[發明專利]一種用于高強石墨與銅合金的連接方法

有效

• 申請號: 201310120552.1
• 申請日: 2013-04-09
• 公開（公告）號: CN103223537A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 毛樣武;聶敦偉;晏倩
• 申請（專利權）人: 武漢工程大學
• 主分類號: B23K1/008
• 分類號: B23K1/008;B23K1/19;B23K35/24
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

技術領域

本發明屬于碳基材料技術領域，涉及高強石墨與銅合金的連接方法，具體地說，是指一種用于制備高強石墨與銅合金連接件的有效連接方法。

背景技術

石墨材料，特別是高強石墨具有質輕、高比強度、耐熱、耐腐蝕、導電導熱性能良好以及抗熱震性能優良等特性，在航空航天工業以及核工業中應用廣泛。當高強石墨用作核聚變中的面向等離子體材料時，需要與高導熱的銅熱沉連接以將沉積在其表面的熱量傳導出去。另外，在汽車新型換向器中也需要將石墨與銅進行連接使用。

目前用于石墨與銅合金的連接技術有機械連接、釬焊法、擴散連接法等。

(1)機械連接

即在石墨和熱沉之間加一層柔性適配層，使石墨與熱沉有較好的接觸。但是這種連接只適用于低熱通量負荷區，可承受的穩態熱負荷一般在1MW/m²以下。

(2)釬焊法

該連接法是用于連接高強石墨與銅合金比較成熟的方法。所采用的焊料有Ag-Cu-Ti、非晶態Ti-Zr-Cu-Ni釬料等。采用Ag-Cu-Ti焊料時，接頭的平均三點彎曲強度為116MPa。但是，由于Ag經中子輻照后會轉變成Cd，Cd的蒸氣壓較高易揮發從而導致等離子體的污染，因此Ag基釬料無法在核聚變堆中推廣使用。非晶態Ti-Zr-Cu-Ni釬料連接高強石墨與銅時效果較好，但是其接頭強度僅為石墨母材的70.22%。另外釬料為非晶態，價格較昂貴，因此整個連接件的制備成本較高。

(3)擴散連接法

固相擴散連接是在真空或特定的氣氛下，在一定壓力和溫度下，借助原子的擴散運動，使兩種母材相結合的方法。固相擴散連接的優點是連接強度高，接頭氣密性好、收縮變形小、尺寸容易控制，主要缺點是連接溫度較高、時間長而且通常在真空中連接，因此設備昂貴、成本高，而且試樣尺寸受到限制。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的不足，提出一種用于高強石墨與銅合金的連接方法，所述的連接方法可以用于高強石墨與銅合金連接件的制備，該連接方法采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種用于高強石墨與銅合金的連接方法，包括有以下步驟：

(A)連接表面預處理，

將高強石墨和銅合金的連接端面進行打磨和拋光，用超聲波清洗15～30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制，

選取粒徑為微米級的Cu粉和Ti粉，將Cu粉與Ti粉混合得到混合粉末，其中Ti粉的質量百分含量為45％～55％；將混合粉末在酒精中用超聲波振動混合20～30min，混合過程中隨時攪動；混合粉末干燥后再倒入研缽研磨20～30min，以確保粉末混合均勻；

(C)連接工藝，

將上述步驟(B)制得的混合粉末在壓片機上冷壓成形得到焊料壓坯，將焊料壓坯放置于經步驟(A)處理后的連接端面上或者將上述步驟(B)制得的混合粉末直接布粉在連接端面上；然后將兩連接端面疊加后放入真空爐中，施加5～20kPa的壓力，進行加熱過程，然后隨爐冷卻至室溫，取出，即可將高強石墨與銅合金連接完成。

按上述方案，所述的微米級的Cu粉和Ti粉的粒徑均為15～50μm。

按上述方案，步驟(C)的加熱過程為：首先以15～20℃/min速率升溫至900～1050℃，再保溫3～10min。

經上述方法連接后得到的焊料層均勻致密，與母材形成了良好的冶金結合和機械咬合。

本發明的基本原理：本發明主要通過焊料中的活性元素Ti與高強石墨在界面處發生反應形成TiC薄層，焊料自身形成TiCu₄和TiCu等金屬間化合物，達到連接高強石墨與銅合金的目的。

所述的高強石墨與銅合金的連接方法可用于制備高強石墨與銅合金的連接件。

本發明的主要優點是：

(1)本發明所得到的接頭強度高，最高強度可達高強石墨母材強度的81.3％；

(2)該連接方法具有操作簡單，易于實施，工藝成本低等優點；

(3)該連接方法所采用的焊料粉體材料，均有市售商品，該方法連接成本低。

附圖說明

圖1是高強石墨與銅合金以及焊料壓坯的疊加示意圖；

圖2是實施例1采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金的連接件界面區域的顯微形貌；

圖3是實施例1采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金的連接件的掃描及EDS元素面分布圖譜；