CN103223537B - 一种用于高强石墨与铜合金的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高强石墨与铜合金的连接方法，包括有以下步骤：(A)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，烘干待用；(B)将Cu粉与Ti粉混合得到混合粉末，在酒精中用超声波振动混合，随时搅动；干燥后再倒入研钵研磨；(C)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。本发明的主要优点是：(1)本发明所得到的接头强度高；(2)具有操作简单，易于实施等优点；(3)该方法连接成本低。

Description

一种用于高强石墨与铜合金的连接方法

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；

图4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XRD图谱。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于说明本发明的连接工艺可行，不用于限制本发明保护的权利范围。

实施例1

应用本发明提供的方法连接高强石墨（其抗弯强度为40MPa）与CuCrZr合金

由于CuCrZr合金在高温下与高强石墨润湿性很差，因此连接件的制备较为困难。

本发明提供的高强石墨与铜合金的连接工艺如下：

(A)高强石墨1与CuCrZr合金2的连接端面的预处理；

将高强石墨与CuCrZr合金的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗20min，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，所述的Cu粉和Ti粉的粒径均为15～50μm，将Cu粉与Ti粉混合，其中Ti粉的质量百分含量为45％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨25min，以确保粉末混合均匀。然后称取一定量的焊料，在压片机上冷压成形得到焊料压坯3。

(C)连接工艺；

将上述步骤(B)制得的焊料压坯放置于经步骤(A)处理后的高强石墨与CuCrZr合金的连接端面上；然后放入真空炉中，施加5～20kPa的压力，加热过程为：以18℃/min速率升温至1050℃，保温5min，然后随炉冷却至室温，取出。高强石墨与CuCrZr合金的连接完成，其结构如图1所示。

通过实施例1得到，Cu-Ti焊料在连接过程中能形成性能良好的焊料层，焊料与母材发生界面扩散和界面反应，可获得连接强度较高的连接件。连接件的强度可达到高强石墨的81.3%。微观结构及成分分析显示，界面结合良好，界面区域均匀致密，在高强石墨与焊料的界面处，生成了TiC。焊料中的Ti与Cu形成了TiCu₄和TiCu等金属间化合物。

图2是采用Cu-Ti焊料连接高强石墨与CuCrZr合金的连接件界面区域的SEM扫描照片。从该图可以看出，焊料与高强石墨以及CuCrZr合金形成了良好的界面结合，焊料层均匀致密。

图3为采用Cu-Ti焊料连接高强石墨与CuCrZr合金的接头连接区域的SEM和EDX面分布图谱。SEM图中，左侧黑色区域为高强石墨，右侧灰色区域为焊料。焊料与石墨的结合较好。从EDX面分布图谱可以看出，焊料层主要由Ti元素和Cu元素组成。焊料与石墨的界面处，Ti元素较为富集。另外，焊料中的Ti和Cu均渗入高强石墨的孔隙中。

附图4为采用Cu-Ti焊料连接高强石墨与CuCrZr合金的连接件界面区域的XRD图谱。从该图谱可以看出，界面区域主要由TiCu₄、TiC、TiCu和C等组成。其中，C来自母材。该图显示，在连接过程中，在界面处作为强碳化物形成元素且活性很高的Ti与高强石墨中的C发生了界面反应生成了TiC。同时，焊料中的Ti与Cu形成了TiCu₄和TiCu等金属间化合物。

实施例2

应用本发明提供的方法制备汽车新型换向器中的高强石墨与紫铜连接件

本发明提供的高强石墨与紫铜的连接工艺如下：

(A)高强石墨与紫铜连接端面的预处理；

将高强石墨与紫铜的连接端面进行打磨和抛光，用超声波清洗25min，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，所述的Cu粉和Ti粉的粒径均为15～50μm，将Cu粉与Ti粉混合，其中Ti粉的质量百分含量为50％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合30min。为避免由于粉料密度不同出现的分层现象，混合过程中应随时搅动。混合粉末干燥后再倒入研钵研磨30min，以确保粉末混合均匀。然后称取一定量的焊料，在压片机上冷压成形得到焊料压坯。

(C)连接工艺；

将上述步骤(B)制得的焊料压坯放置于经步骤(A)处理后的高强石墨与紫铜的连接端面上；然后放入真空炉中，施加10kPa的压力，加热过程为：以16℃/min速率升温至1000℃，保温10min，然后随炉冷却至室温，取出。高强石墨与紫铜的连接完成。

通过实施例2得到，Cu-Ti焊料在连接过程中能形成性能良好的焊料层，焊料与母材发生界面扩散和界面反应，可获得连接强度较高的连接件。连接件的强度可达到石墨母材的75.4%。微观结构及成分分析显示，界面结合良好，界面区域均匀致密，在高强石墨与焊料的界面处，生成了TiC。焊料中的Ti与Cu形成了TiCu₄和TiCu等金属间化合物。

Claims (3)

1. 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) 连接端面预处理，

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。

2. 根据权利要求1 所述的用于高强石墨与铜合金的连接方法，其特征在于：所述的微米级的Cu 粉和Ti 粉的粒径均为15 ～ 50μm。

3. 根据权利要求1或2所述的用于高强石墨与铜合金的连接方法，其特征在于：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。