CN103706939A - 一种钨铜异种金属的扩散连接方法 - Google Patents

一种钨铜异种金属的扩散连接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钨铜异种金属的扩散连接方法。该方法包括如下步骤:(1)将铜片和铜箔进行电化学抛光;(2)将经所述电化学抛光后的铜箔的一侧表面进行封装后置于电镀液中进行电镀,则在所述铜箔的另一侧表面得到非晶Fe-W镀层;所述电镀液由钨酸钠、硫酸亚铁、酒石酸铵和水组成;(3)将所述铜片、铜箔和钨片自下而上依次叠合,然后进行真空热压烧结即实现钨铜异种金属的扩散连接;其中所述铜箔的非晶Fe-W镀层侧面与所述钨片接触。本发明提供的方法的工艺操作简单、成本低、适用性强、连接性能好,拉伸强度大于146MPa。

Description

一种钨铜异种金属的扩散连接方法
技术领域
本发明涉及一种异种合金的扩散连接方法,具体涉及一种钨与铜的扩散连接方法。
背景技术
金属钨由于其在低能区域具有高的溅射阀值,高熔点,高的抗等离子体冲刷能力,最有希望用作聚变反应堆偏滤器的背板材料;金属铜具有优异的导热、良好的加工和焊接性能,将两者结合在一起将适合作为偏滤器严酷环境下使用的热沉材料。但钨和铜是两种热物理性质迥异的金属,主要表现为热膨胀系数的失配(约12×10-6/℃)和巨大的熔点差(2327℃)。热膨胀系数的差别,将会直接导致接头中产生极大的残余应力,严重影响焊接接头的性能;另一方面,钨与铜不能直接形成冶金结合,很难直接采用扩散的方法连接。
公开号为CN1593818A的中国专利公开了“一种熔渗-焊接法制备钨/铜功能梯度材料的方法”,该方法先采用熔渗的方法制备出钨铜梯度分布的过渡层,再通过热压焊接的方法把W/Cu梯度层与纯钨连接在一起制备成完整的W/Cu梯度材料。上述方法存在梯度钨骨架的制备困难复杂的问题。公开号为CN101494322A的中国专利公开了“一种钨铜连接方法”,该方法先将铜金属真空熔覆在钨金属表面的波形沟槽,然后采用真空扩散连接方法使其与铜合金连接在一起。上述方法存在钨金属硬度高难加工的问题。公开号为CN101704160A的中国专利公开了“一种钨与铜及其合金异种金属连接方法”,该方法采用加入中间过渡层Ni的真空扩散连接方法实现钨铜异种金属的扩散连接。上述方法采用Ni作为中间过渡层,由于Ni大量的吸收中子,不适合作为中间过渡层与第一壁直接接触。
综上所述,选择一种既能够使钨和铜以较高的强度结合在一起,又能够克服由于材料热物理性能显著差异引起的热应力破坏的连接方法,就显得十分必要了。
发明内容
本发明的目的是提供一种钨铜异种金属的扩散连接方法,该方法采用真空扩散焊接技术,添加镀有Fe-W非晶镀层的铜箔作中间层,实现钨铜异种金属的可靠连接,具有操作简单、成本低等优点。
本发明所提供的一种钨铜异种金属的扩散连接方法,包括如下步骤:
(1)将铜片和铜箔进行电化学抛光;
(2)将经所述电化学抛光后的铜箔的一侧表面进行封装后置于电镀液中进行电镀,则在所述铜箔的另一侧表面得到非晶Fe-W镀层;
所述电镀液由钨酸钠、硫酸亚铁、酒石酸铵和水组成;
(3)将所述铜片、铜箔和钨片自下而上依次叠合,然后进行真空热压烧结即实现钨铜异种金属的扩散连接;其中所述铜箔的非晶Fe-W镀层侧面与所述钨片接触,
上述的扩散连接方法,步骤(1)中,所述电化学抛光的溶液为体积比可为(8~10):1的磷酸和乙醇的混合液,如体积比分别为8:1和10:1的磷酸和乙醇的混合液;所述电化学抛光时的电流密度可为20~40A/dm2,如20A/dm2或40A/dm2;所述电化学抛光的时间可为5~10min,如5min或10min。
上述的扩散连接方法,步骤(2)中,所述电镀液中,所述钨酸钠、硫酸亚铁和酒石酸铵的质量体积浓度分别可为60~90g/L、5~20g/L和30~70g/L,所述钨酸钠的质量体积浓度具体可为75~80g/L、75g/L或80g/L,所述硫酸亚铁的质量体积浓度具体可为10~20g/L、10g/L或20g/L,所述酒石酸铵的质量体积浓度具体可为45~55g/L、45g/L或55g/L;所述电镀液的pH值为7~9,如7或9。
上述的扩散连接方法,步骤(2)中,所述电镀在水浴中进行,所述水浴的温度可为50~70℃,如50℃或70℃。
上述的扩散连接方法,步骤(2)中,所述电镀时的电流密度可为3~10A/dm2,具体可为3A/dm2或10A/dm2,时间可为5~10min,具体可为5min或10min;电镀时所述铜箔为阴极,石墨为阳极。
上述的扩散连接方法,步骤(2)中,所述非晶Fe-W镀层的厚度可为1.5~3.5μm,如2.506μm或3.310μm;所述非晶Fe-W镀层中,钨的原子百分数为20%~25%,铁的原子百分数可为75%~80%。
上述的扩散连接方法,所述铜箔的厚度可为20~40μm,如30μm。
上述的扩散连接方法,步骤(3)中,所述真空热压烧结在真空热压烧结炉中进行;
在所述真空热压烧结炉的模具上压头上喷头碳化硼陶瓷作为阻焊层,所述铜片放置于所述阻焊层上。
上述的扩散连接方法,步骤(3)中,所述方法还包括用金相砂纸对所述钨片逐级打磨光滑和抛光的步骤,以除去氧化层,然后依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗,吹干后备用。
上述的扩散连接方法,所述真空热压烧结的真空度小于3.0×10-3Pa;
所述真空热压烧结的温度达到750℃~850℃时,开始施加轴向压力;
当所述真空热压烧结的温度达到830℃~930℃时,所述轴向压力达到28~32MPa;在保压的条件下继续升温至850℃~950℃,然后保温30~90min,保温结束之后完全卸除压力,工件随炉慢慢冷却,待真空室温度冷却至60℃以下时,即可开路取出连接件。
本发明具有如下有益效果:一、在钨铜真空扩散焊接之前,在钨铜之间放置镀有非晶Fe-W镀层的铜箔,在焊接过程中,晶粒长大形成纳米颗粒,使结合界面产生较强的结合力,有效的缓解了残余应力;二、在扩散焊接过程中,接触界面原子间相互扩散,Fe原子与W原子结合形成Fe2W相和Fe7W6相;Cu溶于Fe中的α固溶体及Fe溶于Cu固溶体混合物(共晶体)结晶而形成牢固的结合层;三、电镀工艺能够有效控制非晶态Fe-W镀层的厚度,防止由于扩散而长生过多的空隙,最大限度的缓解残余应力;四、在钨铜之间放置的铜箔,在焊接过程中,能与钨金属形成有效的机械咬合,形成了较强的结合力。
本发明在焊接过程中在焊接界面形成的纳米颗粒,使机械咬合和冶金结合有效的结合在一起,最大限度的缓解了残余应力,形成了较强的结合力。本发明提供的方法的工艺操作简单、成本低、适用性强、连接性能好,拉伸强度大于146MPa。
附图说明
图1为实施例1中电镀得到的非晶Fe-W镀层的形貌、成分和X射线衍射图。
图2为实施例1制得的连接件的组装示意图,自上而下依次为1钨片、2非晶Fe-W镀层、3Cu箔、4Cu片。
图3(a)为实施例1制得的连接件中钨与铜连接界面的线扫描示意图;图3(b)为该连接界面的扩散深度曲线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、
一、将尺寸为Φ20mm×1mm的工业纯钨用金相砂纸逐级打磨光滑,抛光,除去氧化层,然后依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗15min,吹干,备用。
二、分别将尺寸为Φ20mm×3mm的铜片和尺寸为Φ20mm×30μm的铜箔先后用磷酸和乙醇的体积比为8:1的混合液进行电化学抛光,电流密度为20A/dm2,抛光时间为10min,吹干,备用。
三、将步骤二中经电化学抛光的铜箔为基体,将铜箔一侧面用导电胶和胶带封好,放入电镀液中,该电镀液由钨酸钠、硫酸亚铁、酒石酸铵和水组成,钨酸钠、硫酸亚铁和酒石酸铵的质量体积浓度分别为80g/L、20g/L和55g/L,用硫酸调节pH值至7,调节电流进行电镀;电镀时,镀液容器中置于水浴中加热,水浴的温度为50℃,以铜箔为阴极,石墨为阳极,电流密度控制为3A/dm2,电镀时间为10min,得到非晶Fe-W镀层的厚度为2.506μm,清洗,吹干,备用,其中,该非晶Fe-W镀层中,钨的原子百分数为23%,铁的原子百分数为77%。
四、将经上述处理后的铜片、电镀有非晶Fe-W镀层的铜箔和钨片按照自下而上的顺序组装:在模具下压头喷涂碳化硼陶瓷作为阻焊层,铜片放置于碳化硼阻焊层上,然后放置铜箔,铜箔未镀非晶Fe-W镀层的一侧与铜片接触,在镀有非晶Fe-W镀层的一侧面放置钨金属,往上是模具上压头,形成组装好的工件。
五、将步骤四组装好的工件套上模具外套放在真空热压烧结炉的下压头上面,置于真空热压烧结炉的上压头和下压头之间,盖好真空室盖,抽真空;当真空度为3.0×10-3Pa时开始加热,升温速率为10℃/min,待真空室温度加热到850℃时,开始施加轴向压力,加压速率为20N/s,继续升温达到920℃时,轴向压力达到28MPa,开始保压,继续升温达到950℃时,开始保温,保温时间60min,保温结束之后完全卸除压力,工件随炉慢慢冷却,待真空室温度冷却至60℃以下时,即可开路取出连接件,其组转示意图如图2所示。
本实施例中电镀得到的非晶Fe-W镀层的形貌、成分和X射线衍射图如图1所示,由该图可得知,所得Fe-W镀层为非晶态,表面形貌均匀致密,厚度为2.506μm。
本实施例制得的连接件中钨与铜连接界面的线扫描示意图如图3(a)所示,由该图可得知,连接界面良好,没有裂纹;由图3(b)所示的扩散深度曲线可知,W、Cu、Fe元素在连接界面两侧都有不同程度的扩散。
本实施例制得的连接件,连接接头经金属材料拉力试样机进行拉伸测试得其强度大于142MPa,连接效果良好。
实施例2、
一、将尺寸为Φ20mm×1mm的工业纯钨用金相砂纸逐级打磨光滑,抛光,除去氧化层,然后依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗15min,吹干,备用。
二、分别将尺寸为Φ20mm×3mm的铜片和尺寸为Φ20mm×30μm的铜箔先后用磷酸和乙醇体积比为10:1的混合液进行电化学抛光,电流密度在40A/dm2,抛光时间5min,吹干,备用。
三、将步骤二中电化学抛光的铜箔为基体,将铜箔一侧面用导电胶和胶带封好,放入电镀液中,该电镀液由钨酸钠、硫酸亚铁、酒石酸铵和水组成,钨酸钠、硫酸亚铁和酒石酸铵的质量体积浓度分别为75g/L、10g/L和45g/L,用硫酸调节pH值至9,调节电流进行电镀;电镀时,镀液容器中置于水浴中加热,水浴的温度为70℃,以铜箔为阴极,石墨为阳极,电流密度控制为10A/dm2,电镀时间为5min,得到非晶Fe-W镀层的厚度为3.310μm,清洗,吹干,备用,其中,该非晶Fe-W镀层中,钨的原子百分数为24%,铁的原子百分数为76%。
四、将经上述处理后的铜片、电镀有非晶Fe-W镀层的铜箔按照自下而上的顺序组装:在模具下压头喷涂碳化硼陶瓷作为阻焊层,铜片放置于碳化硼阻焊层上,然后放置铜箔,铜箔未镀非晶Fe-W镀层的一侧与铜片接触,在镀有非晶Fe-W镀层的一侧面放置钨金属,往上是模具上压头,形成组装好的工件。
五、将步骤四组装好的工件套上模具外套放在真空热压烧结炉的下压头上面,置于真空热压烧结炉的上压头和下压头之间,盖好真空室盖,抽真空;当真空度为3.0×10-3Pa时开始加热,升温速率为10℃/min,待真空室温度加热到800℃时,开始施加轴向压力,加压速率为20N/s,继续升温达到880℃时,轴向压力达到32MPa,开始保压,继续升温达到900℃时,开始保温,保温时间60min,保温结束之后完全卸除压力,工件随炉慢慢冷却,待真空室温度冷却至60℃以下时,即可开路取出连接件。
本实施例制得的连接件,连接接头经金属材料拉力试样机进行拉伸测试得其强度大于146MPa,连接效果良好。

Claims (9)

1.一种钨铜异种金属的扩散连接方法,包括如下步骤:
(1)将铜片和铜箔进行电化学抛光;
(2)将经所述电化学抛光后的铜箔的一侧表面进行封装后置于电镀液中进行电镀,则在所述铜箔的另一侧表面得到非晶Fe-W镀层;
所述电镀液由钨酸钠、硫酸亚铁、酒石酸铵和水组成;
(3)将所述铜片、铜箔和钨片自下而上依次叠合,然后进行真空热压烧结即实现钨铜异种金属的扩散连接;其中所述铜箔的非晶Fe-W镀层侧面与所述钨片接触。
2.根据权利要求1所述的扩散连接方法,其特征在于:步骤(1)中,所述电化学抛光的溶液为体积比为(8~10):1的磷酸和乙醇的混合液;所述电化学抛光时的电流密度为20~40A/dm2;所述电化学抛光的时间为5~10min。
3.根据权利要求1或2所述的扩散连接方法,其特征在于:步骤(2)中,所述电镀液中,所述钨酸钠、硫酸亚铁和酒石酸铵的质量体积浓度分别为60~90g/L、5~20g/L和30~70g/L;所述电镀液的pH值为7~9。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的扩散连接方法,其特征在于:步骤(2)中,所述电镀在水浴中进行,所述水浴的温度为50~70℃。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的扩散连接方法,其特征在于:步骤(2)中,所述电镀时的电流密度为3~10A/dm2,时间为5~10min。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的扩散连接方法,其特征在于:步骤(2)中,所述非晶Fe-W镀层的厚度为1.5~3.5μm;所述非晶Fe-W镀层中,钨的原子百分数为20%~25%,铁的原子百分数为75%~80%。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的扩散连接方法,其特征在于:所述铜箔的厚度为20~40μm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的扩散连接方法,其特征在于:步骤(3)中,所述真空热压烧结在真空热压烧结炉中进行;
在所述真空热压烧结炉的模具上压头上喷头碳化硼陶瓷作为阻焊层,所述铜片放置于所述阻焊层上。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的扩散连接方法,其特征在于:所述真空热压烧结的真空度小于3.0×10-3Pa;
所述真空热压烧结的温度达到750℃~850℃时,开始施加轴向压力;
当所述真空热压烧结的温度达到830℃~930℃时,所述轴向压力达到28~32MPa;在保压的条件下继续升温至850℃~950℃,然后保温30~90min即可。
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