鎢/銅或鎢/鋼接頭及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鎢/銅或鎢/鋼接頭。所述鎢/銅或鎢/鋼的連接層具有“三明治”式三層結構，包括：用來與鎢連接的Cu?TiH2層、用來與銅或鋼連接的Ag?Cu合金層、用來與所述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，再加入丙三醇調和，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。本發明制備方法簡單，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，接頭界面結合良好，無裂紋及孔隙等缺陷，接頭連接強度較高。
【專利說明】
鎢/銅或鎢/鋼接頭及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于異種材料的連接技術領域，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】
[0002]面向等離子體部件的設計和制備是熱核聚變反應裝置制造中的一個關鍵技術。鎢及其合金材料由于具有高熔點、低蒸氣壓和低濺射腐蝕率等優點，被認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熱的熱沉材料連接以達到冷卻的目的，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/鋼的連接具有實際研究意義。但是，由于鎢與銅及鋼的物理性能相差較大，導致接頭在制備和服役過程中容易產生高的熱應力，所以選用合適的焊料是制備鎢/銅及鎢/鋼接頭的關鍵。
[0003]對于媽/銅的連接，常用的焊料有Ag-Cu-T1、Ni基及Cu基焊料等，由于Ag經中子福照后會轉變成Cd，Cd的蒸氣壓較高易揮發導致等離子體的污染，因此，Ag-Cu-Ti焊料無法在核聚變裝置中應用。Ni基及Cu基焊料是高溫合金焊料，易產生較高熱應力導致鎢/銅接頭的斷裂。對于鎢/鋼的連接，常采用Ti為中間層或者預制鎢/鋼功能梯度層作為中間層。但是，Ti中間層會使鎢母材在連接過程中產生微裂紋，而梯度功能材料中間層制備工藝比較復雜O

【發明內容】

[0004]本發明的目的是針對現有技術中存在的不足，提供一種鎢/銅或鎢/鋼接頭，該接頭具有較高的連接強度，連接面無裂紋或空隙。本發明制備方法簡單，原料成本低，適于工業化生產。
[0005]為實現上述目的，本發明提供的技術方案如下:
[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”式三層結構，包括:用來與鎢連接的Cu-TiH2層、用來與銅或鋼連接的Ag-Cu合金層、用來與所述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，優選地，所述媽/銅接頭中的銅為純銅或CuCrZr合金。
[0008]本發明還提供了上述鎢/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，再加入丙三醇調和，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，優選地，所述TiH2粉與Cu粉的質量比為1:4?5。
[0012]按上述方案，優選地，所述Ag-Cu合金箔中，Ag的質量百分數為72%，Cu的質量百分數為28 %。
[0013]按上述方案，優選地，所述Ag-Cu合金箔厚度為ΙΟΟμπι。
[0014]按上述方案，優選地，所述Cu箔厚度為ΙΟΟμπι。
[0015]按上述方案，優選地，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過打磨(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，優選地，步驟2中所述模具為石墨模具。
[0018]本發明的基本原理如下:
[0019]在Cu-Tife焊料的基礎上添加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減緩接頭的熱應力，從而提尚接頭性能。
[0020]本發明的主要優點是:
[0021 ] (I)本發明制備方法簡單，易于操作，原料成本低廉；
[0022](2)本發明中制得的連接鎢/銅或鎢/鋼接頭，其連接層均勻致密，接頭界面結合良好，無裂紋及孔隙等缺陷等。
[0023](3)本發明中中制得的鎢/銅或鎢/鋼接頭，其接頭連接強度較高，其中鎢/銅接頭的剪切強度可達95MPa以上，鎢/鋼接頭的剪切強度為48?52MPa。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明提供的具有“三明治”結構連接層的鎢/銅或鎢/鋼接頭的結構示意圖；
[0025]圖2是實施例1所得鎢/銅接頭界面區域的微觀形貌圖；
[0026]圖3是實施例2所得鎢/鋼接頭界面區域的微觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0027]下面通過實施例對本發明作進一步的說明，實施例僅用于說明本發明可行，不用于限制本發明保護的權利范圍。下述實施例中提及的所有原料均可市售獲得。
[0028]實施例1
[0029]制備具有“三明治”結構連接層的鎢/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，得到Cu-TiH2粉體焊料，加入丙三醇溶劑調和成粘稠膏狀，得Cu-TiH2膏狀焊料。
[0031]2、將厚度為ΙΟΟμπι的Ag-Cu箔(其中Ag的質量百分比為72%，Cu的質量百分比為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打磨，再放進超聲波清洗機中清洗30min，然后用吹風機吹干備用。
[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合良好，連接層均勻致密，無裂紋和孔隙等缺陷，另外，連接層中生成了金屬間化合物。
[0035]實施例2
[0036]制備具有“三明治”結構連接層的鎢/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，得到Cu-TiH2粉體焊料，加入丙三醇溶劑調和成粘稠膏狀，得Cu-TiH2膏狀焊料。
[0038]2、將厚度為ΙΟΟμπι的Ag-Cu箔(其中Ag的質量百分比為72%，Cu的質量百分比為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打磨，再放進超聲波清洗機中清洗30min，然后用吹風機吹干備用。
[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]對本實施例制得的鎢/鋼接頭在電子萬能試驗機上進行剪切強度的測試，接頭剪切強度為48?52MPa。
[0042]圖3為所得鎢/鋼接頭的連接層界面區域的微觀形貌圖，從圖中可以看出鎢與鋼之間連接良好，接頭界面處平整，沒有明顯的孔隙和裂紋。
【主權項】
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”式三層結構，包括:用來與鎢連接的Cu-TiH2層、用來與銅或鋼連接的Ag-Cu合金層、用來與所述Cu-T iH2層和Ag-Cu合金層分別連接的位于中間的Cu層。2.根據權利要求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，再加入丙三醇調和，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.根據權利要求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粉的質量比為1:4?5。5.根據權利要求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的質量百分數為72%，Cu的質量百分數為28%。6.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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過打磨和超聲清洗處理。9.根據權利要求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.根據權利要求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】B23K35/00GK106041350SQ201610686197
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月17日
【發明人】毛樣武, 彭良滎, 王戈明, 鄧泉榮, 王升高
【申請人】武漢工程大學