一种连接钨材与铜材的方法与流程

本发明属于金属粉末冶金技术领域，通过还原预烧结-爆炸压实-扩散烧结等一系列工艺连接钨与铜，所获得的钨与铜的复合结构属于粉末冶金复合。

背景技术：

钨是熔点高，蒸汽压很低，蒸发速度也较小的金属。良好的热传导性，优异的高温强度，使它经常被用来制造耐高热流元件。在核聚变反应装置中,偏滤器面对等离子一侧的材料要求有很好的耐高温性能和良好的热传导性能，而另一侧的材料需要优良的导热性能。现有的单一材料不能同时满足这两种需要,而钨铜复合材料满足这种要求。钨具有很高的熔点,可作为面对等离子一侧的耐高温材料,铜具有很好的导热性能，作为基体材料能满足导热和冷却的要求。

目前用来连接钨与铜的主要方法有，电子束焊接技术(smidi，akibam，vieideng，etal.developmentoftungstenarmorandbondingtocopperforplasma-interactivecomponents，jnuclmater，1998)，热等静压技术(saitos，fukayak，ishiyamas，etal.mechanicalpropertiesofhipbondedwandcu-alloysjointforplasmafacingcomponents，jnuclmater，2002)烧结－熔渗技术(jedamzikr，neubrandaandrodelj.characterizationofelectrochemicallyprocessedgradedtungsten/coppercomposites，matersciforum，1999)，超高压通电烧结技术(zhouzj，duj，songsx，etal.microstructuralcharacterizationofw/cufunctionallygradedmaterialsproducedbyaone-stepresistancesinteringmethod，jalloycompd，2007)，钎焊技术(barabashv，akibam，cardellaa，etal.armorandheatsinkmaterialsjoiningtechnologiesdevelopmentforiterplasmafacingcomponents，jnuclmater，2000)，铸造技术(陈俊凌，李建刚.喷涂有厚钨涂层的第一壁部件或铜合金热沉材料及其制作方法：中国10095156.3[p]2005)。电子束焊接技术能耗大钨晶粒易长大，热等静压技术连接强度低，烧结－熔渗技术难以获得连续成分变化的梯度材料，超高压通电烧结技术孔隙率稍大，钎焊技术在结合界面引入杂质，铸造技术工艺复杂、成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种烧结结合爆炸压实连接钨和铜的方法，以达到生产简单、高效、廉价、产量大的目的。

本发明方法的技术原理：

(1)将纯铜粉预压在钨材与铜材之间。预压的目的是为了使纯铜粉与钨材和铜材结合紧密，预压之后的纯铜粉在爆炸压实中，更易被压实。

(2)还原预烧结或真空预烧结是为了除去纯铜粉、铜材、钨材表面的氧化物、吸附气体、污渍，使它们露出新鲜的金属表面，便于后续的扩散烧结。烧结还可以使纯铜粉被烧结在一起，铜颗粒间形成烧结颈，有利于后续的爆炸压实。

(3)爆炸压实是为了将纯铜粉压制成接近理论密度的铜层，并且将纯铜粉层与钨材和铜材紧密结合，在后续扩散烧结过程中使被压实的纯铜粉层与钨材和铜材更易烧结在一起，但爆炸压实在铜涂层中产生很大的残余应力，在铜涂层中还可能存在微裂纹与微孔隙。

(4)扩散烧结的目的是为了使铜或和钨材连接在一起，并且消除由于爆炸压实而在纯铜粉层中产生的残余应力与微裂纹、微孔隙。

一种连接钨材与铜材的方法，步骤如下：

(1)在钨材与铜材之间铺设铜粉，预压到铜的理论密度的30-80％；

(2)在真空或还原性气氛中，加热至700-1070℃温度条件下，还原预烧结30min以上，形成预烧结工件；

(3)爆炸压实预烧结工件，将铜粉层压至理论密度的95％以上；

(4)将爆炸压实的工件置于800-1070℃温度条件下，扩散烧结30min以上；随炉冷却，即实现钨材与铜材的连接。

一种连接钨材与铜材的方法，步骤如下：

(1)在钨材表面铺设铜粉，预压到铜的理论密度的30-80％；

(2)在真空或还原性气氛中，加热至700-1070℃温度条件下，还原预烧结30min以上，形成预烧结工件；

(3)爆炸压实预烧结工件，将铜粉层压至理论密度的95％以上；

(4)将爆炸压实的工件置于800-1070℃温度条件下，扩散烧结30min以上；随炉冷却，即实现钨材与铜材的连接。

所述的还原性气氛为氢气、氢气与氩气混合气、氢气与氦气混合气、氢气、氩气与氦气混合气。

所述的铜粉替换为钨铜合金粉。

所述的爆炸压实分为两种类型，一种是直接的爆炸压实，装置图如图1所示。另一种是水下爆炸压实，装置图如图2所示。

本发明的有益效果：

1)通过提供简单的装置，可在短时间将钨与铜连接，制备成本低廉，便于工业化生产。

2)由于烧结温度最高不超过950℃，可以避免钨材中钨晶粒的生长。

3)采用通氢烧结，还可以大大降低铜涂层与钨材中的氧含量，提高材料力学性能。

附图说明

图1是本发明的爆炸压实示意图。

图2是本发明的水下爆炸压实示意图。

图3是本发明钨与铜连接的流程图。

图4是本发明实例1中的钨铜界面的微观形貌(sem)图。

图5是本发明实例2中的钨铜梯度材料各界面的微观形貌(sem)图。

图中：1雷管；2炸药；3钢套；4钨材；5预压预烧结后的纯铜粉；6铜材；7水；8隔水膜；9纯铜粉；10孔隙；11烧结颈；12微裂纹；13钨；14铜；15钨铜质量比1:1的钨铜合金；16钨铜质量比3:1的钨铜合金。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

将1.795g的200目铜粉置于1mm厚的钨板与10mm后的铬锆铜块之间。在压力机下将铜粉压到理论密度的50％。然后将粉末放入钢套中在烧结炉中进行通氢烧结。烧结温度为850℃，加热时长为1个小时。将样品取出在空气中冷却后进行爆炸压实。爆炸压实示意图如图1所示，钢套顶部药厚50mm，两侧药厚30mm。爆炸压实后连同钢套在管式烧结炉中进行扩散烧结，烧结温度为980℃，烧结时长为1个小时，然后随炉冷却，即得到连接在一起的钨铜复合材料。图3为钨铜界面的微观形貌(sem)图，从中可以看出钨板与铜基体紧密的结合在一起。

实施例2

按照实施例1的制备方法，在钨板与铜基体之间添加两种钨铜合金粉末，分别为75％w-25％cu，50％w-50％cu，实现了钨与铜的连接。制备出的钨铜梯度复合材料的界面如图3所示。