碳及钨面向等离子体材料与金属热沉的连接研究

摘要

碳及钨面向等离子体材料与金属热沉（包括Cu合金和钢）的连接是核聚变装置中面向等离子体部件制备的关键技术。但是，碳及钨与热沉材料的物性参数相差较大，导致连接面临一定的困难。本论文主要采用Cu-22TiH2焊料连接石墨/CuCrZr、W/CuCrZr及W/301不锈钢（SS301），对接头的性能和界面微观结构进行分析，探讨接头界面演变过程，为碳及钨面向等离子体部件的制备提供技术参考。
　　采用Cu-22TiH2焊料并在其中添加Cu箔连接石墨/CuCrZr合金时，焊料与石墨母材发生界面反应形成了TiC反应层，焊料与Cu箔和CuCrZr母材之间发生了互扩散；接头结构组成为石墨/TiC反应层/Cu基固溶体（Cu(s,s)）+Ti-Cu金属间化合物/Cu中间层/Cu(s,s)+Ti-Cu金属间化合物/CuCrZr。接头平均剪切强度为石墨母材强度的95％，说明焊料中添加的Cu箔可以有效缓解接头的部分残余热应力，从而提高接头性能。
　　采用Cu-22TiH2焊料连接W/CuCrZr时，W与焊料之间未发生互扩散和界面反应，焊料层主要由Cu(s,s)以及TiCu4、TiCu和Ti2Cu等金属间化合物组成。接头的显微硬度测试结果表明，连接后W母材的硬度为463HV0.1，与连接前保持不变；CuCrZr的平均显微硬度为80HV0.1，低于连接前的硬度，主要由于连接过程中发生了再结晶和晶粒长大；焊料层的显微硬度为133±17HV0.1，介于Cu和Ti-Cu金属间化合物之间。
　　采用Cu-22TiH2焊料连接W与SS301时，连接区域中焊料层主要由Cu(s,s)、Ti-Cu和(Fe,Cr)2Ti相等组成。此外，靠近SS301母材侧形成了σ相层，σ相层与焊料层之间形成波浪状的(Fe,Cr)2Ti层。W/SS301接头的显微硬度结果表明，SS301母材在热处理过程中发生了再结晶以及晶粒长大，导致其显微硬度值在连接之后下降至275HV0.1；连接区域中焊料层的显微硬度为358±8HV0.1，(Fe,Cr)2Ti层的显微硬度为475±22HV0.1，而σ相层的显微硬度值最高，达到571±23HV0.1。
　　采用Cu-22TiH2焊料连接W/CuCrZr和W/SS301时，接头强度均较高，平均剪切强度均高于95MPa，说明该焊料与钨及热沉母材的结合较好，在钨面向等离子体部件的制备中具有潜在的应用前景。

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