[发明专利]一种用于高强石墨与铜合金的连接方法

说明书

技术领域

本发明属于碳基材料技术领域，涉及高强石墨与铜合金的连接方法，具体地说，是指一种用于制备高强石墨与铜合金连接件的有效连接方法。

背景技术

石墨材料，特别是高强石墨具有质轻、高比强度、耐热、耐腐蚀、导电导热性能良好以及抗热震性能优良等特性，在航空航天工业以及核工业中应用广泛。当高强石墨用作核聚变中的面向等离子体材料时，需要与高导热的铜热沉连接以将沉积在其表面的热量传导出去。另外，在汽车新型换向器中也需要将石墨与铜进行连接使用。

目前用于石墨与铜合金的连接技术有机械连接、钎焊法、扩散连接法等。

(1)机械连接

即在石墨和热沉之间加一层柔性适配层，使石墨与热沉有较好的接触。但是这种连接只适用于低热通量负荷区，可承受的稳态热负荷一般在1MW/m²以下。

(2)钎焊法

该连接法是用于连接高强石墨与铜合金比较成熟的方法。所采用的焊料有Ag-Cu-Ti、非晶态Ti-Zr-Cu-Ni钎料等。采用Ag-Cu-Ti焊料时，接头的平均三点弯曲强度为116MPa。但是，由于Ag经中子辐照后会转变成Cd，Cd的蒸气压较高易挥发从而导致等离子体的污染，因此Ag基钎料无法在核聚变堆中推广使用。非晶态Ti-Zr-Cu-Ni钎料连接高强石墨与铜时效果较好，但是其接头强度仅为石墨母材的70.22%。另外钎料为非晶态，价格较昂贵，因此整个连接件的制备成本较高。

(3)扩散连接法

固相扩散连接是在真空或特定的气氛下，在一定压力和温度下，借助原子的扩散运动，使两种母材相结合的方法。固相扩散连接的优点是连接强度高，接头气密性好、收缩变形小、尺寸容易控制，主要缺点是连接温度较高、时间长而且通常在真空中连接，因此设备昂贵、成本高，而且试样尺寸受到限制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提出一种用于高强石墨与铜合金的连接方法，所述的连接方法可以用于高强石墨与铜合金连接件的制备，该连接方法采用Cu-Ti焊料连接高强石墨与铜合金。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于高强石墨与铜合金的连接方法，包括有以下步骤：

(A)连接表面预处理，

将高强石墨和铜合金的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗15～30min，然后烘干，待用；

(B)焊料的配制，

选取粒径为微米级的Cu粉和Ti粉，将Cu粉与Ti粉混合得到混合粉末，其中Ti粉的质量百分含量为45％～55％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20～30min，混合过程中随时搅动；混合粉末干燥后再倒入研钵研磨20～30min，以确保粉末混合均匀；

(C)连接工艺，

将上述步骤(B)制得的混合粉末在压片机上冷压成形得到焊料压坯，将焊料压坯放置于经步骤(A)处理后的连接端面上或者将上述步骤(B)制得的混合粉末直接布粉在连接端面上；然后将两连接端面叠加后放入真空炉中，施加5～20kPa的压力，进行加热过程，然后随炉冷却至室温，取出，即可将高强石墨与铜合金连接完成。

按上述方案，所述的微米级的Cu粉和Ti粉的粒径均为15～50μm。

按上述方案，步骤(C)的加热过程为：首先以15～20℃/min速率升温至900～1050℃，再保温3～10min。

经上述方法连接后得到的焊料层均匀致密，与母材形成了良好的冶金结合和机械咬合。

本发明的基本原理：本发明主要通过焊料中的活性元素Ti与高强石墨在界面处发生反应形成TiC薄层，焊料自身形成TiCu₄和TiCu等金属间化合物，达到连接高强石墨与铜合金的目的。

所述的高强石墨与铜合金的连接方法可用于制备高强石墨与铜合金的连接件。

本发明的主要优点是：

(1)本发明所得到的接头强度高，最高强度可达高强石墨母材强度的81.3％；

(2)该连接方法具有操作简单，易于实施，工艺成本低等优点；

(3)该连接方法所采用的焊料粉体材料，均有市售商品，该方法连接成本低。

附图说明

图1是高强石墨与铜合金以及焊料压坯的叠加示意图；

图2是实施例1采用Cu-Ti焊料连接高强石墨与铜合金的连接件界面区域的显微形貌；

图3是实施例1采用Cu-Ti焊料连接高强石墨与铜合金的连接件的扫描及EDS元素面分布图谱；