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CN106862693A - 一种钨/铜或钨/钢接头及其制备方法 - Google Patents

一种钨/铜或钨/钢接头及其制备方法 Download PDF

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毛样武
彭少学
彭良荥
闵梅
胡坤
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Wuhan Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种钨/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TiZrCuNi非晶箔层、用来与铜或钢连接的Ag‑Cu箔层、用来与所述TiZrCuNi非晶箔层和Ag‑Cu箔层分别连接的位于中间的Cu箔层。所述钨/铜或钨/钢接头的制备方法如下：在铜或钢块上依次放置Ag‑Cu合金箔、Cu箔以及TiZrCuNi非晶箔，最后放上钨块，再整体放入模具中并且施加一定的压力，钎焊，得到钨/铜或钨/钢接头。本发明制备工艺简单，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，无明显裂纹及孔隙等缺陷，接头连接强度较高。

Description

一种钨/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，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(Plasma Facing Components,PFCs)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的熔点、低的蒸气压和低的溅射腐蚀率等优点，被认为是理想的面向等离子体材料(Plasma Facing Materials，PFMs)。PFMs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材料的候选材料，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。
钎焊是连接钨/铜及钨/钢常用的方法。焊料主要有Ni基焊料、Cu基焊料以及非晶焊料等，非晶焊料由于在市场上可以直接购买，较其他焊料而言使用更为方便。由于较高的连接温度容易在接头中产生较高的残余热应力并且导致接头断裂，因此，为了减缓接头中的残余热应力，常用的方法是在焊料中添加中间层，利用中间层的蠕变性或者减小母材之间的热膨胀系数差异以达到减缓热应力的目的，从而提高接头性能。例如，在采用Ag-Cu-Ti活性钎料连接SiC陶瓷与304不锈钢时，采用Cu箔作为中间层可有效缓解接头的热应力，提高接头的剪切强度。但是现有技术中还存在下述问题：
(1)焊料层厚度不易控制；
(2)特殊形状的材料的连接较为困难。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种用于制备钨/铜或钨/钢接头及其制备方法，制备所述接头所使用的焊料成分均为市售，厚度可控，且可以用于特殊形状的材料的连接。所述钨/铜或钨/钢接头具有较高的连接强度，且连接层均匀致密，接头界面结合良好。
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TiZrCuNi非晶箔层、用来与铜或钢连接的Ag-Cu箔层、用来与所述TiZrCuNi非晶箔层和所述Ag-Cu箔层分别连接的位于中间的Cu箔层。所述具有“三明治”式连接层的的钨/铜及钨/钢接头的结构示意图如图1所示。
按上述方案，优选地，所述TiZrCuNi非晶箔层的厚度为45μm。
按上述方案，优选地，所述Cu箔层的厚度均为100μm。
按上述方案，优选地，所述Ag-Cu箔层的厚度为100μm。
按上述方案，优选地，所述Ag-Cu箔中，Ag和Cu的质量比为72：28。
本发明还提供上述钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤如下：
在铜或钢块上依次放置Ag-Cu合金箔、Cu箔以及TiZrCuNi非晶箔，最后放上钨块，再整体放入模具中并且施加一定的压力，钎焊，得到钨/铜或钨/钢接头。
按上述方案，优选地，所述钨块、铜或钢块、Cu箔及Ag-Cu箔经过抛光和超声清洗处理。更优选地，所述超声清洗的洗涤剂为酒精，时间为30min。
按上述方案，优选地，所述压力为8-12kPa。
按上述方案，优选地，所述钎焊的具体步骤为：以10℃/min的速率升温至850-950℃，保温5-15min。
本发明的基本原理如下：
在TiZrCuNi非晶箔的基础上添加Cu箔与Ag-Cu箔，其中，TiZrCuNi非晶箔具有熔化温度相对较低的特性，且与母材钨块的湿润性好；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，有利于接头力学性能的改善。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明制备方法简单，易于操作，原料成本低廉；
(2)本发明将TiZrCuNi非晶箔、Cu箔和Ag-Cu箔组合成“三明治”式三层结构，并作为连接接头的材料，所述这三种材料均为箔状材料，厚度易于控制，可以用于特殊形状的材料的连接，且均为市售可得，价格低廉。
(3)本发明提供的连接钨/铜或钨/钢接头，其连接层均匀致密，接头界面结合良好，无明显裂纹及孔隙等缺陷等。
(4)本发明提供钨/铜或钨/钢接头，其接头连接强度较高，其中钨/铜接头平均剪切强度为50MPa，钨/钢接头的平均剪切强度为58MPa。
(5)TiZrCuNi非晶箔状焊料具有活性高、耐热性和耐蚀性好以及抗氧化性能优异等优势。钎料中添加的Zr与Ti无限固溶，不会产生脆性相，添加的Cu、Ni，一方面可通过形成Ti-Zr-Cu-Ni合金提高接头的综合性能，另一方面可降低合金熔点。此外，与同成分晶态钎料相比，TiZrCuNi非晶箔状焊料成分更加均匀，杂质极少，原子扩散能力强，与母材的润湿效果更好。最后，与粉末钎料相比，TiZrCuNi非晶箔状焊料可根据钎焊工件的实际需要，制成相应形状，操作更加方便。
附图说明
图1是本发明提供的具有“三明治”式连接层的的钨/铜及钨/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。
实施例1
制备钨/铜接头，具体步骤如下：
1、先将45μmTiZrCuNi非晶箔放入无水乙醇中超声清洗30min。
2、将厚度约为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％)以及厚度约为100μm的Cu箔先用砂纸打磨，去除表面的氧化物，然后放入无水乙醇中超声清洗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，再放进酒精中超声清洗30min，然后用吹风机吹干备用。
4、先在铜块的待连接表面上依次添加Ag-Cu合金箔、Cu箔以及非晶箔，再将钨块置于最上方，整体放入石墨模具中，施加8.8kPa的压力，接着放入真空炉中，以10℃/min的升温速率从室温加热到880℃，并且保温8min，保温时间结束后，关闭加热，随炉冷却至室温。待样品完全冷却后，取出，得到钨/铜连接接头。
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，测得接头平均剪切强度为50MPa。
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，无明显裂纹和孔隙等缺陷。
实施例2
制备钨/钢接头，具体步骤如下：
1、先将45μmTiZrCuNi非晶箔放入无水乙醇中超声清洗30min。
2、将厚度约为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％。)及厚度约为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，再放进酒精中超声清洗30min，然后用吹风机吹干备用。
4、先在钢块的待连接表面上依次添加Ag-Cu合金箔、Cu箔以及非晶箔，再将钨块置于最上方，整体放入石墨模具中，施加10.8kPa的压力，接着放入真空炉中，以10℃/min的升温速率从室温加热到920℃，并且保温12min，保温时间结束后，关闭加热，随炉冷却至室温。待样品完全冷却后，取出，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，测得接头平均剪切强度为58MPa。
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TiZrCuNi非晶箔层、用来与铜或钢连接的Ag-Cu箔层、用来与所述TiZrCuNi非晶箔层和所述Ag-Cu箔层分别连接的位于中间的Cu箔层。
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TiZrCuNi非晶箔层的厚度为45μm。
3.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Cu箔层的厚度均为100μm。
4.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Ag-Cu箔层的厚度为100μm。
5.根据权利要求4所述的一种钨/铜或钨/钢接头，其特征在于，所述Ag-Cu箔中，Ag和Cu的质量比为72：28。
6.权利要求1～5任一项所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，步骤如下：
在铜或钢块上依次放置Ag-Cu合金箔、Cu箔以及TiZrCuNi非晶箔，最后放上钨块，再整体放入模具中并且施加一定的压力，钎焊，得到钨/铜或钨/钢接头。
7.根据权利要求6所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，所述钨块、铜或钢块、Cu箔及Ag-Cu箔经过抛光和超声清洗处理。
8.根据权利要求7所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，所述超声清洗的洗涤剂为酒精，时间为30min。
9.根据权利要求6所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，所述压力为8-12kPa。
10.根据权利要求6所述的钨/铜或钨/钢接头的制备方法，其特征在于，所述钎焊的具体步骤为：以10℃/min的速率升温至850-950℃，保温5-15min。
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