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Abstract

本发明涉及一种复合焊料，其为下述制备方法所得产物：选取粒径为微米级的Cu粉、TiH2粉和碳粉，将Cu粉、TiH2粉及碳粉按比例混合；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合；然后将粉体干燥，然后倒入研钵中继续研磨，得到(Cu‑TiH2)/C复合焊料，所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径均为15～50μm；Cu粉和TiH2粉体的质量比为1：1，复合焊料中碳粉的质量分数为1.8％～3.0％。本发明的主要优点是：焊料制备工艺简单；用于制备石墨/铜接头，接头强度较高，可达石墨母材的83％～91％。

Description

一种复合焊料
技术领域
本发明属于用于异种材料钎焊的焊料制备技术领域，涉及石墨/铜接头的制备，具体地说，是指一种用于制备石墨/铜接头的复合焊料。
背景技术
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，在工业中具有广泛的应用。在汽车新型碳换向器制备中需要将石墨与铜连接，以提高换向器的耐磨性，从而延长其使用寿命。另外，碳材料作为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加强散热作用。
但是，铜在石墨表面的润湿性较差，且石墨与铜的热膨胀系数差异较大，因此连接后在接头中会产生较大的残余热应力。针对石墨与铜润湿性较差的问题，目前主要通过对石墨表面改性或采用活性钎料的方法来解决。对于制备石墨/铜接头所用的焊料，目前主要包括AgCuTi、NiCrP、NiCrPCu、CuSiAlTi、TiCuNi及非晶态TiZrCuNi钎料等。但由于在核聚变装置中应用Ag会转变成Cd，从而使接头性能变差。因此AgCuTi焊料无法满足连接件用于核聚变的需求。其他焊料及非晶态TiZrCuNi钎料的制备较为麻烦，需要先将金属或合金熔炼，然后制成粉末状或箔状，制备工艺较为复杂，因此成本较高。另外，活性钎料也无法解决缓解石墨/铜接头中的残余热应力问题。
发明内容
本发明针对现有焊料存在的不足，提供一种用于石墨/铜接头制备的复合焊料，所述的复合焊料可以用于石墨/铜接头的制备，可以提高接头性能。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种石墨/铜接头的焊接方法，包括有以下步骤：
1)复合焊料的配制
选取粒径为微米级的Cu粉、TiH2粉和碳粉，将Cu粉、TiH2粉及碳粉按比例混合；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合；然后将粉体干燥，然后倒入研钵中继续研磨，得到(Cu-TiH2)/C复合焊料；
2)连接表面预处理
将石墨和铜的连接端面进行研磨，在酒精中用超声波清洗后吹干备用；
3)连接工艺
取适量上述步骤1)制得的复合焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，然后将其涂覆在经步骤2)处理后的连接端面上；合上两连接端面，置于石墨模具中，在连接件上面施加的压力，然后将连接件放入高温真空炉中进行连接，保温后冷却至室温，取出，获得石墨/铜接头。
按上述方案，所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径均为15～50μm。
按上述方案，Cu粉和TiH2粉体的质量比为1：1，复合焊料中碳粉的质量分数为1.8％～3.0％。
按上述方案，步骤3)的加热过程为：首先以8～12℃/min速率升温至450～500℃，保温50min～60min，然后以8～12℃/min速率升温至800℃，再以4～6℃/min速率升温至930～960℃，保温5～15min后，随炉冷却至室温。
按上述方案，步骤3)的连接件上施加的压力是9～10kPa。
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：本发明的复合焊料在连接过程中，TiH2首先分解生成Ti，钎焊时，Cu-Ti合金形成液态，Ti与石墨发生界面反应，形成较薄的TiC反应层。同时，Ti与焊料中的碳粉发生原位反应，生成TiC增强相颗粒。连接层主要由Cu基固溶体、Cu-Ti金属间化合物及TiC增强相等组成。由于原位生成的增强相尺寸较小且分布均匀，在连接层中起颗粒弥散强化的复合作用。另外，原位形成的TiC增强相热膨胀系数较低，也可以部分缓解石墨/铜接头的残余热应力，因此可以提高接头性能。
本发明的主要优点是：
(1)本发明的复合焊料主要由粉体材料组成，成本低廉，焊料制备工艺简单；
(2)本发明的复合焊料用于制备石墨/铜接头，接头强度较高，可达石墨母材的83％～91％；
(3)本发明的复合焊料使用方面，用涂覆法即可，因此工艺成本较低。
附图说明
图1是复合焊料的X射线衍射(XRD)图谱；
图2是石墨/铜接头制备的示意图；
图3是实施例1采用(Cu-TiH2)+C复合焊料制备石墨/铜接头的界面区域的显微形貌；
图4是实施例1采用采用(Cu-TiH2)+C复合焊料制备石墨/铜接头的界面区域的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复合焊料可行，不用于限制本发明保护的权利范围。
实施例1应用本发明提供的复合焊料制备石墨/无氧铜接头
本发明提供的复合焊料用于制备石墨/无氧铜的工艺步骤如下：
(A)复合焊料的配制，
选取粒径为15～50μm的Cu粉、TiH2粉和碳粉，将Cu粉、TiH2粉及碳粉按一定比例混合，其中，Cu粉和TiH2粉体的质量比为1：1，复合焊料中碳粉的质量分数为2.8％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合30min；然后将粉体干燥，混合粉末干燥后倒入研钵中继续研磨30min，得到(Cu-TiH2)+C复合焊料。
(B)连接表面预处理，
将石墨和无氧铜的连接端面进行研磨，在酒精中用超声波清洗20min后吹干备用；
(C)连接工艺，
取少量上述步骤(A)制得的复合焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，然后将膏状复合焊料涂覆在经步骤(B)处理后的连接端面上；然后将两连接端面合上，置于石墨模具中，在连接件上面施加9.6kPa的压力，然后将整体放入高温真空炉中进行连接，首先以9℃/min速率升温至500℃，保温60min，然后以10℃/min速率升温至800℃，再以5℃/min速率升温至950℃，保温10min后，随炉冷却至室温。取出，获得石墨/铜接头。
图1为复合焊料的X射线衍射(XRD)图谱，从图中可以知道，复合焊料由Cu粉、TiH2粉和碳粉等组成。
图2是石墨/铜接头制备的示意图。
通过实施例1得到，(Cu-TiH2)+C复合焊料制备的石墨/无氧铜接头强度为石墨母材的83.1％。连接过程中，TiH2首先分解生成Ti，钎焊时，Cu-Ti合金形成液态，Ti与石墨发生界面反应，形成较薄的TiC反应层。同时，Ti与焊料中的碳粉发生原位反应，生成TiC增强相颗粒。连接层主要由Cu基固溶体、Cu-Ti金属间化合物及TiC增强相等组成。由于原位生成的增强相尺寸较小且分布均匀，在连接层中起颗粒弥散强化的复合作用。另外，原位形成的TiC增强相热膨胀系数较低，也可以部分缓解石墨/铜接头的残余热应力，因此可以提高接头性能。
图3为采用(Cu-TiH2)+C复合焊料制备石墨/铜接头的界面区域的显微形貌图，图中右侧黑色区域为石墨，左侧浅灰色区域为铜，中间灰黑相间区域为连接层。从图中可以看出，石墨和铜与连接层的界面结合较好，无孔隙和裂纹等缺陷。连接层中均匀分布的大量深灰色和黑色颗粒为原位形成的TiC颗粒增强相及Ti-Cu金属间化合物。
图4为采用采用(Cu-TiH2)+C复合焊料制备石墨/铜接头的界面区域的XRD图谱。从该图谱可以看出，界面区域主要由TiCu4、TiC、Ti2Cu和C等组成。XRD图谱结果证实了连接层中原位生成了TiC颗粒。另外，连接层主要由Cu基固溶体、Cu-Ti金属间化合物及TiC增强相等组成。
实施例2应用本发明提供的复合焊料制备石墨/CuCrZr合金接头
本发明提供的复合焊料用于石墨/CuCrZr合金接头制备的工艺步骤如下：
(A)复合焊料的配制，
选取粒径为15～50μm的Cu粉、TiH2粉和碳粉，将Cu粉、TiH2粉及碳粉按下述比例混合，其中，Cu粉与TiH2粉的比例为1：1，复合焊料中碳粉质量分数2％；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合20min；然后将粉体干燥，混合粉末干燥后倒入研钵中继续研磨30min，得到(Cu-TiH2)+C复合焊料。
(B)连接表面预处理，
将石墨和CuCrZr的连接端面进行研磨，在酒精中用超声波清洗30min后吹干备用；
(C)连接工艺，
取少量上述步骤(A)制得的复合焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，然后将膏状复合焊料涂覆在经步骤(B)处理后的连接端面上；然后将两连接端面合上，置于石墨模具中，在连接件上面施加9kPa的压力，然后将整体放入高温真空炉中进行连接，首先以10℃/min速率升温至480℃，保温60min，然后以9℃/min速率升温至800℃，再以4℃/min速率升温至940℃，保温10min后，随炉冷却至室温。取出，获得石墨/CuCrZr合金接头。
通过实施例2得到，(Cu-TiH2)+C复合焊料在连接过程中，TiH2首先分解生成Ti，钎焊时，Cu-Ti合金形成液态，Ti与石墨发生界面反应，形成较薄的TiC反应层。同时，Ti与焊料中的碳粉发生原位反应，生成TiC增强相颗粒。连接件的强度可达到石墨母材的91％。连接层主要由Cu基固溶体、Cu-Ti金属间化合物及TiC增强相等组成。由于原位生成的增强相尺寸较小且分布均匀，在连接层中起颗粒弥散强化的复合作用。另外，原位形成的TiC增强相热膨胀系数较低，也可以部分缓解石墨/铜接头的残余热应力，因此可以提高接头性能。

Claims (1)

1.一种复合焊料，其为下述制备方法所得产物：选取粒径为微米级的Cu粉、TiH2粉和碳粉，将Cu粉、TiH2粉及碳粉按比例混合；将混合粉末在酒精中用超声波振动混合；然后将粉体干燥，然后倒入研钵中继续研磨，得到(Cu-TiH2)/C复合焊料，所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径均为15～50μm；Cu粉和TiH2粉体的质量比为1：1，复合焊料中碳粉的质量分数为1.8％～3.0％。
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