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摘要本文针对 TC4钛合金与K9 光学玻璃，采用真空热压+阳极键合等工艺方法进行材料的连接，对钛合金表面采用了喷砂、喷蚀两种表面处理方法，重点研究了钛合金表面不同处理工艺（喷砂、喷蚀）对接头质量的影响。实验结果表明：对钛合金表面采用喷砂处理，材料表面获得的粗糙度越小，两种材料接触的面积就越大，再配合适当大的热压压力，可以使两种材料接触得更加紧密；对钛合金表面进行喷蚀处理，当蚀刻时间为 1h时，可以得到理想的孔洞嵌套结构，增大了两种材料的接触面积，得到的连接效果最好。且在酸蚀过程中还清除了残留在表面的喷砂颗粒，提高了钛-玻璃的连接质量。48085
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关键词 TC4 钛合金 K9 光学玻璃 表面处理工艺 喷砂 喷蚀
Title the study of Titanium-Glass connect process
Abstract This paper take the vacuum hot pressing + anodic bonding process to connect the two materials of TC4 titanium alloy and K9 optical glass. Using two different surface treatment methods (sandblasting, spray etching) to treat the TC4 surface to study the influence of the treatments methods to joint quality. The results show that the use of sandblasting to TC4 surface can reduce surface roughness and increase the connected area of the two materials, then combined with a suitably large pressing pressure, can make two materials connected closely. The use of spray etching process to TC4 surface can obtain an ideal nesting structure when the etching time was 1h.The structure can increase the connected area between the two materials to get the best connected quality. Besides, the etching process after sandblasting can remove the sand particles remained on the TC4 surface and improve the connected quality of TC4 titanium alloy and K9 optical glass.
Keywords TC4 titanium alloy K9 optical glass surface treatment process sandblasting spray etching
目次
1引言1
1.1钛合金的表面改性技术.2
1.2钛与玻璃常用的连接方法..4
1.3研究的目的和内容..5
1.3.1研究目的5
1.3.2研究内容6
2实验材料与方法..7
2.1实验材料.7
2.2实验设备.8
2.2.1喷砂设备8
2.2.2连接设备9
2.3检测分析方法9
2.3.1表面形貌分析..9
2.3.2表面成分分析..9
2.3.3表面相分析10
2.4实验原理10
2.5实验路线11
3钛合金的表面处理工艺研究12
3.1表面处理12
3.1.1喷砂处理..12
3.1.2喷蚀处理..12
3.2表面喷砂工艺..13
3.3表面喷蚀工艺..15
3.3.1喷蚀工艺对表面形貌的影响.15
3.3.2喷蚀工艺对表面成分的影响.17
3.3.3喷蚀工艺对表面相的影响17
3.4本章小结18
4TC4钛合金/k9玻璃热压+阳极键合复合连接工艺研究..20
4.1热压+阳极键合复合连接工艺设计20
4.2表面处理状态对接头组织性能的影响.20
4.2.1表面喷砂工艺.20
4.2.2表面喷蚀工艺.21
4.3不同工艺参数对接头组织性能的影响22
4.3.1热压温度的影响..22
4.3.2热压压力的影响..23
4.4阳极键合工艺特点.24
4.5本章小结25
结论26
致谢27
参考文献.28
1 引言 随着科学技术领域的不断发展,特别是航空技术、能源技术和电子技术的进步，使得更加小型化、多样化以及精密化的电子器件得到越来越多的应用，这也就使得玻璃和金属的复合连接技术得到了更加广泛的关注，无机非金属材料与金属材料的连接技术一直被视为是材料连接领域的研究热点之一。 钛是 20世纪中期才得到广泛关注的一种非常重要的工程结构金属材料，钛及钛合金具有优异的综合力学性能，在航空、航天、船舶、石油、化工、武器、电子等行业范畴得到了普及[1]。某些钛合金由于具有无毒性、抗腐蚀性、生物相容性这一优点，被作为生物医用材料在医疗方面也得到了高度重视。目前，钛及其相关的材料已成为了最有发展前景的生物医用材料[2]。钛合金作为新型结构材料，具有简单的耐热性、高比强度和韧性[3]，同时热强度高于铝合金，抗蚀性能力远优于不锈钢，在低温甚至超低温的环境下，仍能保持其力学性能[4]，抵抗点蚀、酸蚀、应力腐蚀的能力特别强，对酸、碱、氯化物、氯的有机物品等具有优良的抗腐蚀能力。 玻璃材料具有抗氧化性、耐腐蚀、耐高温、高强度、高硬度、绝缘性能优异等特点，在国民经济中的应用越来越广泛[5]。但由于其本身所存在的缺点，如加工性能差、塑韧性差和冲击韧性低等都会使得在加工过程中的难度增加，从而难以制作大而复杂的结构，影响它在工程结构中的应用。因此，玻璃经常同综合性能好、具有优异的冷加工性能的金属材料组合在一起，以复合连接体的形式有效的发挥各自性能的优势，不仅可以最大化利用材料各自的优点，还可以弥补不足之处，从而使产品既有玻璃的长处，又有金属的优点。 由于玻璃这类非金属材料的物理化学性质与金属材料相差较大，比如原子键结构、线膨胀系数、热导率、塑韧性等等。使得在玻璃与金属材料的连接中存在着许多关键性难题[6]。玻璃与金属材料连接的主要难题在于物理化学相容性和连接的热应力[7]。由于玻璃与金属两种材料之间的热胀系数相差很大，则在焊接过程中会引起非常大的残余应力，使连接接头的力学性能变差。另外，玻璃材料的脆性大，焊后易出现开裂现象使接头失效。传统的焊接方法需要在较为苛刻的条件下进行，本文以阳极键合结合真空热压工艺进行玻璃与钛合金的连接，可在较低气温的实验环境下完成玻璃和金属的直接连接，所获得的构件具有变形程度小，尺寸精度高，密封性好等特点。