CN106583967A - 一种TiH2‑Ni‑Cu+TiC复合焊料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种TiH2‑Ni‑Cu+TiC复合焊料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种TiH2‑Ni‑Cu+TiC新型复合焊料及其制备方法和应用。所述新型复合焊料按下述重量百分比球磨制备而成：Cu粉：13％～17％，TiH2粉：58％～62％，Ni粉：23％～27％，TiC粉：1％～5％。所得复合焊料主要用于核聚变以及汽车工业中石墨与铜合金连接件的制备。所述连接件的制备方法包括下述步骤：将TiH2‑Ni‑Cu+TiC新型复合焊料与丙三醇混合调制成膏状，涂抹在处理后的石墨与Cu合金的待连接面上，合上待连接面并施加载荷，进行钎焊。所述钎焊的条件为：890℃～940℃下保温8～13min，施加压力为10kPa。本发明提供的复合焊料制备方法简单，原料成本低，由其制得的石墨与铜合金接头，具有接头界面层结合良好、无裂纹及孔隙等优点，接头平均剪切强度可达15.2MPa，为石墨母材强度的81.7％。

Description

一种TiH2-Ni-Cu+TiC复合焊料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于碳基材料技术领域，具体涉及一种TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料及其制备方法和应用。
背景技术
碳材料化学性能稳定，很难与其他物质反应，是目前制备直流电机中的电刷或换向器铜工作面的首选材料之一，但是这种新型碳换向器的制备涉及到碳/铜的连接。此外，面向等离子体材料是核聚变堆中非常重要的材料，而碳材料与等离子体有很好的兼容性，与铜合金连接可以将辐照产生的大量热传导出去，所以面向等离子体偏滤器部件也需要将碳材料和Cu合金进行连接。
铜在石墨表面难以润湿，石墨与铜之间还存在较大的热错配。这些难点使得采用一般焊料连接的石墨和Cu合金时，连接件失败或者连接强度较低。目前研究的焊料主要包括AgCuTi、NiCrP、NiCrPCu、CuSiAlTi以及非晶态TiZrCuNi焊料等。但是现有焊料存在一些问题。例如，AgCuTi焊料在高真空钎焊石墨与铜连接时效果较好，但价格昂贵；TiZrCuNi焊料为非晶态，制备较为麻烦；此外，焊料中含有的P元素添加会降低接头的导电性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料及其制备方法和应用。所述TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料可用于连接石墨与Cu合金，其制备方法简单，使用方便，安全可靠。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料，其特征在于，按重量百分比由以下原料制备而成：
Cu粉：13％～17％；
TiH2粉：58％～62％；
Ni粉：23％～27％；
TiC粉：1％～5％。
本发明还提供制备上述TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：将Cu粉、TiH2粉、Ni粉的以及TiC粉放入球磨机中球磨而成。
按上述方案，优选地，所述Cu粉、TiH2粉、Ni粉的粒径为45～55μm，所述TiC粉的粒径为1～5μm。
按上述方案，优选地，所述球磨机的球磨速率为250～350rpm，球磨时间为2～3h。
本发明还提供了上述TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的应用，其特征在于，将其作为焊料用于连接石墨与Cu合金，以制备石墨/Cu合金钎焊接头。
所述TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料连接石墨和Cu合金的示意图见图1。
本发明还提供了一种石墨和Cu合金的钎焊接头，其特征在于，它是采用上述TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料连接制得。
按上述方案，优选地，所述Cu合金为CuCrZr合金或紫铜。
本发明还提供了上述石墨和Cu合金的钎焊接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：将TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料与丙三醇混合调制成膏状，涂抹在石墨或Cu合金的待连接面上，合上石墨和Cu合金的待连接面，钎焊。
按上述方案，优选地，所述石墨与Cu合金的待连接面经过抛光、清洗和干燥处理；其中，所述清洗为用丙酮或酒精超声清洗30min。
按上述方案，优选地，所述钎焊的条件为：在10kPa的压力下真空钎焊，钎焊的温度为890～940℃，钎焊的保温时间为8～13min。
按上述方案，优选地，在达到所述钎焊的温度前，还包括下述步骤：首先以10℃/min的速率升温至500℃，保温1h，使焊料中的酒精或丙三醇挥发；再以10℃/min的速率升温至800℃，保温30min，使焊料在熔化前与母材与充分的接触；然后以5℃/min的速率升温加热至所述钎焊温度。
按上述方案，优选地，进行所述钎焊时，合上的石墨和Cu合金的待连接面置于石墨模具中。
本发明的基本原理如下：
TiH2粉末在高温下分解生成的Ti元素，能很好改善焊料在石墨表面的润湿性。TiC能够作为增强相强化接头，此外，低热膨胀系数的TiC能够降低焊料层与石墨之间的热膨胀系数差异，缓解接头的残余热应力，从而提高石墨/Cu合金接头性能。
相比于现有技术，本发明的主要优点是：
(1)本发明通过在TiH2-Ni-Cu焊料中添加TiC增强相，对连接层进行增强，制得的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料可以用于制备石墨与Cu合金的连接件。
(2)本发明提供的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料制备方法简单，使用方便，安全可靠。
(3)本发明制备TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的方法中所用的粉体材料均为市售商品，成本低廉。
(4)将本发明得到的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料用于连接石墨与Cu合金，所得连接件的接头界面层结合良好，未观察到裂纹及孔隙等缺陷，平均强度可达石墨母材强度的81.7％。
附图说明
图1为本发明提供的Cu合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊连接试样装配示意图。
图2为应用实施例1制得的CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域的SEM图，其中左侧部分为CuCrZr合金，右侧部分为石墨，中间区域为厚约80μm的焊料层。
图3为应用实施例1制得的CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域的XRD图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的制备，具体步骤如下：
将粒径为45～55μm的Cu粉、TiH2粉、Ni粉和粒径为1～5μm的TiC粉，按照质量百分比为Cu粉14.7％、TiH2粉59％、Ni粉24.3％、TiC粉2％配料并放入球磨机中，以300rpm的速率球磨2.5h，制得TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料。
实施例2
TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的制备，具体步骤如下：
将粒径为45～55μm的Cu粉、TiH2粉、Ni粉和粒径为1～5μm的TiC粉，按照质量百分比为Cu粉14％、TiH2粉58％、Ni粉24％、TiC粉4％配料并放入球磨机中，以350rpm的速率球磨2h，制得TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料。
应用实施例1
将实施例1中制得的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料用于连接石墨与CuCrZr合金，制备CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头，具体步骤如下：
1)将石墨和CuCrZr合金的待连接面用砂纸逐级研磨抛光，然后在丙酮中超声清洗30min，吹干待用。
2)取实施例1制得的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料，向其中加入少量丙三醇，调制成膏状，均匀涂抹在经步骤1)处理后的石墨和CuCrZr合金的待连接面上，合上待连接面，得到呈“三明治”状的“CuCrZr合金-新型复合焊料-石墨”连接件。
3)将步骤2)制得的“CuCrZr合金-新型复合焊料-石墨”连接件置于石墨模具中，再放入真空炉中，在10kPa压力下进行升温钎焊：首先，以10℃/min的升温速率从室温加热至500℃，然后在500℃下保温1h，使焊料中的酒精和丙三醇挥发；再以10℃/min的升温速率将样品从500℃加热至800℃，并在800℃保温30min，使钎料在熔化前与母材与充分接触；然后以5℃/min的升温速率加热至900℃并保温10min；最后，停止加热，随炉冷却至室温后取出样品，得CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头。
将本实施例制得的CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头在电子万能试验机上进行剪切强度的测试，结果显示：所述接头的平均剪切强度可达15.2MPa，为石墨母材强度(18.6MPa)的81.7％。
从图2可见，本实施例制得的CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头的焊料层形貌图均匀致密，焊料与石墨和CuCrZr合金结合很好，未观察到空隙及裂纹。
从图3可以看出，本实施例制得的CuCrZr合金/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头的接头界面区域主要由Cu(s,s)、TiC、Ti-Cu-Ni、Cu-Ti及Ti-Ni等金属间化合物组成。
应用实施例2
将实施例2中制得的TiH2-Ni-Cu+TiC复合焊料用于连接石墨与紫铜，制备紫铜/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头，具体步骤如下:
1)将石墨和紫铜的待连接面用砂纸逐级研磨抛光，然后在丙酮中超声清洗30min，吹干待用。
2)取实施例2制得的TiH2-Ni-Cu+TiC复合焊料，向其中加入少量丙三醇，调制成膏状，均匀涂抹在经步骤1)处理后的石墨和紫铜的待连接面上，合上待连接面，得到呈“三明治”状的“紫铜-新型复合焊料-石墨”连接件。
3)将步骤2)制得的“紫铜-新型复合焊料-石墨”连接件置于石墨模具中，再放入真空炉中，在10kPa压力下进行升温钎焊：首先，以10℃/min的升温速率从室温加热至500℃，然后在500℃下保温1h，使焊料中的酒精和丙三醇挥发；再以10℃/min的升温速率将样品从500℃加热至800℃，并在800℃保温30min，使钎料在熔化前与母材与充分的接触；然后以5℃/min的升温速率加热至910℃并保温9min；最后，停止加热，随炉冷却至室温后取出样品，得紫铜/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头。
经测试，本实施例制得的紫铜/TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料/石墨钎焊接头界面结合良好。

Claims (12)

1.一种TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料，其特征在于，按重量百分比由以下原料制备而成：
Cu粉：13％～17％；
TiH2粉：58％～62％；
Ni粉：23％～27％；
TiC粉：1％～5％。
2.权利要求1所述的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：将Cu粉、TiH2粉、Ni粉的以及TiC粉放入球磨机中球磨而成。
3.根据权利要求2所述的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的制备方法，其特征在于，所述Cu粉、TiH2粉、Ni粉的粒径为45～55μm，所述TiC粉的粒径为1～5μm。
4.根据权利要求2所述的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的制备方法，其特征在于，所述球磨机的球磨速率为250～350rpm，球磨时间为2～3h。
5.权利要求1所述的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料的应用，其特征在于，将其作为焊料用于连接石墨与Cu合金，以制备石墨/Cu合金钎焊接头。
6.一种石墨和Cu合金的钎焊接头，其特征在于，它是采用权利要求1所述的TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料连接制得。
7.根据权利要求6所述的石墨和Cu合金的钎焊接头，其特征在于，所述Cu合金为CuCrZr合金或紫铜。
8.权利要求6或7所述的石墨和Cu合金的钎焊接头的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
将TiH2-Ni-Cu+TiC新型复合焊料与丙三醇混合调制成膏状，涂抹在石墨或Cu合金的待连接面上，合上石墨和Cu合金的待连接面，钎焊。
9.根据权利要求8所述的石墨和Cu合金的钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述石墨与Cu合金的待连接面经过抛光、清洗和干燥处理；其中，所述清洗为用丙酮或酒精超声清洗30min。
10.根据权利要求8所述的石墨和Cu合金的钎焊接头的制备方法，其特征在于，所述钎焊的条件为：在10kPa的压力下真空钎焊，钎焊的温度为890～940℃，钎焊的保温时间为8～13min。
11.根据权利要求10所述的石墨和Cu合金的钎焊接头的制备方法，其特征在于，在达到所述钎焊的温度前，还包括下述步骤：
首先以10℃/min的速率升温至500℃，保温1h；再以10℃/min的速率升温至800℃，保温30min；然后以5℃/min的速率升温加热至所述钎焊温度。
12.根据权利要求8所述的石墨和Cu合金的钎焊接头的制备方法，其特征在于，进行所述钎焊时，合上的石墨和Cu合金的待连接面置于石墨模具中。
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