Be/Cu合金热等静压扩散连接工艺和机理研究

摘要

在国际热核聚变反应堆中,需要用Be与Cu合金复合结构作为面向等离子体材料,在工程上主要采用扩散连接方法或者钎焊来实现Be与Cu合金的良好连接。本文选择热等静压扩散连接工艺对Be与Cu合金进行连接。采用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)等分析手段研究连接接头界面组织结构和剪切断口断裂机制和物相组成。通过量子化学软件Material stuidio软件中的Castep模块计算可能生成的金属间化合物的生成自由能,结合“通量-能量原则”研究接头界面反应层的形成;对金属间化合物的原子轨道集居数和键重叠集居数进行分析。采用Castep计算在空位机制下Be、Cu、α-Ti和β-Ti的空位形成能和扩散迁移能,对Be、Cu、α-Ti和β-Ti与单空位结构的原子轨道集居数进行了分析。在850℃时采用Ti作为中间层连接Be与Cu合金,得到的接头连接界面形成了TiBe2、α-Ti固溶体(其中有一定量的析出相Ti2Cu)、Ti2Cu、Ti3Cu4、Ti2Cu3和TiCu4连续过渡的层状结构。接头剪切强度较低,剪切断口为解理-沿晶混合断裂,断口X射线衍射分析表明断裂发生在金属间化合物Ti2Cu和Ti3Cu4相的交界处。采用AlSiMg、Al、Ti箔层作为中间层,并在Be端镀Al、CuCrZr端镀Ti后在555℃时热等静压扩散连接Be/CuCrZr,接头界面结合致密,生成的金属间化合物为Ti3Cu4相。接头剪切强度较低,其断口断裂方式主要为解理-韧窝断裂。在620℃时,CuCrZr端镀Cu层后扩散连接的Be/CuCrZr接头,在靠近Be端生成了Be2Cu相,在Cu端生成了Cu+BeCu相。Cu镀层与原始Cu合金界面明显,样品剪切强度低,为准解理断裂,断裂发生在Cu镀层与基体的分界处。在580℃时,直接连接的Be/CuCrZr接头界面扩散层由Be端的Be2Cu相和CuCrZr端的Cu+BeCu相组成,样品剪切强度较高,断裂方式为韧窝-沿晶混合断裂。断裂发生在Be2Cu与BeCu相的界面处。而在Be端镀5μmTi、CuCrZr端镀不同厚度Cu后连接的Be/CuCrZr样品,Ti在Cu中的扩散距离大于在Be中的扩散距离,发生了不对称扩散。扩散层内有Ti3Cu4和TiCu4等金属间化合物生成。断裂方式均为准解理断裂。采用10μmCu和50μmCu的样品,Be、Ti扩散不充分,接头于Be、Ti界面处断裂,结合强度也较低。而Cu镀层为30μm的样品,接头于扩散层内的α-Ti与Ti3Cu4的界面处断裂,接头结合强度高。计算了接头中金属间化合物的生成自由能,并分析了接头中界面反应层的形成机理。由此得出的结论与能谱和XRD物相分析得出的结果相吻合。计算了金属间化合物的原子轨道集居数和键重叠集居数,讨论了金属间化合物的结合状态。计算了Be、Cu、α-Ti和β-Ti互扩散的扩散迁移能,很好地说明了Ti发生不对称扩散的原因。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 热等静压扩散连接(HIP)

1.1.1 热等静压扩散连接的原理

1.1.2 热等静压扩散连接的影响因素

1.1.3 热等静压扩散连接的优点

1.2 Be/Cu 合金的热等静压扩散连接

1.2.1 Be/Cu 合金的热等静压扩散连接参数选择

1.2.2 Be/Cu 合金的热等静压扩散连接的研究

1.3 金属间化合物的形成及长大理论

1.4 扩散的微观机制和量子化学理论研究

1.4.1 扩散的微观机制

1.4.2 扩散的量子化学理论模拟

1.5 本课题的目的、意义和主要研究内容

1.5.1 本课题的目的、意义

1.5.2 本课题的主要研究内容

2 Be/Cu 合金高温热等静压扩散连接的研究

2.1 实验

2.1.1 实验材料

2.1.2 热等静压扩散连接工艺的选择

2.2 界面形貌观察和能谱分析

2.3 接头剪切强度

2.4 断口形貌

2.5 断口X 射线衍射分析

2.6 本章小结

3 Be/CuCrZr 低温热等静压扩散连接

3.1 热等静压连接工艺参数

3.2 界面形貌观察和能谱分析

3.3 接头剪切强度

3.4 断口形貌

3.5 断口X 射线衍射分析

3.6 断口XPS 分析

3.7 本章小结

4 界面物相的形成及其电子结构

4.1 接头界面物相形成

4.1.1 Be-Ti 界面金属间化合物的形成

4.1.2 Ti-Cu 界面金属间化合物的形成

4.1.3 Be-Cu 界面金属间化合物的形成

4.2 接头金属间化合物电子结构分析

4.2.1 Be-Ti 金属间化合物原子轨道集居数和键重叠集居数

4.2.2 Ti-Cu 金属间化合物原子轨道集居数和键重叠集居数

4.2.3 Be-Cu 金属间化合物原子轨道集居数和键重叠集居数

4.3 本章小结

5 Be、Cu、Ti 互扩散的理论研究

5.1 引言

5.2 Be、Cu、Ti 原子互扩散行为的Castep 计算

5.2.1 理论模型

5.2.2 计算参数选择

5.3 结果和讨论

5.3.1 空位形成能

5.3.2 扩散迁移能

5.3.3 金属－空位结构原子轨道集居数

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录