CN105855745A - 一种铜基焊料及其制备方法和应用方法 - Google Patents

一种铜基焊料及其制备方法和应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可以用来制备钨/铜和石墨/铜接头的铜基焊料，其为微米级的Cu粉和TiH2粉经混合后的粉料，其中TiH2粉所占质量百分比为20％～25％，Cu粉所占质量百分比为75％～80％，所述的铜基焊料的制备方法，选取粒径为微米级的Cu粉和TiH2粉；将Cu粉和TiH2粉按比例混合之后放入研钵中；然后倒入酒精，并研磨，直到酒精完全挥发，得到粉体焊料。本发明的主要优点是：(1)制备工艺简单；(2)接头连接强度较高；(3)因此工艺成本较低。

Description

一种铜基焊料及其制备方法和应用方法
技术领域
本发明属于异种材料连接领域，涉及钨/铜和石墨/铜的连接，具体地说，是指一种可以用来制备钨/铜和石墨/铜接头的铜基焊料。
背景技术
钨及其合金材料由于具有高的熔点、低的蒸气压和低的溅射腐蚀率等优点，被认为是最有前景的面向等离子体材料(Plasma Facing Materials，PFMs)，作为PFMs，它不仅要具有与等离子体良好的相容性，还要能经受高能粒子的轰击。为了将沉积在其表面的热量传导出去，PFMs需要与高导热的热沉材料铜连接，因此钨/铜接头的制备在核聚变装置中具有重要的研究意义。目前常用的连接方法中，钎焊被认为是一种方便且有效的方法，但是钨和铜的物理性能尤其是热膨胀系数相差特别大，导致接头在制备和服役过程中容易产生高的热应力，所以选用合适的焊料是制备钨/铜接头的关键。
石墨具有质轻、高比强度、耐热、耐腐蚀、导电导热性能良好以及抗热震性能优良等特性，在工业中具有广泛的应用。在汽车新型碳换向器制备中需要将石墨与铜连接，以提高换向器的耐磨性，从而延长其使用寿命，因此石墨/铜接头的制备在汽车领域具有重要的研究意义。目前连接石墨/铜效果最好的方法也是钎焊法，但是采用钎焊法连接石墨/铜时，存在铜在石墨表面润湿性差的问题。针对该问题，目前主要采用活性钎料的方法来解决。
对于钨/铜和石墨/铜的连接，常用的焊料主要有Ag-Cu-Ti、Ni基焊料及非晶态Ti-Zr-Cu-Ni焊料等。由于Ag经中子辐照后会转变成Cd，Cd的蒸气压较高易挥发导致等离子体的污染，因此，Ag-Cu-Ti焊料无法在核聚变装置中应用。Ni基焊料是高温合金焊料，易产生较高热应力导致钨/铜和石墨/铜接头的断裂。非晶态Ti-Zr-Cu-Ni焊料的制备工艺较为复杂，成本也较高。
发明内容
本发明针对现有焊料中存在的不足，提供一种用于连接钨/铜和石墨/铜的铜基焊料，所述的铜基焊料可以用来制备钨/铜和石墨/铜接头。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种铜基焊料，其为微米级的Cu粉和TiH2粉经混合后的粉料，其中TiH2粉所占质量百分比为20％～25％，Cu粉所占质量百分比为75％～80％。
按上述方案，所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径为50μm。
所述的铜基焊料的制备方法，选取粒径为微米级的Cu粉和TiH2粉；将Cu粉和TiH2粉按比例混合之后放入研钵中；然后倒入酒精，并研磨，直到酒精完全挥发，得到粉体焊料。
按上述方案，所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径为50μm。
按上述方案，其中TiH2粉所占质量百分比为20％～25％，Cu粉所占质量百分比为75％～80％。
所述的铜基焊料的应用方法，其特征在于：用于钨/铜和石墨/铜接头的制备，使用条件为：在870～930℃下保温10～20min，施加压力为9～10kPa。
经上述方法连接后得到的连接层均匀致密，接头界面结合良好。
本发明的基本原理：本发明的铜基焊料在连接过程中，TiH2首先分解生成Ti，钎焊时，Cu-Ti合金形成液态。对于钨/铜接头来说，连接层主要由Cu基固溶体和Ti-Cu金属间化合物等组成；对于石墨/铜接头来说，Ti与石墨发生界面反应，形成较薄的TiC反应层，连接层主要由Cu基固溶体和Ti-Cu金属间化合物等组成。
本发明的主要优点是：
(1)本发明的铜基焊料主要由粉体材料组成，成本低廉，制备工艺简单；
(2)本发明的铜基焊料用于制备钨/铜和石墨/铜接头，接头连接强度较高，其中钨/铜接头的剪切强度可达95MPa以上；石墨/铜接头的剪切强度为16.9～20.2MPa，相当于石墨母材强度的78％～93.3％；
(3)本发明的铜基焊料在使用方面，用涂覆法即可，因此工艺成本较低。
附图说明
图1是铜基焊料的X射线衍射(XRD)图谱；
图2是实施例1采用Cu-TiH2焊料制备钨/铜接头界面区域的微观形貌及能谱分析图谱；
图3是实施例1采用Cu-TiH2焊料制备钨/铜接头界面区域的XRD图谱；
图4是实施例2采用Cu-TiH2焊料制备石墨/铜接头界面区域的微观形貌。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于说明本发明的铜基焊料可行，不用于限制本发明保护的权利范围。
实施例1应用本发明提供的铜基焊料制备钨/铜接头
本发明提供的焊料用于制备钨/铜接头的工艺步骤如下：
(A)焊料的配制，
选取粒径约为50μm的Cu粉和TiH2粉；将Cu粉和TiH2粉混合得到混合粉末，其中TiH2粉的质量百分比为22％；将混合粉末放在研钵中，加入酒精并手工研磨，直到酒精完全挥发，得到粉体焊料。
(B)母材表面预处理，
将钨与铜的待连接端面用金相砂纸逐级打磨，再放进超声波清洗机中清洗20min，然后用吹风机吹干备用；
(C)连接工艺，
取少量上述步骤(A)制得的焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，然后将膏状焊料涂覆在经步骤(B)处理后的连接端面上；然后将两个连接端面合上并置于石墨模具中，接着放入真空炉中，施加10kPa的压力；开启加热程序，并在880℃保温15min，然后随炉冷却至室温，取出样品，得到钨/铜连接接头。
图1为铜基焊料的X射线衍射(XRD)图谱，从图中可以知道，焊料由Cu粉和TiH2粉组成。
图2为采用Cu-TiH2焊料制备钨/铜接头界面的扫描电子显微镜(SEM)微观图片，由SEM图可以看出，左边为连接层，右边为钨，连接层与钨之间界面结合良好，没有明显的孔隙和缺陷；连接层中深灰色区域和黑色区域主要是Ti-Cu金属间化合物，浅灰色区域主要为Cu基固溶体。
图3为采用Cu-TiH2焊料制备钨/铜接头界面区域的XRD图谱，由图可以看出，连接层主要由铜基固溶体及Ti-Cu金属间化合物(TiCu4、Ti2Cu和Ti3Cu等)组成。
实施例2应用本发明提供的铜基焊料制备石墨/铜接头
本发明提供的铜基焊料用于制备石墨/铜接头的工艺步骤如下：
(A)焊料的配制，
选取粒径约为50μm的Cu粉和TiH2粉；将Cu粉和TiH2粉混合得到混合粉末，其中TiH2粉的质量百分比为23％；将混合粉末放在研钵中，加入酒精并手工研磨，直到酒精完全挥发，得到粉体焊料。
(B)母材表面预处理，
将石墨与铜的待连接端面用金相砂纸逐级打磨，再放进超声波清洗机中清洗30min，然后用吹风机吹干备用；
(C)连接工艺，
取少量上述步骤(A)制得的焊料，加入丙三醇溶剂调和成粘稠膏状，然后将膏状焊料涂覆在经步骤(B)处理后的连接端面上；然后将两个连接端面合上并置于石墨模具中，接着放入真空炉中，施加9.6kPa的压力；开启加热程序，并在900℃保温10min，然后随炉冷却至室温，取出样品，得到石墨/铜连接接头。
图4为采用Cu-TiH2焊料制备石墨/铜接头界面区域的SEM微观图片。由图中可以看出，上方黑色区域为石墨，下方浅灰色区域为铜，中间灰黑相间部分为连接层，其厚度大约为100μm。在石墨与连接层之间有较薄的TiC反应层，连接层与石墨之间界面结合良好，无裂纹、孔隙等缺陷，且有焊料渗入石墨母材的开孔隙中。

Claims (6)

1.一种铜基焊料，其为微米级的Cu粉和TiH2粉经混合后的粉料，其中TiH2粉所占质量百分比为20％～25％，Cu粉所占质量百分比为75％～80％。
2.权利要求1所述的铜基焊料，其特征在于所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径为50μm。
3.权利要求1所述的铜基焊料的制备方法，选取粒径为微米级的Cu粉和TiH2粉；将Cu粉和TiH2粉按比例混合之后放入研钵中；然后倒入酒精，并研磨，直到酒精完全挥发，得到粉体焊料。
4.根据权利要求3所述的铜基焊料的制备方法，其特征在于：所述的微米级的Cu粉和TiH2粉的粒径为50μm。
5.根据权利要求3所述的铜基焊料的制备方法，其特征在于：其中TiH2粉所占质量百分比为20％～25％，Cu粉所占质量百分比为75％～80％。
6.权利要求1所述的铜基焊料的应用方法，其特征在于：用于钨/铜和石墨/铜接头的制备，使用条件为：在870～930℃下保温10～20min，施加压力为9～10kPa。
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