專利名稱：通過插入轉換材料來接合陶瓷材料與金屬材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過插入轉換材料來接合陶瓷材料與金屬材料的方法。陶瓷材料尤其是指石墨纖維復合物，金屬材料尤其是指銅管，轉換材料優(yōu)選為銅或銅合金。本發(fā)明找到了用于制造核聚變反應堆的收集器的優(yōu)選方案，尤其是用于托卡馬克型反應堆的制造方案。
背景技術：
在本技術領域的各個方面，人們需要將具有不同理化特性的材料與能承受高熱應力的材料進行接合。在這樣的接合中，材料受到其所接觸的熱流的影響，在接合的相同制造過程以及組件的實際操作過程中，在這些材料上誘導產生高機械應力。尤為重要的是，當溫度相等時，材料的不同的熱膨脹系數(shù)導致材料的不同的變形。
所述問題尤其發(fā)生在核聚變反應堆領域，具體來說是發(fā)生在所謂的托卡馬克型反應堆的收集器的制造過程中。
本領域技術人員所熟知，收集器是用于將熱量從等離子體傳到冷卻劑的傳導熱交換器，該冷卻劑流入所述收集器內部的金屬管中。因此，托卡馬克反應堆收集器是在非常高溫的熱流下，尤其是在20MW/m2的條件下最能承受熱應力的組件。因而，在諸如鎢或石墨纖維復合物(CFC)等的陶瓷耐火材料中，所述金屬管應該通過一外涂層來避免與等離子體的直接接觸。典型的收集器大致分成兩個區(qū)域在第一個區(qū)域中，提供一股較高溫的熱流，金屬管通過碳基體合成物(碳纖維復合物CFC)來保護，而在第二個區(qū)域中，提供一個較低溫的熱流，金屬管通過多個或者單個鎢(W)塊來保護。
如上所述，金屬管與起保護作用的陶瓷材料(shielding ceramic material)間的接合應該能承受制造過程中產生的熱流，并且能確保最理想的熱交換性能，即使在數(shù)千個機器周期后仍然能夠達到這樣。
然而，如上所述，考慮到與外表面接觸的等離子體與冷卻劑的溫度差異甚至達到2000℃，由于不同的膨脹系數(shù)，熱流在接合的材料中誘導產生大量的機械應力。例如，由銅或銅合金制成的管在500℃具有約等于20×10-6的熱膨脹系數(shù)(thermal expansioncoefficient，TEC)，而耐火涂料實際上只具有零熱膨脹系數(shù)(TEC)。
由接合材料的不同膨脹系數(shù)誘導的機械應力意味著會使材料產生裂紋、裂縫或者其他機械損壞等的變形，這些機械損壞包括組件操作和組件安全方面的損壞。
為解決這些缺陷，人們嘗試在耐火材料與金屬管之間放置一種軟的稱為“轉換(transition)”材料的合適厚度材料。該轉換材料的功能是抵消耐火材料與金屬管之間的熱膨脹系數(shù)的巨大差異，且作為耐火材料與金屬管之間的機械“耐受(bearing)”以避免所述裂紋或裂縫等的變形。
然而，必須注意的是，轉換材料(通常且尤其是采用處于熔化狀態(tài)的銅)不能擴散到陶瓷材料中(尤其是不能擴散到石墨中)來濕潤材料以產生在兩種材料之間的連續(xù)性，而這種連續(xù)性恰是獲得一個良好接合所必需的。即使在高溫條件下，也不能成功地實現(xiàn)上述擴散。
為解決轉換材料對耐火材料產生的濕潤性的問題，人們嘗試提出用稱為“化學汽相沉積作用” (Chemical vapour deposition)的技術來由鈦汽化來活化所述耐火材料。然而，此接合的制造方法非常復雜且成本高。

發(fā)明內容
因此，為解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供上述類型的接合的制造方法，并結合已知技術來克服上述缺陷。
根據(jù)權利要求1所述的方法可以解決這個問題。
根據(jù)相同的發(fā)明理念，本發(fā)明還涉及一個熱交換器，根據(jù)權利要求34所述，該熱交換器尤其是指一個收集器。
本發(fā)明的較佳特點將會在相關的權利要求中加以闡述。
本發(fā)明提供了多個相關的優(yōu)點，從以下具體的描述可以得到更好的了解。本發(fā)明的主要優(yōu)點是通過一種有效的和低成本的方法步驟得到一個高機械阻力和高熱阻的接合。


本發(fā)明的其它優(yōu)點、特點和采用的方式將在以下實施例的具體描述中以實施例形式有目的地清楚列出，并結合以下附圖作為參考，其中* 圖1和圖2分別為顯示Dunlop678型Cu//CFC接合的SEM(掃描電子顯微鏡)圖。該接合是根據(jù)本發(fā)明所述的方法來制造的。
* 圖3和圖4分別為顯示接合的SEM圖。該接合是根據(jù)本發(fā)明所述的方法來制造的。
本發(fā)明的接合方法將會以一個優(yōu)選的申請方案為背景、主要以托卡馬克反應堆的收集器的制造來加以描述。
具體實施例方式
如介紹所述，這樣的收集器設想是通過插入轉換材料來接合耐火陶瓷材料的外涂層和內金屬管。當收集器彎曲且基本上具有接納所述管的圓錐形幾何結構時，接合在用于接合耐火材料的一個表面上進行。
根據(jù)本發(fā)明一個較佳的實施例，陶瓷材料是石墨纖維復合物(CFC)，轉換材料是OFHC(“無氧高導電性”)的銅。
正如介紹中通常提到的，CFC化合物特別適用于制造收集器中最具有熱應力的區(qū)域。另一個不同的實施例則提出用作耐火材料的鎢(W)適用于制造收集器中具有較少應力的區(qū)域。
耐火材料以塊或磚的形式制造，以應用到冷卻劑流過的管的表面。
在接合制造方法的第一個步驟中，在耐火材料中穿一個用于接納所述管的孔。
然后，在孔的內表面，即所述接合表面，通過機械加工在其中制得一個圓柱多頭螺紋，最好是制得一個七頭螺紋。優(yōu)選地，該螺紋具有約0.3-1.0mm的深度范圍，且最好的深度約等于0.6mm。
再次，孔的內表面通過對轉換材料的化學清洗(chemical cleaning)來準備接合，最好是用丙酮在已知的超聲波機中來進行化學清洗。然后，干燥孔的內表面，最好在約200℃下在空氣爐中進行干燥。
在所述方法的下一步驟中，耐火材料在真空爐中脫氣，最好是在高于10-5mbar的真空條件以及在高于約1350℃的溫度條件下進行脫氣。該步驟的目的是為了減少可能影響所述方法的下一步驟的殘留于耐火材料的物質。
根據(jù)本發(fā)明所述，接合方法設計為用銅焊料或合金進行預銅焊，優(yōu)選是用鈦-銅-鎳合金進行預銅焊，例如可用由Wesgo公司生產的合金進行預銅焊。優(yōu)選的，這種預銅焊是在約900-1200℃的溫度范圍內，尤其是在高于約1050℃的溫度下，在高于約10-5mbar的真空下進行5分鐘的處理。
銅焊合金以箔的形式提供并定位于耐火材料的孔中，以覆蓋用于接合的整個區(qū)域。然后，將耐火材料-銅焊合金裝配件置于真空爐中進行處理，采用的處理溫度是適合于在所裝配的兩種材料間形成化合物的溫度。由此形成的化合物就是下一步用于與轉換材料進行接合的活性劑。在本實施例中，所述活性劑是TiC化合物，其具有超強的擴散到石墨中的性能。
在爐處理的最后階段，用常規(guī)方法去除多余的結晶銅焊合金。
然后，可以將轉換材料定位于孔內，且裝配在約10-6mbar的真空壓力和高于該轉換材料熔點的溫度下，在真空爐中處理5分鐘。因此，在這種情況下，爐處理在高于1083℃溫度下進行，該溫度是銅的熔點。另外，爐處理的溫度、時間和壓力應能給轉換材料帶來粘性，使其能滲入到在孔中形成的螺紋的各個部位，并且滲入到呈現(xiàn)耐火材料形態(tài)學的任何多孔部分。
最后，用常規(guī)方法去除多余的轉換材料，直至達到所需的厚度為止。轉換材料最后的厚度最好是在約0.5-1.0mm的范圍內。
最后，在此所述的耐火材料“瓦(tiles)”或塊通過如銅焊、熱等靜壓(HlPping，Hot lsostatic Pressing)、徑向熱壓工藝(HRP，Hot Radial Pressing)或其他類似技術接合到金屬管，在本實施例中，該金屬管由銅合金組成。
事實上，根據(jù)本發(fā)明所述，通過銅焊合金活化耐火材料的過程是與轉換材料的應用分開的，且先于轉換材料的應用能得到最理想的耐火材料的活化，并因此能實現(xiàn)轉換材料的最理想的接合。
因此，在實踐中，本發(fā)明所述的方法是通過將轉換材料置于預銅焊表面(pre-brazedsurface，PBC)來完成陶瓷材料和轉換材料的接合。
另外，必須注意的是，在非常高的溫度(例如，1000℃)下，任何類型的接合方法需承受在銅焊或鑄造周期中在接合材料間的交接面上的非常高的殘余應力。此外，耐火材料(尤其是在復合物狀態(tài)的石墨，如CFC)顯示出低的機械阻力。因此，接合過程不得不以這種方法來獲得接合，在這個接合方法中，活性表面僅稍微有所增加。
本實施例中，通過螺紋來解決這個問題。事實上，此解決方法有效地增加耐火材料的活性表面，該方法的應用甚至是分開和獨立于獨立權利要求所述的本發(fā)明的主題。另外，基于制造螺紋所提出的解決方法是非常低廉的方法，且在某些情況下比已知的通過高數(shù)量激光來制造淺微孔的解決方法更為有效。
此外，基于制造螺紋的解決方法有另外一個優(yōu)點，即事實上許多耐火材料(其中也包含石墨)是各向異性的。實際上，當活性表面得到同等延伸時，使用多頭螺紋可允許“加長(lengthen)”該螺紋，防止對耐火材料的堅固纖維(也就是，在CFC的例子中的縱向纖維)的更多部分的切斷或中斷。
在上述的實施例中，本發(fā)明所述的方法已通過了熱測試的評價，這種熱測試可誘導產生與制造和工作步驟中產生的類似的應力。
特別的測試是，接合的產品在空氣中被加熱至400℃，然后在室溫下迅速置于水中冷卻。這種處理重復30次來進行測試。
為了支持這種資格評定方法，對于樣品，采用脈沖反射超聲技術進行金相學的研究(光學顯微鏡和SEM)和無破壞性的對照。這些都說明了所述的接合方法能承受這些熱沖擊。因此，所述的接合也能承受劇烈的瞬時沖擊，例如那些在收集器的組件中常見的情形。
所述測試在兩種類型的CFC上進行，具體的是* 二維CFC，即其纖維主要朝向兩個方向(尤其是商品化可用的稱為“Dunlop678 byDunlop”的材料，即Dunlop公司的Dunlop678產品)；以及* 三維CFC，即在基體的制備中，其纖維向著三個方向，可提供更加均勻和具有更好的機械特性和熱特性的合成物(尤其是商品化可用的稱為“NB31 by SECMA”的材料，即SECMA公司的NB31產品)。
對于Dunlop678型Cu//CFC接合的結果接合的結果突出說明了這種由二維技術設計的石墨合成物實際上具有高疏松結構與多個穴，因此不需要螺紋的介入而可得到良好的接合。
如圖1和圖2所示的SEM研究得到的顯微照相和圖突出說明了轉換材料銅具有滲透到這種合成物基體自然空隙的能力。這種能力最主要是由于鈦(TiC)的存在，通過轉換材料允許耐火材料具有濕潤性。
對于NB31型Cu//CFC接合的結果這種石墨基體更加致密且沒有穴；為得到最理想和最優(yōu)質的接合，通過制造多頭螺紋的方法來增加材料的活性表面。
此外，測試左右交叉的齒節(jié)螺紋，但考慮到阻力的因素，需要用7個1mm-交錯的頭，方可得到最好的結果。
在熱應力周期之前和之后，進行金相學測試和超聲檢測。
在水浸超聲波探頭測試之前和之后，分別在橫截面進行超聲掃描(C-scan)。C-scan闡明了從交界面得到的反射的振幅圖。從產生的圖中，可以推斷該振幅圖顯示了在測試前和測試后的相同的分配，因而檢測不到任何的分離。
在熱測試之后進行的樣本顯微照相，可見圖3和圖4。
本發(fā)明至此已結合較佳的實施例加以描述。需要明確的是，根據(jù)本發(fā)明的核心可以有其他實施例，這些實施例全部落在以下將會描述的權利要求的保護范圍之內。
權利要求
1.通過插入轉換材料來接合耐火陶瓷材料與金屬材料的方法，包括以下步驟(a)在所述耐火材料的接合表面應用銅焊料，以在所述接合表面上所述的陶瓷材料與金屬材料之間形成活性化合物；以及(b)接著所述步驟(a)，在由所述銅焊料活化的所述接合表面上，熔化所述轉換材料和所述耐火材料，從而得到兩種材料的接合。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述接合表面基本上為彎曲的形狀。
3.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述接合表面基本上為圓柱體。
4.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述耐火材料包含石墨纖維復合物。
5.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述耐火材料為石墨纖維復合物，即CFC。
6.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述耐火材料包含鎢。
7.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(a)提供以箔形式出現(xiàn)的所述銅焊料。
8.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(a)在真空爐中進行。
9.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述銅焊料是鈦、銅和鎳的合金。
10.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(a)在900-1200℃的溫度范圍內進行。
11.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(a)在1050℃的溫度下進行。
12.根據(jù)權利要求9至11之一所述的方法，其特征在于所述步驟(a)在低于10-5mbar的壓力下進行。
13.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述活性化合物為碳化鈦，即TiC。
14.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(b)在一個使所述轉換材料具有粘性并能滲入由所述銅焊料活化的耐火材料的多孔部位的溫度下進行。
15.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(b)在真空爐中進行。
16.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述轉換材料是銅或銅合金。
17.根據(jù)前一個權利要求的所述方法，其特征在于所述轉換材料是“無氧高導電性”銅，即OFHC銅。
18.根據(jù)權利要求16或17所述的方法，其特征在于所述步驟(b)在10-6mbar的真空壓力下進行。
19.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(b)在高于所述轉換材料的熔點的溫度下進行。
20.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，當由權利要求16或17決定時，其特征在于所述步驟(b)在高于1083℃的溫度下進行。
21.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于在所述步驟(b)之后，所述轉換材料有一個在0.5-1.0mm范圍內的厚度。
22.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于在所述步驟(a)之前，包括一個所述接合表面進行化學清洗的步驟。
23.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于在所述步驟(a)之前，包括一個所述耐火材料脫氣的步驟。
24.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于在所述步驟(a)之前，包括一個延長所述接合表面的步驟(α)。
25.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述步驟(α)提供在所述接合表面上制成的螺紋。
26.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述螺紋有多個頭。
27.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述螺紋有七個頭。
28.根據(jù)權利要求25至27之一所述的方法，其特征在于所述螺紋有一個在0.3-1.0mm范圍內的深度。
29.根據(jù)前一個權利要求所述的方法，其特征在于所述螺紋有一個等于0.6mm的深度。
30.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于在步驟(a)與步驟(b)之間，有一個去除多余銅焊料的步驟。
31.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于在步驟(b)之后，有一個通過某種技術與所述金屬材料接合的步驟，該技術選自熱等靜壓即HIPping或者徑向熱壓工藝即HRP。
32.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述金屬材料由銅合金組成。
33.根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法，其特征在于所述金屬材料是管。
34.一種具有適用于傳熱的護板的熱交換器，所述護板包括根據(jù)前面任何一個權利要求所述的方法得到的接合，該接合是通過插入轉換材料在耐熱材料與金屬材料之間形成的接合。
35.根據(jù)前一個權利要求所述的熱交換器，其特征在于所述金屬材料是用于接納冷卻劑的管。
36.根據(jù)權利要求34或35所述的熱交換器，其特征在于所述熱交換器是熱核反應堆的收集器。
37.根據(jù)前一個權利要求所述的熱交換器，其特征在于所述熱交換器是托卡馬克反應堆的收集器。
38.一種托卡馬克反應堆，包含根據(jù)前面的權利要求所述的收集器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于獲得接合的方法，該接合具有高機械阻力和在具有不同物理特性材料間的熱傳導能力，尤其是涉及陶瓷與金屬間的接合或者陶瓷與金屬間的復合。在該接合過程和它們的工業(yè)應用中，所述接合或復合需能承受不同熱膨脹系數(shù)的材料在交接面的極大應力。本發(fā)明所提出的方法要解決的問題是金屬難于濕潤將要接合的表面，以及通常的對陶瓷或陶瓷化合物張應力的低機械阻力。應用基于鈦的合金，通過在表面的水平上與陶瓷的結合，使金屬濕潤將要接合的表面，可解決第一個問題。通過增加陶瓷或化合物的特殊表面，例如加工為長齒節(jié)多頭螺紋，可解決第二個問題。
文檔編號B23K35/30GK101015024SQ200580030241
公開日2007年8月8日 申請日期2005年7月20日 優(yōu)先權日2004年7月20日
發(fā)明者斯蒂芬魯·李伯納, 伊利瑟·維斯卡 申請人:意大利新技術、能源與環(huán)境局(Enea), 材料中央開發(fā)公司