CN1937095A - 带已进行结构处理的钨部件的复合构件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由钨和铜部件组成的复合构件的制作方法，该复合构件通过一结合工艺整体结合成形，其中，钨部件在结合工艺前在其结合表面进行结构处理，以产生一更大的表面面积。

Description

带已进行结构处理的钨部件的复合构件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种复合构件的制作方法，该复合构件通过一结合工艺，将钨含量＞90重量百分比的钨或钨合金部件，整体结合到一热传导性＞250W/mK的铜或铜合金中。
背景技术
在生产钨-铜复合构件过程中突出的难题在于这两种金属具备很不同的热膨胀性能，在室温下钨的热膨胀系数为4.5×10-6K-1，而铜则为16.6×10-6K-1。
将钨和铜混合的工艺如点焊接(Lten)、重铸(Hintergieβen)、扩散焊接(Diffusionsschweiβen)等技术已有描述，这些操作通常在700～1300℃之间进行，然而随着温度的降低，由于钨和铜不同热膨胀系数的原因，二者结合面之间产生应力。应力也可发生于复合构件的使用场合，因为复合构件在使用时常常经受热循环负荷。
复合构件的一个重要应用是在聚变反应器中的首层屏障。在聚变反应器正常运行状态下，在首层屏障的表面可产生高达10MW/m2的能量流。等离子的衰减时，几乎20GJ的能量在数毫秒的时间内释放。首层屏障的发展尤其在高能量领域的应用，比如热核装置收集器、折流板和限幅器，标志着聚变领域中的一项关键技术。
首层屏障对材料的要求各不相同，并且在一定程度上相互矛盾。除了具备物理机械性能比如高热传导、高熔点、低蒸汽压力、抗热冲击性能和易于制作外，另外在核聚变中还需要一些特殊性能，比如在高中子通量作用下的反应和变性能力弱，在等离子和中性离子作用下的低腐蚀性，局部电光弧和最强辐射与由特殊辐射产生的低温作用下的低腐蚀性。钨正具备首层屏障所要求的低等离子温度和离子的高通量。钨具备良好的热传导性，比如在室温下可达165W/mK。此外，高熔点、低氚吸附性、低真空排气率等特性使钨具备了应用于首层屏障的条件。高热量和循环负荷的会导致钨铜之间的界面断裂或剥落，热驱散障碍将会导致元件的熔解。
大量的研究已经开展，并取得了一定进展，其目的在于获得一种复合构件，它由面向等离子的钨区和铜构成的散热器复合而成，二者界面中仅存在着较小的复合应力。一些减少界面应力的方法取得成功，比如在钨表面采用小立方体或圆杆，其长度或直径为数毫米，插入铜表面。这种元件减少了在合成过程中和热循环工作中的热应力。但是该中元件仍有在热负荷作用下钨铜断裂的潜在危险。
许多努力已经付诸于减少钨铜应力，通过钨铜之间逐渐过度的方法。美国专利US5126106描述了一种应用铜FGM的方法。其中带有多孔的钨元件，通过等离子喷射将铜渗入其中。
在US5988488中同样也介绍了应用等离子喷射来完成钨铜之间的过渡。与US5126106相比较，该方法同样也采用等离子喷射使铜沉积，粉末混合物中含有一定数量的钨和铜，在金属钨和FGM间有一层金属膜促进二者的粘合。
在US5988488中进一步解释了出于实验的目的，一层由铜和钨混合材料通过焊接或浇铸应用于钨铜散热器中。
可以看出US5126106和US5988488所造元件具备了更进一步的抗热断裂性能，其不足之处在于两种方法程序复杂，由此而制作的元件价格昂贵。另外上述方法其平瓦状结构在实际应用中受限。由于几何学上的原因，这种由单一几何的转变显得不大可能。
发明内容
本发明的目的是至少提供一种复合构件，它至少局部由钨或钨合金和铜或铜合金构成，其具备良好的性能，尤其在抗热疲劳方面，而且费用并不昂贵。
本发明的任务是通过各独立权利要求来实现的。
复合构件至少有两种部件组成，其中钨或钨合金部件中钨的含量不少于90重量百分比，铜或铜合金所具备的热传导性大于250W/mK。在后面的描述中，任何指钨当然包括钨合金的材料，钨的纯度均大于90重量百分比，铜包括铜合金，其热传导性大于250W/mK。钨的含量小于90重量百分比会导致热稳定性下降或热传导性下降。如铜或铜合金中的热传导性小于等于250W/mK，热量不能及时消散，在钨和铜部件结合之前，钨部件的结合面已经进行结构处理成型。这种结构明显提高了元件的刚度，尤其在周期性的应力作用下。与其他同类技术能提高元件强度相比，这种构造价格相对低廉。通过周期性的负荷实验测试，可以得出由这项发明在聚变反应器的首层屏障使用中，极大的提高了其使用寿命，这个发明解决了多年来存在的一个难题。
构造学中大体钨表面的面积比增大需要解释，这种结构可以通过适当的电子束照射法来完成。在本例中需要进一步说明的是电子束尤其合适。电子束通过操纵产生周期性的隆起和凹陷，如果凹陷的深度和隆起的高度在10um至2mm之间，其具备了所需要的特性，尤其隆起和凹陷的形状为圆锥形。如果所有的凹陷和隆起具备大致一致的直径、高度和间距，至少10％的结合面已经成型。
构件也可以通过机械技术来完成。由于钨本身固有的易碎性，易于磨造的外形尤其适合，在金字塔状的隆起中同样存在。满意的结果需要铣削变形，其特性体现在隆起和凹陷具有大致相同的直径、深度和间距，至少10％的结合面已经成型。
此外需要强调的合适技术工艺是粉末冶金术，粉末中含有至少90％的钨，并且其微粒尺度(Fisher)0.5um至10um紧密结合利用距阵锻压，压力在100MPa至600MPa之间。冲压机使其表面成型。这种半成品在低压力或真空中从1400℃到2700℃烧结。细粉采用低温，粗粉则采用高温。所需要的烧结温度可在相应的Ashby图谱中查找。
理想的钨材料包括单晶钨、纯钨、硅酸铝钾钨(AKS-W)、超纯度钨(UHP-W)、纤晶钨、非晶形钨、氧化扩散强化钨(ODS-W)、钨铼合金、ODS钨铼和碳化物、氮化物和硼化物等组成的合金来增加其强度。这些化合物与钨的构成体积比为0.05％至1％，钨和1％三氧化二镧(重量百分比)复合构件的性能尤其突出，其中一部分钨或钨合金的表面是有利的。
已经证明铜或铜合金与钨或钨合金在合成时假如无氧高传导性铜(OFHC-Cu)是有益的。为了增加钨铜之间的湿度，应用金属元件或合金比如在钨表面进行涂层，其可以溶解于钨，同时也能溶解于铜，或与二者进行反应。铁类元素或合金比如镍正适合此种需求。
通过焊接也可以达到结合要求，在这种情况下一件成型的钨与一件成型或未成型的铜进行焊接，通过焊接使构件中的凹陷处填平。
扩散焊接也是更合适的结合方法，其通过热均衡冲压来实现。在这种情况下，一件成型的钨元件置于容器中(比如钢制)与非定型的铜元件通过在100至250MPa热均衡冲压，在相应铜的固相线下50℃至300℃。在这种情况下，铜注入构件中的凹陷部分，并完全填充。
通过这种方法合成的元件具有良好的可操作性，尤其在周期性负荷应力作用下。由其所生产的元件特别适用于聚变反应器的首层屏障(比如折流板、缓冲板)。为了提高首层屏障的强度和刚性，一种强度大于300MPa的金属加入铜中。这些可以增加强度的金属复合物如Cu-Cr-Zr、ODS铜和奥氏体钢。适当的合成工艺根据不同的材料改变。铜铜或铜钢组合适宜焊接或压焊，比如通过热均衡冲压。对铜铜组合还可采用熔焊法，如电子束焊接。
附图说明
本发明可以通过进一步的实施例来加以说明。
图1为扫描电镜观察下通过电子束进行结构处理而成的钨部件。
具体实施方式
实施例1：
钨件，尺寸为25×40×10mm，通过磨削形成的结合面积为25×40mm，在制作过程中，钨表面有金字塔状的突起。每个金字塔的底边长0.8mm，其高度为1mm，而金字塔顶为边长0.2mm的正方形。每个金字塔周围有0.2mm的空隙。所获得的部件接着与铜元件重铸，将体积为25×40×5mmOFHC-铜板在真空状态下加热至其熔点以上，在其液相状态下保留数分钟，加热炉冷却。如此获得含有钨和OFHC-铜的复合构件产生。这个元件的体积为24.5×39.5×12.5mm，(其中钨的厚度为9.5mm，OFHC铜的厚度为3mm)，随后被装配如体积为39.5×73.5×30mm的Cu-Cr-Zr中，面积39.5×73.5mm代表复合构件和Cu-Cr-Zr的接触面积。在此装配中，复合构件与Cu-Cr-Zr复合体在钢制容器内焊接，并抽气、密封。然后进入HIP程序中900℃/1000杆。完毕后，钢制容器被机械移走，加热后(1/2h，970℃)通过气淬火快速冷却，冷却速度大于1℃/S，在475℃贮存3小时使得Cu-Cr-Zr的硬度增加。
通过此种方法合成的复合构件在首层屏障中具有良好的散热能力。
实施例2：
钨-1％三氧化二镧复合构件，尺寸为25×40×10mm，结合面积为25×40mm，其通过电子束来铸成。以该法在钨表面所形成的突起和凹陷如图1所表示。为了生产复合构件中的铜部件，将已进行结构处理的钨-1％三氧化二镧部件和铜件共同铸造，为此体积为25×40×5mm的OFHC铜板在真空下加热至铜的熔点以上，当到达液态时保持数分钟，然后逐渐冷却。通过这种方式复合构件被制成(其体积为24.5×39.5×12.5mm，1％的三氧化二镧厚度为9.5mm，OFHC铜的厚度为3mm)。首层屏障同例1被制成。
实施例3：
钨制元件，尺寸为35×50×15mm，在其表面(35×50mm)距阵冲压而成，为此，使用粒经为4.5um的纯钨粉，在半成品的表面，规则金字塔形状其高和边长均为1mm被冲压成型。在300MPa压力作用下，其相对密度达到65％，然后在氢气存在的情况下2400℃烧结，其相对密度达到95％。随后25×40×5mm的体积获得(接合面：25×40mm).如此获得的部件与体积为25×40×5mm的OFHC铜板重铸，在真空状态下加热到铜的熔点以上，到达液态时保持数分钟，冷却，复合构件由此制成。首层屏障同例1被制成。

Claims (21)

1.一种由钨含量＞90重量百分比的钨或钨合金与热传导性＞250W/mK的铜或铜合金组成的复合构件的制作方法，其特征在于，为产生一更大的表面面积，钨或钨合金部件的接合面在结合工艺前进行结构处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件通过产生凹陷和隆起来进行结构处理。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，各隆起和/或凹陷具有统一的尺寸和/或间距。
4.如权利要求1～3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少10％的结合表面具有隆起或凹陷。
5.如权利要求1～4中任一权利要求所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件通过射线照射法进行结构处理。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，凹陷的深度和隆起的高度为100um至2mm。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，隆起和凹陷的形状近似圆锥形。
8.如权利要求5～7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件是通过电子射线来进行结构处理的。
9.如权利要求1～4中任一权利要求所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件采用机械加工进行结构处理。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件通过仿形削磨进行结构处理。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，进行结构处理获得金字塔形的凸起。
12.如权利要求1-4中任一权利要求所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件通过粉末冶金工艺进行结构处理。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，粉末混合物中含有至少90重量百分比的钨，且粒径为0.5um至10um的微粒，该混合物通过压力在100MPa至600MPa之间的距阵锻压紧密结合，冲压机使其表面成型，这种半成品在低压力或真空中在1400℃到2700℃温度下烧结。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，距阵冲压所产生的金字塔形凹陷的基准长度为0.5～2mm。
15.如权利要求1～14中任一权利要求所述的方法，其特征在于，钨合金为钨-1％La2O3重量百分比。
16.如权利要求1～15中任一权利要求所述的方法，其特征在于，铜部件由OFHC铜制成。
17.如权利要求1～16中任一权利要求所述的方法，其特征在于，钨或钨合金部件与铜或铜合金部件的结合通过重铸形成。
18.如权利要求1～16中任一权利要求所述的方法，其特征在于，部件的连接由焊接来完成。
19.如权利要求1～16中任一权利要求所述的方法，其特征在于，部件的连接由扩散焊接来完成，最好是采用热平衡冲压。
20.如权利要求1～19中任一权利要求所述的方法，其特征在于，复合构件用作聚变反应的首层屏障。
21.由钨含量＞90重量百分比的钨或钨合金与热传导性＞250W/mK的铜或铜合金组成的复合构件，由一结合工艺整体结合成形，其特征在于，钨或钨合金的部件在结合表面进行结构处理。
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