[发明专利]一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属复合材料技术领域，特别涉及一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法。

背景技术

空间飞行器应用的柔性热管、单相和双相液体传热回路、可展开式热辐射器等热控系统的工作介质流通管路与储存容器，基于强度、抗腐蚀等方面的考虑，选用了不锈钢材质。同时，在热量收集(传热工质蒸发)与散发(传热工质冷凝)区域，基于传热性能与重量的考虑，设计上选用了质轻、传热性能好、比热容大的铝材质扩热板。在热控系统传热工质蒸发与冷凝区域，不锈钢管壳与铝合金扩热板界面的热流密度可达数瓦每平方厘米，机械结合或界面填充导热脂、导热胶等方法均不能满足传热性能需要，普通钎焊工艺也很难实现不锈钢管壳与扩热板的大面积冶金结合从而达到高效传热目的。

上述问题解决方案是制备一种铝合金与不锈钢的复合管材，用于热控系统传热工质的蒸发与冷凝区域。该复合管材的结构为不锈钢管居内作为传热工质的流通管路，铝合金管居外作为扩热板，复合管结构示意图见附图1。该复合管具体还应满足如下要求：1，不锈钢与铝合金界面为冶金结合；2，界面冶金结合率近100％；3，界面换热系数大于2W/cm²；4、界面剪切强度大于20MPa。

上述要求的复合管材几种可能制备工艺介绍如下：1，铸造工艺。设计专用铸造模具不锈钢管为芯，芯外铝合金管浇铸成型。该工艺的缺点是铝液浇筑温度较高(一般高于680℃)，铝/不锈钢界面产生较厚的铁铝金属间化合物反应层，在冷却过程中，该反应层在热应力的作用下发生贯穿性开裂(铝合金的热膨胀系数约23.4×10^-6/℃，奥氏体不锈钢的热膨胀系数约16.6×10^-6/℃，铝/不锈钢界面在铸件冷却过程中会产生较大的热应力)铝/不锈钢界面结合强度较低；2，挤压成型工艺。不锈钢管与铝坯装配后装入挤压机挤压筒进行挤压成型。挤压成型工艺通过铝、不锈钢管界面区域各自一定量形变，二者新鲜表面在较高温度、较大垂直压应力的作用下实现界面冶金结合并具有较高的结合率。该工艺的缺点是挤压过程中不能准确控制不锈钢管的形变量，导致不锈钢管的壁厚、内孔圆度、内孔同轴度等尺寸偏离。3，拉拔成型工艺，铝合金管预先固定约束，不锈钢管在铝合金管内孔拉入。若实现铝与不锈钢界面的冶金结合，铝、不锈钢界面区域须有较大的形变量并露出新鲜表面并在界面垂直方向较大的压应力作用下才可实现。该工艺的缺点是固定约束的铝合金管与拉拔而入的不锈钢管不能产生较大的形变并且较大的形变对不锈钢管的壁厚、内孔圆度、内孔同轴度等尺寸与公差产生严重影响。4，常规焊接工艺。该工艺的特点是在焊接界面填充熔点较低的软钎料及相应的助焊剂。对于空间飞行器热控用细长铝/不锈钢复合管的焊接，只能采用膏状焊料即焊剂和焊料的膏状混合物。对热控用大长径比复合管的焊接，除焊膏不易填充外，最主要的问题是焊接过程中焊剂产生的大量气体，在此种细长、近似密闭的界面结构下，排气非常困难，界面处气体压强增大，会使液态焊料挤出，从而导致界面结合率较低，一般不高于50％。

针对上述铝-不锈钢复合管材制备工艺的不足，本发明开发了一种铝-不锈钢管金属浴钎焊工艺。并针对焊接过程中气体排出、焊料填充等问题，相应的设计了一种适合热控用大长径比铝-不锈钢复合管金属浴钎焊的焊接结构(见附图2)和焊接工艺。该工艺制备的铝-不锈钢复合管界面结合率近100％，界面剪切强度大于20MPa，满足航天器产品热环境和力学环境适应性要求。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法。

一种热控用铝-不锈钢复合管的制备方法，其具体步骤如下：

(1)在铝合金管内孔表面上加工出沿内孔圆周均布、分别与内孔轴向相平行、贯通的多条槽道；

(2)不锈钢管外表面改性处理；

(3)铝合金管内表面改性处理；

(4)铝合金管内孔和不锈钢管外壁分别涂覆液体助焊剂并装配；

(5)铝合金管和不锈钢管装配组件金属浴钎焊；

(6)铝合金管外形加工。

所述不锈钢管的材质为奥氏体型不锈钢，型号为304、304L、302、321、347、316L、316、317L或317；所述不锈钢管的内壁加工为光滑或加工有槽道(螺纹)。

所述铝合金管的材质型号为6063或3A21；所述铝合金管为圆形管或异形截面管。