CN109604804A - 一种铜和铌的连接件及连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铜铌超导腔的制作技术领域，具体地说是一种铜和铌的连接件及连接方法，其特征在于该连接件由铜板、银中间层和铌板组成，所述的银中间层的上下两端分别与铜板和铌板相连接，该连接方法包括下述步骤：（一）、对铌板和铜板的待连接面进行打磨，获得新鲜的金属表面，并用丙酮或酒精超声清洗；（二）、选取与铜可以发生共晶反应，与铌能够形成固溶体的金属银，作为中间层；（三）、将铌板、银中间层和铜板组装在一起，放入加热炉中，加压，抽真空，然后加热进行连接，冷却后取出得到铌银铜连接件，具有方法简单、采用银作为中间层连接铜和铌、实现在较低温度下连接、保证接头具有良好的强度和可变形能力等优点。

Description

一种铜和铌的连接件及连接方法
技术领域
本发明涉及铜铌超导腔的制作技术领域，具体地说是一种采用银作为中间层连接铜和铌，实现在较低温度下连接，保证接头具有良好的强度和可变形能力的铜和铌的连接件及连接方法。
背景技术
众所周知，金属铌具有优良的低温超导性能，是超导加速腔中的关键部件材料，然而铌的造价高昂，而且导热系数较低，仅为53.7 W/(m·K)，为了保证其良好的工作状态，需要与具有高导热系数的铜(386 W/(m·K))组合在一起，铜铌腔越来越受到关注。
目前，现有的文献“铜铌溅射型低β超导腔的研制及初步实验，郝建奎，赵夔，张保澄，谢大林，王莉芳，全胜文，沈子林，唐渝兴，张云驰，杨希，胡岩乐，赵坤. 高能物理与核物理 2001, 25(6): 582-587”公开了一种在铜腔表面溅射一层铌膜的方法，该方法很难获得致密和厚度均匀的铌膜，另一方面保证两者之间具有良好的附着性是非常困难的，因为铜/铌体系呈正生成焓，密度、熔点和晶体结构之间存在较大差异，在平衡相图中，无论是液态还是固相，其互溶度均有限，总之现有方法很难保证铜和铌的连接强度和铜铌腔具备良好的性能。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种采用银作为中间层连接铜和铌，实现在较低温度下连接，保证接头具有良好的强度和可变形能力的铜和铌的连接件及连接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种铜和铌的连接件，其特征在于该连接件由铜板、银中间层和铌板组成，所述的银中间层的上下两端分别与铜板和铌板相连接，所述的银中间层的厚度为6 ~ 120 μm。
进一步，上述所述的铌板的厚度为0.5mm~5mm，所述的铜板的厚度为8mm~20mm。
一种铜和铌的连接方法，其特征在于该连接方法包括下述步骤：
（一）、对铌板和铜板的待连接面进行打磨，获得新鲜的金属表面，并用丙酮或酒精超声清洗；
（二）、选取与铜可以发生共晶反应，与铌能够形成固溶体的金属银，作为中间层；
（三）、将铌板、银中间层和铜板组装在一起，放入加热炉中，加压，抽真空，然后加热进行连接，冷却后取出得到铌银铜连接件。
进一步，上述所述的步骤（一）中最终获得的新鲜金属表面的粗糙度小于5 μm。
进一步，上述所述的步骤（二）中引入银中间层的方式为银粉末、银箔片、银镀层。
进一步，上述所述的步骤（三）中对铌板和铜板组合件施加的轴向压力为2 ~ 25MPa。
进一步，上述所述的步骤（三）中连接过程中炉腔内真空度为6 × 10-3 ~ 8 ×10-4 Pa。
进一步，上述所述的步骤（三）中加热过程为，首先以5 ~ 30 ºC/min的速率加热到700 ~ 750 ºC，保温20 ~ 60 min，然后以5 ~ 20 ºC/min的速率加热到800 ~ 950 ºC，保温30 ~ 90 min，最后以5 ~ 10 ºC/min的速率降至室温。
进一步，上述所述的步骤（三）中加热过程为，首先以15 ºC/min的速率加热到750ºC，保温50 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温70 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温。
本发明的有益效果有：采用银作为中间层连接铜和铌，一方面利用了银和铜的共晶反应，可以在较低温度下实现连接，同时，冷却后会得到银铜共晶组织；另一方面，银和铌可以形成固溶组织，那么在整个连接接头中不存在脆性的金属间化合物相，可以保证接头具有良好的强度和可变形能力，具有方法简单、采用银作为中间层连接铜和铌、实现在较低温度下连接、保证接头具有良好的强度和可变形能力等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图所示，一种铜和铌的连接件，其特征在于该连接件由铜板、银中间层和铌板组成，所述的银中间层的上下两端分别与铜板和铌板相连接，所述的铌板的厚度为0.5mm~5mm，所述的铜板的厚度为8mm~20mm，所述的银中间层的厚度为6 ~120 μm，连接方法包括下述步骤：（一）、对铌板和铜板的待连接面进行打磨，获得新鲜的金属表面，获得的新鲜金属表面的粗糙度小于5 μm，并用丙酮或酒精超声清洗；（二）、选取与铜可以发生共晶反应，与铌能够形成固溶体的金属银，作为中间层，引入银中间层的方式为银粉末、银箔片、银镀层或其他方式；（三）、将铌板、银中间层和铜板组装在一起，放入加热炉中，加压，对铌板和铜板组合件施加的轴向压力为2 ~ 25 MPa，抽真空，连接过程中炉腔内真空度为6 × 10-3 ~8 × 10-4 Pa，然后加热进行连接，首先以5 ~ 30 ºC/min的速率加热到700 ~ 750 ºC，保温20 ~ 60 min，然后以5 ~ 20 ºC/min的速率加热到800 ~ 950 ºC，保温30 ~ 90 min，最后以5 ~ 10 ºC/min的速率降至室温，冷却后取出得到铌银铜连接件，对连接件进行抗弯测试，铌板作为外侧，弯心直径为24 mm，弯曲角度达60º，拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例1：
取厚度为8mm的铜板和厚度为1mm的铌板作为连接材料，用厚度为100 μm的银箔片作为中间层。依次用1000#、1200#、1500# SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为3 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。按照铜板/银箔片/铌板顺序，自上而下组装在一起。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加10MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至5 × 10-3 Pa。然后以20 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温30 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温60 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例2：
取厚度为8mm的铜板和厚度为2mm的铌板作为连接材料，依次用1000#、1200#、1500#SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为3 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。在铜板和铌板之间铺80μm厚、平均颗粒直径为20μm的银颗粒。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加25MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至5 × 10-3Pa。然后以20 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温40 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温60 min，最后以10 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例3：
取厚度为8mm的铜板和厚度为1mm的铌板作为连接材料，依次用1000#、1200#、1500#SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为2 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。采用磁控溅射技术，在铜和铌板的待连接表面分别沉积20 μm和20 μm的银层。按照铜板(镀银面)/(镀银面)铌板顺序，自上而下组装在一起。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加20MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至3 × 10-3 Pa。然后以15 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温50 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温70 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例4：
取厚度为10mm的铜板和厚度3mm的铌板作为连接材料，依次用1000#、1200#、1500# SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为4 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。采用磁控溅射技术，在铜和铌板的待连接表面分别沉积8μm和3 μm的银层。按照铜板(镀银面)/(镀银面)铌板顺序，自上而下组装在一起。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加20MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至3 × 10-3 Pa。然后以15 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温50 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温70 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例5：
取厚度为20mm的铜板和厚度为0.5mm的铌板作为连接材料，依次用1000#、1200#、1500#SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为1μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。在铜板和铌板之间铺50μm厚、平均颗粒直径为20μm的银颗粒。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加20MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至3 × 10-3Pa。然后以15 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温50 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温70 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例6：
取厚度为8mm的铜板和厚度为5mm的铌板作为连接材料，用厚度为6 μm的银箔片作为中间层。依次用1000#、1200#、1500# SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为3 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。按照铜板/银箔片/铌板顺序，自上而下组装在一起。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加10MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至5 × 10-3 Pa。然后以20 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温30 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温60 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例7：
取厚度为15mm的铜板和厚度为3mm的铌板作为连接材料，用厚度为120 μm的银箔片作为中间层。依次用1000#、1200#、1500# SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为3 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。按照铜板/银箔片/铌板顺序，自上而下组装在一起。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加10MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至5 × 10-3 Pa。然后以20 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温30 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温60 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。
实施例8：
取厚度为8mm的铜板和厚度为3mm的铌板作为连接材料，用厚度为15 μm的银箔片作为中间层。依次用1000#、1200#、1500# SiC砂纸对铜板和铌板的待连接表面进行打磨，至表面粗糙度为3 μm。放入丙酮中超声清洗10min，取出风干。按照铜板/银箔片/铌板顺序，自上而下组装在一起。将待连接工件放入加热炉中，通过上下压头对工件施加10MPa轴向压力。关闭炉门，抽真空至5 × 10-3 Pa。然后以20 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温30 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温60 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温，得到铌银铜连接件，连接件弯曲角度达到60º时拉伸面和连接面未出现裂纹。

Claims (9)

1.一种铜和铌的连接件，其特征在于该连接件由铜板、银中间层和铌板组成，所述的银中间层的上下两端分别与铜板和铌板相连接，所述的银中间层的厚度为6 ~ 120 μm。
2.根据权利要求1所述的一种铜和铌的连接件，其特征在于所述的铌板的厚度为0.5mm~5mm，所述的铜板的厚度为8mm~20mm。
3.一种铜和铌的连接方法，其特征在于该连接方法包括下述步骤：
（一）、对铌板和铜板的待连接面进行打磨，获得新鲜的金属表面，并用丙酮或酒精超声清洗；
（二）、选取与铜可以发生共晶反应，与铌能够形成固溶体的金属银，作为中间层；
（三）、将铌板、银中间层和铜板组装在一起，放入加热炉中，加压，抽真空，然后加热进行连接，冷却后取出得到铌银铜连接件。
4.根据权利要求3所述的一种铜和铌的连接方法，其特征在于所述的步骤（一）中最终获得的新鲜金属表面的粗糙度小于5 μm。
5.根据权利要求3所述的一种铜和铌的连接方法，其特征在于所述的步骤（二）中引入银中间层的方式为银粉末、银箔片、银镀层。
6.根据权利要求3所述的一种铜和铌的连接方法，其特征在于所述的步骤（三）中对铌板和铜板组合件施加的轴向压力为2 ~ 25 MPa。
7.根据权利要求3所述的一种铜和铌的连接方法，其特征在于所述的步骤（三）中连接过程中炉腔内真空度为6 × 10-3 ~ 8 × 10-4 Pa。
8.根据权利要求3所述的一种铜和铌的连接方法，其特征在于所述的步骤（三）中加热过程为，首先以5 ~ 30 ºC/min的速率加热到700 ~ 750 ºC，保温20 ~ 60 min，然后以5 ~20 ºC/min的速率加热到800 ~ 950 ºC，保温30 ~ 90 min，最后以5 ~ 10 ºC/min的速率降至室温。
9.根据权利要求8所述的一种铜和铌的连接方法，其特征在于所述的步骤（三）中加热过程为，首先以15 ºC/min的速率加热到750 ºC，保温50 min，然后以10 ºC/min的速率加热到850 ºC，保温70 min，最后以5 ºC/min的速率降至室温。
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