專利名稱：一種超高壓力釬焊連接鎢-金剛石/銅-低活化鋼的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聚變堆裝置中偏濾器水冷鎢模塊的制備，特別是涉及面向等離子體材料鎢與熱沉材料和低活化鋼之間焊接的方法。具體采用了金剛石/銅復合材料作為鎢與低活化鋼之間的中間層和熱沉材料，應用超高壓力通電的方法進行焊接。
背景技術：
在托卡馬克裝置運行時，氘與氚聚變反應產生14.1MeV的高能中子，會對面向等離子材料表面進行強烈的物理和化學的沖刷，特別是偏濾器部件在平穩(wěn)運行狀態(tài)下需承受10-20 MW/m2熱通量。這種高能中子輻照和高熱負荷的環(huán)境要求采用耐高溫、低活性的材料應用于偏濾器，鎢與核聚變中等離子體具有良好的兼容性，并且腐蝕率低，被認為是一種理想的面向等離子體候選材料。低活化鋼是作為聚變堆的結構材料。在水冷聚變堆裝置中CuCrZr被作為熱沉材料。Cu的熱膨脹系數(shù)約是W的3.5倍；低活化鋼的熱膨脹系數(shù)約是W的2.4倍；金剛石/銅復合材料的熱膨脹系數(shù)接近W。因W和低活化鋼的性質相差很大，將二者直接結合時往往由于二者的熱膨脹系數(shù)失配，在制備和服役過程中二者界面會產生很大的熱應力，進而導致裂紋的產生以及材料的失效。因此涉及到鎢及其合金與低活化鋼連接的問題。金剛石/銅復合材料與鎢或低活化鋼直接焊接強度較低，加入CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片可提高其焊接強度，因此涉及到用鎢-CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片-金剛石/銅復合材料-CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片-低活化鋼的焊接成水冷鎢模塊問題。

發(fā)明內容
傳統(tǒng)的釬焊連接方法所需工藝要求溫度高，時間長，而且由于在聚變堆裝置中使用，中間釬料的選擇也有一定的局限性。為了克服這一缺點，本發(fā)明提供了一種簡單高效新的鎢/低活化鋼的焊接方法。本發(fā)明所采用的技術方案是:
1、首先，根據(jù)計算配出金剛石體積比為40-60%的金剛石/銅復合材料，采用V形混料機和研缽中酒精濕混的方法使金剛石/銅原料混合均勻。2、將鎢疊片、CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片和低活化鋼塊經砂紙打磨、超聲波清洗后晾干。3、將2中所述材料與金剛石/銅原料一起按圖4所示裝配于相應尺寸的石墨模具中，并且在裝配過程中，在低活化鋼塊外包覆一層與模具相配合的0.3-0.5mm的銅皮，如圖1所示。其中，金剛石/銅復合材料層厚度為l_3mm。金剛石/銅與鎢，及金剛石/銅與低活化鋼塊之間分別加上一層0.3mm厚的CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片。加入的CuCrZr或無氧銅箔片目的有兩個:一是利用銅箔的塑性緩和直接連接導致的較大應力，二是為了避免金剛石/銅復合材料中的金剛石在壓制過程中接觸損傷W護甲而降低連接強度。4.將裝配好的石墨模具再裝入保溫在100°C鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中，放入六面頂壓機內進行超高壓力通電焊接。超高壓力通電連接的工藝為:電流為1200A，通電加熱時間為6-8分鐘；壓力為兩次階梯狀升壓，范圍為5(T70MPa，時間為8 12.5min。壓力為兩次階梯狀升壓，范圍為5(T70MPa，時間為8 12min。從工藝配合角度可理解為:壓力起始增加到一定值后，配合溫度對其進行一段時間的保溫保壓，通電結束后二次升壓開始，升至一個更高值后保壓一段時間然后卸壓。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
1、使用了金剛石/銅復合材料作為中間層。它的熱膨脹系數(shù)介于鎢和低活化鋼之間，并且更接近鎢，這有效地減小了鎢和低活化鋼之間的熱應力；此外，它具有較高的熱導率，可以確保沉積在W上的高熱流能夠盡快地傳導到冷卻水管。2、W護甲采用四塊或更多的疊片結構。W疊片越多，疊片中的應力越?。化B片避免了在使用過程中單一整塊W可能造成的裂紋快速擴展現(xiàn)象，裂紋傳播過程中會在疊片結構間隙偏折受阻。3、金剛石/銅與鎢，及金剛石/銅與低活化鋼之間分別加上一層0.3mm厚的CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片，可以有效地避免在超高壓力通電過程中金剛石與鎢或低活化鋼表面的直接接觸，既可以增加界面的結合強度，也可以避免加壓時金剛石顆粒造成鎢和低活化鋼表面的損傷。4、采取包覆式結構的方式進行制備，在低活化鋼外包覆一層銅皮(見圖1和2)，不但在施焊前的裝配步驟降低金剛石/銅混合粉料的裝配難度，更可以在焊接過程中有效減少石墨模具對低活化鋼的滲碳，并減少在聚變堆中服役時氦脆對連接界面的影響。裝配過程中還在模具中加入了除氧劑，可在一定程度上達到減少中間層金剛石/銅復合材料中氧含量的作用，從而可以避免中間層熱沉材料熱導率下降導致的連接層之間開裂甚至鎢護甲的熔化。此外可采取將金剛石/銅復合材料中間層燒結成型后再進行焊接的方法來降低氧對金剛石/銅復合材料中間層熱性能的影響。3、應用了超高壓力通電的方法。這種方法一般為制備人造金剛石所用的。對導電材料通電，利用其自身電阻發(fā)熱，熱利用率非常高，與輻射加熱方式相比，不僅降低了能源的消耗，并且大大縮短施焊時間。另外，超高壓力(GPa級以上)可有效的抑制原子遷移并阻礙晶粒長大，使中間層釬料燒結致密，而且超高壓力使連接面達到了很高的連接強度，剪切斷裂全部發(fā)生于在鎢層內。


圖1包覆式結構模型裝配示意圖 圖2包覆后形成槽的低活化鋼塊
圖3包覆結構剖面 圖4原料裝配設計圖
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。(I)首先將鎢板和低活化鋼經過線切割制成所需要的尺寸形狀，然后用粗細砂紙將表面逐級打磨，再用酒精在超聲波清洗機中清洗。最后將低活化鋼包覆一層銅皮，如圖2。
(2)將原料按圖3和圖4所示依次裝入石墨模具中。再將石墨模具依次放入鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中。(3)將裝好的葉臘石模具放入超高壓通電的六面頂壓機中進行焊接。實施例1:
首先選用金剛石顆粒體積分數(shù)為50%的金剛石/銅復合材料作為中間層進行兩種母材鎢與低活化鋼之間的焊接。根據(jù)所設計的模具尺寸計算50%的體積比的金剛石/銅復合材料中金剛石和銅的原料質量配比。然后將配好的金剛石和銅粉采用V形混料機和研缽中酒精濕混的方法使金剛石/銅粉料混合均勻備用。鎢疊片是尺寸為4個24X 10 X 6mm的鎢條。低活化鋼尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。連接前對試樣表面進行打磨,清洗,干燥。 按從上到下為低活化鋼-CuCrZr箔-金剛石/銅混合料-CuCrZr箔-鶴疊片的順序放入石墨模具中，然后再將石墨模具依次放入鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中，最后將其放入六面頂壓機進行超高壓通電連接。選用I號工藝:電流為1200A，通電時間5.5min ；一次升壓至54MPa，二次升壓至68MPa ;總工藝時長為9.5min。對制得的模塊的連接面進行剪切試驗，剪切強度為130.2IMPa0剪切斷裂全部發(fā)生于在鎢層一側內部。實施例2:
首先選用金剛石顆粒體積分數(shù)為40%的金剛石/銅復合材料作為中間層進行兩種母材鎢與低活化鋼之間的焊接。根據(jù)所設計的模具尺寸計算40%的體積比的金剛石/銅復合材料中金剛石和銅的原料質量配比。然后將配好的金剛石和銅粉采用V形混料機和研缽中酒精濕混的方法使金剛石/銅原料混合均勻備用。鎢疊片是尺寸為4個24X 10 X 6mm的鎢條。低活化鋼尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。連接前對試樣表面進行打磨,清洗,干燥。按從上到下為低活化鋼-CuCrZr箔-金剛石/銅混合料-CuCrZr箔-鶴疊片的順序放入石墨模具中，然后再將石墨模具依次放入鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中，最后將其放入六面頂壓機進行超高壓通電焊接。選用2號工藝:電流為1200A，通電時間8.5min ；一次升壓至51MPa，二次升壓至68MPa ;時間為12.5min。對制得的模塊的連接面進行剪切試驗，剪切強度為120.16MPa。剪切斷裂全部發(fā)生于在鎢層一側內部。
實施例3:
首先選用金剛石顆粒體積分數(shù)為45%的金剛石/銅復合材料作為中間層進行兩種母材鎢與低活化鋼之間的焊接。根據(jù)所設計的模具尺寸計算45%的體積比的金剛石/銅復合材料中金剛石和銅的原料質量配比。然后將配好的金剛石和銅粉采用V形混料機和研缽中酒精濕混的方法使金剛石/銅原料混合均勻備用。鎢疊片是尺寸為4個24X 10 X 6mm的鎢條。低活化鋼尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。連接前對試樣表面進行打磨,清洗,干燥。按從上到下為低活化鋼-OFC箔-金剛石/銅混合料-OFC箔-鎢疊片的順序放入石墨模具中，然后再將石墨模具依次放入鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中，最后將其放入六面頂壓機進行超高壓通電連接。選用I號工藝:電流為1200A，通電時間5.5min ;一次升壓至54MPa，二次升壓至68MPa ;總工藝時長為9.5min。對制得的模塊的連接面進行剪切試驗，剪切強度為152.1MPa。剪切斷裂全部發(fā)生于在鎢層一側內部。
實施例4:
首先選用金剛石顆粒體積分數(shù)為55%的金剛石/銅復合材料作為中間層進行兩種母材鎢與低活化鋼之間的連接。根據(jù)所設計的模具尺寸計算45%的體積比的金剛石/銅復合材料中金剛石和銅的原料質量配比。然后將配好的金剛石和銅粉采用V形混料機和研缽中酒精濕混的方法使金剛石/銅原料混合均勻備用。鎢疊片是尺寸為4個24X 10 X 6mm的鎢條。低活化鋼尺寸24X 24X 17mm。CuCrZr箔尺寸24X24X0.3mm。連接前對試樣表面進行打磨,清洗,干燥。按從上到下為低活化鋼-OFC箔-金剛石/銅混合料-OFC箔-鎢疊片的順序放入石墨模具中，然后再將石墨模具依次放入鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中，最后將其放入六面頂壓機進行超高壓通電連接。選用2號工藝:電流為1200A，通電時間8.5min ;一次升壓至51MPa，二次升壓至68MPa ;時間為12.5min。對制得的模塊的連接面進行剪切試驗，剪切強度為143.4MPa。剪切斷裂全部發(fā)生于在鎢層一側內部。
權利要求
1.一種超高壓力釬焊連接鎢-金剛石/銅-低活化鋼的方法，其特征在于: 步驟一、根據(jù)計算配出金剛石體積比為40-60%的金剛石/銅復合材料； 步驟二、將鎢疊片、CuCrZr或無氧銅箔片和低活化鋼塊經砂紙打磨、超聲波清洗后晾干; 步驟三、將步驟二中所述材料與金剛石和銅的混合粉料裝配于石墨模具中，在裝配過程中，對低活化鋼塊外包覆一層與模具相配合的0.3-0.5mm的銅皮；其中，金剛石/銅復合材料壓成后的厚度為1_3_，金剛石/銅與鎢及金剛石/銅與低活化鋼之間分別加上一層.0.3mm厚的CuCrZr或無氧銅箔片； 步驟四、將裝配好的石墨模具依次裝入保溫在100°c的鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套中，放入六面頂壓機內進行超高壓力通電焊接；超高壓力通電連接的工藝為:電流為1200A，通電加熱時間為6-8分鐘；壓力為兩次階梯狀升壓，范圍為5(T70MPa，時間為8 12.5min。
全文摘要
一種超高壓力釬焊連接鎢-金剛石/銅-低活化鋼的方法。該方法涉及聚變堆裝置中偏濾器水冷鎢模塊的制備。是以不同金剛石體積比的金剛石/銅復合材料作為鎢與低活化鋼之間的中間層，并在金剛石/銅復合材料與鎢，及金剛石/銅復合材料與低活化鋼之間，分別加上一層0.3mm厚的CuCrZr或者無氧銅(OFC)箔片，然后采取包覆式結構將原料依次放入石墨模具中，在鋼杯、鎂杯、石墨紙和葉臘石包套的包裹下放入六面頂壓機內進行超高壓力通電焊接，最終使鎢疊片-金剛石/銅-低活化鋼一次成型為整體的鎢模塊。本發(fā)明可短時間一次實現(xiàn)鎢疊片-金剛石/銅-低活化鋼的焊接，焊接界面完好，焊接強度高，鎢模塊導熱性能良好。
文檔編號B23K1/19GK103084690SQ20131007148
公開日2013年5月8日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權日2013年3月6日
發(fā)明者沈衛(wèi)平, 李鵬, 王占朋, 張慶玲, 周雛蕾, 趙曉琳, 劉文娜, 徐士亮 申請人:北京科技大學