專利名稱：一種用于高強石墨與銅合金的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳基材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及高強石墨與銅合金的連接方法，具體地說，是指一種用于制備高強石墨與銅合金連接件的有效連接方法。
背景技術(shù)：
石墨材料，特別是聞強石墨具有質(zhì)輕、聞比強度、耐熱、耐腐蝕、導電導熱性能良好以及抗熱震性能優(yōu)良等特性，在航空航天工業(yè)以及核工業(yè)中應用廣泛。當高強石墨用作核聚變中的面向等離子體材料時，需要與高導熱的銅熱沉連接以將沉積在其表面的熱量傳導出去。另外，在汽車新型換向器中也需要將石墨與銅進行連接使用。目前用于石墨與銅合金的連接技術(shù)有機械連接、釬焊法、擴散連接法等。(I)機械連接即在石墨和熱沉之間加一層柔性適配層，使石墨與熱沉有較好的接觸。但是這種連接只適用于低熱通量負荷區(qū)，可承受的穩(wěn)態(tài)熱負荷一般在lMW/m2以下。(2)釬焊法該連接法是用于連接高強石墨與銅合金比較成熟的方法。所采用的焊料有Ag-Cu-T1、非晶態(tài)T1-Zr-Cu-Ni釬料等。采用Ag-Cu-Ti焊料時，接頭的平均三點彎曲強度為116MPa。但是，由于Ag經(jīng)中子輻照后會轉(zhuǎn)變成Cd，Cd的蒸氣壓較高易揮發(fā)從而導致等離子體的污染，因此Ag基釬料無法在核聚變堆中推廣使用。非晶態(tài)T1-Zr-Cu-Ni釬料連接高強石墨與銅時效果較好，但是其接頭強度僅為石墨母材的70.22%。另外釬料為非晶態(tài)，價格較昂貴，因此整個連 件的制備成本較高。(3)擴散連接法固相擴散連接是在真空或特定的氣氛下，在一定壓力和溫度下，借助原子的擴散運動，使兩種母材相結(jié)合的方法。固相擴散連接的優(yōu)點是連接強度高，接頭氣密性好、收縮變形小、尺寸容易控制，主要缺點是連接溫度較高、時間長而且通常在真空中連接，因此設(shè)備昂貴、成本高，而且試樣尺寸受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種用于高強石墨與銅合金的連接方法，所述的連接方法可以用于高強石墨與銅合金連接件的制備，該連接方法采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用于高強石墨與銅合金的連接方法，包括有以下步驟:⑷連接表面預處理，將高強石墨和銅合金的連接端面進行打磨和拋光，用超聲波清洗15 30min，然后烘干，待用；(B)焊料的配制，
選取粒徑為微米級的Cu粉和Ti粉，將Cu粉與Ti粉混合得到混合粉末，其中Ti粉的質(zhì)量百分含量為45% 55% ;將混合粉末在酒精中用超聲波振動混合20 30min，混合過程中隨時攪動；混合粉末干燥后再倒入研缽研磨20 30min，以確保粉末混合均勻；(C)連接工藝，將上述步驟(B)制得的混合粉末在壓片機上冷壓成形得到焊料壓坯，將焊料壓坯放置于經(jīng)步驟(A)處理后的連接端面上或者將上述步驟(B)制得的混合粉末直接布粉在連接端面上；然后將兩連接端面疊加后放入真空爐中，施加5 20kPa的壓力，進行加熱過程，然后隨爐冷卻至室溫，取出，即可將高強石墨與銅合金連接完成。按上述方案，所述的微米級的Cu粉和Ti粉的粒徑均為15 50 μ m。按上述方案，步驟(C)的加熱過程為:首先以15 20°C /min速率升溫至900 1050°C，再保溫 3 IOmin。經(jīng)上述方法連接后得到的焊料層均勻致密，與母材形成了良好的冶金結(jié)合和機械咬合。本發(fā)明的基本原理:本發(fā)明主要通過焊料中的活性元素Ti與高強石墨在界面處發(fā)生反應形成TiC薄層,焊料自身形成TiCu4和TiCu等金屬間化合物,達到連接高強石墨與銅合金的目的。所述的高強石墨與銅合金的連接方法可用于制備高強石墨與銅合金的連接件。本發(fā)明的主要優(yōu)點是:(I)本發(fā)明所得到的接頭強度高，最高強度可達高強石墨母材強度的81.3% ；

(2)該連接方法具有操作簡單，易于實施，工藝成本低等優(yōu)點；(3)該連接方法所采用的焊料粉體材料，均有市售商品，該方法連接成本低。


圖1是高強石墨與銅合金以及焊料壓坯的疊加示意圖；圖2是實施例1采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金的連接件界面區(qū)域的顯微形貌；圖3是實施例1采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金的連接件的掃描及EDS元素面分布圖譜；圖4是實施例1采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與銅合金的連接件界面區(qū)域的XRD圖譜。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的說明，實施例僅用于說明本發(fā)明的連接工藝可行，不用于限制本發(fā)明保護的權(quán)利范圍。實施例1應用本發(fā)明提供的方法連接高強石墨(其抗彎強度為40MPa)與CuCrZr合金由于CuCrZr合金在高溫下與高強石墨潤濕性很差，因此連接件的制備較為困難。本發(fā)明提供的高強石墨與銅合金的連接工藝如下:(A)高強石墨I與CuCrZr合金2的連接端面的預處理；
將高強石墨與CuCrZr合金的連接端面進行打磨和拋光,用超聲波清洗20min,然后烘干，待用；(B)焊料的配制；選取粒徑為微米級的Cu粉和Ti粉，所述的Cu粉和Ti粉的粒徑均為15 50 μ m,將Cu粉與Ti粉混合，其中Ti粉的質(zhì)量百分含量為45% ;將混合粉末在酒精中用超聲波振動混合20min。為避免由于粉料密度不同出現(xiàn)的分層現(xiàn)象，混合過程中應隨時攪動?；旌戏勰└稍锖笤俚谷胙欣徰心?5min，以確保粉末混合均勻。然后稱取一定量的焊料，在壓片機上冷壓成形得到焊料壓坯3。(C)連接工藝；將上述步驟(B)制得的焊料壓坯放置于經(jīng)步驟(A)處理后的高強石墨與CuCrZr合金的連接端面上；然后放入真空爐中，施加5 20kPa的壓力，加熱過程為:以18°C /min速率升溫至1050°C，保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫，取出。高強石墨與CuCrZr合金的連接完成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過實施例1得到，Cu-Ti焊料在連接過程中能形成性能良好的焊料層，焊料與母材發(fā)生界面擴散和界面反應，可獲得連接強度較高的連接件。連接件的強度可達到高強石墨的81.3%。微觀結(jié)構(gòu)及成分分析顯示，界面結(jié)合良好，界面區(qū)域均勻致密，在高強石墨與焊料的界面處，生成了 TiC。焊料中的Ti與Cu形成了 TiCu4和TiCu等金屬間化合物。圖2是采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與CuCrZr合金的連接件界面區(qū)域的SEM掃描照片。從該圖可以看出，焊料與高強石墨以及CuCrZr合金形成了良好的界面結(jié)合，焊料層均勻致密。圖3為采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與CuCrZr合金的接頭連接區(qū)域的SEM和EDX面分布圖譜。SEM圖中，左側(cè)黑色區(qū)域為高強石墨，右側(cè)灰色區(qū)域為焊料。焊料與石墨的結(jié)合較好。從EDX面分布圖 譜可以看出，焊料層主要由Ti元素和Cu元素組成。焊料與石墨的界面處，Ti元素較為富集。另外，焊料中的Ti和Cu均滲入高強石墨的孔隙中。附圖4為采用Cu-Ti焊料連接高強石墨與CuCrZr合金的連接件界面區(qū)域的XRD圖譜。從該圖譜可以看出，界面區(qū)域主要由TiCu4、TiC、TiCu和C等組成。其中，C來自母材。該圖顯示，在連接過程中，在界面處作為強碳化物形成元素且活性很高的Ti與高強石墨中的C發(fā)生了界面反應生成了 TiC。同時，焊料中的Ti與Cu形成了 TiCu4和TiCu等金屬間化合物。實施例2應用本發(fā)明提供的方法制備汽車新型換向器中的高強石墨與紫銅連接件本發(fā)明提供的聞強石墨與紫銅的連接工藝如下:(A)高強石墨與紫銅連接端面的預處理；將高強石墨與紫銅的連接端面進行打磨和拋光，用超聲波清洗25min，然后烘干，待用；(B)焊料的配制；選取粒徑為微米級的Cu粉和Ti粉，所述的Cu粉和Ti粉的粒徑均為15 50 μ m,將Cu粉與Ti粉混合，其中Ti粉的質(zhì)量百分含量為50% ;將混合粉末在酒精中用超聲波振動混合30min。為避免由于粉料密度不同出現(xiàn)的分層現(xiàn)象，混合過程中應隨時攪動。混合粉末干燥后再倒入研缽研磨30min，以確保粉末混合均勻。然后稱取一定量的焊料，在壓片機上冷壓成形得到焊料壓坯。(C)連接工藝；將上述步驟(B)制得的焊料壓坯放置于經(jīng)步驟(A)處理后的高強石墨與紫銅的連接端面上；然后放入真空爐中，施加IOkPa的壓力，加熱過程為:以16°C /min速率升溫至1000°C，保溫lOmin，然后隨爐冷卻至室溫，取出。高強石墨與紫銅的連接完成。通過實施例2得到，Cu-Ti焊料在連接過程中能形成性能良好的焊料層，焊料與母材發(fā)生界面擴散和界面反應，可獲得連接強度較高的連接件。連接件的強度可達到石墨母材的75.4%。微觀結(jié)構(gòu)及成分分析顯示，界面結(jié)合良好，界面區(qū)域均勻致密，在高強石墨與焊料的界面處，生成了 TiC。焊料中的Ti與Cu形成了 TiCu4和TiCu等金屬間化合物。
權(quán)利要求
1.一種用于高強石墨與銅合金的連接方法，包括有以下步驟: (A)連接表面預處理， 將高強石墨和銅合金的連接端面進行打磨和拋光，用超聲波清洗15 30min，然后烘干，待用; (B)焊料的配制， 選取粒徑為微米級的Cu粉和Ti粉，將Cu粉與Ti粉混合得到混合粉末，其中Ti粉的質(zhì)量百分含量為45% 55% ;將混合粉末在酒精中用超聲波振動混合20 30min，混合過程中隨時攪動；混合粉末干燥后再倒入研缽研磨20 30min，以確保粉末混合均勻； (C)連接工藝， 將上述步驟(B)制得的混合粉末在壓片機上冷壓成形得到焊料壓坯，將焊料壓坯放置于經(jīng)步驟(A)處理后的連接端面上或者將上述步驟(B)制得的混合粉末直接布粉在連接端面上；然后將兩連接端面疊加后放入真空爐中，施加5 20kPa的壓力，進行加熱過程，然后隨爐冷卻至室溫，取出， 即可將高強石墨與銅合金連接完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高強石墨與銅合金的連接方法，其特征在于:所述的微米級的Cu粉和Ti粉的粒徑均為15 50 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于高強石墨與銅合金的連接方法，其特征在于:步驟(C)的加熱過程為:首先以15 20°C /min速率升溫至900 1050°C，再保溫3 lOmin。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強石墨與銅合金的連接方法，包括有以下步驟(A)將高強石墨和銅合金的連接端面進行打磨和拋光，用超聲波清洗，烘干待用；(B)將Cu粉與Ti粉混合得到混合粉末，在酒精中用超聲波振動混合，隨時攪動；干燥后再倒入研缽研磨；(C)混合粉末在壓片機上冷壓成形得到焊料壓坯，將焊料壓坯放置于連接端面上或者將上述步驟(B)制得的混合粉末直接布粉在連接端面上；然后將兩連接端面疊加后放入真空爐中，施加壓力，進行加熱過程，然后隨爐冷卻至室溫，取出，即可將高強石墨與銅合金連接完成。本發(fā)明的主要優(yōu)點是(1)本發(fā)明所得到的接頭強度高；(2)具有操作簡單，易于實施等優(yōu)點；(3)該方法連接成本低。
文檔編號B23K1/008GK103223537SQ20131012055
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者毛樣武, 聶敦偉, 晏倩 申請人:武漢工程大學