一種鈦/鎳復合膜的制備及連接鈦及鈦合金的方法技術

一種鈦/鎳復合膜的制備及連接鈦及鈦合金的方法屬于焊接技術領域。其特征在于：所述的復合膜由磁控濺射制備，鈦和鎳兩種元素組成，其中鈦與鎳的單層厚度均為20～35nm，交替濺射50～100層，兩側分別為通過磁控濺射沉積的1μm厚的鈦，總厚度為4～9μm；在5～50MPa壓力作用下對其進行500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min，進而連接鈦或鈦合金的加熱工藝。本發明專利技術解決鈦合金連接溫度高，連接不精密，影響鈦合金的性能等問題。本發明專利技術兩側的鈦金屬層保證了與所連接母材的潤濕性，壓力的應用有效減少了連接接頭的裂紋和氣孔等缺陷，使接頭結合更緊密，提高了連接接頭的強度，進而提高了連接的應用范圍。

Preparation of titanium / nickel composite film and method for connecting titanium and titanium alloy

The invention relates to a preparation method of a titanium / nickel composite film and a method for connecting titanium and titanium alloy, belonging to the welding technical field. It is characterized in that the composite film by magnetron sputtering, two element titanium and nickel, titanium and nickel layer thickness which was 20 ~ 35nM, 50 ~ 100 layers of alternating sputtering, respectively on both sides by 1 m thick titanium deposited by magnetron sputtering, the total thickness of 4 to 9 m; in 5 ~ 50MPa under the pressure of 500 degrees and 800 degrees two section temperature respectively. 30min and 60min, and then connect the heating process of titanium or titanium alloy. The invention solves the problems of high connection temperature of the titanium alloy, imprecise connection and the influence of the performance of the titanium alloy. The invention of titanium metal layer on both sides of the guarantee and wettability of the connection of the parent material, the application of the pressure reduces the joint cracks and pores, so that the joints combined more closely, improve the joint strength, and improve the application scope of connection.

【技術實現步驟摘要】
一種鈦/鎳復合膜的制備及連接鈦及鈦合金的方法
本專利技術屬于焊接
，涉及一種應用鈦/鎳疊層復合納米薄膜的制備及擴散連接鈦及鈦合金的方法。
技術介紹
鈦合金具有密度低、耐腐蝕、比強度高、耐熱等突出優點而被稱作“太空金屬”或“海洋金屬”,廣泛用于航空、航天、造船、電力、石油化工等領域。其常用的焊接方法有鎢極氬弧焊、真空電子束焊和激光焊等。但鎢極氬弧焊焊接速度較慢、焊件變形較大、焊縫組織較粗大，焊縫中易生產氣孔以及鎢夾雜等焊接缺陷；真空電子束焊焊縫中易出現氣孔；激光焊穿透力不如電子束強，不能焊接較厚工件。因此，研究一種焊接速度快、氣孔夾雜少，并且適用性強的方法已迫在眉睫。真空擴散壓力焊由于其對焊縫污染少、變形小、節省材料，適合焊后不再加工的精密零件并且與其他加熱工藝組合時會大大提高其生產效率而被廣泛關注。納米薄膜材料具有降低熔點和晶化溫度等特點，當將其用作為連接中間層時有提高效率、降低成本等功效。本專利技術旨在制備一種潤濕性能優良的Ti/Ni疊層復合納米薄膜，可以有效降低鈦和鎳的反應溫度和熔化溫度，并且與軋制態薄膜有更精確的尺寸精度及成分精度，從而更好的控制最終反應產物的的成分等性能。并且這種薄膜可以作為釬料中間層，用于鈦及鈦合金的連接，形成組織均勻，性能優良，沒有裂紋和氣孔的致密接頭。
技術實現思路
本專利技術的目的是解決鈦合金連接溫度高，連接不精密，影響鈦合金的性能等問題。一種鈦/鎳復合膜的制備及連接鈦及鈦合金的方法，其特征在于：所述的復合膜由磁控濺射制備，鈦和鎳兩種元素組成，其中鈦與鎳的單層厚度均為20～35nm，交替濺射50～100層，兩側分別為通過磁控濺射沉積的1μm厚的鈦，總厚度為4～9μm；在5～50MPa壓力作用下對其進行500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min，進而連接鈦或鈦合金的加熱工藝。進一步，將此疊層復合納米薄膜在5MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和純鈦。進一步，將此疊層復合納米薄膜在10MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和TC4鈦合金。進一步，將此疊層復合納米薄膜在20MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和純鈦。進一步，將此疊層復合納米薄膜在30MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和TC4鈦合金。進一步，將此疊層復合納米薄膜在40MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接TC4鈦合金和TC4鈦合金。進一步，將此疊層復合納米薄膜在50MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和TC4鈦合金。更具體的是：用磁控濺射的方法制備疊層復合納米薄膜。將單晶硅片用超聲波-酒精清洗3分鐘，烘干，放入磁控濺射室，通過調節磁控濺射時間控制硅片上薄膜的厚度。薄膜濺射完成后將薄膜取下，加工成10mm×10mm的正方形，鋪在10mm×10mm×5mm的長方體鈦合金之間進行真空壓力連接。其中鈦合金與納米薄膜接觸的表面經過400#、600#、800#、1000#和1500#水砂紙依次打磨表面光潔無明顯劃痕，且經過超聲波-酒精清洗并烘干處理。其薄膜中間層有鈦和鎳兩種元素組成，單層厚度均為20～35nm，交替沉積50到100層，兩側分別為通過磁控濺射沉積的1μm厚的鈦，薄膜最終厚度為4～9μm。將制備成功的薄膜從單晶硅片上取下，并進行DSC試驗，測試其反應溫度為350～500℃和600～750℃。將鈦合金-納米薄膜-鈦合金依次重疊放入真空釬焊爐中，在5～50MPa壓力作用下對其進行500℃和800℃兩段溫度分別保溫的加熱工藝，得到性能優良的連接接頭。本專利技術的優點是驗證了用鈦/鎳多層薄膜可以直接作為中間層釬焊鈦與鈦合金。本中間層的優點為方便制備與使用、連接溫度低和接頭均勻。1、薄膜可以通過磁控濺射設備直接設定程序自動濺射完成，并且以片狀薄膜存在，可以方便的進行多張薄膜的攜帶，而且當使用薄膜進行連接的時候可以方便的將薄膜從硅片上取下。2、由于納米多層膜的納米效應，有效的降低了鈦鎳反應的溫度，使得連接鈦合金的時候溫度小于鈦及鈦合金的相變點，從而減少連接對鈦合金基體性能的影響。3、由于薄膜以磁控濺射法制備，可以通過控制磁控濺射的功率、時間和周期控制納米薄膜的顆粒度、調制周期和薄膜厚度，有效保證了薄膜納米效應、原子比和總體厚度的均一穩定性，與常見釬料相比，有效提高了連接接頭的精度和穩定性。本專利技術連接工藝的優點主要為：兩側的鈦金屬層保證了與所連接母材的潤濕性，壓力的應用有效減少了連接接頭的裂紋和氣孔等缺陷，使接頭結合更緊密，提高了連接接頭的強度，進而提高了連接的應用范圍。附圖說明圖1為本專利技術納米薄膜(編號4)的DSC圖像。圖2為鈦/鎳薄膜連接示意圖圖3為本專利技術將納米薄膜(編號1)應用于連接后的接頭SEM圖。圖4為本專利技術將納米薄膜在真空釬焊爐中進行連接的加熱工藝曲線。圖5為剪切試驗后的試件及斷口圖。具體實施方式以下將結合實施例對本專利技術技術方案作進一步地詳述。本專利技術是按照以下步驟進行的：用磁控濺射的方法制備疊層復合納米薄膜。將單晶硅片用超聲波-酒精清洗3分鐘，烘干，放入磁控濺射室，通過調節磁控濺射時間控制硅片上薄膜的厚度。薄膜濺射完成后將薄膜取下，加工成10mm×10mm的正方形，鋪在10mm×10mm×5mm的長方體鈦合金之間進行真空壓力連接。其中鈦合金與納米薄膜接觸的面經過400#、600#、800#、1000#和1500#水砂紙依次打磨表面光潔無明顯劃痕，且經過超聲波-酒精清洗并烘干處理。其薄膜中間層由鈦和鎳兩種元素組成，單層厚度均為20～35nm，交替沉積50到100層，兩側分別為通過磁控濺射沉積的1μm厚的鈦，薄膜最終厚度為4～9μm。將制備成功的薄膜從單晶硅片上取下，并進行DSC試驗，測試其反應溫度為350～500℃和600～750℃。將鈦合金-納米薄膜-鈦合金依次重疊放入真空釬焊爐中，在5～50MPa壓力作用下對其進行500℃和800℃兩段溫度分別保溫的加熱工藝，得到性能優良的連接接頭。表1給出了本專利技術技術方案所述疊層復合納米薄膜的實施例編號鈦層厚度(nm)鎳層厚度(nm)濺射周期薄膜總厚度(μm)1202050422030504.532035504.7542520705.1552530705.8562535706.2735201007.5835301008.5935351009上述實施例所述的疊層復合納米薄膜釬料按如下工藝路線制備：鈦/鎳疊層復合納米薄膜是采用高真空磁控濺射設備制備而成，其中圓片狀靶材直徑80mm，鈦靶純度99.95％，鎳靶純度高于99.96％，襯底為單晶硅片。首先將單晶硅片進行超聲波-酒精清洗3分鐘，之后將其烘干，放入磁控濺射室。對磁控濺射室進行抽真空至2×10-4Pa，在真空室中通入99.99％的高純度氬氣，設置流量為40L/min，設置工作氣壓0.5Pa，設置測控濺射功率為250w。設置完畢后，當設備運行穩定后，對鈦鎳靶材分別進行預濺射5分鐘。通過調節每層鈦和鎳的磁控濺射時間來控制單晶硅片上納米薄膜的調制周期和總厚度。使用本專利技術所述的疊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈦/鎳復合膜的制備及連接鈦及鈦合金的方法，其特征在于：所述的復合膜由磁控濺射制備，鈦和鎳兩種元素組成，其中鈦與鎳的單層厚度均為20～35nm，交替濺射50～100層，兩側分別為通過磁控濺射沉積的1μm厚的鈦，總厚度為4～9μm；在5～50MPa壓力作用下對其進行500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min，進而連接鈦或鈦合金的加熱工藝。

【技術特征摘要】
1.一種鈦/鎳復合膜的制備及連接鈦及鈦合金的方法，其特征在于：所述的復合膜由磁控濺射制備，鈦和鎳兩種元素組成，其中鈦與鎳的單層厚度均為20～35nm，交替濺射50～100層，兩側分別為通過磁控濺射沉積的1μm厚的鈦，總厚度為4～9μm；在5～50MPa壓力作用下對其進行500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min，進而連接鈦或鈦合金的加熱工藝。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：將此疊層復合納米薄膜在5MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和純鈦。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：將此疊層復合納米薄膜在10MPa壓力下，500℃和800℃兩段溫度分別保溫30min和60min連接純鈦和T...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李紅，楊林派，胡安明，馬穎，喬巧，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京,11