一种运用纳米反应多层膜进行异质轻金属材料连接的方法与流程

本发明涉及金属连接技术领域，具体是一种运用纳米反应多层膜进行异质轻金属材料连接的方法。

背景技术：

纳米多层自蔓延反应薄膜是指在室温下，受到一定的激励如引燃后，能产生可控的自蔓延放热反应的纳米多层膜，它是由两种或更多种材料叠层复合而成的；自蔓延技术是利用化学反应自身放热合成材料的一种技术，又称之为燃烧合成，它的基本特点为：（1）利用化学反应放热，完全或部分不需要外部热源；(2)通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成份和结构的产物；如附图1-2所示，自蔓延反应薄膜是由A和B两者材料组合成的纳米多层结构，由A层和B层交替层叠排列而成，可交替层叠几百到上千层，当在反应薄膜的一端点燃该多层膜时，多层膜就会沿图1所示的方向进行反应，A层和B层的原子进行充分混合，生成AB化合物，键能降低，放出大量的热，反应所放出的热量加速了附近原子的混合，形成自蔓延传播反应，此反应能够在几个微秒内完成，反应温度达到1000~1500°C以上，反应温度和时间受反应多层膜成分、结构的控制；所述激励反应箔可以采用燃烧点燃、激光点燃、热点燃以及电压点燃等方式，当采用电压点燃时，把约十余伏特的激发电压施加在热反应箔的一端，热反应箔就会沿图2所示的反应方向进行反应，灵活的激励方式，使得活性反应箔具备广泛的应用空间。

自蔓延反应技术运用的国内外现状：在2004年5月18日授予T. Weihs等人的美国专利No.6736942 中描述的反应多层薄膜可以用作热源进行局部加热以实现材料间的高强度连接，反应薄膜由交替的两种或多种单层膜组成，异种单层材料之间能够发生反应放热并自动传播反应。一旦反应，多层膜就会供给足够高的局部热能对连接层起作用，如果使用连接材料如硬钎料(Brazing)或软钎料(Soldering)），多层膜发生自蔓延反应就可以供给足够的热来使连接材料熔融，待连接材料冷却就会实现材料体之间的强固结合；国内专利CN102248280A已经公开了一种铝热反应箔，是由铝以及能够和铝发生铝热反应的金属氧化物组成，将一定热量的激励施加在铝热反应箔的一个端面，反应箔瞬间发生自蔓延反应，其他铝热剂或者熔化焊料会被反应释放的热量点燃，完成材料之间的焊接，金属氧化物和铝分别为至少一层的层状结构，并且铝层与金属氧化物层交叠排列；该专利中仍需借助热源激励自蔓延反应的发生，且需要采用铝作为焊接料，成本高，不便于操作，迫切需要对现有技术进行改进改良。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无需外界能源激励、无需其焊料、操作简便性强、连接效率高的运用纳米反应多层膜进行异质轻金属材料连接的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种运用纳米反应多层膜进行异质轻金属材料连接的方法，包括以下步骤：

1）准备实验设备：采用多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机进行镀膜；

2）准备实验材料：

2.1）基体材料：选择具有代表性的304不锈钢作为基体材料，其按照原子百分比的化学成分包括：Fe 69.17%、Cr 18.81%、Ni 8.98%、Mn 2.00%、Si 0.72%、V 0.17%、C 0.15%；

2.2）靶材材料：靶材为纯Zr靶与纯C靶，其成分为99.9％的工业纯Zr、C，靶材由真空感应炉熔炼制备，加工成直径为Φ102mm，厚度为42mm的圆形靶；

3）薄膜处理：

3.1）Zr/C薄膜镀层的制备过程按照时间顺序分为表面等离子体清洗阶段、金属打底阶段和沉积阶段三个步骤；具体操作如下：

1）表面等离子体清洗阶段：表面等离子体清洗采用高基体偏压-1000V，在3.0Pa低气压条件下进行，利用Ar气辉光放电产生的Ar离子轰击基体表面，去除表面的吸附物杂质；

2）金属打底阶段：在镀层和基体之间制备具有一定厚度的Zr金属底以提高膜基之间的结合强度，采用Zr靶3KW功率；

3）膜层的沉积阶段：按照事先制定的工艺参数进行薄膜的沉积，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW，交替沉积，Zr单层与C单层均沉积1分钟，总层数200层。

3.2）利用Zr/C纳米多层膜进行异质轻金属材料连接：将制备的Zr/C纳米多层膜置于两块异质轻金属夹层中，用10V电池的正负极电压进行激励，Zr/C纳米多层膜发生自蔓延反应，反应过程中用手指按压两块金属薄板，3-5s后，两块金属薄板紧紧地结合在一起，实现了异质轻金属之间的冶金连接。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤1）中，多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机为批量涂覆薄膜的物理气相沉积真空镀膜机，带有4套单向柱状非平衡磁控溅射源、4套阴极电弧离化源和1套与磁控靶匹配的的矩形气体离子源，实现在真空环境下获得高质量的再制造零件膜层；所述多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机包括真空镀膜室、真空抽气系统、真空压力监控检测系统、磁控溅射靶、反应气体供给系统、工件转架系统、加热及温度控制系统，真空镀膜室采用日韩304不锈钢制造，双层内衬；抽气系统包括Leybold磁悬浮分子泵和Leybold粗抽泵，抽真空效果好；真空检测系统包括Inficond薄膜规和SKY90复合真空计；转架系统为4轴的可移出式下转架；加热系统最高加热温度为500℃，并由3根热电偶监测；所述多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机设有1套智能源挡板，实现镀膜前的靶材预清洗。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤3.1）中， 具体操作过程如下：

1）前处理：

实验前，将样品打磨后抛光至镜面，表面粗糙度达到0.04~0.08µm Ra，后使用741金属清洗剂进行去油处理，经自来水冲洗之后放入去离子水中漂洗，经0.5~1%稀磷酸表面活化1分钟后放入丙酮中进行超声波清洗15分钟，之后用吹风机迅速吹干并立即放入真空室备用；

2）制备Zr/C薄膜：

2.1）将前处理完毕的试样放入真空室；

2.2）接通电源，打开冷却水系统，开启所有支路回水及进水阀门，检查循环水路有无漏点，水压低于0.3MPa；

2.3）开启压缩空气总阀门，检查压缩空气阀门、管路、接头有无漏声音；

2.4）打开配电柜电源空气开关，三相电源指示灯亮；

2.5）启动计算机，进入AS500DMTXB界面，手动预抽真空时，先用机械泵粗抽，直至真空度小于5Pa以下时，启动分子泵；

2.6）用氩气辉光清洗试件表面至无异常放电时止，偏压-1000V；

2.7）制备Zr/C涂层，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW；

2.8）制备结束后冷却至常温，关闭电源。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤2.8）中，镀膜后采用真空保温处理：镀膜结束后，保持真空度2-5×10-3Pa，旋转速度不变，真空保温20～40min后关闭烘烤电源，待温度降至150℃之后关闭高阀和扩散泵，保持前级开启，1小时候后关闭机械泵，保持水路开启，随炉冷却至室温后取出样品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明借鉴以往经验做法，又区别于之前已有的Al系纳米多层膜，运用磁控溅射沉积技术制备得到C系纳米多层自蔓延反应薄膜即Zr/C纳米多层膜；利用纳米多层膜在连接异质材料方面的优点，本发明使用制备得到的新型纳米多层膜进行异质轻金属间的冶金连接；在引燃多层膜方面，本发明使用的是10V干电池，将电池正负极同时接触多层膜边缘，多层膜即可发生自蔓延反应，连接过程不再需要外界能源，也不需要其他焊料，操作极为简便，能够适应未来战争中战场应急抢修的要求，其操作的简便性、连接的高效性以及实施的隐蔽性让其成为运用前景非常广阔的军用新材料；与传统焊接技术相比，运用Zr/C多层膜进行焊接具有以下优点：（1）引燃时所需能量极少，采用10V电池即可对多层膜进行激励引燃从而完成材料之间的连接，不需要其他焊接材料，连接效率提高至少10倍；（2）受制约因素少，不需要专业人员和设备，从而减少了焊接工作对外界的依赖，提高了战场抢修的自主性；（3）连接过程中的局部快速放热可减小母材的热影响区，避免热敏感材料微观组织的破坏，因此其特别适合于对温度敏感的器件或材料的连接；（4）可以实现异质轻金属之间和具有不同热膨胀系数材料之间连接，有效地降低了焊接过程中产生的热应力，改善了传统钎焊方法中的缺陷；（5）运用在战场应急抢修工作中，能够发挥携带方便、操作简单、实效性强、结合牢固、隐蔽性好等优点。

附图说明

图1为现有技术中自蔓延反应薄膜的纳米多层结构示意图。

图2为现有技术中自蔓延反应薄膜的反应过程示意图。

图3为Zr/C纳米多层膜TEM微观截面形貌图。

图4为Zr/C纳米多层膜TEM截面形貌放大图。

图5为Zr/C纳米多层膜DSC分析图。

图6为Zr/C纳米多层膜SEM微观表面形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-6，一种运用纳米反应多层膜进行异质轻金属材料连接的方法，包括以下步骤：

1）准备实验设备：采用多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机进行镀膜；多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机为批量涂覆薄膜的物理气相沉积真空镀膜机，带有4套单向柱状非平衡磁控溅射源、4套阴极电弧离化源和1套与磁控靶匹配的的矩形气体离子源，实现在真空环境下获得高质量的再制造零件膜层；所述多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机包括真空镀膜室、真空抽气系统、真空压力监控检测系统、磁控溅射靶、反应气体供给系统、工件转架系统、加热及温度控制系统，真空镀膜室采用日韩304不锈钢制造，双层内衬；抽气系统包括Leybold磁悬浮分子泵和Leybold粗抽泵，抽真空效果好；真空检测系统包括Inficond薄膜规和SKY90复合真空计；转架系统为4轴的可移出式下转架；加热系统最高加热温度为500℃，并由3根热电偶监测；所述多功能PVD硬质涂层设备AS500DMTXB自动控制离子镀膜机设有1套智能源挡板，实现镀膜前的靶材预清洗。

2）准备实验材料：

2.1）基体材料：只有充分考虑膜层和基体性能的匹配并作合理选择，才能获得最优性能；选择具有代表性的304不锈钢作为基体材料，其按照原子百分比的化学成分包括：Fe 69.17%、Cr 18.81%、Ni 8.98%、Mn 2.00%、Si 0.72%、V 0.17%、C 0.15%；

2.2）靶材材料：靶材为纯Zr靶与纯C靶，其成分为99.9％的工业纯Zr、C，靶材由真空感应炉熔炼制备，加工成直径为Φ102mm，厚度为42mm的圆形靶；

3）薄膜处理：

3.1）Zr/C薄膜镀层的制备过程按照时间顺序分为表面等离子体清洗阶段、金属打底阶段和沉积阶段三个步骤；具体操作如下：

1）表面等离子体清洗阶段：表面等离子体清洗采用高基体偏压-1000V，在3.0Pa低气压条件下进行，利用Ar气辉光放电产生的Ar离子轰击基体表面，去除表面的吸附物杂质；

2）金属打底阶段：在镀层和基体之间制备具有一定厚度的Zr金属底以提高膜基之间的结合强度，采用Zr靶3KW功率；

3）膜层的沉积阶段：按照事先制定的工艺参数进行薄膜的沉积，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW，交替沉积，Zr单层与C单层均沉积1分钟，总层数200层。

3.2）利用Zr/C纳米多层膜进行异质轻金属材料连接：将制备的Zr/C纳米多层膜置于两块异质轻金属夹层中，用10V电池的正负极电压进行激励，Zr/C纳米多层膜发生自蔓延反应，反应过程中用手指按压两块金属薄板，3-5s后，两块金属薄板紧紧地结合在一起，实现了异质轻金属之间的冶金连接。

所述步骤3.1）中， 具体操作过程如下：

1）前处理：

由于气相沉积术是一项超精细的表面处理技术，膜层极薄，故基体材料表面任何微小的污物以及表面物理化学性质的不一致，都会影响膜层正常的形核与长大，从而降低了膜层与基体的结合力和膜的均匀性，使各项表面性能难以达到预定的要求。因此要提高镀膜质量的先决条件是对基体进行良好的清洗与活化。清洗是涂层制备的重要工序，它的主要作用是去除待镀试样表面的油污和其他附着物，清洗质量的好坏直接影响涂层的质量；实验前，将样品打磨后抛光至镜面，表面粗糙度达到0.04~0.08µm Ra，后使用741金属清洗剂进行去油处理，经自来水冲洗之后放入去离子水中漂洗，经0.5~1%稀磷酸表面活化1分钟后放入丙酮中进行超声波清洗15分钟，之后用吹风机迅速吹干并立即放入真空室备用；

2）制备Zr/C薄膜：

2.1）将前处理完毕的试样放入真空室；

2.2）接通电源，打开冷却水系统，开启所有支路回水及进水阀门，检查循环水路有无漏点，水压低于0.3MPa；

2.3）开启压缩空气总阀门，检查压缩空气阀门、管路、接头有无漏声音；

2.4）打开配电柜电源空气开关，三相电源指示灯亮；

2.5）启动计算机，进入AS500DMTXB界面，手动预抽真空时，先用机械泵粗抽，直至真空度小于5Pa以下时，启动分子泵；

2.6）用氩气辉光清洗试件表面至无异常放电时止，偏压-1000V；

2.7）制备Zr/C涂层，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW；

2.8）制备结束后冷却至常温，关闭电源。

所述步骤2.8）中，镀膜后采用真空保温处理：镀膜结束后，保持真空度2-5×10-3Pa，旋转速度不变，真空保温20～40min后关闭烘烤电源，待温度降至150℃之后关闭高阀和扩散泵，保持前级开启，1小时候后关闭机械泵，保持水路开启，随炉冷却至室温后取出样品。

实施例1

用镊子夹取一小片制备得到的Zr/C纳米多层膜，多层膜宽度为20mm*20mm，厚度为200um；用电压为10V的电池正负极同时接触多层膜边缘，在电压激励下，多层膜在几微秒的时间内迅速发生自蔓延反应，并放出大量的热。

实施例2

将制备的Zr/C纳米多层膜置于两块异质轻金属夹层中，金属块宽度为20mm*20mm，厚度为3mm；用10V电池的正负极电压进行激励，多层膜迅速发生自蔓延反应，反应过程中用手指按压两块金属薄板，3-5秒钟后，两块金属薄板紧紧地结合在一起，极其简便地实现了异质轻金属之间的冶金连接。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。