[发明专利]一种空间飞行器热控用铝-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的制备方法技术领域，特别涉及一种空间飞行器热控用铝-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。该复合管还应满足如下要求：1，不锈钢与铝合金界面为100％冶金结合；2，复合管轴线直线度优于0.2/300mm；3，满足航天器产品随机振动力学适应性要求；4，满足航天器产品-180～280℃热环境适应性要求。

上述要求的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，常规焊接工艺。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。但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，铝管预先固定约束，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。

针对上述铝不锈钢复合管材制备工艺的不足，本发明开发了一种热压钎焊与热等静压处理相结合的铝不锈钢复合管材制备工艺。该工艺制备的铝-不锈钢复合管材包含三层结构：内层金属不锈钢、外层金属铝合金，中间层应力缓解金属，三层金属间界面有焊料填充。该制备工艺可实现复合管界面100％冶金结合，满足航天器产品机械振动力学适应性要求，满足航天器产品-180～280℃热环境适应性要求，此外，复合管具有较高直线度，内层不锈钢管轴线直线度优于0.2/300mm。

本发明涉及的复合管制备工艺，除空间飞行器热控用铝/不锈钢复合管材外，还可应用于其他金属材质复合管材制备。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管的制备方法。

一种空间飞行器热控用铝-不锈钢复合管，所述复合管为金属复合结构，其中由内到外依次为不锈钢管、电镀层、应力缓解金属层、焊料填充层和铝合金管；所述不锈钢管、电镀层、应力缓解金属层、焊料填充层和铝合金管顺次包覆相连，各相连界面均为冶金结合，结合率为100％。复合管结构见附图1。