专利名称：一种超高压力钎焊连接钨-金刚石/铜-低活化钢的方法
技术领域：
本发明涉及聚变堆装置中偏滤器水冷钨模块的制备，特别是涉及面向等离子体材料钨与热沉材料和低活化钢之间焊接的方法。具体采用了金刚石/铜复合材料作为钨与低活化钢之间的中间层和热沉材料，应用超高压力通电的方法进行焊接。
背景技术：
在托卡马克装置运行时，氘与氚聚变反应产生14.1MeV的高能中子，会对面向等离子材料表面进行强烈的物理和化学的冲刷，特别是偏滤器部件在平稳运行状态下需承受10-20 MW/m2热通量。这种高能中子辐照和高热负荷的环境要求采用耐高温、低活性的材料应用于偏滤器，钨与核聚变中等离子体具有良好的兼容性，并且腐蚀率低，被认为是一种理想的面向等离子体候选材料。低活化钢是作为聚变堆的结构材料。在水冷聚变堆装置中CuCrZr被作为热沉材料。Cu的热膨胀系数约是W的3.5倍；低活化钢的热膨胀系数约是W的2.4倍；金刚石/铜复合材料的热膨胀系数接近W。因W和低活化钢的性质相差很大，将二者直接结合时往往由于二者的热膨胀系数失配，在制备和服役过程中二者界面会产生很大的热应力，进而导致裂纹的产生以及材料的失效。因此涉及到钨及其合金与低活化钢连接的问题。金刚石/铜复合材料与钨或低活化钢直接焊接强度较低，加入CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片可提高其焊接强度，因此涉及到用钨-CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片-金刚石/铜复合材料-CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片-低活化钢的焊接成水冷钨模块问题。
发明内容
传统的钎焊连接方法所需工艺要求温度高，时间长，而且由于在聚变堆装置中使用，中间钎料的选择也有一定的局限性。为了克服这一缺点，本发明提供了一种简单高效新的钨/低活化钢的焊接方法。本发明所采用的技术方案是:
1、首先，根据计算配出金刚石体积比为40-60%的金刚石/铜复合材料，采用V形混料机和研钵中酒精湿混的方法使金刚石/铜原料混合均匀。2、将钨叠片、CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片和低活化钢块经砂纸打磨、超声波清洗后晾干。3、将2中所述材料与金刚石/铜原料一起按图4所示装配于相应尺寸的石墨模具中，并且在装配过程中，在低活化钢块外包覆一层与模具相配合的0.3-0.5mm的铜皮，如图1所示。其中，金刚石/铜复合材料层厚度为l_3mm。金刚石/铜与钨，及金刚石/铜与低活化钢块之间分别加上一层0.3mm厚的CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片。加入的CuCrZr或无氧铜箔片目的有两个:一是利用铜箔的塑性缓和直接连接导致的较大应力，二是为了避免金刚石/铜复合材料中的金刚石在压制过程中接触损伤W护甲而降低连接强度。4.将装配好的石墨模具再装入保温在100°C钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，放入六面顶压机内进行超高压力通电焊接。超高压力通电连接的工艺为:电流为1200A，通电加热时间为6-8分钟；压力为两次阶梯状升压，范围为5(T70MPa，时间为8 12.5min。压力为两次阶梯状升压，范围为5(T70MPa，时间为8 12min。从工艺配合角度可理解为:压力起始增加到一定值后，配合温度对其进行一段时间的保温保压，通电结束后二次升压开始，升至一个更高值后保压一段时间然后卸压。本发明与现有技术相比的优点在于:
1、使用了金刚石/铜复合材料作为中间层。它的热膨胀系数介于钨和低活化钢之间，并且更接近钨，这有效地减小了钨和低活化钢之间的热应力；此外，它具有较高的热导率，可以确保沉积在W上的高热流能够尽快地传导到冷却水管。2、W护甲采用四块或更多的叠片结构。W叠片越多，叠片中的应力越小；叠片避免了在使用过程中单一整块W可能造成的裂纹快速扩展现象，裂纹传播过程中会在叠片结构间隙偏折受阻。3、金刚石/铜与钨，及金刚石/铜与低活化钢之间分别加上一层0.3mm厚的CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片，可以有效地避免在超高压力通电过程中金刚石与钨或低活化钢表面的直接接触，既可以增加界面的结合强度，也可以避免加压时金刚石颗粒造成钨和低活化钢表面的损伤。4、采取包覆式结构的方式进行制备，在低活化钢外包覆一层铜皮(见图1和2)，不但在施焊前的装配步骤降低金刚石/铜混合粉料的装配难度，更可以在焊接过程中有效减少石墨模具对低活化钢的渗碳，并减少在聚变堆中服役时氦脆对连接界面的影响。装配过程中还在模具中加入了除氧剂，可在一定程度上达到减少中间层金刚石/铜复合材料中氧含量的作用，从而可以避免中间层热沉材料热导率下降导致的连接层之间开裂甚至钨护甲的熔化。此外可采取将金刚石/铜复合材料中间层烧结成型后再进行焊接的方法来降低氧对金刚石/铜复合材料中间层热性能的影响。3、应用了超高压力通电的方法。这种方法一般为制备人造金刚石所用的。对导电材料通电，利用其自身电阻发热，热利用率非常高，与辐射加热方式相比，不仅降低了能源的消耗，并且大大缩短施焊时间。另外，超高压力(GPa级以上)可有效的抑制原子迁移并阻碍晶粒长大，使中间层钎料烧结致密，而且超高压力使连接面达到了很高的连接强度，剪切断裂全部发生于在钨层内。
图1包覆式结构模型装配示意图 图2包覆后形成槽的低活化钢块
图3包覆结构剖面 图4原料装配设计图
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步说明。(I)首先将钨板和低活化钢经过线切割制成所需要的尺寸形状，然后用粗细砂纸将表面逐级打磨，再用酒精在超声波清洗机中清洗。最后将低活化钢包覆一层铜皮，如图2。
(2)将原料按图3和图4所示依次装入石墨模具中。再将石墨模具依次放入钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中。(3)将装好的叶腊石模具放入超高压通电的六面顶压机中进行焊接。实施例1:
首先选用金刚石颗粒体积分数为50%的金刚石/铜复合材料作为中间层进行两种母材钨与低活化钢之间的焊接。根据所设计的模具尺寸计算50%的体积比的金刚石/铜复合材料中金刚石和铜的原料质量配比。然后将配好的金刚石和铜粉采用V形混料机和研钵中酒精湿混的方法使金刚石/铜粉料混合均匀备用。钨叠片是尺寸为4个24X 10 X 6mm的钨条。低活化钢尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。连接前对试样表面进行打磨,清洗,干燥。 按从上到下为低活化钢-CuCrZr箔-金刚石/铜混合料-CuCrZr箔-鹤叠片的顺序放入石墨模具中，然后再将石墨模具依次放入钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，最后将其放入六面顶压机进行超高压通电连接。选用I号工艺:电流为1200A，通电时间5.5min ；一次升压至54MPa，二次升压至68MPa ;总工艺时长为9.5min。对制得的模块的连接面进行剪切试验，剪切强度为130.2IMPa0剪切断裂全部发生于在钨层一侧内部。实施例2:
首先选用金刚石颗粒体积分数为40%的金刚石/铜复合材料作为中间层进行两种母材钨与低活化钢之间的焊接。根据所设计的模具尺寸计算40%的体积比的金刚石/铜复合材料中金刚石和铜的原料质量配比。然后将配好的金刚石和铜粉采用V形混料机和研钵中酒精湿混的方法使金刚石/铜原料混合均匀备用。钨叠片是尺寸为4个24X 10 X 6mm的钨条。低活化钢尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。连接前对试样表面进行打磨,清洗,干燥。按从上到下为低活化钢-CuCrZr箔-金刚石/铜混合料-CuCrZr箔-鹤叠片的顺序放入石墨模具中，然后再将石墨模具依次放入钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，最后将其放入六面顶压机进行超高压通电焊接。选用2号工艺:电流为1200A，通电时间8.5min ；一次升压至51MPa，二次升压至68MPa ;时间为12.5min。对制得的模块的连接面进行剪切试验，剪切强度为120.16MPa。剪切断裂全部发生于在钨层一侧内部。
实施例3:
首先选用金刚石颗粒体积分数为45%的金刚石/铜复合材料作为中间层进行两种母材钨与低活化钢之间的焊接。根据所设计的模具尺寸计算45%的体积比的金刚石/铜复合材料中金刚石和铜的原料质量配比。然后将配好的金刚石和铜粉采用V形混料机和研钵中酒精湿混的方法使金刚石/铜原料混合均匀备用。钨叠片是尺寸为4个24X 10 X 6mm的钨条。低活化钢尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。连接前对试样表面进行打磨,清洗,干燥。按从上到下为低活化钢-OFC箔-金刚石/铜混合料-OFC箔-钨叠片的顺序放入石墨模具中，然后再将石墨模具依次放入钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，最后将其放入六面顶压机进行超高压通电连接。选用I号工艺:电流为1200A，通电时间5.5min ;一次升压至54MPa，二次升压至68MPa ;总工艺时长为9.5min。对制得的模块的连接面进行剪切试验，剪切强度为152.1MPa。剪切断裂全部发生于在钨层一侧内部。
实施例4:
首先选用金刚石颗粒体积分数为55%的金刚石/铜复合材料作为中间层进行两种母材钨与低活化钢之间的连接。根据所设计的模具尺寸计算45%的体积比的金刚石/铜复合材料中金刚石和铜的原料质量配比。然后将配好的金刚石和铜粉采用V形混料机和研钵中酒精湿混的方法使金刚石/铜原料混合均匀备用。钨叠片是尺寸为4个24X 10 X 6mm的钨条。低活化钢尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。连接前对试样表面进行打磨,清洗,干燥。按从上到下为低活化钢-OFC箔-金刚石/铜混合料-OFC箔-钨叠片的顺序放入石墨模具中，然后再将石墨模具依次放入钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，最后将其放入六面顶压机进行超高压通电连接。选用2号工艺:电流为1200A，通电时间8.5min ;一次升压至51MPa，二次升压至68MPa ;时间为12.5min。对制得的模块的连接面进行剪切试验，剪切强度为143.4MPa。剪切断裂全部发生于在钨层一侧内部。
权利要求
1.一种超高压力钎焊连接钨-金刚石/铜-低活化钢的方法，其特征在于: 步骤一、根据计算配出金刚石体积比为40-60%的金刚石/铜复合材料； 步骤二、将钨叠片、CuCrZr或无氧铜箔片和低活化钢块经砂纸打磨、超声波清洗后晾干; 步骤三、将步骤二中所述材料与金刚石和铜的混合粉料装配于石墨模具中，在装配过程中，对低活化钢块外包覆一层与模具相配合的0.3-0.5mm的铜皮；其中，金刚石/铜复合材料压成后的厚度为1_3_，金刚石/铜与钨及金刚石/铜与低活化钢之间分别加上一层.0.3mm厚的CuCrZr或无氧铜箔片； 步骤四、将装配好的石墨模具依次装入保温在100°c的钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套中，放入六面顶压机内进行超高压力通电焊接；超高压力通电连接的工艺为:电流为1200A，通电加热时间为6-8分钟；压力为两次阶梯状升压，范围为5(T70MPa，时间为8 12.5min。
全文摘要
一种超高压力钎焊连接钨-金刚石/铜-低活化钢的方法。该方法涉及聚变堆装置中偏滤器水冷钨模块的制备。是以不同金刚石体积比的金刚石/铜复合材料作为钨与低活化钢之间的中间层，并在金刚石/铜复合材料与钨，及金刚石/铜复合材料与低活化钢之间，分别加上一层0.3mm厚的CuCrZr或者无氧铜(OFC)箔片，然后采取包覆式结构将原料依次放入石墨模具中，在钢杯、镁杯、石墨纸和叶腊石包套的包裹下放入六面顶压机内进行超高压力通电焊接，最终使钨叠片-金刚石/铜-低活化钢一次成型为整体的钨模块。本发明可短时间一次实现钨叠片-金刚石/铜-低活化钢的焊接，焊接界面完好，焊接强度高，钨模块导热性能良好。
文档编号B23K1/19GK103084690SQ20131007148
公开日2013年5月8日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者沈卫平, 李鹏, 王占朋, 张庆玲, 周雏蕾, 赵晓琳, 刘文娜, 徐士亮 申请人:北京科技大学