CN112620847A - 一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于异质材料连接技术领域，具体涉及一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，包括：将碳基材料基体放入有机溶剂中进行超声波清洗、加热烘烤除气并抽真空；利用Ar气等离子体对碳基材料表面进行溅射清洗，同时对碳基材料进行预加热；在碳基材料基体表面上制备金属碳化物冶金层；在金属碳化物冶金层的表面沉积金属化涂层；关闭金属靶材电源，停止工作气体Ar气的充入，关闭加热，真空腔室中的真空度恢复为本底真空度，待碳基材料基体冷却后取出。本发明方法有效解决碳基材料与铜合金连接存在热膨胀系数差异大和润湿性差的问题，实现碳基材料与铜合金热沉材料之间的冶金结合。

Description

一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法

技术领域

本发明属于异质材料连接技术领域，具体涉及一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法。

背景技术

包括第一壁和偏滤器在内的面向等离子体高热流部件，其研发和制造是聚变堆的核心技术之一。由于该类部件的服役环境及功能性需求，使其具有独特的三层结构，包括面向等离子体的盔甲材料、中间热沉材料及支撑背板材料。

碳基材料，例如石墨、CFC等，由于具有极高的熔点、较强的抗热冲击能力以及与良好的抗中子辐照损伤能力等优点，被候选为盔甲材料之一。目前，国内外的大多数聚变装置中都采用了碳基材料作为第一壁和偏滤器盔甲材料，碳基材料与铜合金热沉材料普遍采用的是螺栓机械连接，但这种连接方式存在较高的接触热阻，从而降低了部件可承受的热负荷能力，只适用于热通量较低、脉冲长度较短的聚变堆装置，并不适用于未来聚变装置的高热通量及长脉冲运行条件。

为满足碳基材料与铜合金热沉材料之间良好的导热性能，可采用焊接的方式来实现碳基材料与热沉材料之间形成冶金结合，以增加部件的主动除热能力。但碳基材料与铜及其合金焊接的难点在于：1)碳基材料与铜及其合金的热膨胀系数差异较大，在焊接冷却过程中接头区域易产生较大的焊接热应力而出现开裂；2)熔化铜及其合金、合金钎料均与碳基材料之间的润湿性较差。

为解决以上问题目前采用的方法为在碳基材料与铜合金之间增加一层金属层，即碳基材料表面金属化，利用金属涂层的塑性变形缓解释放热应力，同时增加碳基材料的润湿特性。常用的金属化方法有金属浇铸法，但该技术存在成本高、工艺控制困难等缺点。

因此，本发明专利针对以上实际应用领域对碳基材料与铜合金钎焊所提出的特殊要求，开发了一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，本发明方法有效解决碳基材料与铜合金连接存在热膨胀系数差异大和润湿性差的问题，实现碳基材料与铜合金热沉材料之间的冶金结合。

实现本发明目的的技术方案：一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)、将碳基材料基体放入有机溶剂中进行超声波清洗；

步骤(2)、将超声波清洗后的炭基材料置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气；

步骤(3)、将加热烘烤除气后的碳基材料置于真空腔室中进行抽真空；

步骤(4)、向真空腔室中充入工作气体Ar气，利用Ar气等离子体对碳基材料表面进行溅射清洗，同时对碳基材料进行预加热；

步骤(5)、调节工作气体Ar气的充入量，采用电弧离子镀中高能离子输出段，开启金属靶材电源，在碳基材料基体表面上制备金属碳化物冶金层；

步骤(6)、保持Ar气总流量及真空度不变，缓慢地降低脉冲偏压及直流偏压的幅值，在金属碳化物冶金层的表面沉积金属化涂层；

步骤(7)、沉积金属化涂层后，关闭金属靶材电源，停止工作气体Ar气的充入，关闭加热，真空腔室中的真空度恢复为本底真空度，待碳基材料基体冷却后取出。

所述步骤(1)中有机溶剂为丙酮、无水乙醇。

所述步骤(1)中超声波清洗的时间为30min。

所述步骤(2)中加热烘烤除气具体为：100℃保温5～10h，400℃保温2～5h，800℃保温2～5h。

所述步骤(3)中抽真空的真空度为1.0×10^-3Pa。

所述步骤(4)向真空腔室中充入工作气体Ar气前，真空腔室中的真空度继续保持为本底真空度1.0×10^-3Pa。

所述步骤(4)向真空腔室中充入工作气体Ar气后，真空腔室中的真空度保持为0.05～3.0Pa。

所述步骤(4)中溅射清洗的离子源电流为0.5～2A，电压为300～800V，清洗时间为10～30min。

所述步骤(4)中预加热的温度为100～300℃。

所述步骤(5)中调节工作气体Ar气的充入量，使得真空腔室中的真空度保持为0.1～2.0Pa。

所述步骤(5)中使用的金属靶材为Si、Al、Ti、Zr、Cr、Mo、W金属中的一种或多种。

所述步骤(5)中电弧离子镀的脉冲偏压为-1000～-500V，占空比为50～80％，直流偏压为-200～-100V，弧流为50～120A，沉积时间为1～2h。

所述步骤(6)中沉积金属化涂层的脉冲偏压为-200～-300V，占空比为15～30％，直流偏压为-50～-100V，弧流为60～100A，沉积时间为30～60min。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法能够在碳基材料的表面原位获得金属碳化物冶金层，有效增强碳基材料与铜合金之间钎焊连接的可行性、可靠性；

2、本发明的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法充分利用了电弧离子镀技术中高偏压、大电流段的高能离子输出轰击碳基材料表面，使金属离子与碳基材料表面微米尺度内发生化学反应生成金属碳化物，形成牢固的冶金结合层；随后梯度沉积的金属化涂层，增加了碳基材料的表面能，从而提高了合金钎料在碳基材料表面的润湿性；

3、本发明的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法工艺重复性好、易于控制，且环保，适合工业化生产，所制备得到的连接件的拉伸强度能够有效提高，满足未来聚变堆高热通量及长脉冲运行条件；

4、本发明的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法可以广泛应用于提高低表面能异质材料之间的连接。

附图说明

图1为本发明实施例1中石墨表面Ti涂层金属化涂层的扫描电镜(SEM)形貌图；

图2为本发明实施例1中石墨表面Ti金属化涂层的XRD衍射图谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

以石墨为碳基材料，Ti为金属靶材，进行碳基材料的金属化涂层制备。

步骤(1)、超声波清洗

将石墨材料经金相砂纸逐级打磨抛光后，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30min超声波清洗；

步骤(2)、加热烘烤除气

将超声波清洗之后的石墨置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气，100℃保温8h，400℃保温4h，800℃保温2h；

步骤(3)、安装抽真空

加热除气后的石墨置于真空腔室中进行抽真空，抽真空度至1.0×10^-3Pa；

步骤(4)、溅射清洗

保持真空腔室中本底真空度为1.0×10^-3Pa，向真空腔室中充入工作气体Ar气，使真空腔室中真空度保持在0.1Pa，利用Ar气等离子体对石墨表面进行溅射清洗，离子源电流1A，电压500V，清洗时间20min，同时对石墨进行预加热，预加热温度为300℃；

步骤(5)、金属碳化物冶金层制备

调节工作气体Ar气的充入量，使真空腔室中真空度保持在0.5Pa，采用电弧离子镀法，所用电弧靶为Ti，Ti靶纯度＞99.99％，脉冲偏压为-1000V，占空比为80％，直流偏压为-200V，弧流为80A，沉积时间为1h。

步骤(6)、金属化涂层制备

真空腔室中真空度保持在0.5Pa，缓慢的降低脉冲及直流偏压的幅值，最终使得脉冲偏压降至-200V，占空比为15％，直流偏压为-80V，弧流为100A，沉积时间为30min。

步骤(7)、取出沉积金属化涂层的碳基材料

沉积完后关闭Ti金属靶电源，关闭工作气体Ar气，关闭加热，反应室基底真空恢复本底真空度1.0×10^-3Pa后，待沉积Ti涂层的石墨基体冷却后取出。

实施例2

以石墨为碳基材料，Cr为金属靶材，进行碳基材料的金属化涂层制备。

步骤(1)、超声波清洗

将石墨材料经金相砂纸逐级打磨抛光后，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30min超声波清洗；

步骤(2)、加热烘烤除气

将超声波清洗之后的石墨置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气，100℃保温10h，400℃保温5h，800℃保温5h；

步骤(3)、安装抽真空

加热除气后的石墨置于真空腔室中进行抽真空，抽真空度至1.0×10^-3Pa；

步骤(4)、溅射清洗

保持真空腔室中本底真空度为1.0×10^-3Pa，向真空腔室中充入工作气体Ar气，使真空腔室中真空度保持在0.05Pa，利用Ar气等离子体对石墨表面进行溅射清洗，离子源电流0.5A，电压800V，清洗时间30min，同时对石墨进行预加热，预加热温度为100℃；

步骤(5)、金属碳化物冶金层制备

调节工作气体Ar气的充入量，使真空腔室中真空度保持在0.2Pa，采用电弧离子镀法，所用电弧靶为Cr，Cr靶纯度＞99.99％，脉冲偏压为-500V，占空比为50％，直流偏压为-100V，弧流为120A，沉积时间为2h。

步骤(6)、金属化涂层制备

真空腔室中真空度保持在0.2Pa，缓慢的降低脉冲及直流偏压的幅值，最终使得脉冲偏压降至-300V，占空比为30％，直流偏压为-50V，弧流为80A，沉积时间为60min。

步骤(7)、取出沉积金属化涂层的碳基材料

沉积完后关闭Cr金属靶电源，关闭工作气体Ar气，关闭加热，反应室基底真空恢复本底真空度1.0×10^-3Pa后，待沉积Cr涂层的石墨基体冷却后取出。

实施例3

以CFC为碳基材料，Ti为金属靶材，进行碳基材料的金属化涂层制备。

步骤(1)、超声波清洗

将CFC材料经金相砂纸逐级打磨抛光后，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30min超声波清洗；

步骤(2)、加热烘烤除气

将超声波清洗之后的CFC置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气，100℃保温5h，400℃保温2h，800℃保温3h；

步骤(3)、安装抽真空

加热除气后的CFC置于真空腔室中进行抽真空，抽真空度至1.0×10^-3Pa；

步骤(4)、溅射清洗

保持真空腔室中本底真空度为1.0×10^-3Pa，向真空腔室中充入工作气体Ar气，使真空腔室中真空度保持在3Pa，利用Ar气等离子体对石墨表面进行溅射清洗，离子源电流2A，电压300V，清洗时间10min，同时对石墨进行预加热，预加热温度为300℃；

步骤(5)、金属碳化物冶金层制备

调节工作气体Ar气的充入量，使真空腔室中真空度保持在0.2Pa，采用电弧离子镀法，所用电弧靶为Ti，Ti靶纯度＞99.99％，脉冲偏压为-1000V，占空比为80％，直流偏压为-200V，弧流为100A，沉积时间为1h。

步骤(6)、金属化涂层制备

真空腔室中真空度保持在0.2Pa，缓慢的降低脉冲及直流偏压的幅值，最终使得脉冲偏压降至-200V，占空比为20％，直流偏压为-100V，弧流为100A，沉积时间为30min。

步骤(7)、取出沉积金属化涂层的碳基材料

沉积完后关闭Ti金属靶电源，关闭工作气体Ar气，关闭加热，反应室基底真空恢复本底真空度1.0×10^-3Pa后，待沉积Ti涂层的石墨基体冷却后取出。

实施例4

以CFC为碳基材料，Cr为金属靶材，进行碳基材料的金属化涂层制备。

步骤(1)、超声波清洗

将CFC材料经金相砂纸逐级打磨抛光后，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30min超声波清洗；

步骤(2)、加热烘烤除气

将超声波清洗之后的CFC置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气，100℃保温8h，400℃保温3h，800℃保温3h；

步骤(3)、安装抽真空

加热除气后的CFC置于真空腔室中进行抽真空，抽真空度至1.0×10^-3Pa；

步骤(4)、溅射清洗

保持真空腔室中本底真空度为1.0×10^-3Pa，向真空腔室中充入工作气体Ar气，使真空腔室中真空度保持在0.06Pa，利用Ar气等离子体对石墨表面进行溅射清洗，离子源电流0.5A，电压800V，清洗时间30min，同时对石墨进行预加热，预加热温度为300℃；

步骤(5)、金属碳化物冶金层制备

调节工作气体Ar气的充入量，使真空腔室中真空度保持在0.2Pa，采用电弧离子镀法，所用电弧靶为Cr，Cr靶纯度＞99.99％，脉冲偏压为-1000V，占空比为80％，直流偏压为-200V，弧流为100A，沉积时间为1h。

步骤(6)、金属化涂层制备

真空腔室中真空度保持在0.2Pa，缓慢的降低脉冲及直流偏压的幅值，最终使得脉冲偏压降至-200V，占空比为20％，直流偏压为-60V，弧流为60A，沉积时间为30min。

步骤(7)、取出沉积金属化涂层的碳基材料

沉积完后关闭Cr金属靶电源，关闭工作气体Ar气，关闭加热，反应室基底真空恢复本底真空度1.0×10^-3Pa后，待沉积Cr涂层的石墨基体冷却后取出。

实施例5

以石墨为碳基材料，Ti为金属靶材，进行碳基材料的金属化涂层制备。

步骤(1)、超声波清洗

将石墨材料经金相砂纸逐级打磨抛光后，依次放入丙酮、无水乙醇中分别进行30min超声波清洗；

步骤(2)、加热烘烤除气

将超声波清洗之后的石墨置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气，100℃保温8h，400℃保温4h，800℃保温2h；

步骤(3)、安装抽真空

加热除气后的石墨置于真空腔室中进行抽真空，抽真空度至1.0×10^-3Pa；

步骤(4)、溅射清洗

保持真空腔室中本底真空度为1.0×10^-3Pa，向真空腔室中充入工作气体Ar气，使真空腔室中真空度保持在0.1Pa，利用Ar气等离子体对石墨表面进行溅射清洗，离子源电流1A，电压500V，清洗时间20min，同时对石墨进行预加热，预加热温度为300℃；

步骤(5)、金属化涂层制备

真空腔室中真空度保持在0.5Pa，缓慢的降低脉冲及直流偏压的幅值，最终使得脉冲偏压降至-200V，占空比为15％，直流偏压为-80V，弧流为100A，沉积时间为30min。

步骤(6)、取出沉积金属化涂层的碳基材料

沉积完后关闭Ti金属靶电源，关闭工作气体Ar气，关闭加热，反应室基底真空恢复本底真空度1.0×10^-3Pa后，待沉积Ti涂层的石墨基体冷却后取出。

实施例6

对实施例1制备的沉积Ti涂层的石墨进行电镜扫描，电镜扫描图见图1。

图1显示，实施例1制备的金属涂层平整致密。

实施例7

对实施例1制备的沉积Ti涂层的石墨进行XRD衍射分析，XRD衍射图谱见图2。

由图2可知，实施例1制备的金属涂层具有α-Ti，C及TiC晶体衍射峰，TiC表现为(111)、(200)和(220)混合多晶取向，TiC的存在说明在CFC金属化过程中金属Ti与C发生了界面反应，表明涂层在过渡区域生成了TiC冶金层。

实施例8

对实施例1-5制备的沉积金属涂层的碳基材料浇铸钎焊后的部件进行连接性能测试，测试获得的最大拉伸强度分别为：27MPa、20.5MPa、24.5MPa、17.6MPa和8.2MPa。

由本实施例获得的最大拉伸强度可知，实施例1-4获得的最大拉伸强度较高，分别为：27MPa、20.5MPa、24.5MPa、17.6MPa；而实施例5获得的最大拉伸强度较低，仅为8.2MPa。

获得以上结果的原因在于：实施例1-4由于电弧离子镀时采用高偏压，使金属离子与碳基材料发生化学反应生成金属碳化物冶金层，在碳基材料表面制备金属化涂层前，先进行金属碳化物冶金层的制备，能够有效提高沉积金属涂层的碳基材料浇铸钎焊后的部件的最大拉伸强度；而实施例5由于电弧离子镀时采用低偏压，未能使金属离子与碳基材料发生化学反应生成金属碳化物冶金层，而是直接在碳基材料上制备金属化涂层，最终导致获得的最大拉伸强度较低，仅为8.2MPa。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (13)

1.一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)、将碳基材料基体放入有机溶剂中进行超声波清洗；

步骤(2)、将超声波清洗后的炭基材料置于真空加热炉中，采用梯度加热的方式进行加热烘烤除气；

步骤(3)、将加热烘烤除气后的碳基材料置于真空腔室中进行抽真空；

步骤(4)、向真空腔室中充入工作气体Ar气，利用Ar气等离子体对碳基材料表面进行溅射清洗，同时对碳基材料进行预加热；

步骤(5)、调节工作气体Ar气的充入量，采用电弧离子镀中高能离子输出段，开启金属靶材电源，在碳基材料基体表面上制备金属碳化物冶金层；

步骤(6)、保持Ar气总流量及真空度不变，缓慢地降低脉冲偏压及直流偏压的幅值，在金属碳化物冶金层的表面沉积金属化涂层；

步骤(7)、沉积金属化涂层后，关闭金属靶材电源，停止工作气体Ar气的充入，关闭加热，真空腔室中的真空度恢复为本底真空度，待碳基材料基体冷却后取出。

2.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(1)中有机溶剂为丙酮、无水乙醇。

3.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(1)中超声波清洗的时间为30min。

4.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(2)中加热烘烤除气具体为：100℃保温5～10h，400℃保温2～5h，800℃保温2～5h。

5.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(3)中抽真空的真空度为1.0×10^-3Pa。

6.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(4)向真空腔室中充入工作气体Ar气前，真空腔室中的真空度继续保持为本底真空度1.0×10^-3Pa。

7.根据权利要求6所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(4)向真空腔室中充入工作气体Ar气后，真空腔室中的真空度保持为0.05～3.0Pa。

8.根据权利要求7所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(4)中溅射清洗的离子源电流为0.5～2A，电压为300～800V，清洗时间为10～30min。

9.根据权利要求8所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(4)中预加热的温度为100～300℃。

10.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(5)中调节工作气体Ar气的充入量，使得真空腔室中的真空度保持为0.1～2.0Pa。

11.根据权利要求10所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(5)中使用的金属靶材为Si、Al、Ti、Zr、Cr、Mo、W金属中的一种或多种。

12.根据权利要求11所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(5)中电弧离子镀的脉冲偏压为-1000～-500V，占空比为50～80％，直流偏压为-200～-100V，弧流为50～120A，沉积时间为1～2h。

13.根据权利要求1所述的一种增强碳基材料与铜合金钎焊连接的方法，其特征在于，所述步骤(6)中沉积金属化涂层的脉冲偏压为-200～-300V，占空比为15～30％，直流偏压为-50～-100V，弧流为60～100A，沉积时间为30～60min。

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