一種三層材料套封結構及該結構的成型方法技術

本發明專利技術公開了一種三層材料套封結構及該結構的成型方法，結構包含三層：內部層為銅柱結構，中間層為陶瓷環結構，外部層為不銹鋼座結構，三層逐層釬焊套封，通過兩層釬料將三層材料連接在一起。其成形方法工藝步驟主要包括：零件制備、零件相互位置裝配、釬料填入、真空釬焊。本發明專利技術得到了包括銅、陶瓷、不銹鋼的三層材料套封結構，實現了兩種不同的金屬材料與陶瓷材料的復合套封結構一次成型，發明專利技術具有制造簡單，工藝方法可靠，生產效率高等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及異種材料焊接
，特別是涉及一種三層材料套封結構及該結構的成型方法。
技術介紹
陶瓷與金屬套封結構強度高、耐熱性好，形成的層狀復合構件能夠較好的發揮金屬與陶瓷的性能，是陶瓷與金屬復合構件的一種典型結構。對于銅、陶瓷與不銹鋼三種材料三層結構，不同材料的熱物性參數，不同的焊接特性為一次成型帶來了較大的難題。成型工藝選擇不當將會引起陶瓷套碎裂、焊接質量不好以及應力較大等問題。關于金屬陶瓷的焊接報導很多，文獻《活化鉬-錳法連接高純Al2O3陶瓷/不銹鋼》使用72Ag28Cu釬料釬焊制備了高純Al2O3陶瓷/不銹鋼平板接頭，文獻《日用陶瓷與不銹鋼釬焊連接的界面組織與性能分析》,實現了鍍鎳陶瓷與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的釬焊連接，文獻《高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊》介紹了Ag-Cu-Ti活性釬料直接釬焊高純氧化鋁陶瓷與無氧銅。上述成型的多為平板簡單試驗件。隨著使用要求的提高和材料學科的發展，將多種材料結合在一起，發揮各種材料的特性，是發展需求，然而將多種材料結合在一起的方法成為瓶頸。將銅、陶瓷與不銹鋼三種材料結合在一起機械連接方式絕緣密封性不易保證，且須采用較復雜結構的陶瓷。三種材料釬焊的套封結構難以對構件進行精確定位，也為焊接帶來了很大難度。現有技術中沒有采用銅、陶瓷與不銹鋼三種材料結合而成的套封結構，同時，銅、陶瓷與不銹鋼三種材料釬焊在一起常需要2次工序完成工件的釬焊，第2次釬焊時，第1次釬焊的釬縫容易重熔而開焊。
技術實現思路
針對上述現有技術中沒有采用銅、陶瓷與不銹鋼三種材料結合而成的套封結構，同時，銅、陶瓷與不銹鋼三種材料釬焊在一起常需要2次工序完成工件的釬焊，第2次釬焊時，第1次釬焊的釬縫容易重熔而開焊的問題，本專利技術提供了一種三層材料套封結構及該結構的成型方法。為解決上述問題，本專利技術提供的一種三層材料套封結構及該結構的成型方法通過以下技術要點來達到目的：一種三層材料套封結構，所述套封結構由銅柱、陶瓷環及不銹鋼座組成，所述銅柱為材質為銅的柱狀結構，所述陶瓷環為材質為陶瓷的環狀結構，所述不銹鋼座為材質為不銹鋼的桶狀結構；所述銅柱的下端與陶瓷環的中心孔間隙配合，陶瓷環的下端與不銹鋼座的桶狀空間間隙配合，銅柱與陶瓷環、陶瓷環與不銹鋼座均采用釬焊固定連接；所述銅柱的上端面高于不銹鋼座的上端面，銅柱與陶瓷環之間的釬焊縫與不銹鋼座之間具有間隙，陶瓷環與不銹鋼座之間的釬焊縫與銅柱之間具有間隙，銅柱與不銹鋼座之間具有間隙。具體的，以上得到的三層材料套封結構中，套封結構的兩端分別為銅柱、不銹鋼座，陶瓷材料作為銅柱與不銹鋼座之間的密封件和連接件。即：銅柱的柱體部分插入陶瓷環中，與陶瓷環內壁通過釬焊相連，陶瓷環插入不銹鋼座內，陶瓷環外壁與不銹鋼座通過釬焊相連，其形成的套封結構可以實現銅柱與不銹鋼座之間的絕緣，發揮銅材料、陶瓷材料和不銹鋼材料的優點。以上結構得到的套封結構，不同材料的連接點處的抗剪強度一般在10MPa以上，甚至可以達到100MPa 以上。同時，以上結構中，組成套封結構的各部件結構簡單，加工制造容易，加工制造成本低，特別適用于核領域設備中所需要同時采用陶瓷、銅、不銹鋼的場合。同時，本專利技術還公開了一種三層材料套封結構的成型方法，該方法用于以上所述的三層材料套封結構的制造，包括順序進行的以下步驟：S1、加工出預定尺寸的銅柱、陶瓷環及不銹鋼座；S2、對銅柱、陶瓷環及不銹鋼座進行裝配，保證三者在釬焊前相互之間的位置關系；S3、在步驟S2中或步驟S2完成之后，在銅柱與陶瓷環之間的間隙內，以及陶瓷環與不銹鋼座的間隙內填充釬料；S4、進行釬焊；其中，步驟S1中對陶瓷環進行陶瓷金屬化處理，在步驟S4中采用分段式加熱真空釬焊。以上套封結構的成型方法工藝路線中，對陶瓷環進行了陶瓷金屬化處理，利于套封結構制造過程中的釬焊效果，可達到獲得絕緣和密封性能力更好的套封結構的技術效果。由于銅、陶瓷、不銹鋼三種材料的熱膨脹系數差距較大，同時陶瓷較脆，在套封結構中，陶瓷環同時受外層不銹鋼座、內層銅柱的應力，故在步驟S4中采用分段式加熱的方式，可有效避免陶瓷在套封結構的套封過程中脆裂。采用真空釬焊的方式，可有效促使釬焊過程中所產生的氣體逸出釬焊熔池和保護釬焊熔池。作為對以上所述的一種三層材料套封結構的成型方法進一步的技術方案：為利于提升釬焊所要連接的兩個部件之間的釬焊結合強度，在步驟S1中還包括對得到的預定尺寸的銅柱、陶瓷環及不銹鋼座進行清洗的工序。由于陶瓷的熱膨脹系數比銅小，不銹鋼的熱膨脹系數比陶瓷的膨脹系數大，故在釬焊過程中，銅柱與陶瓷環之間的間隙會變小，陶瓷環與不銹鋼座之間的間隙會變大，為便于把控對本套封結構中釬焊所得到的焊接層的密封性和絕緣性，在步驟S3中對銅柱、陶瓷環及不銹鋼座進行裝配時，三者的相互位置關系遵循以下原則：在釬焊之前，定義銅柱外徑為A，陶瓷環的內徑為B，陶瓷環的外徑為C，不銹鋼內徑為D，釬焊溫度為T，銅柱、陶瓷環、不銹鋼座三者中，分別對應的銅的平均線脹系數為α1；陶瓷的平均線脹系數為α2，不銹鋼的平均線脹系數為α3，則A與B之間的關系為：B=A+AT(α2-α1)+E；D=C+F；其中，E、F為常數補償值，E、F取值范圍均介于0.05-0.2mm之間；其中，所述陶瓷環為等徑環，銅柱下端與陶瓷環配合的部分各點直徑相等，不銹鋼座上與陶瓷環配合的桶狀空間各點內徑相等。作為步驟S4的具體實現方式，步驟S4的釬焊方式為：采用絲狀AgCu28釬料，并將釬料彎曲成環狀填充于對應間隙內，在真空條件下，對填充有釬料的套封結構采用多級逐漸升溫加熱機制，待釬料溶化后，對套封結構采用爐冷的方式冷卻；所述多級逐漸升溫加熱機制包括順序進行的第一升溫階段、第一保溫階段、第二升溫階段、第二保溫階段、第三升溫階段、第三保溫階段；所述第一升溫階段為在t1分鐘內，使填充有釬料的套封結構勻速升溫至T1℃，所述第一保溫階段為將處于T1℃的填充有釬料的套封結構保溫t2分鐘；所述第二升溫階段為在t3分鐘內，使填充有釬料的套封結構勻速升溫至T2℃，所述第二保溫階段為將處于T2℃的填充有釬料的套封結構保溫t4分鐘；所述第三升溫階段為在t5分鐘內，使填充有釬料的套封結構勻速升溫至T3℃，所述第二保溫階段為將處于T3℃的填充有釬料的套封結構保溫t6分鐘；其中，t1的取值介于30-50之間，t2的取值介于5-15之間，t3的取值介于10-30之間，t4的取值介于10-20之間，t5的取值介于5-15之間；t6的取值介于5-10之間；其中，T1的取值介于450-550之間，T2的取值介于700-800之間，T3的取值介于820-850之間；其中，爐冷時套封結構的冷卻速度不大于5℃/min。作為以上所述的一種三層材料套封結構進一步的技術方案：為利于銅柱與陶瓷環相對軸向位置定位的便捷性和準確性，所述銅柱呈階梯軸狀，陶瓷環的上端與銅柱上的軸肩接觸。為利于銅柱與陶瓷環相對徑向位置定位的便捷性和準確性，銅柱上與陶瓷環端部接觸的軸肩上還設置有限位環或至少兩個限定凸臺；所述限位環為相對于該軸肩外凸的環狀筒，所述環狀筒的軸線與銅柱的軸線共線，且環狀筒的內圈直徑與陶瓷環上端的內圈直徑相等；所述限位凸臺環形均布于以銅柱的軸線為中心線的圓環上，所述圓環的內徑與陶瓷環上端本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三層材料套封結構，其特征在于，所述套封結構由銅柱、陶瓷環及不銹鋼座組成，所述銅柱為材質為銅的柱狀結構，所述陶瓷環為材質為陶瓷的環狀結構，所述不銹鋼座為材質為不銹鋼的桶狀結構；所述銅柱的下端與陶瓷環的中心孔間隙配合，陶瓷環的下端與不銹鋼座的桶狀空間間隙配合，銅柱與陶瓷環、陶瓷環與不銹鋼座均采用釬焊固定連接；所述銅柱的上端面高于不銹鋼座的上端面，銅柱與陶瓷環之間的釬焊縫與不銹鋼座之間具有間隙，陶瓷環與不銹鋼座之間的釬焊縫與銅柱之間具有間隙，銅柱與不銹鋼座之間具有間隙。

【技術特征摘要】
1.一種三層材料套封結構，其特征在于，所述套封結構由銅柱、陶瓷環及不銹鋼座組成，所述銅柱為材質為銅的柱狀結構，所述陶瓷環為材質為陶瓷的環狀結構，所述不銹鋼座為材質為不銹鋼的桶狀結構；所述銅柱的下端與陶瓷環的中心孔間隙配合，陶瓷環的下端與不銹鋼座的桶狀空間間隙配合，銅柱與陶瓷環、陶瓷環與不銹鋼座均采用釬焊固定連接；所述銅柱的上端面高于不銹鋼座的上端面，銅柱與陶瓷環之間的釬焊縫與不銹鋼座之間具有間隙，陶瓷環與不銹鋼座之間的釬焊縫與銅柱之間具有間隙，銅柱與不銹鋼座之間具有間隙。2.根據權利要求1所述的一種三層材料套封結構，其特征在于，所述銅柱呈階梯軸狀，陶瓷環的上端與銅柱上的軸肩接觸。3.根據權利要求2所述的一種三層材料套封結構，其特征在于，銅柱上與陶瓷環端部接觸的軸肩上還設置有限位環或至少兩個限定凸臺；所述限位環為相對于該軸肩外凸的環狀筒，所述環狀筒的軸線與銅柱的軸線共線，且環狀筒的內圈直徑與陶瓷環上端的內圈直徑相等；所述限位凸臺環形均布于以銅柱的軸線為中心線的圓環上，所述圓環的內徑與陶瓷環上端的內圈直徑相等。4.根據權利要求1所述的一種三層材料套封結構，其特征在于，所述不銹鋼座上還設置有排氣孔，所述排氣孔用于銅柱、陶瓷環、不銹鋼座三者圍成的空間與外界的均壓。5.根據權利要求1所述的一種三層材料套封結構，其特征在于，所述不銹鋼座的底面上設置有用于限定陶瓷環在不銹鋼座徑向上位置的徑向位置限定部。6.根據權利要求1至5中任意一項所述的一種三層材料套封結構，其特征在于，所述陶瓷環為等徑環，銅柱下端與陶瓷環配合的部分各點直徑相等，不銹鋼座上與陶瓷環配合的桶狀空間各點內徑相等；在釬焊之前，定義銅柱外徑為A，陶瓷環的內徑為B，陶瓷環的外徑為C，不銹鋼內徑為D，釬焊溫度為T，銅柱、陶瓷環、不銹鋼座三者中，分別對應的銅的平均線脹系數為α1；陶瓷的平均線脹系數為α2，不銹鋼的平均線脹系數為α3，則A與B之間的關系為：B=A+AT(α2-α1)+E；D=C+F；其中，E、F為常數補償值，E、F取值范圍均介于0.05-0.2mm之間。7.一種三層材料套封結構的成型方法，其特征在于，該方法用于如權利要求1所述的三層材料套封結構的制造，包括順序進行的以下步驟：S1、加工出預定尺寸的銅柱、陶瓷環及不銹鋼座；S2、對銅柱、陶瓷環及不銹鋼座進行裝配，保證三者在釬焊前相互之間的位置關系；S3、在步驟S2中或步驟S2完成之...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐彬，王世忠，俞德懷，樊寶全，陳高詹，陶海燕，魏連峰，
申請(專利權)人：中國核動力研究設計院，
類型：發明
國別省市：四川;51