一种CuCrZr-W双金属材料的制备方法与流程

本发明属于双金属复合材料制备方法技术领域，具体涉及一种cucrzr-w双金属材料的制备方法。

背景技术：

在聚变反应装置中苛刻的服役条件下，pfm须满足以下条件：1)高熔点、高导热且抗热冲击能力强；2)与等离子体有较好的相容性；3)低的溅射刻蚀率；4)耐中子辐照损伤能力强。虽然目前没有一种材料能够完全满足以上条件，但w以高熔点、高导热、低溅射率、低的氚滞留和良好的抗热冲击性能被视为最有希望全面使用的pfm。另外聚变堆装置中pfm遭受高热能粒子冲击后需要通过热沉材料及时将热量转移出去，因此选择具有超高导热性能的铜及其合金作为热沉材料成为不二之选。由于核聚变实验反应堆中工作环境复杂，单一的铜和钨难以满足多种使用性能要求，因此需要将钨与铜连接起来，制备一种既耐高温，又具有高导热性的偏滤器部件材料，即钨/铜异质钨/铜双金属。

钨/铜异质金属作为一种特殊的复合材料，由于钨与铜熔点相差较大，两者既不互溶，也不形成金属间化合物，一般的连接方法难以实现两种材料的高强度连接。另外由于钨与铜热膨胀系数相差较大，在工作时界面会产生很大的热应力，严重时导致接头开裂。同时在铜合金中，cucrzr具有高的强度、硬度、软化温度以及良好的导热性能且低成本等优点，因此寻找一种可靠的连接技术将cucrzr和w连接起来，制备具有良好性能的cucrzr-w双金属极为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种cucrzr-w双金属材料的制备方法，形成的双金属复合材料除了具有金属cucrzr与w各自优越性能外，同时还具有较高的结合强度。

本发明所采用的技术方案是，一种cucrzr-w双金属材料的制备方法，首先对钨块和铜铬锆块的表面进行预处理，然后在经预处理的钨块表面涂抹骨架层，再将涂抹骨架层的钨块进行烧结，然后将烧结处理后的涂抹骨架层的钨块和预处理后的铜铬锆块放置在一起进行气氛保护烧结实现熔浸连接，得到cucrzr-w双金属材料。

本发明的特征还在于，

对钨块的表面进行预处理的过程为：首先用砂纸打磨钨块表面的氧化皮和脏污，再用丙酮冲洗钨块表面。

在经预处理的钨块表面涂抹骨架层的过程为：将钨粉和铬粉按一定比例混合，然后将钨铬混合粉与石蜡按一定比例混合后进行加热融化搅拌均匀后，涂抹到在经预处理的钨块表面，形成厚度为100-300μm的骨架层。

铬粉占钨铬混合粉质量百分比为：5％-20％。

钨粉和铬粉在混料机中进行混合，混合时间为3-6h。

钨铬混合粉与石蜡按5：0.6-1.2的质量比混合。

将涂抹骨架层的钨块进行烧结的过程为：将涂有骨架层的钨块放在坩埚中，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉中通氢气加热到930-990℃后保温30-90min，然后升温到1300-1400℃后保温60-150min，再通入氮气随炉冷却。

对铜铬锆块的表面进行预处理的过程为：首先用砂纸打磨铜铬锆块表面的氧化皮和脏污，再用浓度为4-10％的稀硝酸清洗未打磨掉的残留氧化皮，再用水冲洗表面剩余的酸液后吹干。

将烧结处理后的钨块和预处理后的铜铬锆块放置在一起进行气氛保护烧结实现熔浸连接的具体过程为：将烧结处理后的涂抹骨架层的钨块和预处理后的铜铬锆块放入坩埚中，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉中并通入氢气进行烧结，升温至烧结炉温达到930-990℃后，保温30-60min，并换氮气进行烧结，升温至温度到达1300-1400℃后，保温60-150min，然后经2-5h缓慢冷却到800-950℃后随炉冷却，得到cucrzr-w双金属材料。

将烧结处理后的涂抹骨架层的钨块和预处理后的铜铬锆块放入坩埚中时，钨块在下，铜铬锆块在钨块上。

本发明的有益效果是：本发明一种cucrzr-w双金属材料的制备方法，利用cucrzr与w在熔点上的差别，在w表面烧结事先制备好的薄层钨铬骨架层，经过气氛保护烧结和缓慢冷却处理，实现两者高强度的冶金结合，形成的双金属复合材料除了具有金属cucrzr与w的各自优越性能外，同时还具有较高的结合强度，其剪切强度最高可达132mpa，实现结构功能一体化。

附图说明

图1是铬粉占钨铬混合粉质量百分比为20％时骨架层的cucrzr-w双金属界面处形貌图；

图2实施例1-4制备的cucrzr-w双金属界面处硬度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种cucrzr-w双金属材料的制备方法，首先对钨块和铜铬锆块的表面进行预处理，其中，对钨块的表面进行预处理的过程为：首先用砂纸打磨钨块表面的氧化皮和脏污，再用丙酮冲洗钨块表面；对铜铬锆块的表面进行预处理的过程为：首先用砂纸打磨铜铬锆块表面的氧化皮和脏污，再用浓度为4-10％的稀硝酸清洗未打磨掉的残留氧化皮，再用水冲洗表面剩余的酸液后吹干；然后在经预处理的钨块表面涂抹骨架层，具体的过程为：将钨粉和铬粉按一定比例混合，然后钨铬混合粉与石蜡按一定比例混合，然后将钨铬混合粉与石蜡按一定比例混合后进行加热融化搅拌均匀后，涂抹到在经预处理的钨块表面，形成厚度为100-300μm的骨架层，其中，铬粉占钨铬混合粉的质量百分比为：5％-20％；钨粉和铬粉在混料机中进行混合，混合时间为3-6h；钨铬混合粉与石蜡按5：0.6-1.2的质量比混合；再将涂抹骨架层的钨块进行烧结，具体过程为：将涂有骨架层的钨块放在坩埚中，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉中通氢气加热到930-990℃后保温30-90min，然后升温到1300-1400℃后保温60-150min，再通入氮气随炉冷却；然后将烧结处理后的涂抹骨架层的钨块和预处理后的铜铬锆块放置在一起进行气氛保护烧结实现熔浸连接，其中，将烧结处理后的钨块和预处理后的铜铬锆块放置在一起进行气氛保护烧结实现熔浸连接的具体过程为：将烧结处理后的涂抹骨架层的钨块和预处理后的铜铬锆块放入坩埚中(钨块在下，铜铬锆块在钨块上)，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉中并通入氢气进行烧结，升温至烧结炉温达到930-990℃后，保温30-60min，并换氮气进行烧结，升温至温度到达1300-1400℃后，保温60-150min，然后经2-5h缓慢冷却到800-950℃后随炉冷却，得到cucrzr-w双金属材料。

实施例1

制备cucrzr-w双金属复合材料，将钨块加工成尺寸为φ20mm×15mm圆柱体，同时，将cucrzr块加工成尺寸为φ20mm×40mm圆柱体。

首先用砂纸打磨钨块表面的氧化皮和脏污，再用丙酮冲洗钨块表面；将钨粉和铬粉按一定比例混合(铬质量百分比为：5％)，在混料机中混合3h后，然后将钨铬混合粉同石蜡按5：0.6的质量比混合后进行加热融化搅拌均匀后，涂抹到钨块表面，形成厚度为200μm的骨架层。

用砂纸打磨cucrzr块表面的氧化皮和脏污，再用浓度为4％的稀硝酸清洗没有打磨掉的氧化皮，用水冲洗表面剩余的酸液后吹干。

将涂有骨架层的钨块放在坩埚中，然后在气氛保护烧结炉中通氢气加热到930℃后，保温90min后升温到1300℃，保温150min后，通入氮气随炉冷却。

将烧有骨架层的w块和cucrzr块放入坩埚中(钨块在下，铜铬锆块在上)，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉通入氢气烧结，当烧结炉温达到930℃后，保温60min，并换氮气进行烧结，当温度到达1300后，保温150min，当铜液浸入钨块表面的骨架中完成扩散成型后，经2h缓慢冷却到950℃随炉冷却，获得cucrzr-w双金属材料。如图2所示，测得骨架平均厚度为167μm，界面附近硬度呈梯度分布，w侧界面处硬度达到212hv，界面剪切强度达到113mpa。

实施例2

制备cucrzr-w双金属复合材料，将钨块加工成尺寸为φ20mm×15mm圆柱体，同时，将cucrzr块加工成尺寸为φ20mm×40mm圆柱体。

首先用砂纸打磨钨块表面的氧化皮和脏污，再用丙酮冲洗钨块表面；将钨粉和铬粉按一定比例混合(铬质量百分比为：10％)，在混料机中混合4h后，然后将钨铬混合粉同石蜡按5：0.8的质量比混合后进行加热融化搅拌均匀后，涂抹到钨块表面，形成厚度为200μm的骨架层。

用砂纸打磨cucrzr块表面的氧化皮和脏污，再用浓度为6％的稀硝酸清洗没有打磨掉的氧化皮，用水冲洗表面剩余的酸液后吹干。

将涂有骨架层的钨块放在坩埚中，然后在气氛保护烧结炉中通氢气加热到950℃后，保温70min后升温到1350℃，保温120min后，通入氮气随炉冷却。

将烧有骨架层的w块和cucrzr块放入坩埚中(钨块在下，铜铬锆块在上)，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉通入氢气烧结，当烧结炉温达到950℃后，保温50min，并换氮气进行烧结，当温度到达1330后，保温90min，当铜液浸入钨块表面的骨架中完成扩散成型后，经3h缓慢冷却到900℃随炉冷却，获得cucrzr-w双金属材料。如图2所示，测得骨架平均厚度为252μm，界面附近硬度呈梯度分布，w侧界面处硬度达到253hv，界面剪切强度达到125mpa。

实施例3

制备cucrzr-w双金属复合材料，将钨块加工成尺寸为φ20mm×15mm圆柱体，同时，将cucrzr加工成尺寸为φ20mm×40mm圆柱体。

首先用砂纸打磨钨块表面的氧化皮和脏污，再用丙酮冲洗钨块表面；将钨粉和铬粉按一定比例混合(铬质量百分比为：15％)，在混料机中混合5h后，然后将钨铬混合粉同石蜡按5：1的质量比混合后进行加热融化搅拌均匀后，涂抹到钨块表面，形成厚度为200μm的骨架层。

用砂纸打磨铜铬锆块表面的氧化皮和脏污，再用浓度为8％的稀硝酸清洗没有打磨掉的氧化皮，用水冲洗表面剩余的酸液后吹干。

将涂有骨架层的钨块放在坩埚中，然后在气氛保护烧结炉中通氢气加热到970℃后，保温40min后升温到1400℃，保温90min后，通入氮气随炉冷却。

将烧有骨架层的w块和cucrzr块放入坩埚中(钨块在下，铜铬锆块在上)，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉通入氢气烧结，当烧结炉温达到970℃后，保温40min，并换氮气进行烧结，当温度到达1380℃后，保温90min，当铜液浸入钨块表面的骨架中完成扩散成型后，经4h缓慢冷却到850℃随炉冷却，获得cucrzr-w双金属材料。如图2所示，测得骨架平均厚度为208μm，界面附近硬度呈梯度分布，w侧界面处硬度达到283hv，界面剪切强度达到130mpa.

实施例4

制备cucrzr-w双金属复合材料，将钨块加工成尺寸为φ20mm×15mm圆柱体，同时，将铜铬锆块加工成尺寸为φ20mm×40mm圆柱体。

首先用砂纸打磨钨块表面的氧化皮和脏污，再用丙酮冲洗钨块表面；将钨粉和铬粉按一定比例混合(铬质量百分比为：20％)，在混料机中混合6h后，然后将钨铬混合粉同石蜡按5：1.2的质量比混合后进行加热融化搅拌均匀后，涂抹到钨块表面，形成厚度为200μm的骨架层。

用砂纸打磨铜铬锆块表面的氧化皮和脏污，再用浓度为10％的稀硝酸清洗没有打磨掉的氧化皮，用水冲洗表面剩余的酸液后吹干。

将涂有骨架层的钨块放在坩埚中，然后在气氛保护烧结炉中通氢气加热到990℃后，保温30min后升温到1400℃，保温60min后，通入氮气随炉冷却。

将烧有骨架层的w块和cucrzr块放入坩埚中(钨块在下，铜铬锆块在上)，然后将坩埚放入气氛保护烧结炉通入氢气烧结，当烧结炉温达到990℃后，保温30min，并换氮气进行烧结，当温度到达1400℃后，保温60min，当铜液浸入钨块表面的骨架中完成扩散成型后，经5h缓慢冷却到800℃随炉冷却，获得cucrzr-w双金属材料。如图1、图2所示，测得骨架平均厚度为265μm，界面附近硬度呈梯度分布，w侧界面处硬度达到286hv，界面剪切强度达到132mpa。