CN102275022B - 一种c／c复合材料与铜或铜合金的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种C/C复合材料与铜或铜合金的连接方法，属于异质材料连接领域，解决现有技术中存在的活性涂层制备方法复杂、热处理温度过高、接头强度低等问题。通过活性元素Ti和Si在C/C复合材料表面的物理化学反应形成层状过渡反应层，提高钎料的润湿性并形成较强的界面结合，实现C/C复合材料与铜或铜合金的紧密连接。本发明采用活性Cu-Si钎料实现了C/C复合材料与铜或铜合金的连接，通过活性元素Ti和Si在界面的物理化学反应，形成CC/(TiC+SiC+Ti5Si3)/铜或铜合金的过渡界面，结合强度高；焊后焊缝为纯铜组织，有利于通过塑性变形减缓接头热应力。本发明的主要技术效果在于：与活性铸造法相比，本发明制备的接头强度高，抗热震性能优异，活性元素Ti与Si引入方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种C/C复合材料与铜或铜合金的连接方法，属于异质材料连接领域。
背景技术
碳纤维增强碳基复合材料(C/C)具有低密度、低膨胀系数、高热导率、抗烧蚀、抗热震和抗热疲劳性能以及优良的高温力学性能，被应用于ITER核聚变试验装置中面对等离子体第一壁材料。第一壁材料需要承受高热负荷和离子轰击，C/C复合材料需要与热沉CuCrZr合金连接组成冷却***。因此，C/C复合材料与CuCrZr连接接头要求具有高强度、高热导率和高抗热震性能。然而，两者之间存在显著的物理化学属性差异，冶金相容性差，传统熔化焊连接非常困难。钎焊是最有效的异质材料连接方法之一，但两者存在较大的热膨胀系数差异(Δα≈16×10-6/k)，冷却过程中接头产生较大的残余应力将严重恶化接头性能。因此，通常选用高导热、低屈服强度的纯铜作为中间层缓解接头热应力。C/C复合材料与CuCrZr合金的连接其关键技术在于C/C复合材料与铜中间层的连接。银基活性钎料能够实现陶瓷与合金的连接，但是银在中子辐射下会变为镉，因此含银钎料不能应用于核聚变装置作为面对等离子部件。
目前，已报道的C/C复合材料与铜连接方法主要有：奥地利Plansee SE技术中心开发的活性金属铸造法，预先对C/C表面采用激光毛化处理，然后通过CVD或PVD技术沉积一层活性元素Ti[F.Rainer，et al.Patent EP 0663670.1995]或者Ti+Si[B Schedler，et al.Physica Scripta，2007，T128：200-203]，在高于铜熔点温度(1100℃)、真空条件下将纯铜挤压浇铸在C/C表面实现C/C与Cu的紧密连接。该法制备的接头强度53.7～73.4MPa，但活性涂层制备方法过于复杂且对设备要求较高。意大利公布一项C/C表面改性技术用于C/C与纯铜的连接[F.Rainer，et al，patent EP 0663670，1995]，将第VIB族Cr、Mo、W元素粉末涂覆在C/C表面进行热处理，通过固态反应生成碳化物层，然后将纯铜浇铸在改性后的C/C表面形成C/C与Cu的连接，然后采用电子束焊或等静压连接Cu与CuCrZr。该技术制备接头强度33MPa，但是C/C表面改性热处理温度过高(＞1300℃)，成本较高，工艺复杂。采用CuGeNi钎料钎焊连接C/C与Cu [M.Salvo，et al.Journal ofNuclearmaterials.2008，374：69-74]，接头强度34MPa，但C/C表面需要经过铬高温热处理改性，同样存在上述缺点。采用TiCuNi非晶钎料连接C/C与Cu[P.Appendino，et al.Fusion Engineering and Design，2003，66-68：225-229]，接头强度仅24MPa。谭模强等人采用活性铸造法连接C/C复合材料与铜[谭模强，等.焊接学报，2006，27(6)：61-66]。谢凤春等人采用TiZrCuNi钎料钎焊石墨与铜[谢凤春，等.焊接学报，2008，29：73-76]，焊缝生成的硬脆金属间化合物不能有效缓解接头热应力，接头强度低且远不能满足热疲劳性能的要求。
综上所述，目前C/C复合材料与铜连接方法主要存在以下问题：1.采用活性铸造法以Ti+Si为活性元素制备的CC/Cu接头强度相比较高，但活性涂层制备采用CVD或PVD法工艺复杂，对设备要求较高，生产成本较高；2.采用第VIB族金属元素对C/C表面改性后制备的CC/Cu接头强度较低，热处理温度过高(＞1300℃)，工艺复杂，生产成本较高；3.采用钛基钎料钎焊连接C/C与铜，接头强度低，焊缝生成的脆硬金属化合物无法缓解接头应力且导热差，抗热震性能差。目前国内对C/C复合材料与铜连接鲜有报道，急需开发制备具有高强度、高抗热震性能C/C复合材料与铜合金的连接技术。
发明内容
本发明针对目前C/C复合材料与铜或铜合金连接技术的缺点，提出一种C/C复合材料与铜或铜合金的连接方法，采用铜基活性钎焊连接法，解决现有技术中存在的活性涂层制备方法复杂、热处理温度过高、接头强度低等问题。
本发明的技术方案是：
本发明通过活性元素在C/C复合材料表面的物理化学反应形成过渡反应层，提高钎料的润湿性并形成较强的界面结合，实现C/C复合材料与铜或铜合金的紧密连接。其中：
(1)C/C复合材料：预先采用激光技术或其它微加工技术对碳基复合材料焊接表面进行打孔毛化处理，在表面形成均匀排列的深度为300～1000μm的锥形孔，锥形孔表面的直径为100～1000μm。
(2)钛金属化处理：加工完成后，采用刷涂TiH2粉末法、磁控溅射法、PVD或CVD法对C/C表面进行钛金属化处理，钛层厚度0.5～50μm。
(3)Cu-Si钎料：Cu-Si合金的成分为：Cu：90～99wt％；Si：1～10wt％，使用状态为薄片或粉末，薄片厚度为100～500μm，粉末粒度为50～200μm。
(4)被焊金属：被焊金属为无氧纯铜、CuCr、CuCrZr或CuCrZrNb等热强铜合金。
(5)将C/C复合材料、Cu-Si钎料与铜或铜合金中间层按“C/C-钎料-铜或铜合金”三明治结构装配，置于真空钎焊炉内，升温至钎料熔点以上20～50℃焊接温度，保温5～30min完成钎焊。
本发明中，通过活性元素Ti与Si在界面的物理化学反应，形成CC(TiC+SiC+Ti5Si3)/Cu或CC/(TiC+SiC+Ti5Si3)/Cu合金的过渡界面。
本发明中，CuCr铜合金的成分如下：按重量百分比计，Cr：0.3-1.2；其余为Cu。
本发明中，CuCrZr铜合金的成分如下：按重量百分比计，Cr：0.25-0.65，Zr：0.08-0.20，其余为Cu。
本发明中，CuCrZrNb铜合金的成分如下：按重量百分比计，Cr：0.15-0.40；Zr：0.10-0.25；Nb：0.08-0.25；Ce：0.02-0.16；其余为Cu。
本发明的有益效果：
本发明采用活性Cu-Si钎料实现了C/C复合材料与铜或铜合金的连接，通过活性元素Ti和Si在界面的物理化学反应，形成CC/(TiC+SiC+Ti5Si3)/铜或铜合金的过渡界面，结合强度高；焊后焊缝为纯铜组织，有利于通过塑性变形减缓接头热应力。本发明的主要技术效果在于：与活性铸造法相比，本发明制备的接头强度高，抗热震性能优异，活性元素Ti与Si引入方法简单。
附图说明
图1为实施例1中制备的C/C复合材料与无氧铜接头装配示意图。图中，1、无氧纯铜；2、Cu-3.5Si钎料；3、激光孔；4、C/C复合材料。
图2为实施例1制备的C/C复合材料与无氧铜接头焊接界面扫描电镜图。
图3为实施例1制备的C/C复合材料与无氧铜接头中C/C与Cu-3.5Si钎料界面微观组织扫描电镜图。
图4为实施例1制备的C/C复合材料与无氧铜接头中界面反应层物相的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1
本发明通过活性元素在C/C复合材料表面的物理化学反应形成层状过渡反应层，提高钎料的润湿性并形成较强的界面结合，实现C/C复合材料与铜的紧密连接。其中：
1.C/C复合材料切割为15mm×10mm×5mm，采用激光技术对焊接表面进行打孔毛化处理。加工完成后，用TiH2粉末(粉末粒度为＜20μm)涂刷C/C表面，形成均匀的TiH2涂层，涂层厚度为40μm。Cu-3.5Si钎料箔片厚度200μm，将无氧纯铜加工成15mm×10mm×5mm。
2.将C/C复合材料、Cu-3.5Si钎料与无氧纯铜按“C/C-钎料-铜”顺序装配成夹层结构置于钎焊炉内，当真空度达到2×10-3Pa～5×10-3Pa时，升温至1050～1070℃的焊接温度，保温5～20min完成钎焊。
如图1所示，C/C复合材料4上开有激光孔3，激光孔3为在C/C复合材料4表面形成均匀排列、深度300～1000μm的锥形孔，锥形孔表面的直径为300μm，无氧纯铜1、Cu-3.5Si钎料2和C/C复合材料4按顺序形成夹层结构。
如图2所示，从C/C复合材料与无氧铜接头焊接界面扫描电镜图可以看出，Cu-3.5Si钎料在毛化后的C/C复合材料表面的润湿性较好，激光毛化孔内钎料填充较好，界面无裂纹、孔洞等缺陷。图中，Braze为钎料，Copper为无氧铜接头。
如图3所示，从C/C复合材料与无氧铜接头中C/C与Cu-3.5Si钎料界面微观组织扫描电镜图可以看出，钎料与C/C复合材料和无氧铜均形成紧密结合，界面完好无缺陷，界面形成明显反应层。图中，Braze为钎料，Reaction layer为界面反应层。
如图4所示，从C/C复合材料与无氧铜接头中界面反应层物相的XRD图谱可以看出，XRD分析表明，反应层物相为TiC、SiC和Ti5Si3。
实施例1中，实验结果数据如下：
对CC/CuCrZr连接件进行性能测试，室温剪切强度达75MPa，450℃热震试验(水淬)经过30次热循环后接头界面保持完好，没有发现界面裂纹和剥离脱落现象。
实施例2
与实施例1不同之处在于，
1.C/C复合材料切割为15mm×10mm×5mm，采用激光技术对焊接表面进行打孔毛化处理。加工完成后，采用磁控溅射法对C/C表面进行钛金属化处理，C/C表面形成均匀的Ti涂层，厚度为10μm。Cu-3.5Si钎料箔片厚度200μm，将CuCrZr合金切割成16mm×11mm×7mm尺寸，CuCrZr合金中，按重量百分比计，Cr：0.25-0.65，Zr：0.08-0.20，其余为Cu。
2.将C/C复合材料Cu-3.5Si钎料与CuCrZr合金按“C/C-钎料-铜合金”顺序装配成夹层结构置于钎焊炉内，当真空度达到2×10-3Pa～5×10-3Pa时，升温至1050～1070℃的焊接温度，保温5～20min完成钎焊。钎焊完成后，以大于1℃/s的冷却速度快速降温至475℃，保温3h进行时效处理，保温结束后，接头随炉冷却至室温。
实施例2中，实验结果数据如下：
对CC/CuCrZr连接件进行性能测试，室温剪切强度高达55MPa，450℃热震试验(水淬)经过30次热循环后接头界面保持完好，没有发现界面裂纹和剥离脱落现象。
实施例3
与实施例1不同之处在于，
在实施例1获得的C/C复合材料与无氧铜接头(CC/Cu接头，Cu厚度2mm)基础上，采用扩散焊连接CC/Cu接头与CuCrZr合金，获得CC/Cu/CuCrZr连接件。
扩散焊连接的工艺参数如下：
扩散焊连接温度600～800℃，连接压力5～10MPa，连接时间10～60min，真空度2×10-3Pa。
对CC/Cu/CuCrZr连接件进行性能测试，室温剪切强度高达79MPa，450℃热震试验(水淬)经过50次热循环后接头界面保持完好，没有发现界面裂纹和剥离脱落现象，抗热震性能优异。
Claims (2)
1.一种C／C复合材料与铜或铜合金的连接方法，其特征在于：通过活性元素Ti和Si在C/C复合材料表面的物理化学反应形成过渡反应层，提高钎料的润湿性并形成较强的界面结合，实现C/C复合材料与铜或铜合金的紧密连接；包括如下步骤：
（1）C/C复合材料：预先采用激光技术或其它微加工技术对碳基复合材料焊接表面进行打孔毛化处理，在表面形成均匀排列的深度为300～1000μm的锥形孔，锥形孔表面的直径为100～1000μm；
（2）钛金属化处理：加工完成后，采用刷涂TiH2粉末法、磁控溅射法、PVD法或CVD法对C/C表面进行钛金属化处理，钛层厚度0.5～50μm；
（3）Cu-Si钎料：Cu-Si合金的成分为Cu:90～99wt%；Si:1～10wt%，使用状态为薄片或粉末，薄片厚度为100～500μm，粉末粒度为50～200μm；
（4）被焊金属：被焊金属为无氧纯铜、CuCr、CuCrZr或CuCrZrNb热强铜合金；
（5）将C/C复合材料、Cu-Si钎料与铜或铜合金中间层按“C/C-钎料-铜或铜合金”三明治结构装配，置于真空钎焊炉内，升温至钎料熔点以上20～50℃焊接温度，保温5～30min完成钎焊。
2.按照权利要求1所述的C/C复合材料与铜或铜合金的连接方法，其特征在于，通过活性元素Ti和Si在界面的物理化学反应，形成CC/(TiC+SiC+Ti5Si3)/铜或铜合金的过渡界面。
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