CN106216879B - 一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Cu‑TiH2‑Ni+B复合焊料及其制备方法和在连接石墨/Cu合金上的应用。所述复合焊料由下述原料按下述重量百分比球磨制备而成：Cu粉：48％～53％，TiH2粉：37％～42％，Ni粉：3％～6％，B粉：1％～4％。所得复合焊料主要用于核聚变以及汽车工业中石墨与铜合金接头的制备。所述接头的制备方法包括下述步骤：将Cu‑TiH2‑Ni+B复合焊料与丙三醇混合调制成膏状，涂抹在石墨与Cu合金的待连接面上，合上待连接面，钎焊；所述钎焊的条件为：880～930℃下保温8～15min，施加压力为5～10kPa。本发明提供的复合焊料制备方法简单，原料成本低，由其制得的石墨与铜合金接头，具有接头界面层结合良好、无裂纹及孔隙等优点，接头最高强度可达石墨母材强度的86.7％。

Description

一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于碳基材料技术领域，具体地涉及一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料及其制备方法和在连接石墨/Cu合金上的应用。
背景技术
石墨材料具有密度低、耐腐蚀、耐热冲击、导热性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。在核聚变中，作为面向等离子体材料的碳材料承受高的热通量，与高导热的Cu合金连接则可以满足其散热要求。另外，在汽车新型换向器中也涉及到石墨与Cu合金的连接。但是，铜在石墨表面润湿性较差，且石墨与铜的热膨胀系数差异较大，也会导致连接后在接头中存在较大残余热应力。
针对石墨/铜润湿性差的问题，主要通过活性焊料的方式来改善，目前研究的焊料主要包括AgCuTi、Cu-Pd、NiCrP、NiCrPCu、CuSiAlTi以及非晶态TiZrCuNi焊料等。但现有焊料存在一些问题，如，应用较为广泛的AgCuTi价格昂贵，而非晶态TiZrCuNi焊料制备较为复杂等。此外，上述焊料与石墨之间仍存在较大的热错配，会导致接头中存在较大残余热应力。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料及其制备方法和在连接石墨/Cu合金上的应用。本发明通过复合焊料原位生成TiB增强相，对连接层进行增强，制得的复合焊料可以用于制备石墨与Cu合金的接头。所述Cu-TiH2-Ni+B复合焊料连接石墨和铜合金的示意图见图1。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料，其特征在于，按重量百分比，由下述原料制备而成：
Cu粉：48％～53％，
TiH2粉：37％～42％，
Ni粉：3％～6％，
B粉：1％～4％。
按上述方案，优选地，所述Cu粉、TiH2粉、Ni粉的粒径为45～55μm，B粉粒径为1～4μm。
本发明还提供了上述Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的制备方法，其特征在于，将所述原料放入球磨机中球磨制备而成。
按上述方案，优选地，所述球磨的速率为280～320rpm，时间为1.5～2.5h。
本发明还提供了上述Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的应用，其特征在于，将其作为焊料用于制备石墨和Cu合金的接头。
本发明还提供了一种石墨和Cu合金的接头，其特征在于，它是采用上述Cu-TiH2-Ni+B复合焊料连接制得。
按上述方案，优选地，所述Cu合金为CuCrZr合金或紫铜。
本发明还提供了上述石墨和Cu合金的接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
将所述Cu-TiH2-Ni+B复合焊料与丙三醇混合调制成膏状，涂抹在石墨与Cu合金的待连接面上，合上待连接面，钎焊。
按上述方案，优选地，所述石墨与Cu合金的待连接面经过抛光、清洗和干燥处理；其中清洗为用丙酮或酒精超声清洗至少30min。
按上述方案，优选地，所述钎焊条件为：在5～10kPa的压力下真空钎焊，钎焊的温度为 880～930℃，钎焊的保温时间为8～15min。
按上述方案，优选地，在达到所述钎焊的温度前，还包括下述步骤：以10℃/min速率升温至700℃，保温60min，再以5℃/min速率升温到钎焊温度。
本发明的基本原理如下：
本发明主要通过复合焊料中的TiH2分解后得到的强碳型化合物形成元素Ti向石墨处扩散，在石墨侧发生反应形成TiC薄层，改善焊料在石墨表面的润湿性；此外，复合焊料中Ti 与B原位生成TiB晶须抑制了脆性金属化合物的大块生成，TiB的生成同时也降低了焊料层与石墨之间的热膨胀系数差异，从而缓解接头的残余热应力，进而提高石墨/铜合金接头性能。
相比于现有技术，本发明的主要优点是：
(1)本发明提供的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料制备方法简单，使用方便，安全可靠。
(2)本发明制备Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的方法中所用的粉体材料均为市售商品，成本低廉。
(3)将本发明得到的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料用于连接石墨与铜合金，所得接头的接头界面层结合良好，未观察到裂纹及孔隙等缺陷，最高强度可达石墨母材强度的86.7％。
附图说明
图1为应用实施例1制得的CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的结构示意图。
图2为应用实施例1制得的CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域的显微形貌。其中图2左侧部分为CuCrZr合金，右侧部分为石墨，中间区域为焊料层。
图3为应用实施例1制得的CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域的XRD图谱。
图4为应用实施例2制得的紫铜/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域的显微形貌。其中图4左侧部分为紫铜，右侧部分为石墨，中间区域为焊料层。
图5为应用实施例2制得的紫铜/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域的XRD图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的制备，具体步骤如下：
将粒径约为50μm的Cu粉、TiH2粉、Ni粉和粒径为1～4μm的B粉按照质量百分比为Cu粉51.4％、TiH2粉41.1％、Ni粉4.0％、B粉3.5％配料，并在球磨机中以300rpm的速率球磨2h，得Cu-TiH2-Ni+B复合焊料。
实施例2
Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的制备，具体步骤如下：
将粒径约为50μm的Cu粉、TiH2粉、Ni粉和粒径为1～4μm的B粉按照质量百分比为Cu粉51.9％、TiH2粉41.7％、Ni粉4.4％、B粉2％配料，并在球磨机中以320rpm的速率球磨1.5h，得Cu-TiH2-Ni+B复合焊料。
应用实施例1
将实施例1制得的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料用于连接石墨与CuCrZr合金，具体步骤如下:
1、将石墨和CuCrZr合金的待连接面用砂纸逐级研磨抛光，然后在丙酮中超声清洗30min，吹干待用。
2、在实施例1制备的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料中加入少量丙三醇，调制成膏状，均匀涂抹在经步骤1处理后的石墨和CuCrZr合金的待连接面上，合上待连接面，得到呈“三明治”状的“CuCrZr合金-复合焊料-石墨”接头。
3、将步骤2制得的“CuCrZr合金-复合焊料-石墨”接头置入真空炉中，在10kPa 压力下进行钎焊：首先以10℃/min速率升温至700℃，保温60min，再以5℃/min速率升温到900℃，保温10min，之后随炉冷却至室温，得到最终产物CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头。
将本实施例制得的CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，结果显示：接头最高剪切强度可达17.0MPa，为石墨母材强度 (19.6MPa)的86.7％。
从图2可见，本实施例制得的CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的焊料层较为均匀致密，无明显的大块金属间化合物生成；焊料层与石墨母材界面结合良好，未观察到裂纹以及孔隙。
从图3可以看出，本实施例制得的CuCrZr合金/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域主要由Cu、Ti3Cu、Ti3Cu4、Ti2(Cu,Ni)、TiC以及TiB组成。其中TiB由复合焊料中的活性元素Ti与B原位反应生成，TiC由复合焊料中的Ti元素向母材石墨处扩散并与母材反应生成。
应用实施例2
将实施例2制得的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料用于连接石墨与紫铜，具体步骤如下:
1、将石墨和紫铜的待连接面用砂纸逐级研磨抛光，然后在酒精中超声清洗至少30min，吹干待用。
2、在实施例2制备的Cu-TiH2-Ni+B的复合焊料中加入少量丙三醇，调制成膏状后均匀涂抹在经步骤1处理后的石墨与紫铜的待连接面上，之后合上待连接面，得呈“三明治”状的“紫铜-复合焊料-石墨”接头。
3、将步骤2制得的“紫铜-复合焊料-石墨”接头置入真空炉中，在5kPa的压力进行钎焊：首先以10℃/min速率升温至700℃，保温60min，再以5℃/min速率升温到930℃，保温8min，之后随炉冷却至室温，得到最终产物紫铜/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头。
将本实施例制得的紫铜/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，结果显示：接头最高剪切强度可达石墨母材强度的80.0％。
从图4可以看出，本实施例得到的紫铜/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面剖面微观形貌图与应用实施例1所得接头的界面剖面微观形貌图(图2)相似，石墨/ 紫铜接头结合良好，焊料层较为均匀致密，未观察到裂纹以及孔隙。
从图5可以看出，本实施例制得的紫铜/Cu-TiH2-Ni+B复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域主要由由Cu、TiB、TiC、Ti-Cu以及Ti-Ni等金属间化合物组成。复合焊料中的Ti和B原位反应生成了TiB晶须。

Claims (11)

1.一种Cu-TiH2-Ni+B复合焊料，其特征在于，按重量百分比，由下述原料制备而成：
Cu粉：48％～53％，
TiH2粉：37％～42％，
Ni粉：3％～6％，
B粉：1％～4％。
2.根据权利要求1所述的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料，其特征在于，所述Cu粉、TiH2粉、Ni粉的粒径为45～55μm，B粉粒径为1～4μm。
3.权利要求1或2中所述的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的制备方法，其特征在于，将所述原料放入球磨机中球磨制备而成。
4.根据权利要求3所述的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的制备方法，其特征在于，所述球磨的速率为280～320rpm，时间为1.5～2.5h。
5.权利要求1或2中所述的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料的应用，其特征在于，将其作为焊料用于制备石墨和Cu合金的接头。
6.一种石墨和Cu合金的接头，其特征在于，它是采用权利要求1或2中所述的Cu-TiH2-Ni+B复合焊料连接制得。
7.根据权利要求6所述的石墨和Cu合金的接头，其特征在于，所述Cu合金为CuCrZr合金或紫铜。
8.权利要求6所述的接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
将所述Cu-TiH2-Ni+B复合焊料与丙三醇混合调制成膏状，涂抹在石墨与Cu合金的待连接面上，合上待连接面，钎焊。
9.根据权利要求8所述的接头的制备方法，其特征在于，所述石墨与Cu合金的待连接面经过抛光、清洗和干燥处理；其中清洗为用丙酮或酒精超声清洗至少30min。
10.根据权利要求8所述的接头的制备方法，其特征在于，所述钎焊条件为：在5～10kPa的压力下真空钎焊，钎焊的温度为880～930℃，钎焊的保温时间为8～15min。
11.根据权利要求10所述的接头的制备方法，其特征在于，在达到所述钎焊的温度前，还包括下述步骤：以10℃/min速率升温至700℃，保温60min，再以5℃/min速率升温到钎焊温度。
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