[发明专利]一种钨铜模块的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属连接模块的制备方法，特别涉及一种钨铜模块的制备方法。

背景技术

钨以其高熔点、高硬度、耐中子辐照、良好的导热性、低活性等性能特点，成为聚变堆面向等离子体的热门候选材料之一。如今英国的欧洲联合环(JET)、法国的Tore-Supra和中国中科院等离子体所的EAST，都已经使用钨作为偏滤器的面向等离子体材料(Plasma Facing Material,PFM)。在建的国际热核聚变实验堆(ITER)，首阶段实验也将使用纯钨作为偏滤器的面向等离子体材料。

铜具有优异的导热、导电性能，其热导率为粉末冶金态钨的4倍以上，能够有效的带走核聚变反应时产生的热量，可以作为热沉材料。由此，聚变堆设计人员和材料研究人员提出，可以使用铜与钨的连接模块作为面向等离子体部件(Plasma Facing Component，PFC)。该部件既能承受等离子体的高温和高能粒子辐照，又能尽可能快地带走钨上的热量。

将金属钨与铜紧密地连接是获得PFC的关键。由于钨和铜之间的热膨胀系数相差很大，其焊接热应力很大。而且钨、铜之间几乎不发生固溶。此外，钨与铜的熔点也相差很大。因此传统的扩散焊、钎焊等焊接方法对钨铜的焊接不适用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种将铜焊接至钨表面的方法；本发明的又一个目的是提供一种钨铜模块的制备方法；本发明的又一个目的是提供一种金属清洗液，本发明的再一个目的是提供一种热压模具。

发明人发现，使用熔敷和热压相结合的方法，能够将铜焊接至钨表面，经进一步加工还能够获得各种形状、尺寸的钨铜模块，例如用于托卡马克聚变装置偏滤器的钨铜模块。

具体地，通过如下各项的技术方案，本发明实现了上述一项或多项目的。

本发明第一方面提供一种将铜焊接至钨表面的方法，其包括以下步骤：

a)将钨表面将要与铜连接的部分加工至的粗糙度Ra为3～8μm；

b)将铜熔敷于钨表面，获得敷铜钨；

c)热压所述敷铜钨。

钨的连接面具有一定的粗糙度(例如Ra3～8μm)后，铜液在钨表面熔敷时，连接界面上钨、铜两种金属能够相互啮合(参见图6)，这种钨铜界面具有较高的连接强度。

根据本发明第一方面的焊接方法，其中步骤b)的熔敷在加热炉中进行。

根据本发明第一方面的焊接方法，其中步骤b)包括：将钨和铜放入熔敷模具中(优选石墨熔敷模具，例如带有盖子的石墨熔敷模具)，铜置于钨上面，保证铜熔融后能够完全覆盖钨表面将要与铜连接的部分(例如将钨表面将要与铜连接的部分水平朝上放置或竖直放置)，再将熔敷模具放入加热炉。

根据本发明第一方面的焊接方法，其中加热炉加热的温度为1100～1180℃。

根据本发明第一方面的焊接方法，其中加热炉中气氛优选为非氧化气氛(例如真空、氮气氛)、还原性气氛(例如氢气或分解氨)或惰性气体氛围(例如氦气、氩气)，进一步优选为氢气氛围，炉内氢气露点可以为-80～-20℃(优选为-60～-20℃，例如-40℃)，优选的氢气流量为0.4～0.6m³/h(例如0.5m³/h)；在非氧化气氛、还原性气氛或惰性气体氛围中，特别是氢气氛中进行熔敷，能防止钨块表面被氧化，使钨铜界面良好结合，不产生空隙，结合强度高。

根据本发明第一方面的焊接方法，进一步优选用氧化铝粉将装有铜和钨的熔敷模具埋住放入加热炉，优选氧化铝粉距熔敷模具的粉体层厚度最薄处不小于3mm。用氧化铝粉将装有铜和钨的熔敷模具埋住，有助于进一步隔绝氧气，同时使得熔敷模具受热更加均匀。

根据本发明第一方面的焊接方法，所述加热炉为推舟炉，可以将石墨熔敷模具以2.5～5mm/分钟的速度推入推舟炉。

根据本发明第一方面的焊接方法，所述推舟炉总长为1500～2000mm(例如1800mm)，高温区长度为400～600mm(例如500mm)。

根据本发明第一方面的焊接方法，所述推舟炉高温区的温度为1100～1180℃。

推舟炉可以单舟推进或连续进舟，使用推舟炉可提高生产效率，实现连续化、批量化的生产。

根据本发明第一方面的焊接方法，步骤c)中热压的温度为900℃～1050℃、压强为1Mpa～5Mpa(例如2～4Mpa或2～3Mpa)，保温保压时间优选为8～12分钟(例如10分钟)，优选热压在非氧化气氛(例如真空、氮气氛)、还原性气氛(例如氢气或分解氨)或惰性气体氛围(例如氦气、氩气)，进一步优选为氢气氛围中进行。