專利名稱：一種c／c復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法，屬于異質(zhì)材料連接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料(C/C)具有低密度、低膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、抗燒蝕、抗熱震和抗熱疲勞性能以及優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，被應(yīng)用于ITER核聚變試驗(yàn)裝置中面對等離子體第一壁材料。第一壁材料需要承受高熱負(fù)荷和離子轟擊，C/C復(fù)合材料需要與熱沉 CuCrfi 合金連接組成冷卻系統(tǒng)。因此，C/C復(fù)合材料與CuCrfi 連接接頭要求具有高強(qiáng)度、 高熱導(dǎo)率和高抗熱震性能。然而，兩者之間存在顯著的物理化學(xué)屬性差異，冶金相容性差， 傳統(tǒng)熔化焊連接非常困難。釬焊是最有效的異質(zhì)材料連接方法之一，但兩者存在較大的熱膨脹系數(shù)差異(Δ α 16X 10_6/k)，冷卻過程中接頭產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力將嚴(yán)重惡化接頭性能。因此，通常選用高導(dǎo)熱、低屈服強(qiáng)度的純銅作為中間層緩解接頭熱應(yīng)力。C/C復(fù)合材料與CuCrfr合金的連接其關(guān)鍵技術(shù)在于C/C復(fù)合材料與銅中間層的連接。銀基活性釬料能夠?qū)崿F(xiàn)陶瓷與合金的連接，但是銀在中子輻射下會變?yōu)殒k，因此含銀釬料不能應(yīng)用于核聚變裝置作為面對等離子部件。目前，已報道的C/C復(fù)合材料與銅連接方法主要有奧地利Plansee SE技術(shù)中心開發(fā)的活性金屬鑄造法，預(yù)先對C/C表面采用激光毛化處理，然后通過CVD或PVD技術(shù)沉積一層活性元素 Ti[F. Rainer，et al. Patent EP 0663670. 1995]或者 Ti+Si [B Schedler, et al. Physica Scripta，2007，T128 :200-203]，在高于銅熔點(diǎn)溫度(1100°C)、真空條件下將純銅擠壓澆鑄在C/C表面實(shí)現(xiàn)C/C與Cu的緊密連接。該法制備的接頭強(qiáng)度53. 7 73. 4MPa，但活性涂層制備方法過于復(fù)雜且對設(shè)備要求較高。意大利公布一項(xiàng)C/C表面改性技術(shù)用于 C/C 與純銅的連接[F. Rainer, et al,patent EP 0663670，1995]，將第 VIB 族 Cr、 Mo、W元素粉末涂覆在C/C表面進(jìn)行熱處理，通過固態(tài)反應(yīng)生成碳化物層，然后將純銅澆鑄在改性后的C/C表面形成C/C與Cu的連接，然后采用電子束焊或等靜壓連接Cu與CuCrfr。 該技術(shù)制備接頭強(qiáng)度33MPa，但是C/C表面改性熱處理溫度過高(> 130(TC )，成本較高， 工藝復(fù)雜。采用 CuGeNi 釬料釬焊連接 C/C 與 Cu [M. Salvo, et al. Journal ofNuclear materials. 2008, 374 :69-74]，接頭強(qiáng)度34MPa，但C/C表面需要經(jīng)過鉻高溫?zé)崽幚砀男裕?同樣存在上述缺點(diǎn)。采用TiCuNi非晶釬料連接C/C與Cu[P. Appendino，et al. Fusion Engineering and Design，2003，66-68 :225-2 ]，接頭強(qiáng)度僅24MPa。譚模強(qiáng)等人采用活性鑄造法連接C/C復(fù)合材料與銅[譚模強(qiáng)，等.焊接學(xué)報，2006，27 (6) :61-66]。謝鳳春等人采用TWrCuNi釬料釬焊石墨與銅[謝鳳春，等.焊接學(xué)報，2008，四73-76]，焊縫生成的硬脆金屬間化合物不能有效緩解接頭熱應(yīng)力，接頭強(qiáng)度低且遠(yuǎn)不能滿足熱疲勞性能的要求。綜上所述，目前C/C復(fù)合材料與銅連接方法主要存在以下問題1.采用活性鑄造法以Ti+Si為活性元素制備的CC/Cu接頭強(qiáng)度相比較高，但活性涂層制備采用CVD或PVD 法工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求較高，生產(chǎn)成本較高；2.采用第VIB族金屬元素對C/C表面改性后制備的CC/Cu接頭強(qiáng)度較低，熱處理溫度過高(> 130(TC)，工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高；3.采用鈦基釬料釬焊連接C/C與銅，接頭強(qiáng)度低，焊縫生成的脆硬金屬化合物無法緩解接頭應(yīng)力且導(dǎo)熱差，抗熱震性能差。目前國內(nèi)對C/C復(fù)合材料與銅連接鮮有報道，急需開發(fā)制備具有高強(qiáng)度、高抗熱震性能C/C復(fù)合材料與銅合金的連接技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前C/C復(fù)合材料與銅或銅合金連接技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法，采用銅基活性釬焊連接法，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的活性涂層制備方法復(fù)雜、熱處理溫度過高、接頭強(qiáng)度低等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明通過活性元素在C/C復(fù)合材料表面的物理化學(xué)反應(yīng)形成過渡反應(yīng)層，提高釬料的潤濕性并形成較強(qiáng)的界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的緊密連接。其中(1)C/C復(fù)合材料預(yù)先采用激光技術(shù)或其它微加工技術(shù)對碳基復(fù)合材料焊接表面進(jìn)行打孔毛化處理，在表面形成均勻排列的深度為300 1000 μ m的錐形孔，錐形孔表面的直徑為100 1000 μ m。(2)鈦金屬化處理加工完成后，采用刷涂TH2粉末法、磁控濺射法、PVD或CVD法對C/C表面進(jìn)行鈦金屬化處理，鈦層厚度0. 5 50 μ m。(3) Cu-Si釬料:Cu_Si合金的成分為=Cu :90 99wt%;Si 1 10wt%，使用狀態(tài)為薄片或粉末，薄片厚度為100 500 μ m,粉末粒度為50 200 μ m。(4)被焊金屬被焊金屬為無氧純銅、CuCr, CuCrZr或CuCrfrNb等熱強(qiáng)銅合金。(5)將C/C復(fù)合材料、Cu-Si釬料與銅或銅合金中間層按“C/C-釬料-銅或銅合金” 三明治結(jié)構(gòu)裝配，置于真空釬焊爐內(nèi)，升溫至釬料熔點(diǎn)以上20 50°C焊接溫度，保溫5 30min完成釬焊。本發(fā)明中，通過活性元素Ti與Si在界面的物理化學(xué)反應(yīng)，形成 CC (TiC+SiC+Ti5Si3) /Cu 或 CC/ (TiC+SiC+Ti5Si3) /Cu 合金的過渡界面。本發(fā)明中，CuCr銅合金的成分如下按重量百分比計，Cr :0. 3-1. 2 ；其余為Cu。本發(fā)明中，CuCr^ 銅合金的成分如下按重量百分比計，Cr :0. 25-0. 65，Zr 0. 08-0. 20，其余為 Cu。本發(fā)明中，CuCrfrNb銅合金的成分如下按重量百分比計，Cr :0. 15-0.40 ；Zr 0. 10-0. 25 ；Nb 0. 08-0. 25 ；Ce :0. 02-0. 16 ；其余為 Cu。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用活性Cu-Si釬料實(shí)現(xiàn)了 C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接，通過活性元素Ti和Si在界面的物理化學(xué)反應(yīng)，形成CC/ (TiC+SiC+Ti5Si3) /銅或銅合金的過渡界面， 結(jié)合強(qiáng)度高；焊后焊縫為純銅組織，有利于通過塑性變形減緩接頭熱應(yīng)力。本發(fā)明的主要技術(shù)效果在于與活性鑄造法相比，本發(fā)明制備的接頭強(qiáng)度高，抗熱震性能優(yōu)異，活性元素Ti 與Si引入方法簡單。


圖1為實(shí)施例1中制備的C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭裝配示意圖。圖中，1、無氧純銅；2、Cu-3. 5Si釬料；3、激光孔；4、C/C復(fù)合材料。圖2為實(shí)施例1制備的C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭焊接界面掃描電鏡圖。圖3為實(shí)施例1制備的C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭中C/C與Cu-3. 5Si釬料界面微觀組織掃描電鏡圖。圖4為實(shí)施例1制備的C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭中界面反應(yīng)層物相的XRD圖譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本發(fā)明通過活性元素在C/C復(fù)合材料表面的物理化學(xué)反應(yīng)形成層狀過渡反應(yīng)層， 提高釬料的潤濕性并形成較強(qiáng)的界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料與銅的緊密連接。其中1.C/C復(fù)合材料切割為15mmX10mmX5mm，采用激光技術(shù)對焊接表面進(jìn)行打孔毛化處理。加工完成后，用TiH2粉末(粉末粒度為< 20 μ m)涂刷C/C表面，形成均勻的TiH2涂層，涂層厚度為40 μ m。Cu-3. 5Si釬料箔片厚度200 μ m，將無氧純銅加工成 15mmX IOmmX 5mm。2.將C/C復(fù)合材料、Cu-3. 5Si釬料與無氧純銅按“C/C-釬料-銅”順序裝配成夾層結(jié)構(gòu)置于釬焊爐內(nèi)，當(dāng)真空度達(dá)到2X KT3Pa 5X KT3Pa時，升溫至1050 1070°C的焊接溫度，保溫5 20min完成釬焊。如圖1所示，C/C復(fù)合材料4上開有激光孔3，激光孔3為在C/C復(fù)合材料4表面形成均勻排列、深度300 1000 μ m的錐形孔，錐形孔表面的直徑為300 μ m,無氧純銅1、 Cu-3. 5Si釬料2和C/C復(fù)合材料4按順序形成夾層結(jié)構(gòu)。如圖2所示，從C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭焊接界面掃描電鏡圖可以看出， Cu-3. 5Si釬料在毛化后的C/C復(fù)合材料表面的潤濕性較好，激光毛化孔內(nèi)釬料填充較好， 界面無裂紋、孔洞等缺陷。圖中，Braze為釬料，Copper為無氧銅接頭。如圖3所示，從C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭中C/C與Cu-3. 5Si釬料界面微觀組織掃描電鏡圖可以看出，釬料與C/C復(fù)合材料和無氧銅均形成緊密結(jié)合，界面完好無缺陷，界面形成明顯反應(yīng)層。圖中，Braze為釬料，Reaction layer為界面反應(yīng)層。如圖4所示，從C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭中界面反應(yīng)層物相的XRD圖譜可以看出，XRD分析表明，反應(yīng)層物相為TiC、SiC和Ti5Si30 實(shí)施例1中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如下對CC/CuCrfr連接件進(jìn)行性能測試，室溫剪切強(qiáng)度達(dá)75MPa，450°C熱震試驗(yàn)(水淬)經(jīng)過30次熱循環(huán)后接頭界面保持完好，沒有發(fā)現(xiàn)界面裂紋和剝離脫落現(xiàn)象。實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于，1.C/C復(fù)合材料切割為15mmX10mmX5mm，采用激光技術(shù)對焊接表面進(jìn)行打孔毛化處理。加工完成后，采用磁控濺射法對C/C表面進(jìn)行鈦金屬化處理，C/C表面形成均勻的Ti涂層，厚度為10 μ m。Cu-3. 5Si釬料箔片厚度200 μ m,將CuCrfr合金切割成 16mmX IlmmX 7mm 尺寸，CuCrZr 合金中，按重量百分比計，Cr :0. 25-0. 65, Zr :0. 08-0. 20，其余為Cu。2.將C/C復(fù)合材料Cu-3. 5Si釬料與CuCrfr合金按“C/C-釬料-銅合金”順序裝配成夾層結(jié)構(gòu)置于釬焊爐內(nèi)，當(dāng)真空度達(dá)到2X KT3Pa 5X KT3Pa時，升溫至1050 1070°C 的焊接溫度，保溫5 20min完成釬焊。釬焊完成后，以大于1°C /s的冷卻速度快速降溫至 475°C，保溫池進(jìn)行時效處理，保溫結(jié)束后，接頭隨爐冷卻至室溫。實(shí)施例2中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如下對CC/CuCrfr連接件進(jìn)行性能測試，室溫剪切強(qiáng)度高達(dá)55MPa，450°C熱震試驗(yàn)(水淬)經(jīng)過30次熱循環(huán)后接頭界面保持完好，沒有發(fā)現(xiàn)界面裂紋和剝離脫落現(xiàn)象。實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于，在實(shí)施例1獲得的C/C復(fù)合材料與無氧銅接頭(CC/Cu接頭，Cu厚度2mm)基礎(chǔ)上， 采用擴(kuò)散焊連接CC/Cu接頭與CuCrfr合金，獲得CC/Cu/CuCrfr連接件。擴(kuò)散焊連接的工藝參數(shù)如下擴(kuò)散焊連接溫度600 800°C，連接壓力5 lOMPa，連接時間10 60min，真空度 2 X KT3Pa。對CC/Cu/CuCrfr連接件進(jìn)行性能測試，室溫剪切強(qiáng)度高達(dá)79MPa，450°C熱震試驗(yàn) (水淬)經(jīng)過50次熱循環(huán)后接頭界面保持完好，沒有發(fā)現(xiàn)界面裂紋和剝離脫落現(xiàn)象，抗熱震性能優(yōu)異。
權(quán)利要求
1.一種C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法，其特征在于通過活性元素Ti和Si 在C/C復(fù)合材料表面的物理化學(xué)反應(yīng)形成過渡反應(yīng)層，提高釬料的潤濕性并形成較強(qiáng)的界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的緊密連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法，其特征在于，通過活性元素Ti和Si在界面的物理化學(xué)反應(yīng)，形成CC/(TiC+SiC+Ti5Si3)/銅或銅合金的過渡界
3.按照權(quán)利要求1所述的C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法，其特征在于，包括如下步驟(1)C/C復(fù)合材料預(yù)先采用激光技術(shù)或其它微加工技術(shù)對碳基復(fù)合材料焊接表面進(jìn)行打孔毛化處理，在表面形成均勻排列的深度為300 1000 μ m的錐形孔，錐形孔表面的直徑為 100 1000 μ m ；(2)鈦金屬化處理加工完成后，采用刷涂TiH2粉末法、磁控濺射法、PVD法或CVD法對 C/C表面進(jìn)行鈦金屬化處理，鈦層厚度0. 5 50 μ m ；(3)Cu-Si釬料Cu-Si合金的成分為Cu 90 99wt% ；Si :1 IOwt %，使用狀態(tài)為薄片或粉末，薄片厚度為100 500 μ m,粉末粒度為50 200 μ m ；(4)被焊金屬被焊金屬為無氧純銅、CuCr,CuCrZr或CuCrfrNb熱強(qiáng)銅合金；(5)將C/C復(fù)合材料、Cu-Si釬料與銅或銅合金中間層按“C/C-釬料-銅或銅合金”三明治結(jié)構(gòu)裝配，置于真空釬焊爐內(nèi)，升溫至釬料熔點(diǎn)以上20 50°C焊接溫度，保溫5 30min 完成釬焊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接方法，屬于異質(zhì)材料連接領(lǐng)域，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的活性涂層制備方法復(fù)雜、熱處理溫度過高、接頭強(qiáng)度低等問題。通過活性元素Ti和Si在C/C復(fù)合材料表面的物理化學(xué)反應(yīng)形成層狀過渡反應(yīng)層，提高釬料的潤濕性并形成較強(qiáng)的界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的緊密連接。本發(fā)明采用活性Cu-Si釬料實(shí)現(xiàn)了C/C復(fù)合材料與銅或銅合金的連接，通過活性元素Ti和Si在界面的物理化學(xué)反應(yīng)，形成CC/(TiC+SiC+Ti5Si3)/銅或銅合金的過渡界面，結(jié)合強(qiáng)度高；焊后焊縫為純銅組織，有利于通過塑性變形減緩接頭熱應(yīng)力。本發(fā)明的主要技術(shù)效果在于與活性鑄造法相比，本發(fā)明制備的接頭強(qiáng)度高，抗熱震性能優(yōu)異，活性元素Ti與Si引入方法簡單。
文檔編號B23K1/20GK102275022SQ20111019105
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者張勁松, 李正林, 沈元勛, 郝傳勇 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所