[发明专利]一种碳基材料与铜的钎焊连接方法

说明书

技术领域

本发明属于材料连接技术领域，涉及一种碳基材料与铜的钎焊连接方法。

背景技术

由于碳基材料(CFC和石墨)的优异的性能，使其在核聚变装置中作为面向等离子体材料已有几十年的使用历史了。国内外大多数的聚变装置，如国外的TFTR、DIII-D、JT-60U、JET、Tore Supra、W7-X，国内的HL-2A、HT-7等都使用了碳基材料(包括石墨和CFC)作为第一壁和偏滤器，ITER也曾经设计了在开始运行阶段的偏滤器垂直靶板位置使用C/C复合材料。

聚变装置偏滤器位置由于热负荷较高，需要将碳基材料与热沉材料铜合金结合以构成偏滤器部件。碳基材料与铜合金的连接方式主要包括了粘结、机械连接、焊接等。由于碳材料的脆性，在制造、连接等方面带来很多不便，最简单实用的办法是用螺栓进行机械连接，接头的强度主要取决于螺栓接头的强度。

为了保证碳与铜合金之间具有良好的导热性能，一般在碳和铜合金之间放一层柔性石墨、金箔、铜箔等。这种机械连接结构制备的偏滤器部件适用于热通量较低、脉冲长度较短的托卡马克装置。

如果偏滤器位置热通量较高且长脉冲运行，为了避免材料出现过热，就需要偏滤器在等离子体放电过程中进行主动除热，从而需要采取各种焊接工艺实现碳基材料与热沉材料之间的冶金结合，保证偏滤器部件有优良的热祛除能力以及在聚变环境中的安全性和稳定性。

碳基材料和铜合金的连接必须解决两个方面的难题，即热膨胀系数差异大和不能相互润湿。

为了解决热膨胀系数差异导致的界面应力，一般需要在碳基材料和铜合金之间加一中间层。目前，采用最多的是高导无氧铜(OFHC)作为中间层，利用高导无氧铜的塑性变形释放热应力。采用活性金属浇铸(AMC)、钎焊、扩散焊等连接方式可以得到具有优良结合性能的碳基材料/铜合金接头。奥地利PlanseeGE公司最早于1992年发明活性金属浇铸(AMC)法，实现了高导热碳/碳复合材料与铜合金(CuCrZr)的连接。其通过在C/C复合材料及石墨/Cu合金连接时，先用激光束照射C/C复合材料、石墨表面，形成大量直径为50-500μm，孔深为100-750μm的圆孔，这样可以增加界面面积即增加表面能，从而提高了抗裂纹生长能力；然后，活性金属浇铸处理过的C/C复合材料、石墨表面上，最后通过电子束焊、热等静压等连接方法将其与铜合金连接起来，CFC/Cu合金接头的抗拉伸强度达到30MPa；需要指出的是该技术成本较高、其表面改性质量控制较困难。

为了实现碳材料的改性，还可以在碳基材料表面沉积一层可以与碳发生反应的金属，如Si、Al、Ti、Zr、Cr、Mo、W等铜合金，通过固态反应在碳表面生成一层碳化物薄层来提高铜在碳/碳表面的润湿性，实现碳材料与无氧铜的连接。利用最多的是Ti和Cr来改性碳基材料表面，由于过渡金属碳化层的作用，CFC/纯Cu接头的平均抗剪切强度达到30MPa以上，远高于CFC材料的层间剪切强度。

此外，还可以采用直接钎焊连接碳基材料和铜合金，焊接过程需要的钎料需要含有与碳具有润湿性的元素，如Ti、Zr、Cr、Si等；同时需要去除真空环境不能用的Cd、Zn、Ag等元素；钎焊温度也需要控制在部件的运行温度之上；为了缓解界面层的热应力，无氧纯铜适应层也是必不可少的。如日本的JAEA利用NiCrP钎料连接CFC和无氧纯铜，然后再通过热等静压在500℃连接无氧纯铜和铜合金热沉材料；意大利采用商用Gemco合金(87.75wt％Cu，12wt％Ge和0.25wt％Ni)焊接的CFC-Cu接头强度约为34MPa。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种碳基材料与铜的钎焊连接方法，解决碳基材料和铜基材料的连接问题，通过真空钎焊实现碳基材料和铜基材料的冶金结合。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的目的在于提供一种碳基材料与铜的钎焊连接方法，包括以下步骤：

步骤一、碳基材料表面金属化；

(1)对碳基材料进行预处理，包括表面喷砂处理、超声波清洗以及脱水干燥步骤；

(2)通过丝网印刷方法在碳基材料表面沉积一层Cr金属浆料，干燥处理后，在真空加热炉中进行烧结，工作真空度小于1×10^-2Pa，烧结温度1300-1400℃，烧结时间0.5-1h，生成一层致密的碳化铬层；

步骤二、真空浇铸纯铜；