔化温度，所述方法包括：在所述第一组件与所述第二组件之间施用快速摩擦力，所述快速摩擦力在所述第一组件与所述第二组件之间的异种金属界面处、生成准液态金属的层、且在所述准液态金属内产生剪切局部化；以及在生成所述准液态金属之后、且在所述准液态金属内发生大量结晶之前，终止快速摩擦力的施用并将所述准液态金属的处理温度降低至低于所述准液态金属的结晶温度，从而接合所述第一组件和所述第二组件。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述第一组件与所述第二组件之间施用快速摩擦力包括：将具有至少一个肩部和至少一个旋转探针部的旋转工具插入到所述第一组件中，所述第一组件具有比所述第二组件更低的熔点，所述旋转探针部与所述第二组件的密合面间隔开；以及旋转所述旋转工具，从而在所述第二组件、与在所述异种金属界面处围绕所述至少一个旋转探针部旋转的所述第一组件的材料之间产生所述快速摩擦力，所述摩擦力足以在所述异种金属界面处生成所述准液态金属的所述层。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述旋转工具包括摩擦力增强表面特征。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述旋转工具的远端表面是凹的。5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述旋转工具的远端表面是平坦的。6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第二组件的密合面包括槽。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述第一组件与所述第二组件之间施用快速摩擦力包括：提供旋转工具，所述旋转工具具有至少一个肩部、靠近所述肩部的一个旋转探针部、以及从所述探针部延伸的至少一个定位支柱；以及将所述旋转探针部放置到所述第一组件中并保持所述定位支柱与所述第二组件的表面接触，所述旋转探针部与所述第二组件的表面之间的距离足以在所述第二组件、与在异种金属界面处围绕所述旋转探针部旋转的所述第一组件的材料之间产生所述快速摩擦力，所述快速摩擦力足以在所述异种金属界面处产生准液态金属。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述旋转工具包括摩擦力增强特征。9.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰超，董平沙，吕炜，陶蔼伦，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：