CN114472900B - 一种冷喷涂异种金属对接连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种冷喷涂异种金属对接连接方法，本发明涉及异种材料连接技术领域，特别是一种冷喷涂异种金属对接连接方法。本发明是为了解决现有的铁/铝异种金属连接方法的温度高基材易氧化，易产生Fe‑Al金属间化合物，连接效率低产生应力大的的问题。工艺步骤为：异种金属坡口加工→粉末成分比例选择→喷涂参数优化的→异种金属喷涂连接。采用冷喷涂方法对于开“V型坡口”的对接异种铁/铝金属进行连接。在喷涂的过程中通过设计工艺参数和调节送粉来进行涂层成分过渡的控制，实现异种金属的连接。本发明大幅度降低连接温度，避免高温产生的应力。为异种金属连接提供了一种新方法。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料连接技术领域，特别是一种冷喷涂异种金属对接连接方法。
背景技术
随着能源紧缺问题日益加剧，轻量化、节能、环保和安全已成为当今汽车、轨道客车等发展的必然趋势。目前，国内外汽车、轨道客车轻量化的实现途径和关键技术主要包括三个方面：一是结构轻量化设计与优化；二是轻量化材料的应用；三是新型制造工艺技术的使用。铁和铝合金是主要的轻量化材料。因此，在设计和制造中增加高强钢、铝合金等轻量化材料的应用量是实现汽车和轨道客车轻量化的有效途径。随之而来的钢-铝异种金属的焊接便成为亟待解决的问题。由于铁和铝的物理性质(熔点、热导率、线膨胀系数等)存在明显的差异，且焊接区极易形成脆硬的金属间化合物，导致铁-铝异种金属的焊接性极差，严重恶化焊接接头的力学性能，无法实现可靠的连接。
冷喷涂是一种基于空气动力学原理的表面喷涂工艺，其原理是利用高压气体通过缩放管产生超音速流动，携带金属粉末颗粒使其撞击基体，产生塑性变形在基体表面实现结合。在此过程中，固态颗粒被加速到300m/s以上。与其他热喷涂技术相比，冷喷涂的最大优势在于工艺温度较低，可大幅度降低颗粒氧化和分解等不良反应，其制备的涂层保持了材料原有的成分、结构和性能。
冷喷涂在异种金属连接上有着取代焊接的优势，基体的可选择范围广，CN101797669A公开了使用冷喷涂技术连接金属部件的系统和方法，通过冷喷涂将两种或更多个部件连接在一起，但该专利主要针对金属与金属部件的连接做了探究工作，但未提出异种金属之间的连接。在实际操作过程中，由于异种金属存在性能上的差异，需要选择适合的喷涂粉末以及不同的工艺参数，最终完成高质量接头。
发明内容
本发明是为了解决现有的铁/铝异种金属连接方法的温度高基材易氧化，易产生Fe-Al金属间化合物，连接效率低产生应力大的的问题，提供了一种冷喷涂异种金属对接连接方法。
本发明提供了一种冷喷涂异种金属对接连接方法具体按以下步骤进行：
一、连接准备：分别对块状金属Fe和块状金属Al的表面进行喷砂处理，然后转移置于有机溶剂中超声清洗3～15min，干燥得到两块表面洁净的金属基体；将两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板上，并在对接的的位置开V型坡口，得到待喷涂件；
二、冷喷涂连接：将待喷涂件转移至冷喷涂设备中，将拉瓦尔喷枪垂直于待喷涂件设置，对待喷涂件进行冷喷涂；所述冷喷涂的喷涂顺序是先在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层Fe粉，然后在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层Al粉，最后在二者剩余的连接区域喷涂Fe-Al混合粉末，即完成铁/铝异种金属喷涂连接。
本发明的优点：
1、本发明通过优化冷喷涂的参数降低连接区域的孔隙率，通过对过渡层金属的使用，减少连接区域产生的应力，提高铁/铝合金异种金属冷喷涂连接的力学性能及连接质量。
2、本发明冷喷涂连接喷涂粉末以固态沉积，无相变、氧化或化学变化，晶粒尺寸与粉末相当甚至更小；采用梯度过渡金属可以避免连接过程中产生较大的应力，最终萌生裂纹；基体热影响小，喷涂过程中，工件基体无外部冷情况下，一般可控制在100℃以下；喷涂后的材料性能与块材相当，后处理方式广泛，可直接车削加工；喷涂涂层厚度不受限制，可沉积几十微米到几厘米甚至更厚，可喷涂大角度坡口以及大尺寸工件。
附图说明
图1为冷喷涂异种金属对接连接方法中冷喷涂的路径走势图；
图2为块状金属Fe和块状金属Al对接放置在基板上的相对位置示意图；
图3为步骤二喷涂两个坡面侧的示意图；
图4为完成冷喷涂后的示意图；
图5为采用本方法连接后Al基体侧的SEM图；
附图中的1为块状金属Fe，2为块状金属Al，3为基板，4为拉瓦尔喷枪，5为Al粉层，6为Fe粉层，7为Fe-Al混合粉末。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种冷喷涂异种金属对接连接方法具体按以下步骤进行：
一、连接准备：分别对块状金属Fe和块状金属Al的表面进行喷砂处理，然后转移置于有机溶剂中超声清洗3～15min，干燥得到两块表面洁净的金属基体；将两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板上，并在对接的的位置开V型坡口，得到待喷涂件；
二、冷喷涂连接：将待喷涂件转移至冷喷涂设备中，将拉瓦尔喷枪垂直于待喷涂件设置，对待喷涂件进行冷喷涂；所述冷喷涂的喷涂顺序是先在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层Fe粉，然后在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层Al粉，最后在二者剩余的连接区域喷涂Fe-Al混合粉末，即完成铁/铝异种金属喷涂连接。
本实施方式中冷喷涂设备高温高压的工作气体携带固态粉末颗粒，通过拉瓦尔喷嘴加速至超音速状态，粉末高速撞击基体形成涂层。粉末自身温度几百度，不熔化，固态沉积成涂层。通过这种方式，将Fe粉和Al粉分别喷涂到Fe基材侧和Al基材侧作为过渡层金属，再通过冷喷涂将按照1：1混合的Fe-Al混合粉末喷涂到其他连接区域，形成完整的连接接头。
本实施方式中所述铁铝比为两者的质量比。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述块状金属Fe和块状金属Al的尺寸均为100mm×50mm×15mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：步骤一中所述喷砂处理的工艺参数为使用300目的Al3O2颗粒均匀喷砂到材料表面，喷砂气体压力为0.4MPa。其他与具体实施方式一至二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板时，两者留有20mm的间隙。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述V型坡口的角度为大于140°。其它与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式是为了使喷枪垂直于固定基板也可以将粉末顺利地喷涂到基材上，喷枪于待喷涂表面的角度需要大于70°才能使粉末高效的沉积到待喷涂表面上。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述冷喷涂参数：冷喷涂速度为300mm/s、冷喷涂温度为500℃、氮气压力为4MPa。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述Fe-Al混合粉末中的铁铝比为1:1。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层厚度为2～5mm的Fe粉。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层厚度为2～5mm的Al粉。其它与具体实施方式一至八之一相同。
本实施方式中增加过渡层厚度，连接完成后未出现开裂，气孔率过大，氧化物夹杂等缺陷。
具体实施方式十：本实施方式一种冷喷涂异种金属对接连接方法具体按以下步骤进行：
一、连接准备：分别对块状金属Fe和块状金属Al的表面进行喷砂处理，然后转移置于有机溶剂中超声清洗3～15min，干燥得到两块表面洁净的金属基体；将两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板上，并在对接的的位置开V型坡口，得到待喷涂件；
二、冷喷涂连接：将待喷涂件转移至冷喷涂设备中，将拉瓦尔喷枪垂直于待喷涂件设置，对待喷涂件进行冷喷涂；所述冷喷涂的喷涂顺序是先在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层Fe粉再喷涂一层铁铝比为2:1的Fe-Al混合粉末，然后在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层Al粉再喷涂一层铁铝比为1:2的Fe-Al混合粉末，最后在二者剩余的连接区域喷涂Fe-Al混合粉末，即完成铁/铝异种金属喷涂连接。
本实施方式增加过渡层层数，连接完成后未出现开裂，气孔率过大，氧化物夹杂等缺陷。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是：步骤一中所述块状金属Fe和块状金属Al的尺寸均为100mm×50mm×15mm。其他与具体实施方式十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十至十一之一不同的是：步骤一中所述喷砂处理的工艺参数为使用300目的Al3O2颗粒均匀喷砂到材料表面，喷砂气体压力为0.4MPa。其他与具体实施方式十至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十至十二之一不同的是：步骤一中两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板时，两者留有20mm的间隙。其它与具体实施方式十至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十至十三之一不同的是：步骤一中所述V型坡口的角度为大于140°。其它与具体实施方式十至十三之一相同。
本实施方式是为了使喷枪垂直于固定基板也可以将粉末顺利地喷涂到基材上，喷枪于待喷涂表面的角度需要大于70°才能使粉末高效的沉积到待喷涂表面上。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十至十四之一不同的是：步骤二中所述冷喷涂参数：冷喷涂速度为300mm/s、冷喷涂温度为500℃、氮气压力为4MPa。其它与具体实施方式十至十四之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十至十五之一不同的是：步骤二中所述Fe-Al混合粉末中的铁铝比为1:1。其它与具体实施方式十至十五之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十至十六之一不同的是：步骤二中在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层厚度为2～5mm的Fe粉再喷涂一层厚度为2～5mm铁铝比为2:1的Fe-Al混合粉末。其它与具体实施方式十至十六之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十至十七之一不同的是：步骤二中在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层厚度为2～5mm的Al粉再喷涂一层厚度为2～5mm铁铝比为1:2的Fe-Al混合粉末。其它与具体实施方式十至十七之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：一种冷喷涂异种金属对接连接方法具体按以下步骤进行：
一、连接准备：分别对块状金属Fe和块状金属Al的表面进行喷砂处理，然后转移置于有机溶剂中超声清洗3～15min，干燥得到两块表面洁净的金属基体；将两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板上，并在对接的的位置开V型坡口，得到待喷涂件；所述块状金属Fe和块状金属Al的尺寸均为100mm×50mm×15mm；所述喷砂处理的工艺参数为使用300目的Al3O2颗粒均匀喷砂到材料表面，喷砂气体压力为0.4MPa；两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板时，两者留有20mm的间隙；所述V型坡口的角度为140°；
二、冷喷涂连接：将待喷涂件转移至冷喷涂设备中，将拉瓦尔喷枪垂直于待喷涂件设置，对待喷涂件进行冷喷涂；所述冷喷涂的喷涂顺序是先在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层5mm的Fe粉，然后在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层5mm的Al粉，最后在二者剩余的连接区域喷涂铁铝比为1:1Fe-Al的混合粉末，即完成铁/铝异种金属喷涂连接；所述冷喷涂参数：冷喷涂速度为300mm/s、冷喷涂温度为500℃、氮气压力为4MPa。
图1为冷喷涂异种金属对接连接方法中冷喷涂的路径走势图；该图为实验过程中拉瓦尔喷枪垂直于基板行走的路径，即接头形成的工艺路径；图5为采用本方法连接后Al基体侧的SEM图；由附图可以看出基体金属层Al-Fe粉末形成良好的界面结合，并无气孔夹杂等缺陷存在，具有一定的界面连接强度，因此可用于实际应用中；接头区域无明显缺陷，无孔隙，无铁铝化合物生成。最终目标使接头抗拉强度达到100MPa以上，与铝基体抗拉强度相当。
Claims (7)
1.一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于冷喷涂异种金属对接连接方法具体按以下步骤进行：
一、连接准备：分别对块状金属Fe和块状金属Al的表面进行喷砂处理，然后转移置于有机溶剂中超声清洗3～15min，干燥得到两块表面洁净的金属基体；将两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板上，并在对接的的位置开V型坡口，得到待喷涂件；所述喷砂处理的工艺参数为使用300目的Al3O2颗粒均匀喷砂到材料表面，喷砂气体压力为0.4MPa；所述V型坡口的角度为大于140°；
二、冷喷涂连接：将待喷涂件转移至冷喷涂设备中，将拉瓦尔喷枪垂直于待喷涂件设置，对待喷涂件进行冷喷涂；所述冷喷涂的喷涂顺序是先在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层Fe粉，然后在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层Al粉，最后在二者剩余的连接区域喷涂Fe-Al混合粉末，即完成铁/铝异种金属喷涂连接；所述冷喷涂参数：冷喷涂速度为300mm/s、冷喷涂温度为500℃、氮气压力为4MPa。
2.根据权利要求1所述的一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于步骤一中所述块状金属Fe和块状金属Al的尺寸均为100mm×50mm×15mm。
3.根据权利要求1所述的一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于步骤一中两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板时，两者留有20mm的间隙。
4.根据权利要求1所述的一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于步骤二中所述Fe-Al混合粉末中的铁铝比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于步骤二中在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层厚度为2～5mm的Fe粉。
6.根据权利要求1所述的一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于步骤二中在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层厚度为2～5mm的Al粉。
7.如权利要求1所述的一种冷喷涂异种金属对接连接方法，其特征在于冷喷涂异种金属对接连接方法具体按以下步骤进行：
一、连接准备：分别对块状金属Fe和块状金属Al的表面进行喷砂处理，然后转移置于有机溶剂中超声清洗3～15min，干燥得到两块表面洁净的金属基体；将两块表面洁净的金属基体以对接的方式放置在基板上，并在对接的的位置开V型坡口，得到待喷涂件；
二、冷喷涂连接：将待喷涂件转移至冷喷涂设备中，将拉瓦尔喷枪垂直于待喷涂件设置，对待喷涂件进行冷喷涂；所述冷喷涂的喷涂顺序是先在待喷涂件的Fe基材坡面侧喷涂一层Fe粉再喷涂一层铁铝比为2:1的Fe-Al混合粉末，然后在待喷涂件的Al基材坡面侧喷涂一层Al粉再喷涂一层铁铝比为1:2的Fe-Al混合粉末，最后在二者剩余的连接区域喷涂Fe-Al混合粉末，即完成铁/铝异种金属喷涂连接。
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