本發(fā)明涉及一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法，屬于材料連接領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)作為一種重要的智能材料，在制造、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金尾噴口聯(lián)鎖片上安裝TiNi SMA薄片，制作成能控制空氣動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器,可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音。但TiNi SMA與鈦合金連接方式研究很少。

TiNi SMA與鈦的結(jié)構(gòu)差異性大，熱膨脹系數(shù)差異較大，在其連接時(shí)的加熱和冷卻過程中，兩者的膨脹和收縮差別較大，會(huì)導(dǎo)致在接頭界面上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，對(duì)后續(xù)應(yīng)用造成較大影響?，F(xiàn)階段常用的釬焊方法由于其需要整體加熱使得其應(yīng)用范圍大大受限；熔焊由于N、O、H等的溶入使接頭變脆且焊縫中產(chǎn)生的鑄造組織嚴(yán)重阻礙馬氏體相變而影響其形狀記憶效應(yīng)；摩擦焊由于難以保證工件結(jié)合面的幾何精度，且在連接非軸對(duì)稱部件時(shí)所需條件苛刻，故不太適應(yīng)于精密連接；而激光焊接或激光釬焊由于其是點(diǎn)光源，故其不適合于大截面構(gòu)件的連接。因此，TiNi SMA與鈦或鈦合金的連接是一個(gè)急需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是要解決常規(guī)焊接方法由于加熱溫度受限，需要外界輔助設(shè)備條件苛刻，不能形成大面積連接問題而提供一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法。

一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法，其特征在于，按照以下步驟完成的：

一、制備活性納米薄膜：用磁控濺射機(jī)交替濺射鈦和鎳，鈦層單層厚度25nm-100nm，鈦層單層厚度25nm-50nm，鎳層和鈦層的厚度比為(1-3)：2，交替濺射80-120周期，最終總薄膜厚度4μm-15μm，密封保存；

二、表面處理：將TiNi SMA表面和金屬表面砂紙逐層打磨至表面光滑平整，得到表面預(yù)處理的TiNi SMA和金屬，將打磨后的TiNi SMA、2張厚度30-70μm的SnAgCu釬料箔片和金屬放入酒精中超聲清洗3min-5min，取出后烘干，得到表面處理后的TiNi SMA、金屬和2張SnAgCu釬料箔片；金屬為鈦或鈦合金；

三、引燃：將步驟二中得到的表面處理后的TiNi SMA、1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬依次重疊，然后在2MPa-7MPa的壓力下引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，完成TiNiSMA與鈦或鈦合金材料的連接。引燃后一般幾秒鐘就能完成連接,冷卻至室溫就能達(dá)到所需強(qiáng)度。所述的引燃方法可以是用電流通過納米結(jié)構(gòu)多層薄膜產(chǎn)生電阻熱進(jìn)行引燃；或者采用激光、電火花或火焰。低溫連接的溫度范圍(240-280℃)高于釬料箔熔點(diǎn)217℃。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：一、本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的釬焊方法，不需要在真空中整體加熱，連接溫度低，引燃活性納米多層膜就可完成連接，速度快，效率高。二、本發(fā)明使用范圍廣，可以在大氣中或保護(hù)氣氛中完成連接過程。三、本發(fā)明熱影響區(qū)小，只是局部加熱，兩側(cè)母材鈦或鈦合金和TiNi SMA不會(huì)熔化，不會(huì)影響兩種材料的性能。四、本發(fā)明自蔓延反應(yīng)燃燒速度快，可達(dá)0.8m/s，節(jié)省了TiNi SMA和鈦或鈦合金的連接時(shí)間。五、本發(fā)明活性納米多層膜反應(yīng)完全，形成均勻產(chǎn)物，分散到熔化的釬料層中，起到強(qiáng)化作用；接頭強(qiáng)度高，可達(dá)15-30MPa。

本發(fā)明可用于TiNi SMA與鈦或鈦合金的精密連接。

附圖說明

圖1為具體實(shí)施方式，是應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNiSMA與鈦或鈦合金的方法，具體是按以下步驟完成的：

一、制備活性納米薄膜：用磁控濺射機(jī)交替濺射鈦和鎳，鈦層單層厚度25nm-100nm，鎳層單層厚度25nm-50nm，鎳層和鈦層的厚度比為(1-3)：2，交替濺射80-120周期，最終總薄膜厚度4μm-15μm，密存；

二、表面處理：將TiNi SMA表面和金屬表面分別使用#400砂紙、#600砂紙和#800砂紙逐層打磨至表面光滑平整，得到表面預(yù)處理的TiNi SMA和金屬，將打磨后的TiNi SMA、2張厚度30-70μm的SnAgCu釬料箔片和金屬放入酒精中超聲清洗3min-5min，取出后烘干，得到表面處理的TiNi SMA、金屬和2張SnAgCu釬料箔片；金屬為鈦；

三、引燃：將步驟二中得到的表面處理后的TiNi SMA、1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬依次重疊，然后在2MPa-7MPa的壓力下引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA與金屬材料的連接。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：一、本發(fā)明相對(duì)于傳統(tǒng)的釬焊方法，不需要整體加熱，引燃活性納米多層膜就可完成連接，速度快，效率高。二、本發(fā)明使用范圍廣，可以在大氣中，真空中，甚至水中完成連接過程。三、本發(fā)明熱影響區(qū)小，只是局部加熱，兩側(cè)金屬和玻璃不會(huì)熔化，不會(huì)影響兩種材料的性能。四、本發(fā)明活性納米多層膜完全反應(yīng)，形成均勻產(chǎn)物，分散到熔化的釬料層中，起到強(qiáng)化作用；釬料和兩側(cè)母材形成良好的冶金結(jié)合，接頭強(qiáng)度高，可達(dá)15-30MPa。

本發(fā)明可用于TiNi SMA與鈦的連接。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：步驟一中所述的鎳層和鈦層厚度比為1：2的薄膜100周期，最終總薄膜厚度5-15μm，密封保存。其它與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至二之一不同的是：步驟一中所述的鎳層和鈦層厚度比為1：1的薄膜100周期，最終總薄膜厚度5-15μm，密封保存。其它與具體實(shí)施方式一至二之一相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：步驟一中所述的鎳層和鈦層厚度比為3：2的薄膜100周期，最終總薄膜厚度5-15μm，密封保存。其它與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：步驟二中所述的將TiNi SMA和鈦合金表面分別使用#400砂紙、#600砂紙和#800砂紙逐層打磨至表面光滑平整，得到表面預(yù)處理的TiNi SMA和鈦合金，將經(jīng)過表面預(yù)處理的TiNi SMA、二次處理的鈦合金和2張厚度30μm-70μm的SnAgCu釬料箔片放入酒精中超聲清洗3min-5min，得到表面處理的TiNiSMA、鈦合金和2張SnAgCu釬料箔片。其它與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：步驟三中所述的將步驟二中得到的表面處理的TiNi SMA，步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬鈦依次重疊，然后在2MPa-7MPa的壓力下用明火進(jìn)行引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA與鈦的連接。其它與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是：步驟三中所述的將步驟二中得到的表面處理的TiNi SMA，步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬鈦依次重疊，然后在2MPa-7MPa的壓力下用激光進(jìn)行引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA與鈦的連接。其它與具體實(shí)施方式一至六之一相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是：步驟三中所述的將步驟二中得到的表面處理的TiNi SMA，步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬鈦依次重疊，然后在2MPa-7MPa的壓力下用電流通過納米多層薄膜產(chǎn)生電阻熱進(jìn)行引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA與鈦的連接。其它與具體實(shí)施方式一至七之一相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是：步驟三中所述的將步驟二中得到的表面處理后的TiNi SMA，步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的鈦合金依次重疊，然后在2MPa-7MPa的壓力下引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA合金與鈦合金的連接。其它與具體實(shí)施方式一至八之一相同。

采用下述試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的效果：

試驗(yàn)一：一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法具體是按以下步驟完成的：

一、制備活性納米薄膜：用磁控濺射機(jī)交替濺射鈦層單層厚度100nm、鎳層單層厚度50nm,交替濺射100周期，最終總薄膜厚度15μm，密封保存；

二、表面處理：將TiNi SMA表面和金屬鈦表面分別使用#400砂紙、#600砂紙和#800砂紙逐層打磨至表面光滑平整，得到表面預(yù)處理的TiNi SMA和金屬鈦，將打磨后的TiNi SMA、2張厚度70μm的SnAgCu釬料箔片和金屬鈦放入酒精中超聲清洗5min，取出后烘干，得到表面處理的TiNi SMA、金屬鈦和2張SnAgCu釬料箔片；

三、引燃：將步驟二中得到的表面處理后的TiNi SMA、1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬鈦依次重疊，然后在5MPa的壓力下用明火引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA與金屬鈦材料的連接；

本試驗(yàn)中金屬鈦為99.995％純鈦板；釬料為Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)，連接強(qiáng)度為20MPa。

試驗(yàn)二：一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法具體是按以下步驟完成的：

一、制備活性納米薄膜：用磁控濺射機(jī)交替濺射鈦層單層厚度25nm、鎳層單層厚度25nm,交替濺射80周期，最終總薄膜厚度4μm，密封保存；

二、表面處理：將TiNi SMA表面和鈦合金表面分別使用#400砂紙、#600砂紙和#800砂紙逐層打磨至表面光滑平整，得到表面預(yù)處理的TiNi SMA和鈦合金，將打磨后的TiNi SMA、2張厚度50μm的SnAgCu釬料箔片和鈦合金放入酒精中超聲清洗4min，取出后烘干，得到表面處理的TiNi SMA、鈦合金和2張SnAgCu釬料箔片；

三、引燃：將步驟二中得到的表面處理后的TiNi SMA、1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的鈦合金依次重疊，然后在7MPa的壓力下通過電流產(chǎn)生電阻熱引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA與鈦合金材料的連接；

本試驗(yàn)中釬料為Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)，鈦合金為TC4，連接強(qiáng)度為15MPa。

試驗(yàn)三：一種應(yīng)用納米多層膜自蔓延反應(yīng)連接TiNi SMA與鈦或鈦合金的方法具體是按以下步驟完成的：

一、制備活性納米薄膜：用磁控濺射機(jī)交替濺射鎳層單層厚度60nm、鈦層單層厚度40nm,交替濺射120周期，最終總薄膜厚度12μm，密封保存；

二、表面處理：將TiNi SMA表面和金屬鈦表面分別使用#400砂紙、#600砂紙和#800砂紙逐層打磨至表面光滑平整，得到表面預(yù)處理的TiNi SMA和金屬鈦，將打磨后的TiNi SMA、2張厚度30μm的SnAgCu釬料箔片和金屬鈦放入酒精中超聲清洗3min，取出后烘干，得到表面處理的TiNi SMA、金屬鈦和2張SnAgCu釬料箔片；

三、將步驟二中得到的表面處理后的TiNi SMA、1張SnAgCu釬料箔片、步驟一中得到的活性納米薄膜、步驟二中得到的表面處理后的1張SnAgCu釬料箔片、步驟二得到的表面處理后的金屬鈦依次重疊，然后在2MPa的壓力下用激光引燃，利用活性納米多層膜自身放出的熱量，即完成TiNi SMA合金與金屬Ti材料的連接；

本試驗(yàn)中金屬Ti為99.995％純鈦板；釬料為Sn-3.0Ag-0.5Cu(wt.％)，連接強(qiáng)度為30MPa。