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CN106041350A - 钨/铜或钨/钢接头及其制备方法 - Google Patents

钨/铜或钨/钢接头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钨/铜或钨/钢接头。所述钨/铜或钨/钢的连接层具有“三明治”式三层结构，包括：用来与钨连接的Cu‑TiH2层、用来与铜或钢连接的Ag‑Cu合金层、用来与所述Cu‑TiH2层和Ag‑Cu合金层分别连接的位于中间的Cu层。其制备方法包括下述步骤：1)将Cu粉和TiH2粉混合，加入酒精研磨，直到酒精完全挥发，再加入丙三醇调和，得Cu‑TiH2膏状焊料；2)在铜或钢块上依次放置Ag‑Cu合金箔、Cu箔，再在Cu箔上涂覆步骤1得到的Cu‑TiH2膏状焊料，最后盖上将钨块，将整体放入模具中，钎焊，得到钨/铜或钨/钢接头。本发明制备方法简单，易于操作，原料成本低廉；制得的连接钨/铜或钨/钢接头，其连接层均匀致密，接头界面结合良好，无裂纹及孔隙等缺陷，接头连接强度较高。

Description

钨/铜或钨/钢接头及其制备方法
技术领域
本发明属于异种材料的连接技术领域，涉及钨/铜和钨/钢的连接，具体地涉及一种钨/铜或钨/钢接头及其制备方法。
背景技术
面向等离子体部件的设计和制备是热核聚变反应装置制造中的一个关键技术。钨及其合金材料由于具有高熔点、低蒸气压和低溅射腐蚀率等优点，被认为是理想的面向等离子体材料。钨基面向等离子体材料需要与高导热的热沉材料连接以达到冷却的目的，而铜及低活化钢是理想的热沉候选材料(其中铜用于水冷型偏滤器的热沉材料，钢用于氦冷型偏滤器的热沉材料)，因此，钨/铜及钨/钢的连接具有实际研究意义。但是，由于钨与铜及钢的物理性能相差较大，导致接头在制备和服役过程中容易产生高的热应力，所以选用合适的焊料是制备钨/铜及钨/钢接头的关键。
对于钨/铜的连接，常用的焊料有Ag-Cu-Ti、Ni基及Cu基焊料等，由于Ag经中子辐照后会转变成Cd，Cd的蒸气压较高易挥发导致等离子体的污染，因此，Ag-Cu-Ti焊料无法在核聚变装置中应用。Ni基及Cu基焊料是高温合金焊料，易产生较高热应力导致钨/铜接头的断裂。对于钨/钢的连接，常采用Ti为中间层或者预制钨/钢功能梯度层作为中间层。但是，Ti中间层会使钨母材在连接过程中产生微裂纹，而梯度功能材料中间层制备工艺比较复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种钨/铜或钨/钢接头，该接头具有较高的连接强度，连接面无裂纹或空隙。本发明制备方法简单，原料成本低，适于工业化生产。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种钨/铜或钨/钢接头，其特征在于，所述钨/铜或钨/钢的连接层具有“三明治”式三层结构，包括：用来与钨连接的Cu-TiH2层、用来与铜或钢连接的Ag-Cu合金层、用来与所述Cu-TiH2层和Ag-Cu合金层分别连接的位于中间的Cu层。
按上述方案，优选地，所述钨/铜接头中的铜为纯铜或CuCrZr合金。
本发明还提供了上述钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1、将Cu粉和TiH2粉混合，加入酒精研磨，直到酒精完全挥发，再加入丙三醇调和，得Cu-TiH2膏状焊料。
2、在铜或钢块上依次放置Ag-Cu合金箔、Cu箔，再在Cu箔上涂覆步骤1得到的Cu-TiH2膏状焊料，最后盖上将钨块，将整体放入模具中，钎焊，得到钨铜/或钨/钢接头。
按上述方案，优选地，所述TiH2粉与Cu粉的质量比为1：4～5。
按上述方案，优选地，所述Ag-Cu合金箔中，Ag的质量百分数为72％，Cu的质量百分数为28％。
按上述方案，优选地，所述Ag-Cu合金箔厚度为100μm。
按上述方案，优选地，所述Cu箔厚度为100μm。
按上述方案，优选地，所述的Ag-Cu合金箔、Cu箔、钨块的待连接端面、铜或钢块的待连接端面均经过打磨(目的是去除表面的氧化物)和超声清洗处理。
按上述方案，优选地，步骤2中所述钎焊的条件为10kPa下，升温至880～920℃并保温10min。
按上述方案，优选地，步骤2中所述模具为石墨模具。
本发明的基本原理如下：
在Cu-TiH2焊料的基础上添加Ag-Cu与Cu箔，其中Ag-Cu箔与铜及钢等金属能形成良好的连接面，而Cu箔作为软金属添加层可以利用自身的塑性变形来减缓接头的热应力，从而提高接头性能。
本发明的主要优点是：
(1)本发明制备方法简单，易于操作，原料成本低廉；
(2)本发明中制得的连接钨/铜或钨/钢接头，其连接层均匀致密，接头界面结合良好，无裂纹及孔隙等缺陷等。
(3)本发明中中制得的钨/铜或钨/钢接头，其接头连接强度较高，其中钨/铜接头的剪切强度可达95MPa以上，钨/钢接头的剪切强度为48～52MPa。
附图说明
图1是本发明提供的具有“三明治”结构连接层的钨/铜或钨/钢接头的结构示意图；
图2是实施例1所得钨/铜接头界面区域的微观形貌图；
图3是实施例2所得钨/钢接头界面区域的微观形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于说明本发明可行，不用于限制本发明保护的权利范围。下述实施例中提及的所有原料均可市售获得。
实施例1
制备具有“三明治”结构连接层的钨/铜接头，具体步骤如下：
1、称取0.78gCu粉和0.22gTiH2粉，混合放在研钵中，加入酒精并手工研磨，直到酒精完全挥发，得到Cu-TiH2粉体焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，得Cu-TiH2膏状焊料。
2、将厚度为100μm的Ag-Cu箔(其中Ag的质量百分比为72％，Cu的质量百分比为28％)以及厚度为100μm的Cu箔先用砂纸打磨，去除表面的氧化物，然后放入酒精中超声清洗30min。
3、将钨块与铜块(CuCrZr合金)的待连接端面用金相砂纸逐级打磨，再放进超声波清洗机中清洗30min，然后用吹风机吹干备用。
4、先在铜块的待连接表面上加一层Ag-Cu箔，接着再加一层Cu箔，然后取少量上述步骤(1)中制得的Cu-TiH2膏状焊料涂覆在Cu箔上，再将钨块置于上方，整体放入石墨模具中，接着放入真空炉中，施加10kPa的压力；开启加热程序，并在900℃保温10min，然后随炉冷却至室温，取出样品，得到钨/铜连接接头。
图2为所得钨/铜接头的连接层界面区域微观形貌图，从图中可以看出，连接层与钨和铜母材界面结合良好，连接层均匀致密，无裂纹和孔隙等缺陷，另外，连接层中生成了金属间化合物。
实施例2
制备具有“三明治”结构连接层的钨/钢接头，具体步骤如下：
1、称取0.78gCu粉和0.22gTiH2粉，，混合放在研钵中，加入酒精并手工研磨，直到酒精完全挥发，得到Cu-TiH2粉体焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，得Cu-TiH2膏状焊料。
2、将厚度为100μm的Ag-Cu箔(其中Ag的质量百分比为72％，Cu的质量百分比为28％。)及厚度为100μm的Cu箔先用砂纸打磨，去除表面的氧化物，然后放入酒精中超声清洗30min。
3、将钨与钢的待连接端面用金相砂纸逐级打磨，再放进超声波清洗机中清洗30min，然后用吹风机吹干备用。
4、先在钢块的待连接表面上加一层Ag-Cu箔，接着再加一层Cu箔，然后取少量上述步骤(1)中制得的Cu-TiH2膏状焊料涂覆在Cu箔上，再将钨块置于上方，整体放入石墨模具中，接着放入真空炉中，施加10kPa的压力；开启加热程序，并在900℃保温10min，然后随炉冷却至室温，取出样品，得到钨/钢连接接头。
对本实施例制得的钨/钢接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，接头剪切强度为48～52MPa。
图3为所得钨/钢接头的连接层界面区域的微观形貌图，从图中可以看出钨与钢之间连接良好，接头界面处平整，没有明显的孔隙和裂纹。

Claims (10)

1.一种钨/铜或钨/钢接头，其特征在于，所述钨/铜或钨/钢的连接层具有“三明治”式三层结构，包括：用来与钨连接的Cu-TiH2层、用来与铜或钢连接的Ag-Cu合金层、用来与所述Cu-TiH2层和Ag-Cu合金层分别连接的位于中间的Cu层。
2.根据权利要求1所述的一种钨/铜或钨/钢接头，其特征在于，所述钨/铜接头中的铜为纯铜或CuCrZr合金。
3.权利要求1或2所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)将Cu粉和TiH2粉混合，加入酒精研磨，直到酒精完全挥发，再加入丙三醇调和，得Cu-TiH2膏状焊料；
2)在铜或钢块上依次放置Ag-Cu合金箔、Cu箔，再在Cu箔上涂覆步骤1)得到的Cu-TiH2膏状焊料，最后盖上将钨块，将整体放入模具中，钎焊，得到钨/铜或钨/钢接头。
4.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述TiH2粉与Cu粉的质量比为1：4～5。
5.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述Ag-Cu合金箔中，Ag的质量百分数为72％，Cu的质量百分数为28％。
6.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述Ag-Cu合金箔的厚度为100μm。
7.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述Cu箔厚度为100μm。
8.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述Ag-Cu合金箔、Cu箔、钨块的待连接端面、铜或钢块的待连接端面均经过打磨和超声清洗处理。
9.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述钎焊的条件为10kPa下，升温至880～920℃并保温10min。
10.根据权利要求3所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述模具为石墨模具。
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