[发明专利]一种钨与铜及其合金异种金属连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域中异种金属间的连接方法，特别涉及一种钨与铜及其合金异种金属连接方法。 

背景技术

钨(W)因熔点高、抗腐蚀性能好等优点，而常选作为耐高温材料；作为耐热材料，钨在航空航天、能源和电子等领域有特殊的应用，如燃料喷管的衬里、真空电子器件阳极等；Cu及其合金因高热导率(400W/mK)特点，而往往选为散热材料。与钨连接可达到加强散热作用。为此，钨与铜及其合金的连接件是面向等离子体元件的首选复合结构件。由于钨与铜在力学和物理性能方面的差异，特别是热膨胀系数差别(α_Cu＝4α_w)，将会直接导致接头中产生极大的残余应力，造成接头在降温过程中的断裂。另一方面钨与铜熔点差异很大，不能直接形成冶金结合，因而也很难直接采用扩散的方法连接。 

由于钨铜连接过程产生的高残余应力会影响接头的质量，因此，为了有效缓解残余应力，提高接头使用性能，钨铜连接时往往需要有中间层。目前，W与Cu合金连接方法主要是用塑性好、屈服强度较低的软金属Ni、Ti或者铜锰合金作为中间层进行扩散焊或活性钎焊。其机理是在扩散连接过程中加中间层并通过该中间层的塑性变形和蠕变 来缓解应力。但是，由于增加中间层厚度无法自由控制，或中间层表面处理不当，会导致与待连接金属表面不能实现有效的扩散连接，形成隐蔽的缺陷，最终降低接头的强度。另外，还有一种中间层采用钨铜FGM材料(功能梯度材料)，即采用粉体混合与分层叠加的方法，使中间层的线膨胀系数由一侧过渡到另一侧，从而匹配被连接材料。然而，钨铜FGM材料制备工艺相对复杂，应用仍十分有限。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种钨与铜及其合金异种金属连接方法，实现钨铜异种金属的连接，以获得良好的钨铜扩散连接接头，具有操作方便、成本低、便于推广应用的优点。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

一种钨与铜及其合金异种金属连接方法，包括以下步骤： 

一、将钨金属待连接表面用金相砂纸打磨至1000～1500#，然后先后用重量浓度为5％～10％的氢氟酸、重量浓度为5％～10％的丙酮进行超声清洗，超声清洗频率均为20～30KHz，各清洗10～20分钟，吹干、备用； 

二、将步骤一中打磨清洗后的钨金属放入电镀液中，调节电流电压进行电镀，电流密度在3～10A/dm²范围内，电镀时间20～40分钟，镀层厚度控制在10～30μm，镀液温度保持在50～70℃； 

三、对电镀后的钨金属表面用金相砂纸打磨至1000～1500#，之后用重量浓度为5％～10％的丙酮超声清洗10～20分钟，吹干、备用； 

四、将铜金属待连接表面用砂纸磨至1000～1500#，然后用重量浓度为5％～10％的丙酮超声清洗10～20分钟，吹干、备用； 

五、将步骤三和步骤四处理后的钨、铜的待连接面相对叠合为焊件，置于扩散炉真空室中，进行真空扩散焊，最后得到连接件。 

步骤二中所述电镀液的配方如下：硫酸镍100-170g/l；硫酸镁21-30g/l；硼酸14-30g/l；氯化钠4-12g/l；电镀液在镀液容器中，镀液容器置于水浴中加热，电镀时优选水浴加热温度为50～70℃。 

步骤五中所述的真空扩散焊为：先启动机械泵将真空室抽真空至5Pa～0.3Pa，然后启动扩散泵使真空室的真空度达3×10^-2Pa～3×10^-3Pa后再开始加热，升温速率为100～250℃/h，待真空室温度加热到400～480℃时，开始加压到1～1.5MPa，继续升温达到880～950℃时，增加连接压力到为3～12MPa，相对优选的连接压力为5～10Mpa，保温时间45～90分钟，保温时间结束后，工件随炉缓慢冷却，待真空室温度冷却至100℃以下时，即可开炉取出连接件。 

本发明在扩散连接前在钨金属表面镀一层镍，厚度控制在10～30μm，镍在钨金属表面形成了较强的结合力，然后再与铜合金进行真空扩散连接。这种连接的工艺特点：一是钨表面镀镍层在钨铜真空扩散连接过程中起到过渡层的作用，有效缓解残余应力，提高了接头使用性能；二是电镀工艺能有效控制镀镍层的厚度，保证合适的过渡层，最大限度缓解内应力；三是在扩散连接前镍和钨金属之间已经形成了较强的结合力，将在随后真空扩散连接中更能促进钨镍金属之间充分扩散。