一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法

1.本发明属于异型复合材料件与金属长管的连接技术，涉及一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法。


背景技术：

2.随着国防及航空航天领域与核能领域的不断结合与发展，空间核反应堆电源在大功率地球轨道卫星、无人深空探测器、载人深空探测以及月球行星基地供电等方面有着突出表现。其部件热管式辐射器可将大量由于核电源热电转换效率较低产生的废热排放至宇宙空间。热管式辐射器换传热单元由热管及翅片和其他相关涂层组成。随着材料科学的飞速发展，碳纤维增强碳(碳/碳)复合材料因其低密度、高导热性、高强度和耐烧蚀等特性，有效减小构件重量、提高换热效率，取代铜成为翅片材料的不二选择。
3.因此为实现碳/碳翅片和金属热管结构功能一体化的目的，通常要将碳/碳复合材料与金属连接形成复合构件使用。目前钎焊是最便捷可行的方法。然而，由于碳/碳复合材料与金属之间的高热膨胀系数失配(cte
碳/碳
＝0-2
×
10-6
k-1
)导致二者接头中存在高残余应力，严重削弱接头的力学性能。另一方面，钎焊领域中长管件的稳定连接一直是研究热点和难点，其间隙调控、工艺设置、装配及加压手段等均对接头的安全长效使用起重要作用。但实际操作时，长管焊接过程中产生的残余应力过大导致的复合件结构变形、破坏等问题难以解决。因此需要开发一种新型的方法，使得碳/碳散热异型管与金属长管连接获得致密接头且翅片无变形不开裂。


技术实现要素：

4.本发明要解决异型碳/碳复合材料与金属长管件连接时的大变形和易开裂问题，提供一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法。
5.本发明使用的连接方法按照以下步骤实现：
6.步骤1、碳/碳翅片加工：在保证碳/碳散热异型管基体不受损的情况下，对翅片进行3-5段开口分段处理，每段长150-200mm，两段之间开口宽度为0.5-2.5mm，开口深度为翅片边缘至碳/碳散热管基体根部1-2mm部位；
7.步骤2、待焊表面处理：对碳/碳散热异型管内壁使用砂布进行机械打磨，对金属管外壁进行机械打磨处理，随后使用无水乙醇清洗，随后在真空干燥箱中烘干；
8.步骤3、接头装配：将处理好的碳/碳散热异型管与金属长管进行组配，在两者之间填充钎料并固定，将装配好的接头平行送入管式炉中，并保证处于水平位置；
9.步骤4、真空钎焊：钎焊的真空度不低于5
×
10-3
pa，并对金属管内壁施加2-5mpa压力；多平台升温过程：先以3-5℃/min的加热速率从室温升温至200-340℃保温30-60min，再以5-10℃/min的加热速率从室温升温至580-620℃保温10-15min，然后以5-10℃/min的速率升温至850-1100℃保温8-15min；多平台降温过程：以1-5℃/min的速率降温至920-950℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至820-850℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降
温至720-750℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至620-650℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至520-550℃保温30-60min，最后随炉冷却至室温后得到所述的异型碳/碳与金属复合散热长管。
10.步骤1中的碳/碳散热异型管长度为300-800mm。
11.步骤3中的钎料为ag-cu-ti、bni-2、tizrnicu，钎料状态为箔片或膏体。
12.本发明所述的一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法主要包含以下有益效果：
13.1、本发明采用的钎料能显著改善钎焊接头强度，可在实现碳/碳散热异型管与金属长管的连接，接头钎料填充充分，且能使接头工作在高温环境下，最终接头强度达到20mpa以上。
14.2、本发明使用翅片分段的方法，可在不影响产品散热能力的基础上明显降低整体翅片中心部位的残余应力，避免长管钎焊过程中散热翅片发生的变形情况，提高产品使用性能。
15.3、本发明通过使用的加压方式，有利于接头充分连接。
16.4、本发明在降温阶段中设置多段保温平台，释放高温阶段中产生的内应力，有利于缓解降温过程中由于复合材料与金属之间线膨胀系数差异过大引起的残余应力，达到长管焊接的目的。
17.5、本发明使用的方法操作安全可靠，方便便捷，连接工艺高效快速，成本较低，可重复性强，所得产品整体美观，接头连接充分，强度稳定，适于工业应用。
附图说明
18.图1是翅片分段的碳/碳散热异型管与金属长管的连接示意图。
19.1是金属材料，2是钎料，3是碳/碳异型管，4是翅片分段处。
具体实施方案
20.下面将结合具体实施例对本发明作进一步描述。
21.实施例1：
22.步骤1、碳/碳翅片加工：选取碳/碳散热异型管长度为600mm；在保证碳/碳散热异型管基体不受损的情况下，对翅片进行4段开口分段处理，每段长150mm，两段之间开口宽度为0.5mm，开口深度为翅片边缘至碳/碳散热管基体根部2mm部位；
23.步骤2、待焊表面处理：对碳/碳散热异型管内壁使用砂布进行机械打磨，对金属管外壁进行机械打磨处理，随后使用无水乙醇清洗，随后在真空干燥箱中烘干；
24.步骤3、接头装配：将处理好的碳/碳散热异型管与金属长管进行组配，在两者之间填充非晶bni-2箔片钎料并固定，将装配好的接头平行送入管式炉中，并保证处于水平位置；
25.步骤4、真空钎焊：钎焊的真空度不低于5
×
10-3
pa，并对金属管内壁施加3mpa压力；多平台升温过程：先以5℃/min的加热速率从室温升温至280℃保温40min，再以5℃/min的加热速率从室温升温至600℃保温10min，然后以8℃/min的速率升温至1050℃保温8min；多平台降温过程：以2℃/min的速率降温至950℃保温40min，以2℃/min的速率降温至850℃保
温40min，以2℃/min的速率降温至750℃保温40min，以2℃/min的速率降温至650℃保温60min，以2℃/min的速率降温至550℃保温60min，最后随炉冷却至室温后得到所述的异型碳/碳与金属复合散热长管。
26.所获得异型连接件接头钎料填充充分，焊缝无开裂现象，碳/碳散热翅片无变形无开裂，经检测接头的平均室温剪切强度为20mpa。
27.以上所述只是对本发明的较佳实施方案，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。


技术特征：
1.一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法，它由带翅片的异型碳/碳散热管和金属长管采用钎焊方法连接，其特征在于其具体制备方法，包括如下步骤：步骤1、碳/碳翅片加工：在保证碳/碳散热异型管基体不受损的情况下，对翅片进行3-5段开口分段处理，每段长150-200mm，两段之间开口宽度为0.5-2.5mm，开口深度为翅片边缘至碳/碳散热管基体根部1-2mm部位；步骤2、待焊表面处理：对碳/碳散热异型管内壁使用砂布进行机械打磨，对金属管外壁进行机械打磨处理，随后使用无水乙醇清洗，随后在真空干燥箱中烘干；步骤3、接头装配：将处理好的碳/碳散热异型管与金属长管进行组配，在两者之间填充钎料并固定，将装配好的接头平行送入管式炉中，并保证处于水平位置；步骤4、真空钎焊：钎焊的真空度不低于5
×
10-3
pa，并对金属管内壁施加2-5mpa压力；多平台升温过程：先以3-5℃/min的加热速率从室温升温至200-340℃保温30-60min，再以5-10℃/min的加热速率从室温升温至580-620℃保温10-15min，然后以5-10℃/min的速率升温至850-1100℃保温8-15min；多平台降温过程：以1-5℃/min的速率降温至920-950℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至820-850℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至720-750℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至620-650℃保温30-60min，以1-5℃/min的速率降温至520-550℃保温30-60min，最后随炉冷却至室温后得到所述的异型碳/碳与金属复合散热长管。2.根据权利要求1所述的一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法，其特征在于步骤1中的碳/碳散热异型管长度为300-800mm。3.根据权利要求1所述的一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法，其特征在于步骤3中的钎料为ag-cu-ti、bni-2、tizrnicu，钎料状态为箔片或膏体。

技术总结
本发明涉及一种翅片分段的异型碳/碳与金属复合散热长管的连接方法。本发明属于碳/碳复合材料与金属材料连接领域，着重解决长管状金属与异型碳/碳复合管连接中残余应力过大引起的材料变形和接头开裂问题。本发明对异型碳/碳复合管的翅片进行分段前处理，再采用真空钎焊的方法，实现带翅片的异型碳/碳散热管和金属长管的钎焊连接，所得的复合散热长管接头连接充分，散热碳/碳异型管基体和散热翅片无变形和开裂，连接强度可达20MPa以上。本发明提供的工艺方法具有操作容易、成本低廉、安全可靠的优势，尤其适用于长管状钎焊异型管的连接。接。接。


技术研发人员：肖逸锋 张汭 吴靓 张乾坤 郭景平 刘茂
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2022/7/9