[发明专利]一种用于铝-不锈钢复合管的热等静压成型的包套方法

说明书

技术领域

本发明属于金属复合材料制备技术领域，特别涉及一种用于铝-不锈钢复合管的热等静压成型的包套方法。

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。此外，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。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热管管壳与扩热板的大面积冶金结合从而达到高效传热目的。针对上述问题的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。此外该复合管还应满足如下要求：1，不锈钢与铝合金界面为冶金结合；2，界面冶金结合率大于90％；3，界面剪切强度大于20MPa；4，满足航天器产品力学适应性要求，通过随机振动环境试验。5，满足航天器产品热环境适应性要求。

针对航天飞行器柔性热管、单相和双相液体传热回路、可展开式热辐射器等热控系统对轻质、耐压、高传热能力铝不锈钢复合管材的要求，该类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，焊接工艺。该工艺的特点是在不锈钢管与铝管配合界面区域填充熔点较低的软钎料及相应的助焊剂，如锡基、铅基焊料。铝/不锈钢界面一定厚度的软钎料层，在实现铝、不锈钢界面冶金结合的同时能够通过自身屈服形变降低与消除铝不锈钢焊接件在冷却过程中产生的热应力。该工艺制备的复合管材铝不锈钢界面结合强度较高，管材的航天力学适应性、热环境适应性较好。该工艺的缺点是软钎焊焊料一般需配合助焊剂使用。焊剂在焊接过程中扮演着非常重要的角色，除了起到清除被焊母材表面氧化膜的作用外，还起到焊接环境的保护作用。对于铝/不锈钢管类材料复合(焊接)，只能采用膏状焊料(焊剂、焊料等的膏状混合物)或其他形式的焊料配合焊剂进行界面填充。焊接过程中，焊剂将产生大量气体。在复合管此种细长近似于封闭的界面结构形式下，排气非常困难，界面处气体压强增大，会使液态焊料挤出，从而导致界面冶金结合率(钎着率)较低，一般不高于40％。3，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。4，拉拔成型工艺是铝管进行固定约束，不锈钢管在铝管内孔拉入。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。5，热等静压扩散焊成型工艺。该工艺具体操作是将复合管构成组件(不锈钢管、界面过渡层金属、铝管)与包套构成组件装配、焊接并真空密封，然后将包套放入热等静压设备中进行热处理，复合管三层金属界面在高压、高温、高真空环境下实现扩散结合。该成型工艺具体有以下特点：

(1)热等静压为气体施压，所施压力为水静压力，通过包套将压力施加于复合管三层金属界面，该工艺非常适合管类结构形式的材料复合，可实现90～100％的界面复合率；

(2)热等静压施压方式非常有利于改善复合管三层金属界面的应力状态，提高界面塑性形变能力；

(3)热等静压工艺参数如温度、压力、时间等可灵活调整，非常有利于控制结合界面的材料组织形态。