[發(fā)明專利]一種碳基材料與銅的釬焊連接方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611198639.0
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106695043A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 練友運;劉翔;王建豹;封范;鄭國堯;蔡立君;劉健;諶繼明
• 申請（專利權(quán)）人: 核工業(yè)西南物理研究院
• 主分類號: B23K1/008
• 分類號: B23K1/008;B23K1/19;B23K1/20
• 代理公司: 核工業(yè)專利中心11007
• 代理人: 呂巖甲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳基材料與銅的釬焊連接方法。

背景技術(shù)

由于碳基材料(CFC和石墨)的優(yōu)異的性能，使其在核聚變裝置中作為面向等離子體材料已有幾十年的使用歷史了。國內(nèi)外大多數(shù)的聚變裝置，如國外的TFTR、DIII-D、JT-60U、JET、Tore Supra、W7-X，國內(nèi)的HL-2A、HT-7等都使用了碳基材料(包括石墨和CFC)作為第一壁和偏濾器，ITER也曾經(jīng)設(shè)計了在開始運行階段的偏濾器垂直靶板位置使用C/C復(fù)合材料。

聚變裝置偏濾器位置由于熱負(fù)荷較高，需要將碳基材料與熱沉材料銅合金結(jié)合以構(gòu)成偏濾器部件。碳基材料與銅合金的連接方式主要包括了粘結(jié)、機(jī)械連接、焊接等。由于碳材料的脆性，在制造、連接等方面帶來很多不便，最簡單實用的辦法是用螺栓進(jìn)行機(jī)械連接，接頭的強(qiáng)度主要取決于螺栓接頭的強(qiáng)度。

為了保證碳與銅合金之間具有良好的導(dǎo)熱性能，一般在碳和銅合金之間放一層柔性石墨、金箔、銅箔等。這種機(jī)械連接結(jié)構(gòu)制備的偏濾器部件適用于熱通量較低、脈沖長度較短的托卡馬克裝置。

如果偏濾器位置熱通量較高且長脈沖運行，為了避免材料出現(xiàn)過熱，就需要偏濾器在等離子體放電過程中進(jìn)行主動除熱，從而需要采取各種焊接工藝實現(xiàn)碳基材料與熱沉材料之間的冶金結(jié)合，保證偏濾器部件有優(yōu)良的熱祛除能力以及在聚變環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性。

碳基材料和銅合金的連接必須解決兩個方面的難題，即熱膨脹系數(shù)差異大和不能相互潤濕。

為了解決熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的界面應(yīng)力，一般需要在碳基材料和銅合金之間加一中間層。目前，采用最多的是高導(dǎo)無氧銅(OFHC)作為中間層，利用高導(dǎo)無氧銅的塑性變形釋放熱應(yīng)力。采用活性金屬澆鑄(AMC)、釬焊、擴(kuò)散焊等連接方式可以得到具有優(yōu)良結(jié)合性能的碳基材料/銅合金接頭。奧地利PlanseeGE公司最早于1992年發(fā)明活性金屬澆鑄(AMC)法，實現(xiàn)了高導(dǎo)熱碳/碳復(fù)合材料與銅合金(CuCrZr)的連接。其通過在C/C復(fù)合材料及石墨/Cu合金連接時，先用激光束照射C/C復(fù)合材料、石墨表面，形成大量直徑為50-500μm，孔深為100-750μm的圓孔，這樣可以增加界面面積即增加表面能，從而提高了抗裂紋生長能力；然后，活性金屬澆鑄處理過的C/C復(fù)合材料、石墨表面上，最后通過電子束焊、熱等靜壓等連接方法將其與銅合金連接起來，CFC/Cu合金接頭的抗拉伸強(qiáng)度達(dá)到30MPa；需要指出的是該技術(shù)成本較高、其表面改性質(zhì)量控制較困難。

為了實現(xiàn)碳材料的改性，還可以在碳基材料表面沉積一層可以與碳發(fā)生反應(yīng)的金屬，如Si、Al、Ti、Zr、Cr、Mo、W等銅合金，通過固態(tài)反應(yīng)在碳表面生成一層碳化物薄層來提高銅在碳/碳表面的潤濕性，實現(xiàn)碳材料與無氧銅的連接。利用最多的是Ti和Cr來改性碳基材料表面，由于過渡金屬碳化層的作用，CFC/純Cu接頭的平均抗剪切強(qiáng)度達(dá)到30MPa以上，遠(yuǎn)高于CFC材料的層間剪切強(qiáng)度。

此外，還可以采用直接釬焊連接碳基材料和銅合金，焊接過程需要的釬料需要含有與碳具有潤濕性的元素，如Ti、Zr、Cr、Si等；同時需要去除真空環(huán)境不能用的Cd、Zn、Ag等元素；釬焊溫度也需要控制在部件的運行溫度之上；為了緩解界面層的熱應(yīng)力，無氧純銅適應(yīng)層也是必不可少的。如日本的JAEA利用NiCrP釬料連接CFC和無氧純銅，然后再通過熱等靜壓在500℃連接無氧純銅和銅合金熱沉材料；意大利采用商用Gemco合金(87.75wt％Cu，12wt％Ge和0.25wt％Ni)焊接的CFC-Cu接頭強(qiáng)度約為34MPa。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，解決碳基材料和銅基材料的連接問題，通過真空釬焊實現(xiàn)碳基材料和銅基材料的冶金結(jié)合。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的目的在于提供一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，包括以下步驟：

步驟一、碳基材料表面金屬化；

(1)對碳基材料進(jìn)行預(yù)處理，包括表面噴砂處理、超聲波清洗以及脫水干燥步驟；

(2)通過絲網(wǎng)印刷方法在碳基材料表面沉積一層Cr金屬漿料，干燥處理后，在真空加熱爐中進(jìn)行燒結(jié)，工作真空度小于1×10^-2Pa，燒結(jié)溫度1300-1400℃，燒結(jié)時間0.5-1h，生成一層致密的碳化鉻層；

步驟二、真空澆鑄純銅；