受约束的金属凸缘及其制造方法

专利名称：受约束的金属凸缘及其制造方法
技术领域：
本发明涉及产生受约束的金属凸缘的方法，其允许连结高膨胀金属物品与低膨胀材料。另外，本发明涉及带凸缘金属物品和包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的带凸缘物品。
背景技术：
在目前用来连结由不同的材料制成的两个构件的组装技术之中，可发现传统的机械组装，由于体积、重量、成本和/或不良的动态行为的原因，常常发现传统的机械组装是不适合的。已知使用铜焊来将不同材料的两个零 件组装在一起。然而，这样的技术往往难以用来将陶瓷构件连结到金属构件上，因为两种材料有非常不同的热力学和物理化学属性。例如，在陶瓷和金属的热膨胀系数之间的巨大差异可在包括连结到金属构件上的陶瓷构件的物品中产生不合需要的残余应力。这些应力可导致强度降低或导致有不密闭的接头，并且可导致接头失效。陶瓷典型地是脆性的，并且具有较小的忍受温度和其它机械应力源的突变的能力。为了形成包括直接连结到金属材料上的陶瓷构件的物品，常用的连结技术要求两种材料的热膨胀特性恰当地匹配。在本领域中已知金属-陶瓷铜焊接头的开发。典型地，这种方法要求金属构件具有与陶瓷的热膨胀系数密切匹配的热膨胀系数(CTE)。这个要求严重限制了可用的材料选择。CTE良好地匹配的材料可展现不合需要的特性，例如难以处理、成本高、化学相容性不良、耐环境性不足，以及在处理期间对化学污染敏感。因而，发现使得能够将诸如陶瓷的脆性低膨胀材料连结到诸如金属的高强度高膨胀材料上的新技术是非常合乎需要的。另外，将合乎需要的是，这样的新技术能够用来将大范围的金属连结到大范围的陶瓷材料上，以及其中最大程度地减小了被连结的物品之间的热膨胀特性的巨大差异的负面影响。

发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种制造带凸缘金属物品的方法，该方法包括(a)将第一铜焊化合物施用到金属物品的第一部分上；(b)用一定长度的约束金属部件缠绕金属物品的第一部分；以及(C)将金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件加热到高于第一铜焊化合物的固相线温度的温度，以提供带凸缘金属物品，其中，金属物品具有热膨胀系数CTE I，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。根据本发明的另一方面，提供了一种带凸缘金属物品，其包括(a)包括一定长度的约束金属部件的金属物品的经缠绕的第一部分；以及(b)与约束金属部件以及金属物品的经缠绕的第一部分的表面接触的第一铜焊化合物；其中，金属物品具有热膨胀系数CTEI，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。根据本发明的另一方面，提供了一种带凸缘物品，其包括(a)连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件，其中，用钥线材缠绕带凸缘金属构件，并且其中，带凸缘金属构件包含镍、铁、钴和铬中的一种或多种；以及(b)与带凸缘金属构件以及钥线材的表面接触的第一铜焊化合物，其中，带凸缘金属构件具有热膨胀系数CTE I，钥线材具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I比CTE 2大至少100%。根据本发明的另一方面，提供了一种制造包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品的方法，其包括(a)将第一铜焊化合物施用到金属物品的第一部分上；(b)用一定长度的约束金属部件缠绕金属物品的第一部分；(C)将金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件加热到高于第一铜焊化合物的固相线温度的温度，以提供带凸缘金属物品，其中，金属物品具有热膨胀系数CTE 1，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTEI大于CTE 2 ； (d)使带凸缘金属物品的带凸缘部分与第二铜焊化合物和陶瓷物品接触，使得第二铜焊化合物设置在金属物品的带凸缘部分和陶瓷物品之间；以及(e)将带凸缘金属物品、第二铜焊化合物和陶瓷物品加热到高 于第二铜焊化合物的固相线温度的温度，以提供包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品。根据以下详细描述、附图和所附权利要求，本发明的其它实施例、方面、特征与优点对本领域普通技术人员将变得显而易见。


当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中图I是用于制造本发明的金属凸缘的工艺流程图。图2是在热处理之前的本发明的组件的横截面图的示意图。图3是在热处理和形成凸缘之前的、包括圆柱形金属物品、第一铜焊化合物和约束金属部件的本发明的组件的示意图。图4是在热处理之后的本发明的金属凸缘的横截面图的示意图。图5是在热处理之后的本发明的圆柱形金属凸缘的示意图。图6是包括单层约束金属部件的本发明的陶瓷物品和金属凸缘的组件的示意图。图7是包括多层约束金属部件的本发明的陶瓷物品和金属凸缘的组件的示意图。图8是在热处理之后的本发明的陶瓷物品和金属凸缘的组件的示意图。部件列表8在加热之前的金属凸缘10在加热之后的金属凸缘12陶瓷物品14金属物品16金属物品的端部部分/第一部分18第一铜焊化合物20约束金属部件22因科镍合金管的内表面24因科镍合金管的顶表面26在管顶表面24和被包裹部分的顶部之间的间隔28在加热之后的缸体的扩张部分
30第二铜焊化合物32包括连结到陶瓷构件12上的带凸缘金属构件10 (包括单层约束金属部件20)的物品的一部分。34包括连结到陶瓷构件12上的带凸缘金属构件10 (包括多层约束金属部件20)的物品的一部分。36带凸缘金属物品/包括连结到陶瓷物品12上的带凸缘金属物品10的物品。
具体实施例方式单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文清楚地另有规 定。如本文所用，用语“铜焊化合物”包括诸如金金属、银金属和钯金属的纯材料以及诸如银-铜铜焊合金、金-镍铜焊合金和银-铜-锌铜焊合金的多成分铜焊材料两者。在一个实施例中，本发明提供一种制造带凸缘金属物品的方法，该方法包括(a)将第一铜焊化合物施用到金属物品的第一部分上；(b)用一定长度的约束金属部件缠绕金属物品的第一部分；以及(C)将金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件加热到高于第一铜焊化合物的固相线温度的温度，以提供带凸缘金属物品，其中，金属物品具有热膨胀系数CTE I，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。可在各种各样的应用中使用根据本发明的方法所产生的凸缘，但是在期望将具有较低的热膨胀系数(CTE)的材料连结到具有较高的热膨胀系数的材料上时(例如在将金属连结到陶瓷上时)它们特别有用。根据本发明的方法所产生的凸缘在这样的意义上是“受约束”的金属凸缘凸缘的热膨胀特性相对于金属物品起始材料而受约束金属部件的限制。用作用于制备本发明的带凸缘金属物品的起始材料的金属物品可为其中期望形成凸缘的任何金属物品。适当的金属物品的非限制性实例包括金属的管、杆、板和容器。如所提到的那样，金属物品是用于制备本发明提供的带凸缘金属物品的起始点。构建金属物品的适当的材料的非限制性实例包括金、镍、钛、银、铜、钼、钯、铌、钽、钥、合金625、锆、钴、铬、不锈钢和这些材料的组合。在一个实施例中，用来产生带凸缘金属物品的金属物品包含了包含镍的合金、包含铁的合金、包含钴的合金、包含铜的合金和包含铝的合金中的至少一种。因而，在一个实施例中，金属物品起始材料包括包含镍的合金。在备选实施例中，金属物品起始材料包括包含铁的合金。在又一个实施例中，金属物品包含了包含镍和铁的合金。在一些实施例中，金属物品包含铌。在一个实施例中，金属物品由铌基合金制成。在又一个实施例中，金属物品基本由铌组成。在各种实施例中，金属物品可包含碳钢、镍合金、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铜合金或招合金。在一些实施例中，金属物品包含一种或多种超合金。本领域普通技术人员已知多种多样的超合金，并且它们适于根据本发明的一个或多个实施例来使用。在一个实施例中，金属物品包含选自由镍基超合金、铁基超合金、钴基超合金和前述中的两种或更多种的组合组成的组的一种或多种超合金。镍基超合金由阿斯特罗洛伊镍基超耐热合金(Astroloy)、哈司特镍合金(Hastelloy)、因科镍合金(INC0NEL)、尼孟镍合金(Nimonic)、派罗梅特镍基耐热合金(Pyromet)、雷内镍基高温耐蚀合金(Rene)、尤迪梅特镍基耐热合金(Udimet)和沃斯帕洛伊合金(Waspaloy)示出。铁基超合金由迪卡洛耐热钢(Discaloy)和因科镍铬不锈钢(Incoloy)示出。钴基超合金由Airresist、埃尔基洛伊耐蚀游丝合金(Elgiloy)、MP35N和司太立特硬质合金(Stellite)示出。金属物品可具有任何期望的形状，例如圆柱形形状、圆锥形形状、球形形状、长方形形状、立方体形状或者甚至不规则的形状。在一些实施例中，金属物品是缸体。在一个实施例中，圆柱形金属物品具有在大约0.005英寸至大约0. 10英寸的范围中的厚度。在一个具体的实施例中，圆柱形金属物品具有大约0. 035英寸的厚度。在一个实施例中，金属物品是管，例如，金属物品是镍合金管。在备选实施例中，金属物品是杆。如所提到的那样，是用于制备本发明提供的带凸缘金属物品的起始点的金属物品具有第一铜焊化合物可施用到其上的第一部分。在一个实施例中，金属物品的第一部分是端部部分。在备选实施例中，金属物品的第一部分为 非端部部分，例如管的中间区段。如所提到的那样，将是用于制备本发明提供的带凸缘金属物品的起始材料中的一种的第一铜焊化合物设置成使得其接触金属物品的第一部分和约束金属部件两者。在一个实施例中，在将约束金属部件缠绕在金属物品的第一部分的周围之前，将第一铜焊化合物施用在金属物品的第一部分上。在备选实施例中，在将约束金属部件缠绕在金属物品的第一部分的周围之后，将第一铜焊化合物施用到金属物品的第一部分上。可基于本领域普通技术人员已知的各种各样的因素来选择第一铜焊化合物，例如铜焊性能特性(例如铜焊温度)和成本。在本领域中已知各种各样的铜焊化合物，并且其可为单成分的铜焊化合物(例如诸如金、银和钯的较纯的金属)和多成分的铜焊化合物，例如铜焊合金，例如银-铜铜焊合金、银-锌铜焊合金、铜-锌铜焊合金、银-铜-锌铜焊合金、银-铜-锌-镉铜焊合金、铜-磷铜焊合金、银-铜-磷铜焊合金、金-银铜焊合金、金-铜铜焊合金、金-镍铜焊合金、金-钯铜焊合金、钯基铜焊合金、镍基铜焊合金、钴基铜焊合金、铝基铜焊合金(例如铝硅铜焊合金)，以及包含一种或多种活性金属成分的铜焊合金。在一个具体的实施例中，第一铜焊化合物是较纯的金。在一个实施例中，第一铜焊化合物选自由金基铜焊化合物、铜基铜焊化合物、银基铜焊化合物、钼基铜焊化合物、钯基铜焊化合物、钛基铜焊化合物、钒基铜焊化合物、镍基铜焊化合物和它们的组合组成的组。在一些其它实施例中，第一铜焊化合物是活性铜焊化合物，有时在本文中也称为活性铜焊合金。本领域普通技术人员已知多种多样的铜焊化合物和活性铜焊化合物，并且它们可商购获得。如所提到的那样，一定长度的约束金属部件与第一铜焊化合物结合起来使用，以形成带凸缘金属物品。如其名称所暗示的那样，约束金属部件在热处理和随后的冷却期间约束金属物品。约束金属部件可包括(但不限于)绳股、细丝、线材、多细丝绳缆、线性约束条、片、带、穿孔带和箔。在一个实施例中，约束金属部件是单细丝线材。在备选实施例中，约束金属部件是多细丝线材。在一个实施例中，约束金属部件是具有长度和宽度的尺寸的线性物品，并且其特征在于高的纵横比。线性的意思是，约束金属部件易于缠绕或包裹在金属物品的周围。如本文所用，用语“纵横比”指的是所采用的各个约束金属部件的长度与宽度的比。例如，单细丝线材的纵横比指的是单细丝线材的长度与单细丝线材的宽度(或厚度)的比。在一些实施例中，约束金属部件或者部分地或者完全地缠绕在金属物品的第一部分的周围。例如，约束金属部件可为缠绕在金属物品的第一部分的周围的线材。在各种实施例中，通过在金属物品的第一部分的周围产生多圈来将约束金属部件缠绕在金属物品的周围。约束金属部件的圈数可取决于金属物品的大小、约束金属部件的长度和金属物品的热膨胀特性而改变。在一些实施例中，用约束金属部件缠绕金属物品，使得约束金属部件在金属物品的第一部分的表面上形成一个或多个层。在一些实施例中，可用两个或更多个约束金属部件一个在另一个上来缠绕金属物品，以形成在金属物品上包括多层约束金属部件的组件。在各种实施例中，约束金属部件的纵横比在大约10至大约10000的范围中。在一个实施例中，约束金属部件的纵横比在从约10至大约1000的范围中。在又一个实施例中，约束金属部件的纵横比在大约10至大约100的范围中。在一个实施例中，约束金属部件具有固定的长度和可变的宽度(或厚度)，在这种情况下，可通过约束金属部件的长度与其平均宽度(或厚度)的比来确定约束金属部件的纵横比。约束金属部件可选择成在升高的温度下具有低的热膨胀系数和高的弹性模数。可按这样的方式来将约束金属部件缠绕到金属物品的第一部分的周围允许金属物品的第一部分在受加热后膨胀成与约束金属部件密切 配合地接触。在各种实施例中，可通过最初将约束金属部件缠绕在金属物品的周围有多紧来控制产生的凸缘的尺寸。在金属物品、约束金属部件和铜焊化合物的组件被加热时，金属物品比约束金属部件有更大程度的膨胀，而且如所提到的那样，金属物品密切配合地接触约束金属部件。在冷却之后，在金属物品和约束金属部件之间的密切接触阻止金属物品的与约束金属部件和第一铜焊化合物密切配合地接触的那部分收缩。如所提到的那样，约束金属部件典型地由具有较低的CTE的、可合适地成形(例如塑造成箔或线材)以便于其用作约束金属部件的材料构成。在一个实施例中，约束金属部件包含钥、钨、碳化硅、熔凝石英、石墨或玻璃中的至少一种。在一个实施例中，约束金属部件选自由铪部件、锆部件、铬部件、镍部件、铁部件、钥部件、铌部件和前述中的两种或更多种的组合组成的组。如本文所用，用语铪部件、锆部件、铬部件、镍部件、铁部件、钥部件和铌部件指的是包含前面提到的元素中的一种或多种的约束金属部件。因而，铪部件包含铪，锆部件包含锆，铬部件包含铬，镍部件包含镍，铁部件包含铁，钥部件包含钥，而铌部件包含铌。本领域普通技术人员将理解，约束金属部件可包含呈其元素形式的金属、金属合金或没有资格作为呈其元素形式的金属或其金属合金的金属物质。在一个具体的实施例中，约束金属部件是钥部件，并且包含元素钥。在备选实施例中，约束金属部件是包含钥合金的钥部件。在一个实施例中，约束金属部件包含镧钥。镧钥可为其它钥基材料的有用的替代物。在一个实施例中，约束金属部件由包含大约0. 875%的La2O3的镧钥构成。在一个具体的实施例中，约束金属部件是钥线材。钥具有小于适于构建金属物品起始材料的材料的各种镍基超合金的热膨胀系数的热膨胀系数。在下面的表I中示出了一些示例性金属材料的CTE。如可在表中看到的那样，适于用作约束金属部件的钥金属具有显著地低于适于用作金属物品的材料的因科镍合金625的CTE。表I :多种金属材料的CTE
材料CTE
在20°C处或在20°C附近为7. IX 10_6/°C "11在 20°C处或在 20°C 附近为 4. 8X 10_6/°C因科镍合金625~ 在20°C处或在20°C附近为13. 1X10_6/°C钥的额外的性质在于其比各种镍基超合金具有显著地更高的弹性模数。如所提到的那样，在一个实施例中，约束金属部件由钥合金构成。钥及其合金典型地在升高的温度下保持有用的机械属性。由于钥及其合金的热属性和机械属性的原因，使用包含钥和/或钥的合金的约束金属部件可为尤其有利的。在某些实施例中，钨和碳化硅也可有利地用作构建约束金属部件的材料。在一个实施例中，薄的钥线材可在镍合金管的端部部分(金属物品的第一部分)的周围缠绕多次，金铜焊化合物设置在镍合金管的端部部分的外表面上，使得金铜焊化合物接触管的外表面和钥线材两者。然后这个组件受加热，并且随后被冷却，以产生带凸缘金属物品。在另一个实施例中，薄的钥线材可缠绕在镍合金 管上，并且将金铜焊化合物施加到管的经缠绕的部分上，使得金铜焊化合物接触钥线材。然后这个组件可受加热且随后被冷却，以产生带凸缘金属物品。可取决于金属物品的膨胀和收缩特性来恰当地调节约束金属部件的宽度，以便控制产生的凸缘的大小和形状。在一些实施例中，约束金属部件是尺寸较均匀且具有在大约0. 005英才至大约0. 025英寸的范围中的直径的线材，并且例示了 “薄”线材。在一个具体的实施例中，约束金属部件的直径为大约0.012英寸。例如，约束金属部件可为具有在大约0. 005英寸至大约0. 025英寸的范围中的直径的钥线材，而在一个具体的实施例中，约束金属部件是具有大约0. 012英寸的直径的钥线材。典型地，约束金属部件在金属物品的第一部分的周围缠绕多次，但是在某些实施例中可能不需要多匝，例如在约束金属部件呈带的形式时。但是，典型地，约束金属部件在金属物品的第一部分的周围缠绕两次或更多次。在一个实施例中，约束金属部件缠绕成使得金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件包含5匝至1000匝。在备选实施例中，约束金属部件缠绕成使得金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件包含10匝至100匝。在又一个实施例中，约束金属部件缠绕成使得金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件包含10匝至25匝。如所提到的那样，用来制备本发明的带凸缘金属物品的金属物品具有大于约束金属部件的CTE 2的热膨胀系数CTE I。在各种实施例中，CTE I必须大于CTE 2，以便约束金属部件发挥其功能，即在加热和冷却期间限制金属物品的膨胀和收缩。在一个实施例中，CTE I比CTE 2大至少10%。在另一个实施例中，CTE I比CTE 2大大约10%至大约300%。在备选实施例中，CTE I比CTE 2大大约50%至大约250%。在又一个实施例中，CTE I比CTE 2大大约35%至大约225%。在一个具体的实施例中，CTE I比CTE 2大大约200%。在一个实施例中，金属物品包含具有比包含钥的约束金属部件的CTE(CTE2)大大约200%的CTE (CTE I)的镍合金。如所提到的那样，本发明的一个实施例提供带凸缘金属物品，其包括(a)包括一定长度的约束金属部件的金属物品的经缠绕的第一部分；以及(b)与约束金属部件以及金属物品的经缠绕的第一部分的表面的接触的第一铜焊化合物；其中，金属物品具有热膨胀系数CTEl，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。在本发明的另一个实施例中，带凸缘金属物品包括(a)连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件，其中，带凸缘金属构件缠绕有钥线材，并且其中，带凸缘金属构件包含镍、铁、钴和铬中的一种或多种；以及(b)与带凸缘金属构件以及钥线材的表面接触的第一铜焊化合物，其中，带凸缘金属构件具有热膨胀系数CTE I，钥线材具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I比CTE 2大至少100%。在一个实施例中，本发明提供一种制造包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品的方法，该方法包括(a)将第一铜焊化合物施用到金属物品的第一部分上；(b)用一定长度的约束金属部件缠绕金属物品的第一部分；(C)将金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件加热到高于第一铜焊化合物的固相线温度的温度，即典型地在大约300°C至大约2500°C的范围中的温度，以提供带凸缘金属物品，其中，金属物品具有热膨胀系数CTE I，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2 ; (d)使带凸缘金属物品的带凸缘部分与第二铜焊化合物和陶瓷物品接触，使得第二铜焊化合物设置在金属物品的带凸缘部分和陶瓷物品之间；以及(e)将带凸缘 金属物品、第二铜焊化合物和陶瓷物品的组件加热到高于第二铜焊化合物的固相线温度的温度，即典型地在大约300°C至大约2500°C的范围中的温度，以提供包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品。本领域普通技术人员将理解，以上加热步骤(c)和(e)在本文中有时可称为“铜焊”步骤；步骤(c)表示第一铜焊步骤，而步骤(e)表示第二铜焊步骤，各个步骤的特征在于，铜焊温度高于第一铜焊化合物和第二铜焊化合物的固相线温度。典型地，执行第二铜焊步骤时所处的温度(第二铜焊温度)低于执行第一铜焊步骤时所处的温度(第一铜焊温度)。这个预防措施可帮助防止在第一铜焊步骤中形成的铜焊接头由于第二铜焊步骤中的热处理而有有害的变化。如本领域普通技术人员将理解的那样，根据本发明的方法来连结到陶瓷物品上的带凸缘金属物品的带凸缘部分可为端部凸缘或不是端部凸缘的凸缘。在一个实施例中，将第二铜焊化合物施用到形成于带凸缘金属物品的端部部分处的凸缘上，然后将该端部部分连结到陶瓷物品上。第二铜焊化合物可与第一铜焊化合物相同或不同，但是，如所提到的那样，第二铜焊化合物典型地不同于第一铜焊化合物。可用作第二铜焊化合物的适当的铜焊化合物包括关于第一铜焊化合物所示出的那些。在一个实施例中，第二铜焊化合物选自由金、金铜焊合金、铜铜焊合金、银、银铜焊合金、钯、钯铜焊合金、钛铜焊合金、钒铜焊合金、镍铜焊合金和前述铜焊化合物中的两种或更多种的组合组成的组。在一些实施例中，第二铜焊化合物是促进陶瓷表面的湿润的活性铜焊化合物。在一个实施例中，活性铜焊化合物包括选自由钛、锆、铬和钇组成的组的一种或多种活性元素。在另一个实施例中，活性铜焊化合物包含一种或多种稀土兀素。将带凸缘金属物品、第二铜焊化合物和陶瓷物品的组件加热到高于第二铜焊化合物的固相线温度的温度以及随后冷却该组件会在带凸缘金属构件(带凸缘金属物品)和陶瓷构件(陶瓷物品)之间产生坚固的接头。带凸缘金属物品的带凸缘部分(凸缘)仍然受到约束金属部件的约束，并且因而在加热期间相对于形成它的金属物品或其所连结的陶瓷物品展现更小的膨胀(或者在冷却期间展现更小的收缩)。因而，在各种实施例中，约束金属部件会补偿在金属物品起始材料和其所期望附连的陶瓷构件之间的热膨胀特性的失配。通过控制连结到陶瓷物品上的带凸缘金属物品的带凸缘部分中和带凸缘部分周围的热膨胀特性，可连结带凸缘金属物品和陶瓷物品，并且可在加热和冷却循环期间避免对陶瓷物品有损害。
在一个实施例中，在根据本发明的方法来组装包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品时，可调节约束金属部件的宽度，以优化带凸缘金属构件和陶瓷构件两者的热膨胀特性之间的匹配。如本领域普通技术人员将理解的那样，所采用的铜焊化合物的量应当足以在第一铜焊化合物的情况下在金属物品和约束金属部件之间，以及在第二铜焊化合物的情况下在带凸缘金属物品的带凸缘部分和陶瓷物品之间产生坚固的结合。在一些实施例中，施用到金属物品或带凸缘金属物品上的第一铜焊化合物或第二铜焊化合物具有在大约0.0001英寸至大约0.05英寸的范围中的厚度。例如，金铜焊化合物可施用到金属物品上，并且具有在大约0. 001英寸至大约0. 005英寸的范围中的厚度。在另一个实例中，施用到金属物品上的金铜焊化合物具有大约0.002英寸的厚度。可按各种物理形式来施用铜焊化合物。例如，除了别的以外，可将铜焊化合物作为箔、板条、线材、 膏、预成型件或浆来进行施用。在一个实施例中，铜焊化合物是瞬态液相(TLP)铜焊化合物。在一个实施例中，本发明采用第一铜焊化合物和第二铜焊化合物，它们中的各个均是TLP铜焊化合物。在其中必须在本发明提供的物品中产生多个铜焊接头以及其中在相同或不同的铜焊温度下以单独的铜焊步骤来产生铜焊接头的情况下，使用TLP铜焊化合物可为有利的。在备选实施例中，本发明提供一种制备包括在单个加热循环中形成的多个铜焊接头的带凸缘金属物品的方法。参照图1，其显示了用于制造本发明的金属凸缘的工艺流程图(步骤1-3)，其包括步骤I :将第一铜焊化合物施用到镍合金管的外部端部部分上。然后，在步骤2中，将钥线材缠绕在步骤I中用第一铜焊化合物处理过的管的节段的周围。然后在步骤3中，对管、第一铜焊化合物和钥线材的组件进行热处理和冷却而形成金属凸缘。该图进一步示出了用于制备包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品的方法(步骤1-6)。因而，在步骤1-3之后，在步骤4中，将第二铜焊化合物设置在暴露的管端(带凸缘金属物品的带凸缘部分)上，并且在步骤5中，使陶瓷物品与第二铜焊化合物接触，以在金属凸缘和陶瓷物品之间形成连接。最后，在步骤6中，对带凸缘金属物品、第二铜焊化合物和陶瓷物品的组件进行热处理和冷却，以在它们之间实现坚固的接头，并且提供包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的制成品。图2是本发明提供的组件8的横截面图的示意图。不存在凸缘，因为图2表示加热之前的组件。组件8包括金属物品14、设置在金属物品14的端部部分16上的第一铜焊化合物18，以及缠绕在金属物品的端部部分的周围且接触第一铜焊化合物的一定长度的约束金属部件20。图3显示了金属缸体的示意图，待使用本发明的方法来修改该金属缸体而产生带凸缘金属物品。如在图2中那样，不存在凸缘，因为图表示在热处理和形成凸缘之前的本发明的组件。在一些实施例中，金属物品14是镍合金管，第一铜焊化合物18是金铜焊化合物，而约束金属部件20是钥线材，其中，钥线材缠绕在具有内表面22和管顶表面24的管的周围。在图3中显示的实施例中，在管顶表面24和包括约束金属部件20的组件的被包裹部分的顶部之间存在间隔26。在某些实施例中，使间隔26保持尽可能地小，以便最大程度地减少不接触约束金属部件和铜焊化合物的管的部分。最大程度地减小间隔26可帮助在将管的顶部部分连结到陶瓷物品上时减少变形和/或裂纹的形成。
图4是显示了本发明提供的带凸缘圆柱形金属物品10的横截面图的示意图。显示了约束金属部件20在金属物品14的端部部分16的周围缠绕多次，其中，第一铜焊化合物18设置在端部部分上，使得第一铜焊化合物18接触物品14的外表面和约束金属部件20两者。
现在参照图5，图表示由金属缸体14制成的带凸缘金属物品10，已经使用本发明的方法来修改该金属缸体14而产生带凸缘金属物品。缠绕有约束金属部件20且与第一铜焊化合物18接触的缸体14的端部部分16包括在对缺乏带凸缘部分的金属缸体、第一铜焊化合物18和约束金属部件20的组件进行热处理之后形成的凸缘28。如所提到的那样，金属缸体比约束金属部件20有更大程度的膨胀，并且在加热步骤期间与约束金属部件密切配合地接触。在冷却之后，在金属缸体和约束金属部件20之间的密切接触阻止与第一铜焊化合物和约束金属部件接触的金属缸体的部分收缩，并且导致凸缘28 (也称为扩张端部部分28)的形成。现在，参照图6，该图显示了本发明提供的、包括连结到陶瓷构件12上的带凸缘金属构件10的物品32的横截面图的示意图。在所显示的实施例中，通过在带凸缘金属物品的顶表面24和陶瓷物品12之间施用第二铜焊化合物30来将带凸缘金属物品连结到陶瓷物品12上。带凸缘金属物品10可具有相容的形状和大小，以连结到陶瓷物品12上。在一个示例性实施例中，带凸缘金属物品10与同心陶瓷缸体结合起来而存在。图7显示了本发明提供的、包括连结到陶瓷构件12上的带凸缘金属构件10的物品34的横截面图的示意图。在所显示的实施例中，包括包含多层约束金属部件20的带凸缘部分的带凸缘金属物品通过设置在带凸缘金属物品的顶表面24和陶瓷构件12之间的第二铜焊化合物30来连结到陶瓷物品12上。图8示出了本发明提供的、包括连结到陶瓷物品12上的带凸缘金属物品10的物品36。在图7中示出的实施例中，带凸缘金属物品10包括凸缘28、第一铜焊化合物18，以及缠绕在已经根据本发明的一个或多个实施例经受热处理和凸缘的形成的起始金属物品14的第一部分的周围的约束金属部件20。在一个实施例中，第一铜焊化合物18和第二铜焊化合物30可包含金基铜焊材料，并且可通过铜焊中采用的一种或多种连结技术来连结到金属物品14上。可通过诸如包覆、裱糊、焊接、镀覆、淀积、铸造、机械附连或热喷涂技术的各种各样的方法来将铜焊化合物直接设置在金属物品14的表面上。使用第二铜焊化合物30来将带凸缘金属构件10连结到陶瓷构件12上，并且第二铜焊化合物30可帮助适应由于带凸缘金属构件、第二铜焊化合物和陶瓷构件的组件的热处理而引起的机械应变。第一铜焊化合物18和第二铜焊化合物30可为相同或不同的材料。在一个实施例中，第一铜焊化合物18和第二铜焊化合物30能够在恶劣的环境中运行，例如其中铜焊接头同时暴露于一种或多种腐蚀性化学物质(例如水和硫化氢气体的气态混合物)和高温(例如500°C)的环境。这样的环境在本文中有时称为恶劣的热化学环境。根据本发明的一个或多个实施例，可采用各种额外的层。例如，可将额外的金属层设置在起始金属物品的端部部分、铜焊化合物或包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的带凸缘物品的陶瓷构件上。在一个实施例中，本发明提供包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的物品，其中，在第二铜焊化合物和陶瓷构件之间设置金属中间层。这种金属中间层可促进带凸缘金属构件与陶瓷构件的连结。这样的额外的金属层的适当的源包括金属箔、涂层和粉末。在一个实施例中，额外的金属层包含钥和镁，并且可通过本领域普通技术人员已知的一种或多种技术来结合到本发明提供的物品中。在一个实施例中，在本发明提供的物品中结合额外的层，以便促进特别的一个或多个表面的湿润。例如，可采用包含镍的湿润层来增强第二铜焊化合物的连结相容性。可通过例如电镀技术和无电镀覆技术(例如无电镍镀)来制备适当的湿润层。另外，可将各种保护涂层设置在铜焊化合物的上面。在一个实施例中，将保护涂层施用到第二铜焊化合物30(图8)的暴露部分上，以便保护带凸缘金属构件和陶瓷构件之间的接头不发生热化学环境退化。实例材料使用具有5英寸的直径和0. 25英寸的壁厚的脆性低膨胀氧化铝管道作为陶瓷构件。待直接与陶瓷构件连结的高膨胀金属物品是直 径大致相同(5英寸)的0.035英寸厚的因科镍合金 625管道。使用具有0.015英寸的直径的30英尺长的钥线材(Rembar公司)作为约束金属部件，并且使用具有0. 002英寸的厚度、0. 5英寸的宽度和16英寸的长度的99. 99%的金箔(威廉姆斯高级材料公司(Williams AdvancedMaterials))作为第一铜焊化合物。使用PAIXUSIL 10 (摩根技术陶瓷-唯思古金属分公司(Morgan TechnicalCeramics-Wesgo Metals Division))作为第二铜焊化合物。实例I :制备带凸缘金属物品将具有大约0. 035英寸的厚度的因科镍合金 625片材卷成圆柱形形状，并且对其进行缝焊，以产生具有大约4. 85英寸的直径的管道。将金属塞插入管道的端部中，以保持管道的圆度，以及在可旋转轴线的周围提供支承。将金箔第一铜焊化合物点焊到管道的端部部分的外表面上。用手将具有0. 015英寸的直径的30英尺长的钥线材缠绕在金箔第一铜焊化合物的顶部上。在管道的周围产生多圈钥线材，使得各圈(或匝)接近或接触相邻的圈，以及接触第一铜焊化合物。然后将钥线材的端部绞在一起，以使圈保持就位，并且将产生的组件置于真空加热炉中，并且将该组件加热到1107°C的温度达一分钟，以形成带凸缘金属物品。当使用金基铜焊化合物时，这种加热规程是典型的。带凸缘金属物品在凸缘的区域中和凸缘的区域的周围展现均匀的铜焊化合物流。在热处理时，管道比钥线材有更大程度的膨胀，并且与钥线材密切配合地接触。在冷却之后，钥线材约束管道的端部部分，并且阻止管道的端部部分收缩回其原来的形状和大小，因此管道的端部部分则转变成例如图4中显示的金属凸缘。使用坐标测量机(CMM)来测量产生的管道的变形。用坐标测量机获得的结果的分析认为，0. 04英寸厚的钥线材对于结合这个实例中使用的0.035英寸厚的金属物品的约束金属部件来说可为最佳厚度。另夕卜，结果认为，使用0. 04英寸厚的钥线材作为约束金属部件将允许在产生的凸缘和氧化铝陶瓷构件的热膨胀特性之间有更好的匹配。实例2 具有0. 035英寸的厚度和大约5英寸的直径的三个因科镍合金@625管道被用金第一铜焊化合物处理、被缠绕0. 04英寸厚的钥线材，以及如在实例I中经热处理，以提供三个带凸缘金属物品。将第二铜焊化合物(PAIXUSIL-10)施用到三个带凸缘金属物品中的各个的带凸缘部分的顶表面(参见例如图5的元件24)上。然后使各自具有与带凸缘金属物品的带凸缘部分大致相同的直径和厚度的三个氧化铝陶瓷管道接触三个带凸缘金属物品中的各个，使得第二铜焊化合物接触带凸缘金属物品和陶瓷管道两者。然后根据以下加热规程725°C /3小时、830°C /I分钟和881°C /I分钟，在真空下加热带凸缘金属物品、第二铜焊化合物和陶瓷管道的组件，以将陶瓷管道连结到带凸缘金属物品上，以及获得包括连结到陶瓷构件上的带凸缘金属构件的制成品。在钥线材和因科镍合金625管道之间的含金的铜焊接头未受这个第二加热步骤的干扰，因为第二铜焊化合物(PALCUSIL-10)在足够低的温度下有效地将陶瓷管道连结到带凸缘金属物品上，使得第一铜焊化合物在第二加热规程期间没有流动。对三个制成品中的各个进行拉伸测试。因而在因科镍合金625管道的端部部分上施加拉伸载荷。记录了 3635英尺-磅(物品I)、14898英尺-磅(物品2)和14414英尺-磅(物品3)的极限拉伸载荷。在铜焊化合物中直接观察到因为在陶瓷管道构件和带凸缘因科镍合金625管道构件的连结表面之间的 第二铜焊化合物的覆盖范围不足的原因引起的第一零件的失效。在物品2和物品3的情况下，观察到发生了在PAIXUSIL-10铜焊接头的附近的陶瓷破裂引起的失效。一些陶瓷材料在失效之后在因科镍合金625凸缘上保持完好，这表明铜焊接头的强度超过了接头附近的陶瓷管道的强度。比较性实例I :在约束金属部件的情况下进行铜焊作为控制实验，在没有约束金属部件的情况下，将像实例I和2中采用的那个一样的因科镍合金625管道铜焊到陶瓷管道上，以及因此，陶瓷管道在铜焊热处理期间失效。这个结果符合预计在铜焊步骤期间在陶瓷中引起的应力将超过陶瓷的强度的分析。比较性实例I的结果与实例2中获得的结果截然相反，在实例2中，物品的陶瓷部分在室温下的残余应力足够地低，以允许在陶瓷失效之前添加显著的额外拉伸载荷。虽然参照实例、比较性实例和示例性实施例来描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，可作出各种改变，并且等效元件可代替用来描述本发明的声明的元件，而不偏离发明人构思的本发明的范围。另外，可对本发明的教导作出修改，以使其适于特定的应用，而不偏离发明人构思的本发明的范围。因此，意图的是本发明不限于公开的用于执行本发明的实施例，而是本发明包括落在意图的权利要求的范围内的所有实施例。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则它们意图处于权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种制造带凸缘金属物品(10)的方法，所述方法包括 (a)将第一铜焊化合物(18)施用到金属物品(14)的第一部分(16)上； (b)用一定长度的约束金属部件(20)缠绕所述金属物品的所述第一部分(16);以及 (c)将所述金属物品(14)、所述约束金属部件(20)和所述第一铜焊化合物(18)的组件加热到高于所述铜焊化合物的固相线温度的温度，以提供带凸缘金属物品(10)， 其中，所述金属物品(14)具有热膨胀系数CTE 1，所述约束金属部件(20)具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，CTEI比CTE 2大至少10%。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述金属物品包含一种或多种超合金。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述超合金选自由镍基超合金、铁基超合金、钴基超合金和前述中的两种或更多种的组合组成的组。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述金属物品(10)是缸体。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一铜焊化合物(18)选自由金基铜焊化合物、铜基铜焊化合物、银基铜焊化合物、钼基铜焊化合物、钯基铜焊化合物、钛基铜焊化合物、钒基铜焊化合物、镍基铜焊化合物和它们的组合组成的组。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述约束金属部件(20)选自由铪部件、锆部件、铬部件、镍部件、铁部件、钥部件、铌部件和前述中的两种或更多种的组合组成的组。
8.一种带凸缘物品(36)，包括 (a)连结到陶瓷构件(20)上的带凸缘金属构件(10)，其中，用钥线材(20)缠绕所述带凸缘金属构件(10)，并且其中，所述带凸缘金属构件包含镍、铁、钴和铬中的一种或多种；以及 (b)与所述带凸缘金属构件(10)以及所述钥线材(20)的表面接触的第一铜焊化合物(18)， 其中，所述带凸缘金属构件(10)具有热膨胀系数CTE 1，所述钥线材具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I比CTE 2大至少100%。
9.根据权利要求8所述的带凸缘金属物品(36)，其特征在于，所述带凸缘金属构件(10)包括多层所述钥线材(20)。
10.一种制造包括连结到陶瓷构件(12)上的带凸缘金属构件(10)的物品(36)的方法，所述方法包括 (a)将第一铜焊化合物(18)施用到金属物品的第一部分(16)上； (b)用一定长度的约束金属部件(20)缠绕所述金属物品的所述第一部分； (c)将所述金属物品(10)、所述约束金属部件(20)和所述第一铜焊化合物(18)的组件加热到高于所述第一铜焊化合物(18)的固相线温度的温度，以提供带凸缘金属物品(36)，其中，所述金属物品(14)具有热膨胀系数CTE 1，所述约束金属部件(20)具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE I大于CTE 2 ； (d)使所述带凸缘金属物品(36)的带凸缘部分(10)与第二铜焊化合物(30)和陶瓷物品(12)接触，使得所述第二铜焊化合物设置在所述金属物品的所述带凸缘部分和所述陶瓷物品之间；以及 (e)将所述带凸缘金属物品、所述第二铜焊化合物和所述陶瓷物品的组件加热到高于所述第二铜焊化合物的固相线温度的温度，以提供包括连结到所述陶瓷构件上的所述带凸缘金属构件的所述 物品。
全文摘要
本发明涉及受约束的金属凸缘及其制造方法。本发明提供一种制造带凸缘金属物品的方法。该方法包括(a)将第一铜焊化合物施用到金属物品的第一部分上；(b)用一定长度的约束金属部件缠绕金属物品的第一部分；以及(c)将金属物品、约束金属部件和第一铜焊化合物的组件加热到高于第一铜焊化合物的固相线温度的温度，即典型地在大约300℃至大约2500℃的范围中的温度，以提供带凸缘金属物品，其中，金属物品具有热膨胀系数CTE 1，约束金属部件具有热膨胀系数CTE 2，并且CTE 1大于CTE 2。本发明进一步提供一种金属凸缘，它最大程度地减小高膨胀金属和低膨胀脆性材料之间的热膨胀失配。
文档编号B23K31/02GK102672357SQ20121005033
公开日2012年9月19日 申请日期2012年2月22日 优先权日2011年2月22日
发明者D·M·利普金, J·D·范达姆, K·K·丹尼克, K·S·哈兰, M·S·彼得森二世 申请人:通用电气公司