本發明屬于材料連接技術領域，涉及一種碳基材料與銅的釬焊連接方法。
背景技術：
由于碳基材料(CFC和石墨)的優異的性能，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。國內外大多數的聚變裝置，如國外的TFTR、DIII-D、JT-60U、JET、Tore Supra、W7-X，國內的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也曾經設計了在開始運行階段的偏濾器垂直靶板位置使用C/C復合材料。
聚變裝置偏濾器位置由于熱負荷較高，需要將碳基材料與熱沉材料銅合金結合以構成偏濾器部件。碳基材料與銅合金的連接方式主要包括了粘結、機械連接、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行機械連接，接頭的強度主要取決于螺栓接頭的強度。
為了保證碳與銅合金之間具有良好的導熱性能，一般在碳和銅合金之間放一層柔性石墨、金箔、銅箔等。這種機械連接結構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，為了避免材料出現過熱，就需要偏濾器在等離子體放電過程中進行主動除熱，從而需要采取各種焊接工藝實現碳基材料與熱沉材料之間的冶金結合，保證偏濾器部件有優良的熱祛除能力以及在聚變環境中的安全性和穩定性。
碳基材料和銅合金的連接必須解決兩個方面的難題，即熱膨脹系數差異大和不能相互潤濕。
為了解決熱膨脹系數差異導致的界面應力，一般需要在碳基材料和銅合金之間加一中間層。目前，采用最多的是高導無氧銅(OFHC)作為中間層，利用高導無氧銅的塑性變形釋放熱應力。采用活性金屬澆鑄(AMC)、釬焊、擴散焊等連接方式可以得到具有優良結合性能的碳基材料/銅合金接頭。奧地利PlanseeGE公司最早于1992年發明活性金屬澆鑄(AMC)法，實現了高導熱碳/碳復合材料與銅合金(CuCrZr)的連接。其通過在C/C復合材料及石墨/Cu合金連接時，先用激光束照射C/C復合材料、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度達到30MPa；需要指出的是該技術成本較高、其表面改性質量控制較困難。
為了實現碳材料的改性，還可以在碳基材料表面沉積一層可以與碳發生反應的金屬，如Si、Al、Ti、Zr、Cr、Mo、W等銅合金，通過固態反應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度達到30MPa以上，遠高于CFC材料的層間剪切強度。
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力，無氧純銅適應層也是必不可少的。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接頭強度約為34MPa。
技術實現要素：
針對上述現有技術，本發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，通過真空釬焊實現碳基材料和銅基材料的冶金結合。
為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案。
本發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)對碳基材料進行預處理，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，在真空加熱爐中進行燒結，工作真空度小于1×10-2Pa，燒結溫度1300-1400℃，燒結時間0.5-1h，生成一層致密的碳化鉻層；
步驟二、真空澆鑄純銅；
(1)將表面金屬化的碳基材料與無氧純銅放入模具中進行裝配，無氧純銅塊在上，碳基材料在下，碳基材料金屬化表面朝上與無氧純銅塊相對；然后放入真空加熱爐中澆鑄，工作真空度小于1×10-2Pa，澆鑄溫度為1150-1200℃，保溫15-30min；
(2)澆鑄完成后，30min內冷卻至1000℃，再經過40-60min冷卻至600℃，最后在爐內冷至室溫；
(3)取出后通過機加工，將澆鑄在碳基材料表面的無氧純銅厚度加工至1-3mm厚；
步驟三、真空釬焊；
澆鑄無氧純銅的碳基材料、銅基釬料、銅基材料依次對接進行組裝，碳基材料澆鑄無氧純銅面與銅基釬料相對；
然后放入真空釬焊爐中進行焊接，升溫過程中，100℃左右保溫1-2h，400℃左右保溫10-20min，然后升溫至焊接溫度釬焊；釬焊完畢后，在爐內冷至室溫；工作真空度小于1×10-2Pa。
進一步，步驟三真空釬焊的焊接溫度為700-800℃，釬保溫時間為10-30min。
進一步，所述碳基材料為高純石墨或碳纖維增強碳基復合材料。
進一步，所述銅基材料包括純銅或銅合金。
進一步，所述銅合金為CuCrZr合金。
進一步，所述銅基釬料為CuP基釬料。
進一步，所述CuP基釬料為非晶態或晶態的釬料箔，厚度為50-200微米。
進一步，碳基材料無氧純銅面、銅基釬料和銅基材料組裝前去除材料表面的氧化層。
進一步，所述無氧純銅為高導無氧純銅，純度大于99.9999％。
本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，通過漿料法對碳基材料的表面進行金屬化，增加銅和碳的潤濕性。
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，通過分段保溫冷卻可以有效的降低碳基材料和無氧純銅之間由于熱膨脹系數差異導致的內應力。
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，由于真空釬焊溫度低，可以有效消弱銅合金晶粒長大、性能下降等問題。
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，效率高，適宜大規模生產，得到的焊縫結合良好，沒有孔隙、夾雜、裂紋等缺陷；所制備得到的連接頭的剪切強度大于30MPa，制備的水冷模塊可以承受熱通量大于10MW/m2的穩態熱負荷而不出現失效。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法作詳細說明。
實施例1：
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、碳基材料表面金屬化；
(1)對碳基材料進行預處理，包括表面噴砂處理、超聲波清洗以及脫水干燥；
(2)通過絲網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，在真空加熱爐中進行燒結，工作真空度優于1×10-2Pa，燒結溫度1300-1400℃，燒結時間0.5-1h，生成一層致密的碳化鉻層；
所述碳基材料為高純石墨或碳纖維增強碳基復合材料；
步驟二、真空澆鑄純銅；
(1)將表面金屬化的碳基材料與無氧純銅放入模具中進行裝配，無氧純銅塊在上，碳基材料在下，碳基材料金屬化表面朝上與無氧純銅塊相對；放入真空加熱爐中，工作真空度優于1×10-2Pa，澆鑄溫度為1150-1200℃，保溫15-30min；
(2)澆鑄完成后，30min內冷卻至1000℃，再經過40-60min冷卻至600℃，最后在爐內冷至室溫；
(3)取出后通過機加工，將澆鑄在碳基材料表面的無氧純銅厚度加工至1-3mm厚；
步驟三、真空釬焊；
澆鑄無氧純銅的碳基材料、銅基釬料、銅基材料依次對接進行組裝，碳基材料澆鑄無氧純銅面與銅基釬料相對，然后放入真空釬焊爐中進行焊接，升溫過程中，100℃左右保溫1-2h，400℃左右保溫10-20min，然后升溫至焊接溫度焊接；釬焊完畢后，在爐內冷至室溫；工作真空度優于1×10-2Pa，焊接溫度為700-800℃，釬保溫時間為10-30min；
所述銅基材料包括純銅或銅合金。
所述銅基釬料為CuP基釬料，優選為非晶態或晶態的釬料箔，厚度為50-200微米。
組裝前除去碳基材料無氧純銅面、銅基釬料、銅基材料表面氧化層。
實施例2：
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、碳纖維增強碳基復合材料表面金屬化；
對碳纖維增強碳基復合材料進行預處理，包括表面噴砂處理、超聲波清洗以及脫水干燥；
通過絲網印刷方法在碳纖維增強碳基復合材料表面沉積一層Cr金屬漿料，干燥處理后，在真空爐內燒結，燒結溫度1300℃，燒結時間1h；真空爐工作真空度優于1×10-2Pa；
步驟二、真空澆鑄純銅；
將表面金屬化的碳纖維增強碳基復合材料與無氧純銅塊放入模具中進行裝配，無氧純銅塊在上，表面金屬化的碳纖維增強碳基復合材料在下，金屬化表面朝上與無氧純銅塊相對；
然后放入真空加熱爐中，澆鑄溫度為1200℃，保溫時間15min。加熱完畢后，30min內冷卻至1000℃；再經過60min冷卻至600℃，最后在爐內冷至室溫；
取出試樣，通過機加工，將澆鑄的無氧純銅厚度加工至1mm厚；
所述無氧純銅為高導無氧純銅，純度大于99.9999％；
步驟三、真空釬焊；
澆鑄無氧純銅的碳纖維增強碳基復合材料、CuP基釬料、CuCrZr合金依次對接進行組裝，碳纖維增強碳基復合材料無氧純銅面CuP基釬料相對；然后放入真空釬焊爐中進行焊接，工作真空度優于1×10-2Pa，焊接溫度為700℃；升溫過程中100℃左右時保溫1h，400℃左右時保溫20min；釬焊時間為30min；釬焊完畢，爐內冷至室溫。
所述CuP基釬料為非晶態釬料箔，厚度為50μm。
組裝前除去碳纖維增強碳基復合材料無氧純銅面、CuP釬料、CuCrZr合金的表面氧化層。
實施例3：
本發明一種碳基材料與銅的釬焊連接方法，該方法包括以下步驟：
步驟一、高純石墨材料表面金屬化；
首先對高純石墨材料進行預處理，包括表面噴砂處理、超聲波清洗、脫水干燥；
通過絲網印刷方法在高純石墨材料表面沉積一層Cr金屬漿料，干燥處理后，在真空爐內進行燒結，燒結溫度1400℃，燒結時間0.5h；真空爐工作真空度優于1×10-2Pa；
步驟二、真空澆鑄純銅；
將表面金屬化的高純石墨材料與無氧純銅塊放入模具中進行裝配，無氧純銅塊在上，表面金屬化的高純石墨材料在下，其中金屬化表面朝上；
然后放入真空加熱爐中，澆鑄溫度為1150℃，保溫時間30min；加熱完畢后，20min內冷卻至1000℃；再經過40min冷卻至600℃，最后爐冷至室溫；
取出試樣，通過機加工，將澆鑄的無氧純銅厚度加工至3mm厚；
所述無氧純銅為高導無氧純銅，純度大于99.9999％；
步驟三、真空釬焊；
澆鑄無氧純銅的高純石墨材料、CuP釬料、CuCrZr合金采用對接方式進行組裝；
然后放入真空釬焊爐中進行焊接，工作真空度優于1×10-2Pa，焊接溫度為800℃；升溫過程中100℃左右時保溫1h，400℃左右時保溫20min；釬焊時間為15min；釬焊完畢，在爐內冷卻至室溫；
所述CuP基釬料為非晶態釬料箔，厚度為200μm；
組裝前除去高純石墨材料無氧純銅面、CuP釬料、CuCrZr合金的表面氧化層。