本發(fā)明涉及金屬連接技術領域，具體是一種運用納米反應多層膜進行異質(zhì)輕金屬材料連接的方法。

背景技術：

納米多層自蔓延反應薄膜是指在室溫下，受到一定的激勵如引燃后，能產(chǎn)生可控的自蔓延放熱反應的納米多層膜，它是由兩種或更多種材料疊層復合而成的；自蔓延技術是利用化學反應自身放熱合成材料的一種技術，又稱之為燃燒合成，它的基本特點為：（1）利用化學反應放熱，完全或部分不需要外部熱源；(2)通過快速自動波燃燒的自維持反應得到所需成份和結構的產(chǎn)物；如附圖1-2所示，自蔓延反應薄膜是由A和B兩者材料組合成的納米多層結構，由A層和B層交替層疊排列而成，可交替層疊幾百到上千層，當在反應薄膜的一端點燃該多層膜時，多層膜就會沿圖1所示的方向進行反應，A層和B層的原子進行充分混合，生成AB化合物，鍵能降低，放出大量的熱，反應所放出的熱量加速了附近原子的混合，形成自蔓延傳播反應，此反應能夠在幾個微秒內(nèi)完成，反應溫度達到1000~1500°C以上，反應溫度和時間受反應多層膜成分、結構的控制；所述激勵反應箔可以采用燃燒點燃、激光點燃、熱點燃以及電壓點燃等方式，當采用電壓點燃時，把約十余伏特的激發(fā)電壓施加在熱反應箔的一端，熱反應箔就會沿圖2所示的反應方向進行反應，靈活的激勵方式，使得活性反應箔具備廣泛的應用空間。

自蔓延反應技術運用的國內(nèi)外現(xiàn)狀：在2004年5月18日授予T. Weihs等人的美國專利No.6736942 中描述的反應多層薄膜可以用作熱源進行局部加熱以實現(xiàn)材料間的高強度連接，反應薄膜由交替的兩種或多種單層膜組成，異種單層材料之間能夠發(fā)生反應放熱并自動傳播反應。一旦反應，多層膜就會供給足夠高的局部熱能對連接層起作用，如果使用連接材料如硬釬料(Brazing)或軟釬料(Soldering)），多層膜發(fā)生自蔓延反應就可以供給足夠的熱來使連接材料熔融，待連接材料冷卻就會實現(xiàn)材料體之間的強固結合；國內(nèi)專利CN102248280A已經(jīng)公開了一種鋁熱反應箔，是由鋁以及能夠和鋁發(fā)生鋁熱反應的金屬氧化物組成，將一定熱量的激勵施加在鋁熱反應箔的一個端面，反應箔瞬間發(fā)生自蔓延反應，其他鋁熱劑或者熔化焊料會被反應釋放的熱量點燃，完成材料之間的焊接，金屬氧化物和鋁分別為至少一層的層狀結構，并且鋁層與金屬氧化物層交疊排列；該專利中仍需借助熱源激勵自蔓延反應的發(fā)生，且需要采用鋁作為焊接料，成本高，不便于操作，迫切需要對現(xiàn)有技術進行改進改良。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無需外界能源激勵、無需其焊料、操作簡便性強、連接效率高的運用納米反應多層膜進行異質(zhì)輕金屬材料連接的方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種運用納米反應多層膜進行異質(zhì)輕金屬材料連接的方法，包括以下步驟：

1）準備實驗設備：采用多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機進行鍍膜；

2）準備實驗材料：

2.1）基體材料：選擇具有代表性的304不銹鋼作為基體材料，其按照原子百分比的化學成分包括：Fe 69.17%、Cr 18.81%、Ni 8.98%、Mn 2.00%、Si 0.72%、V 0.17%、C 0.15%；

2.2）靶材材料：靶材為純Zr靶與純C靶，其成分為99.9％的工業(yè)純Zr、C，靶材由真空感應爐熔煉制備，加工成直徑為Φ102mm，厚度為42mm的圓形靶；

3）薄膜處理：

3.1）Zr/C薄膜鍍層的制備過程按照時間順序分為表面等離子體清洗階段、金屬打底階段和沉積階段三個步驟；具體操作如下：

1）表面等離子體清洗階段：表面等離子體清洗采用高基體偏壓-1000V，在3.0Pa低氣壓條件下進行，利用Ar氣輝光放電產(chǎn)生的Ar離子轟擊基體表面，去除表面的吸附物雜質(zhì)；

2）金屬打底階段：在鍍層和基體之間制備具有一定厚度的Zr金屬底以提高膜基之間的結合強度，采用Zr靶3KW功率；

3）膜層的沉積階段：按照事先制定的工藝參數(shù)進行薄膜的沉積，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW，交替沉積，Zr單層與C單層均沉積1分鐘，總層數(shù)200層。

3.2）利用Zr/C納米多層膜進行異質(zhì)輕金屬材料連接：將制備的Zr/C納米多層膜置于兩塊異質(zhì)輕金屬夾層中，用10V電池的正負極電壓進行激勵，Zr/C納米多層膜發(fā)生自蔓延反應，反應過程中用手指按壓兩塊金屬薄板，3-5s后，兩塊金屬薄板緊緊地結合在一起，實現(xiàn)了異質(zhì)輕金屬之間的冶金連接。

作為本發(fā)明再進一步的方案：所述步驟1）中，多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機為批量涂覆薄膜的物理氣相沉積真空鍍膜機，帶有4套單向柱狀非平衡磁控濺射源、4套陰極電弧離化源和1套與磁控靶匹配的的矩形氣體離子源，實現(xiàn)在真空環(huán)境下獲得高質(zhì)量的再制造零件膜層；所述多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機包括真空鍍膜室、真空抽氣系統(tǒng)、真空壓力監(jiān)控檢測系統(tǒng)、磁控濺射靶、反應氣體供給系統(tǒng)、工件轉架系統(tǒng)、加熱及溫度控制系統(tǒng)，真空鍍膜室采用日韓304不銹鋼制造，雙層內(nèi)襯；抽氣系統(tǒng)包括Leybold磁懸浮分子泵和Leybold粗抽泵，抽真空效果好；真空檢測系統(tǒng)包括Inficond薄膜規(guī)和SKY90復合真空計；轉架系統(tǒng)為4軸的可移出式下轉架；加熱系統(tǒng)最高加熱溫度為500℃，并由3根熱電偶監(jiān)測；所述多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機設有1套智能源擋板，實現(xiàn)鍍膜前的靶材預清洗。

作為本發(fā)明再進一步的方案：所述步驟3.1）中， 具體操作過程如下：

1）前處理：

實驗前，將樣品打磨后拋光至鏡面，表面粗糙度達到0.04~0.08μm Ra，后使用741金屬清洗劑進行去油處理，經(jīng)自來水沖洗之后放入去離子水中漂洗，經(jīng)0.5~1%稀磷酸表面活化1分鐘后放入丙酮中進行超聲波清洗15分鐘，之后用吹風機迅速吹干并立即放入真空室備用；

2）制備Zr/C薄膜：

2.1）將前處理完畢的試樣放入真空室；

2.2）接通電源，打開冷卻水系統(tǒng)，開啟所有支路回水及進水閥門，檢查循環(huán)水路有無漏點，水壓低于0.3MPa；

2.3）開啟壓縮空氣總閥門，檢查壓縮空氣閥門、管路、接頭有無漏聲音；

2.4）打開配電柜電源空氣開關，三相電源指示燈亮；

2.5）啟動計算機，進入AS500DMTXB界面，手動預抽真空時，先用機械泵粗抽，直至真空度小于5Pa以下時，啟動分子泵；

2.6）用氬氣輝光清洗試件表面至無異常放電時止，偏壓-1000V；

2.7）制備Zr/C涂層，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW；

2.8）制備結束后冷卻至常溫，關閉電源。

作為本發(fā)明再進一步的方案：所述步驟2.8）中，鍍膜后采用真空保溫處理：鍍膜結束后，保持真空度2-5×10-3Pa，旋轉速度不變，真空保溫20～40min后關閉烘烤電源，待溫度降至150℃之后關閉高閥和擴散泵，保持前級開啟，1小時候后關閉機械泵，保持水路開啟，隨爐冷卻至室溫后取出樣品。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明借鑒以往經(jīng)驗做法，又區(qū)別于之前已有的Al系納米多層膜，運用磁控濺射沉積技術制備得到C系納米多層自蔓延反應薄膜即Zr/C納米多層膜；利用納米多層膜在連接異質(zhì)材料方面的優(yōu)點，本發(fā)明使用制備得到的新型納米多層膜進行異質(zhì)輕金屬間的冶金連接；在引燃多層膜方面，本發(fā)明使用的是10V干電池，將電池正負極同時接觸多層膜邊緣，多層膜即可發(fā)生自蔓延反應，連接過程不再需要外界能源，也不需要其他焊料，操作極為簡便，能夠適應未來戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場應急搶修的要求，其操作的簡便性、連接的高效性以及實施的隱蔽性讓其成為運用前景非常廣闊的軍用新材料；與傳統(tǒng)焊接技術相比，運用Zr/C多層膜進行焊接具有以下優(yōu)點：（1）引燃時所需能量極少，采用10V電池即可對多層膜進行激勵引燃從而完成材料之間的連接，不需要其他焊接材料，連接效率提高至少10倍；（2）受制約因素少，不需要專業(yè)人員和設備，從而減少了焊接工作對外界的依賴，提高了戰(zhàn)場搶修的自主性；（3）連接過程中的局部快速放熱可減小母材的熱影響區(qū)，避免熱敏感材料微觀組織的破壞，因此其特別適合于對溫度敏感的器件或材料的連接；（4）可以實現(xiàn)異質(zhì)輕金屬之間和具有不同熱膨脹系數(shù)材料之間連接，有效地降低了焊接過程中產(chǎn)生的熱應力，改善了傳統(tǒng)釬焊方法中的缺陷；（5）運用在戰(zhàn)場應急搶修工作中，能夠發(fā)揮攜帶方便、操作簡單、實效性強、結合牢固、隱蔽性好等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術中自蔓延反應薄膜的納米多層結構示意圖。

圖2為現(xiàn)有技術中自蔓延反應薄膜的反應過程示意圖。

圖3為Zr/C納米多層膜TEM微觀截面形貌圖。

圖4為Zr/C納米多層膜TEM截面形貌放大圖。

圖5為Zr/C納米多層膜DSC分析圖。

圖6為Zr/C納米多層膜SEM微觀表面形貌圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。

請參閱圖1-6，一種運用納米反應多層膜進行異質(zhì)輕金屬材料連接的方法，包括以下步驟：

1）準備實驗設備：采用多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機進行鍍膜；多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機為批量涂覆薄膜的物理氣相沉積真空鍍膜機，帶有4套單向柱狀非平衡磁控濺射源、4套陰極電弧離化源和1套與磁控靶匹配的的矩形氣體離子源，實現(xiàn)在真空環(huán)境下獲得高質(zhì)量的再制造零件膜層；所述多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機包括真空鍍膜室、真空抽氣系統(tǒng)、真空壓力監(jiān)控檢測系統(tǒng)、磁控濺射靶、反應氣體供給系統(tǒng)、工件轉架系統(tǒng)、加熱及溫度控制系統(tǒng)，真空鍍膜室采用日韓304不銹鋼制造，雙層內(nèi)襯；抽氣系統(tǒng)包括Leybold磁懸浮分子泵和Leybold粗抽泵，抽真空效果好；真空檢測系統(tǒng)包括Inficond薄膜規(guī)和SKY90復合真空計；轉架系統(tǒng)為4軸的可移出式下轉架；加熱系統(tǒng)最高加熱溫度為500℃，并由3根熱電偶監(jiān)測；所述多功能PVD硬質(zhì)涂層設備AS500DMTXB自動控制離子鍍膜機設有1套智能源擋板，實現(xiàn)鍍膜前的靶材預清洗。

2）準備實驗材料：

2.1）基體材料：只有充分考慮膜層和基體性能的匹配并作合理選擇，才能獲得最優(yōu)性能；選擇具有代表性的304不銹鋼作為基體材料，其按照原子百分比的化學成分包括：Fe 69.17%、Cr 18.81%、Ni 8.98%、Mn 2.00%、Si 0.72%、V 0.17%、C 0.15%；

2.2）靶材材料：靶材為純Zr靶與純C靶，其成分為99.9％的工業(yè)純Zr、C，靶材由真空感應爐熔煉制備，加工成直徑為Φ102mm，厚度為42mm的圓形靶；

3）薄膜處理：

3.1）Zr/C薄膜鍍層的制備過程按照時間順序分為表面等離子體清洗階段、金屬打底階段和沉積階段三個步驟；具體操作如下：

1）表面等離子體清洗階段：表面等離子體清洗采用高基體偏壓-1000V，在3.0Pa低氣壓條件下進行，利用Ar氣輝光放電產(chǎn)生的Ar離子轟擊基體表面，去除表面的吸附物雜質(zhì)；

2）金屬打底階段：在鍍層和基體之間制備具有一定厚度的Zr金屬底以提高膜基之間的結合強度，采用Zr靶3KW功率；

3）膜層的沉積階段：按照事先制定的工藝參數(shù)進行薄膜的沉積，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW，交替沉積，Zr單層與C單層均沉積1分鐘，總層數(shù)200層。

3.2）利用Zr/C納米多層膜進行異質(zhì)輕金屬材料連接：將制備的Zr/C納米多層膜置于兩塊異質(zhì)輕金屬夾層中，用10V電池的正負極電壓進行激勵，Zr/C納米多層膜發(fā)生自蔓延反應，反應過程中用手指按壓兩塊金屬薄板，3-5s后，兩塊金屬薄板緊緊地結合在一起，實現(xiàn)了異質(zhì)輕金屬之間的冶金連接。

所述步驟3.1）中， 具體操作過程如下：

1）前處理：

由于氣相沉積術是一項超精細的表面處理技術，膜層極薄，故基體材料表面任何微小的污物以及表面物理化學性質(zhì)的不一致，都會影響膜層正常的形核與長大，從而降低了膜層與基體的結合力和膜的均勻性，使各項表面性能難以達到預定的要求。因此要提高鍍膜質(zhì)量的先決條件是對基體進行良好的清洗與活化。清洗是涂層制備的重要工序，它的主要作用是去除待鍍試樣表面的油污和其他附著物，清洗質(zhì)量的好壞直接影響涂層的質(zhì)量；實驗前，將樣品打磨后拋光至鏡面，表面粗糙度達到0.04~0.08μm Ra，后使用741金屬清洗劑進行去油處理，經(jīng)自來水沖洗之后放入去離子水中漂洗，經(jīng)0.5~1%稀磷酸表面活化1分鐘后放入丙酮中進行超聲波清洗15分鐘，之后用吹風機迅速吹干并立即放入真空室備用；

2）制備Zr/C薄膜：

2.1）將前處理完畢的試樣放入真空室；

2.2）接通電源，打開冷卻水系統(tǒng)，開啟所有支路回水及進水閥門，檢查循環(huán)水路有無漏點，水壓低于0.3MPa；

2.3）開啟壓縮空氣總閥門，檢查壓縮空氣閥門、管路、接頭有無漏聲音；

2.4）打開配電柜電源空氣開關，三相電源指示燈亮；

2.5）啟動計算機，進入AS500DMTXB界面，手動預抽真空時，先用機械泵粗抽，直至真空度小于5Pa以下時，啟動分子泵；

2.6）用氬氣輝光清洗試件表面至無異常放電時止，偏壓-1000V；

2.7）制備Zr/C涂層，Zr靶功率2KW，C靶功率1.5KW；

2.8）制備結束后冷卻至常溫，關閉電源。

所述步驟2.8）中，鍍膜后采用真空保溫處理：鍍膜結束后，保持真空度2-5×10-3Pa，旋轉速度不變，真空保溫20～40min后關閉烘烤電源，待溫度降至150℃之后關閉高閥和擴散泵，保持前級開啟，1小時候后關閉機械泵，保持水路開啟，隨爐冷卻至室溫后取出樣品。

實施例1

用鑷子夾取一小片制備得到的Zr/C納米多層膜，多層膜寬度為20mm*20mm，厚度為200um；用電壓為10V的電池正負極同時接觸多層膜邊緣，在電壓激勵下，多層膜在幾微秒的時間內(nèi)迅速發(fā)生自蔓延反應，并放出大量的熱。

實施例2

將制備的Zr/C納米多層膜置于兩塊異質(zhì)輕金屬夾層中，金屬塊寬度為20mm*20mm，厚度為3mm；用10V電池的正負極電壓進行激勵，多層膜迅速發(fā)生自蔓延反應，反應過程中用手指按壓兩塊金屬薄板，3-5秒鐘后，兩塊金屬薄板緊緊地結合在一起，極其簡便地實現(xiàn)了異質(zhì)輕金屬之間的冶金連接。

上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下做出各種變化。