一種連接鎢材與銅材的方法與流程

本發明屬于金屬粉末冶金技術領域，通過還原預燒結-爆炸壓實-擴散燒結等一系列工藝連接鎢與銅，所獲得的鎢與銅的復合結構屬于粉末冶金復合。

背景技術：

鎢是熔點高，蒸汽壓很低，蒸發速度也較小的金屬。良好的熱傳導性，優異的高溫強度，使它經常被用來制造耐高熱流元件。在核聚變反應裝置中,偏濾器面對等離子一側的材料要求有很好的耐高溫性能和良好的熱傳導性能，而另一側的材料需要優良的導熱性能。現有的單一材料不能同時滿足這兩種需要,而鎢銅復合材料滿足這種要求。鎢具有很高的熔點,可作為面對等離子一側的耐高溫材料,銅具有很好的導熱性能，作為基體材料能滿足導熱和冷卻的要求。

目前用來連接鎢與銅的主要方法有，電子束焊接技術(smidi，akibam，vieideng，etal.developmentoftungstenarmorandbondingtocopperforplasma-interactivecomponents，jnuclmater，1998)，熱等靜壓技術(saitos，fukayak，ishiyamas，etal.mechanicalpropertiesofhipbondedwandcu-alloysjointforplasmafacingcomponents，jnuclmater，2002)燒結－熔滲技術(jedamzikr，neubrandaandrodelj.characterizationofelectrochemicallyprocessedgradedtungsten/coppercomposites，matersciforum，1999)，超高壓通電燒結技術(zhouzj，duj，songsx，etal.microstructuralcharacterizationofw/cufunctionallygradedmaterialsproducedbyaone-stepresistancesinteringmethod，jalloycompd，2007)，釬焊技術(barabashv，akibam，cardellaa，etal.armorandheatsinkmaterialsjoiningtechnologiesdevelopmentforiterplasmafacingcomponents，jnuclmater，2000)，鑄造技術(陳俊凌，李建剛.噴涂有厚鎢涂層的第一壁部件或銅合金熱沉材料及其制作方法：中國10095156.3[p]2005)。電子束焊接技術能耗大鎢晶粒易長大，熱等靜壓技術連接強度低，燒結－熔滲技術難以獲得連續成分變化的梯度材料，超高壓通電燒結技術孔隙率稍大，釬焊技術在結合界面引入雜質，鑄造技術工藝復雜、成本高。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種燒結結合爆炸壓實連接鎢和銅的方法，以達到生產簡單、高效、廉價、產量大的目的。

本發明方法的技術原理：

(1)將純銅粉預壓在鎢材與銅材之間。預壓的目的是為了使純銅粉與鎢材和銅材結合緊密，預壓之后的純銅粉在爆炸壓實中，更易被壓實。

(2)還原預燒結或真空預燒結是為了除去純銅粉、銅材、鎢材表面的氧化物、吸附氣體、污漬，使它們露出新鮮的金屬表面，便于后續的擴散燒結。燒結還可以使純銅粉被燒結在一起，銅顆粒間形成燒結頸，有利于后續的爆炸壓實。

(3)爆炸壓實是為了將純銅粉壓制成接近理論密度的銅層，并且將純銅粉層與鎢材和銅材緊密結合，在后續擴散燒結過程中使被壓實的純銅粉層與鎢材和銅材更易燒結在一起，但爆炸壓實在銅涂層中產生很大的殘余應力，在銅涂層中還可能存在微裂紋與微孔隙。

(4)擴散燒結的目的是為了使銅或和鎢材連接在一起，并且消除由于爆炸壓實而在純銅粉層中產生的殘余應力與微裂紋、微孔隙。

一種連接鎢材與銅材的方法，步驟如下：

(1)在鎢材與銅材之間鋪設銅粉，預壓到銅的理論密度的30-80％；

(2)在真空或還原性氣氛中，加熱至700-1070℃溫度條件下，還原預燒結30min以上，形成預燒結工件；

(3)爆炸壓實預燒結工件，將銅粉層壓至理論密度的95％以上；

(4)將爆炸壓實的工件置于800-1070℃溫度條件下，擴散燒結30min以上；隨爐冷卻，即實現鎢材與銅材的連接。

一種連接鎢材與銅材的方法，步驟如下：

(1)在鎢材表面鋪設銅粉，預壓到銅的理論密度的30-80％；

(2)在真空或還原性氣氛中，加熱至700-1070℃溫度條件下，還原預燒結30min以上，形成預燒結工件；

(3)爆炸壓實預燒結工件，將銅粉層壓至理論密度的95％以上；

(4)將爆炸壓實的工件置于800-1070℃溫度條件下，擴散燒結30min以上；隨爐冷卻，即實現鎢材與銅材的連接。

所述的還原性氣氛為氫氣、氫氣與氬氣混合氣、氫氣與氦氣混合氣、氫氣、氬氣與氦氣混合氣。

所述的銅粉替換為鎢銅合金粉。

所述的爆炸壓實分為兩種類型，一種是直接的爆炸壓實，裝置圖如圖1所示。另一種是水下爆炸壓實，裝置圖如圖2所示。

本發明的有益效果：

1)通過提供簡單的裝置，可在短時間將鎢與銅連接，制備成本低廉，便于工業化生產。

2)由于燒結溫度最高不超過950℃，可以避免鎢材中鎢晶粒的生長。

3)采用通氫燒結，還可以大大降低銅涂層與鎢材中的氧含量，提高材料力學性能。

附圖說明

圖1是本發明的爆炸壓實示意圖。

圖2是本發明的水下爆炸壓實示意圖。

圖3是本發明鎢與銅連接的流程圖。

圖4是本發明實例1中的鎢銅界面的微觀形貌(sem)圖。

圖5是本發明實例2中的鎢銅梯度材料各界面的微觀形貌(sem)圖。

圖中：1雷管；2炸藥；3鋼套；4鎢材；5預壓預燒結后的純銅粉；6銅材；7水；8隔水膜；9純銅粉；10孔隙；11燒結頸；12微裂紋；13鎢；14銅；15鎢銅質量比1:1的鎢銅合金；16鎢銅質量比3:1的鎢銅合金。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的具體實施方式。

實施例1

將1.795g的200目銅粉置于1mm厚的鎢板與10mm后的鉻鋯銅塊之間。在壓力機下將銅粉壓到理論密度的50％。然后將粉末放入鋼套中在燒結爐中進行通氫燒結。燒結溫度為850℃，加熱時長為1個小時。將樣品取出在空氣中冷卻后進行爆炸壓實。爆炸壓實示意圖如圖1所示，鋼套頂部藥厚50mm，兩側藥厚30mm。爆炸壓實后連同鋼套在管式燒結爐中進行擴散燒結，燒結溫度為980℃，燒結時長為1個小時，然后隨爐冷卻，即得到連接在一起的鎢銅復合材料。圖3為鎢銅界面的微觀形貌(sem)圖，從中可以看出鎢板與銅基體緊密的結合在一起。

實施例2

按照實施例1的制備方法，在鎢板與銅基體之間添加兩種鎢銅合金粉末，分別為75％w-25％cu，50％w-50％cu，實現了鎢與銅的連接。制備出的鎢銅梯度復合材料的界面如圖3所示。