CN102794612B - 一种W/Cu复合构件的制备方法 - Google Patents

一种W/Cu复合构件的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种W/Cu复合构件的制备方法，属于耐高温、耐腐蚀、防辐射复合材料领域。该方法包括W块加工、封焊、热等静压处理。本发明制备的W/Cu复合构件，具有W/Cu界面结合强度高、工艺简单、成本低等优点；主要用于炉体、核、射线屏蔽等方面的材料，尤其是核聚变反应堆中等离子体屏蔽用复合材料。

Description

一种W/Cu复合构件的制备方法
技术领域
本发明属于耐高温、耐腐蚀、防辐射复合材料领域，特别是涉及一种W/Cu复合构件的制备方法，主要用于炉体、核、射线屏蔽等方面的材料，尤其是核聚变反应堆中面向等离子体用W/Cu复合构件。
背景技术
核聚变反应堆中等离子体温度高达上亿度，离子速度高、冲刷力强，因而核聚变堆中面向等离子体材料要具有耐高温、抗冲刷、导热性能好的特点，常规材料难以满足核聚变堆的使用要求。
前期核聚变反应堆中采用的铍、CFC（石墨）材料由于抗H离子腐蚀能力差，尤其是铍材料有毒，无法满足核聚变反应堆的使用要求，需要选择新的材料。
本发明的W/Cu复合构件为环状结构，可实现冷却介质从W/Cu复合构件的中心孔中流过，增强了W/Cu部件的散热能力，有效降低防护材料的温度。
专利CN200580030241.X中采用钎焊的方法制备W/Cu复合构件，专利JP8-506315采用W＋Cu粉末热等静压的方法制备W/Cu复合构件。
本发明的W/Cu复合构件是一种两层或多层结构，通过将W块（Mo块）和铜或铁结合在一起，综合了W的高熔点、耐高温、抗离子冲刷和Cu的优异导热性的优势。由于热等静压作用，进一步提高W/Cu界面结合强度，使W/Cu复合构件具有优良的耐高温、抗热疲劳能力，提高了W/Cu复合构件的导热能力，是新型的热防护用材料，能满足高热负荷的使用环境，尤其是用于核聚变反应堆面向等离子体材料（尤其是核聚变堆偏离器的等离子体防护材料），以及高温炉等设备的热屏蔽材料。
发明内容
本发明目的在于提供一种W/Cu复合构件的制备方法，该方法制备的W/Cu复合构件界面结合强度高、成本低。
本发明的技术方案是通过W块加工（W块的相对密度≥91%）、封焊、热等静压处理等步骤制备W/Cu复合构件，其具体步骤如下：
A、W块加工：采用内圆磨、铣、线切割的一种或几种在W块上加工出W孔；对W孔镀0～0.2mmNi层（W孔没有涂层，或镀≤0.2mmNi层），清洗干净；
B、封焊：按照W/Cu复合构件的结构，将Cu和W块组合在一起，采用电子束焊接、真空钎焊、包套或金属铜包覆的方法进行封焊，在W块或W孔上形成Cu层；
所述的Cu层采用Cu粉末、Cu块、Cu管制备。
所述的真空钎焊是将Cu管和W块组合在一起，在800～1050℃真空钎焊；焊料为Cu基、Ag基或Ni基钎焊。
包套方法：将Cu管和W块组合在一起，放入包套，包套材料采用钢或铜及其合金；在室温～700℃抽真空，封焊；
金属铜包覆方法：将铜放置在W块四周，升温到1090～1400℃使铜液包覆W块；该过程在真空、惰性或还原性气体保护下进行。
所述的惰性、还原性气体为Ar气、H2气、N2气、CO、NH3的一种或几种混合气；
C、热等静压：将封焊后的W/Cu组合件进行热等静压处理，处理温度800～1070℃，压力20～200MPa。
本发明与国外W/Cu复合构件制备技术相比具有界面结合强度高、生产工艺简单，成本低等优点。
附图说明
图1为W/Cu复合构件图。其中，W块 1，Cu层2。
具体实施方式
实施例1：
采用相对密度91%的W块，车加工W孔，孔表面光洁度3.2，将W块、Cu管清洗后，组装在一起，将CuNiMn焊料放置在W/Cu交叉部位，在1000℃真空钎焊30分钟，钎焊好的W/Cu件，在500℃、200MPa热等静压处理2h，机加工后得到W/Cu复合构件。该工艺制备的W/Cu复合构件的界面强度为133Mpa。
实施例2：
采用相对密度95%的W块，车加工W孔，将W块、Cu管清洗后，组装在一起，将Ag-28Cu焊料放置在W、Cu之间，在800℃真空钎焊15分钟，钎焊好的W/Cu件，在700℃、90MPa热等静压处理2h，机加工后得到W/Cu复合构件。该工艺制备的W/Cu复合构件的界面强度为110Mpa。
实施例3：
采用相对密度91%的W块，车加工W孔，孔表面光洁度3.2， Cu管表面化学镀镍0.02mm，将W块、Cu管清洗后，组装在一起，将BNi-2焊料放置在W/Cu交叉部位，在1050℃真空钎焊10分钟，钎焊好的W/Cu件，在800℃、20MPa热等静压处理2h，机加工后得到W/Cu复合构件。该工艺制备的W/Cu复合构件的界面强度为120Mpa。
实施例4：
采用相对密度98%的W块，车加工W孔，孔表面光洁度1.6， Cu管表面化学镀镍0.2mm，将W块、Cu管清洗后，组装在一起，电子束封焊W、Cu两端，将封焊好的W/Cu件，在1070℃、200MPa热等静压处理3h，机加工后得到W/Cu复合构件。该工艺制备的W/Cu复合构件的界面强度为125Mpa。
实施例5：
采用相对密度98%的W块，车加工W孔，孔表面光洁度1.6，将W孔内表面化学镀0.2mmNi层；然后将W块、Cu管清洗后，组装在一起；采用电子束焊接将W、Cu件两端头焊接在一起，将焊接好的W/Cu件，在1070℃热等静压处理2h，机加工后得到W/Cu复合构件。采用该工艺参数制备的W/Cu复合构件界面强度130Mpa。
实施例6：采用相对密度91%的W块，车加工W孔，孔表面光洁度3.2，将W块、Cu管清洗后，组装在一起，装入20#钢制成的包套中，700℃抽真空4h后，封焊，封焊好的W/Cu件包套，在1070℃、100MPa热等静压处理2h，去包套、机加工后得到W/Cu复合构件。采用该工艺参数制备的W/Cu复合构件界面强度70Mpa。
实施例7：
采用相对密度97%的W块，车加工W孔，孔表面光洁度3.2，将W孔内表面化学镀0.02mmNi层；然后将W块、Cu管清洗后，组装在一起，装入铜包套中，室温抽真空1h后，封焊，封焊好的W/Cu件包套，在温度900℃、压力60Mpa热等静压处理2h，去包套、机加工后得到W/Cu复合构件。采用该工艺参数制备的W/Cu复合构件界面强度90Mpa。
实施例8：
采用相对密度91%的W块，磨加工W孔，孔表面光洁度1.6，将W块清洗后， W块与Cu块在真空条件下加热到1400℃，Cu块熔化后用Cu液包裹W块，得到W/Cu复合坯料，然后将W/Cu复合坯料在1050℃、压力150Mpa热等静压处理1h，机加工后得到W/Cu复合构件。采用该工艺参数制备的W/Cu复合构件界面结合强度为146Mpa（铜层断裂）。
实施例9：
采用相对密度99%的W块，磨加工W孔，孔表面光洁度1.6，将W块清洗后， W块与Cu粉在Ar、H2(1:1)混合气保护下异步加热到1090℃，Cu块熔化后用Cu液包裹W块，得到W/Cu复合坯料，然后将W/Cu复合坯料在800℃、压力50Mpa热等静压处理2h，机加工后得到W/Cu复合构件。采用该工艺参数制备的W/Cu复合构件界面结合强度为156Mpa（铜层断裂）。

Claims (2)

1.一种W/Cu复合构件的制备方法，其特征在于，工艺步骤如下：
A、W块加工：采用内圆磨、铣、线切割的一种或几种在W块上加工出W孔；对W孔镀0～0.2mmNi层，清洗干净；所述的W块的相对密度≥91％；
B、封焊：按照W/Cu复合构件的结构，将Cu和W块组合在一起，采用电子束焊接、钎焊封焊、包套或金属铜包覆的方法进行封焊，在W块或W孔上形成Cu层；
钎焊封焊是将Cu管和W块组合在一起，在800～1050℃真空钎焊；焊料为Cu基、Ag基或Ni基钎焊；
C、热等静压：将封焊后的W/Cu组合件进行热等静压处理，处理温度800～1070℃，压力20～200MPa；
所述的Cu层采用Cu粉末、Cu块、Cu管制备；
所述的包套是将Cu管和W块组合在一起，放入包套，包套材料采用钢或铜及其合金；在室温～700℃抽真空，封焊；
所述的金属铜包覆是将铜放置在W块四周，升温到1090～1400℃使铜液包覆W块；该过程在真空、惰性或还原性气体保护下进行。
2.根据权利要求1所述的W/Cu复合构件的制备方法，其特征在于，所述的惰性或还原性气体为Ar、N2、H2、CO气体的一种或几种混合气体。
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