鎢/銅或鎢/鋼接頭及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鎢/銅或鎢/鋼接頭。所述鎢/銅或鎢/鋼的連接層具有“三明治”式三層結(jié)構(gòu)，包括：用來(lái)與鎢連接的Cu?TiH2層、用來(lái)與銅或鋼連接的Ag?Cu合金層、用來(lái)與所述Cu?TiH2層和Ag?Cu合金層分別連接的位于中間的Cu層。其制備方法包括下述步驟：1)將Cu粉和TiH2粉混合，加入酒精研磨，直到酒精完全揮發(fā)，再加入丙三醇調(diào)和，得Cu?TiH2膏狀焊料；2)在銅或鋼塊上依次放置Ag?Cu合金箔、Cu箔，再在Cu箔上涂覆步驟1得到的Cu?TiH2膏狀焊料，最后蓋上將鎢塊，將整體放入模具中，釬焊，得到鎢/銅或鎢/鋼接頭。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，易于操作，原料成本低廉；制得的連接鎢/銅或鎢/鋼接頭，其連接層均勻致密，接頭界面結(jié)合良好，無(wú)裂紋及孔隙等缺陷，接頭連接強(qiáng)度較高。
【專利說(shuō)明】
鎢/銅或鎢/鋼接頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于異種材料的連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及鎢/銅和鎢/鋼的連接，具體地涉及一種鎢/銅或鎢/鋼接頭及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面向等離子體部件的設(shè)計(jì)和制備是熱核聚變反應(yīng)裝置制造中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。鎢及其合金材料由于具有高熔點(diǎn)、低蒸氣壓和低濺射腐蝕率等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是理想的面向等離子體材料。鎢基面向等離子體材料需要與高導(dǎo)熱的熱沉材料連接以達(dá)到冷卻的目的，而銅及低活化鋼是理想的熱沉候選材料(其中銅用于水冷型偏濾器的熱沉材料，鋼用于氦冷型偏濾器的熱沉材料)，因此，鎢/銅及鎢/鋼的連接具有實(shí)際研究意義。但是，由于鎢與銅及鋼的物理性能相差較大，導(dǎo)致接頭在制備和服役過(guò)程中容易產(chǎn)生高的熱應(yīng)力，所以選用合適的焊料是制備鎢/銅及鎢/鋼接頭的關(guān)鍵。
[0003]對(duì)于媽/銅的連接，常用的焊料有Ag-Cu-T1、Ni基及Cu基焊料等，由于Ag經(jīng)中子福照后會(huì)轉(zhuǎn)變成Cd，Cd的蒸氣壓較高易揮發(fā)導(dǎo)致等離子體的污染，因此，Ag-Cu-Ti焊料無(wú)法在核聚變裝置中應(yīng)用。Ni基及Cu基焊料是高溫合金焊料，易產(chǎn)生較高熱應(yīng)力導(dǎo)致鎢/銅接頭的斷裂。對(duì)于鎢/鋼的連接，常采用Ti為中間層或者預(yù)制鎢/鋼功能梯度層作為中間層。但是，Ti中間層會(huì)使鎢母材在連接過(guò)程中產(chǎn)生微裂紋，而梯度功能材料中間層制備工藝比較復(fù)雜O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種鎢/銅或鎢/鋼接頭，該接頭具有較高的連接強(qiáng)度，連接面無(wú)裂紋或空隙。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，原料成本低，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0006]一種鎢/銅或鎢/鋼接頭，其特征在于，所述鎢/銅或鎢/鋼的連接層具有“三明治”式三層結(jié)構(gòu)，包括:用來(lái)與鎢連接的Cu-TiH2層、用來(lái)與銅或鋼連接的Ag-Cu合金層、用來(lái)與所述Cu-T iH2層和Ag-Cu合金層分別連接的位于中間的Cu層。
[0007]按上述方案，優(yōu)選地，所述媽/銅接頭中的銅為純銅或CuCrZr合金。
[0008]本發(fā)明還提供了上述鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0009]1、將Cu粉和TiH2粉混合，加入酒精研磨，直到酒精完全揮發(fā)，再加入丙三醇調(diào)和，得Cu-TiH2膏狀焊料。
[0010]2、在銅或鋼塊上依次放置Ag-Cu合金箔、Cu箔，再在Cu箔上涂覆步驟I得到的Cu-TiH2膏狀焊料，最后蓋上將鎢塊，將整體放入模具中，釬焊，得到鎢銅/或鎢/鋼接頭。
[0011]按上述方案，優(yōu)選地，所述TiH2粉與Cu粉的質(zhì)量比為1:4?5。
[0012]按上述方案，優(yōu)選地，所述Ag-Cu合金箔中，Ag的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為72%，Cu的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為28 %。
[0013]按上述方案，優(yōu)選地，所述Ag-Cu合金箔厚度為ΙΟΟμπι。
[0014]按上述方案，優(yōu)選地，所述Cu箔厚度為ΙΟΟμπι。
[0015]按上述方案，優(yōu)選地，所述的Ag-Cu合金箔、Cu箔、鎢塊的待連接端面、銅或鋼塊的待連接端面均經(jīng)過(guò)打磨(目的是去除表面的氧化物)和超聲清洗處理。
[0016]按上述方案，優(yōu)選地，步驟2中所述釬焊的條件為1kPa下，升溫至880?920°C并保溫1minο
[0017]按上述方案，優(yōu)選地，步驟2中所述模具為石墨模具。
[0018]本發(fā)明的基本原理如下:
[0019]在Cu-Tife焊料的基礎(chǔ)上添加Ag-Cu與Cu箔，其中Ag-Cu箔與銅及鋼等金屬能形成良好的連接面，而Cu箔作為軟金屬添加層可以利用自身的塑性變形來(lái)減緩接頭的熱應(yīng)力，從而提尚接頭性能。
[0020]本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是:
[0021 ] (I)本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，易于操作，原料成本低廉；
[0022](2)本發(fā)明中制得的連接鎢/銅或鎢/鋼接頭，其連接層均勻致密，接頭界面結(jié)合良好，無(wú)裂紋及孔隙等缺陷等。
[0023](3)本發(fā)明中中制得的鎢/銅或鎢/鋼接頭，其接頭連接強(qiáng)度較高，其中鎢/銅接頭的剪切強(qiáng)度可達(dá)95MPa以上，鎢/鋼接頭的剪切強(qiáng)度為48?52MPa。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明提供的具有“三明治”結(jié)構(gòu)連接層的鎢/銅或鎢/鋼接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是實(shí)施例1所得鎢/銅接頭界面區(qū)域的微觀形貌圖；
[0026]圖3是實(shí)施例2所得鎢/鋼接頭界面區(qū)域的微觀形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明可行，不用于限制本發(fā)明保護(hù)的權(quán)利范圍。下述實(shí)施例中提及的所有原料均可市售獲得。
[0028]實(shí)施例1
[0029]制備具有“三明治”結(jié)構(gòu)連接層的鎢/銅接頭，具體步驟如下:
[0030]1、稱取0.78gCu粉和0.22gTiH2粉，混合放在研缽中，加入酒精并手工研磨，直到酒精完全揮發(fā)，得到Cu-TiH2粉體焊料，加入丙三醇溶劑調(diào)和成粘稠膏狀，得Cu-TiH2膏狀焊料。
[0031]2、將厚度為ΙΟΟμπι的Ag-Cu箔(其中Ag的質(zhì)量百分比為72%，Cu的質(zhì)量百分比為28%)以及厚度為ΙΟΟμπι的Cu箔先用砂紙打磨，去除表面的氧化物，然后放入酒精中超聲清洗30min。
[0032]3、將鎢塊與銅塊(CuCrZr合金)的待連接端面用金相砂紙逐級(jí)打磨，再放進(jìn)超聲波清洗機(jī)中清洗30min，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干備用。
[0033]4、先在銅塊的待連接表面上加一層Ag-Cu箔，接著再加一層Cu箔，然后取少量上述步驟(I)中制得的Cu-TiH2膏狀焊料涂覆在Cu箔上，再將鎢塊置于上方，整體放入石墨模具中，接著放入真空爐中，施加1kPa的壓力;開(kāi)啟加熱程序，并在900°C保溫lOmin，然后隨爐冷卻至室溫，取出樣品，得到鎢/銅連接接頭。
[0034]圖2為所得鎢/銅接頭的連接層界面區(qū)域微觀形貌圖，從圖中可以看出，連接層與鎢和銅母材界面結(jié)合良好，連接層均勻致密，無(wú)裂紋和孔隙等缺陷，另外，連接層中生成了金屬間化合物。
[0035]實(shí)施例2
[0036]制備具有“三明治”結(jié)構(gòu)連接層的鎢/鋼接頭，具體步驟如下:
[0037]1、稱取0.78gCu粉和0.22gTiH2粉，，混合放在研缽中，加入酒精并手工研磨，直到酒精完全揮發(fā)，得到Cu-TiH2粉體焊料，加入丙三醇溶劑調(diào)和成粘稠膏狀，得Cu-TiH2膏狀焊料。
[0038]2、將厚度為ΙΟΟμπι的Ag-Cu箔(其中Ag的質(zhì)量百分比為72%，Cu的質(zhì)量百分比為28%0)及厚度為ΙΟΟμπι的Cu箔先用砂紙打磨，去除表面的氧化物，然后放入酒精中超聲清洗30mino
[0039]3、將鎢與鋼的待連接端面用金相砂紙逐級(jí)打磨，再放進(jìn)超聲波清洗機(jī)中清洗30min，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干備用。
[0040]4、先在鋼塊的待連接表面上加一層Ag-Cu箔，接著再加一層Cu箔，然后取少量上述步驟(I)中制得的Cu-TiH2膏狀焊料涂覆在Cu箔上，再將鎢塊置于上方，整體放入石墨模具中，接著放入真空爐中，施加1kPa的壓力;開(kāi)啟加熱程序，并在900°C保溫lOmin，然后隨爐冷卻至室溫，取出樣品，得到鎢/鋼連接接頭。
[0041]對(duì)本實(shí)施例制得的鎢/鋼接頭在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測(cè)試，接頭剪切強(qiáng)度為48?52MPa。
[0042]圖3為所得鎢/鋼接頭的連接層界面區(qū)域的微觀形貌圖，從圖中可以看出鎢與鋼之間連接良好，接頭界面處平整，沒(méi)有明顯的孔隙和裂紋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鎢/銅或鎢/鋼接頭，其特征在于，所述鎢/銅或鎢/鋼的連接層具有“三明治”式三層結(jié)構(gòu)，包括:用來(lái)與鎢連接的Cu-TiH2層、用來(lái)與銅或鋼連接的Ag-Cu合金層、用來(lái)與所述Cu-T iH2層和Ag-Cu合金層分別連接的位于中間的Cu層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鎢/銅或鎢/鋼接頭，其特征在于，所述鎢/銅接頭中的銅為純銅或CuCr Zr合金。3.權(quán)利要求1或2所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，包括下述步驟: 1)將Cu粉和TiH2粉混合，加入酒精研磨，直到酒精完全揮發(fā)，再加入丙三醇調(diào)和，得Cu-TiH2膏狀焊料； 2)在銅或鋼塊上依次放置Ag-Cu合金箔、Cu箔，再在Cu箔上涂覆步驟I)得到的Cu-TiH2膏狀焊料，最后蓋上將鎢塊，將整體放入模具中，釬焊，得到鎢/銅或鎢/鋼接頭。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟I)中所述1'池粉與01粉的質(zhì)量比為1:4?5。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述Ag-Cu合金箔中，Ag的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為72%，Cu的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為28%。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述Ag-Cu合金箔的厚度為ΙΟΟμπι。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述Cu箔厚度為ΙΟΟμ??。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述Ag-Cu合金箔、Cu箔、鎢塊的待連接端面、銅或鋼塊的待連接端面均經(jīng)過(guò)打磨和超聲清洗處理。9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述釬焊的條件為1kPa下，升溫至880?920°C并保溫lOmin。10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢/銅或鎢/鋼接頭的制備方法，其特征在于，步驟2)中所述模具為石墨模具。
【文檔編號(hào)】B23K35/00GK106041350SQ201610686197
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月17日
【發(fā)明人】毛樣武, 彭良滎, 王戈明, 鄧泉榮, 王升高
【申請(qǐng)人】武漢工程大學(xué)