Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接方法

摘要

本发明涉及金属连接领域和粉末冶金领域，具体为Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接方法；采用机械合金化法制备20～50μm的Cu?Mn合金粉末；采用涂覆法或铺展法在母材Cu和CuCrZr合金的待连接面上沉积Cu?Mn合金粉末；以Cu?Mn合金粉末为中间层进行Cu和CuCrZr合金的扩散连接。本发明提供的Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接方法，Cu?Mn合金粉末为纳米合金粉末，作为中间层粉末用于扩散连接时能够进一步降低连接所需要的温度和提高扩散连接速率，通过添加Cu?Mn中间层、调节连接工艺，可以在较低的温度下实现Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接，减少了高温对CuCrZr合金性能的损害以及后续的热处理工艺，降低了生产的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及金属连接领域和粉末冶金领域，具体为Cu和CuCrZr合金的纳 米扩散连接方法。

背景技术

CuCrZr合金由于具有良好的导热率、高温强度、抗辐照损伤的能力，是核 聚变堆装置中重要的热沉材料；钨(W)具有熔点高、抗热冲击性能好、低的氚 滞留性等特点，是重要的面向等离子体材料。实现W与CuCrZr合金的可靠连接 是制备面向等离子体部件(PFC)的关键环节。但W和CuCrZr直接连接时，由 于两者热膨胀系数的相差较大，会产生大的热应力，从而引发裂纹的产生，导致 连接构件失效。采用软质Cu作为缓适层，能够有效改善W与CuCrZr的连接行 为。首先通过在较高的温度下实现W与Cu的连接，再通过实现Cu与CuCrZr 合金良好的冶金结合来获得W与CuCrZr合金连接模块。

目前采用一般的熔焊、钎焊等工艺进行Cu与CuCrZr的连接时，连接温度 过高，容易导致CuCrZr合金的晶粒长大、二次相粒子聚集长大，使得CuCrZr 合金的硬度和强度降低，难以满足PFC对热沉材料的工程要求。且连接温度过 高，材料容易产生裂纹、变形等缺陷，进而降低连接件的强度。扩散连接是一种 固相焊接手段，连接温度较低(一般为母材熔点的0.5～0.8倍)，能够有效避免高 温对母材性能的损伤。但Cu与CuCrZr直接扩散连接时，所需的连接温度高， 且纯铜的强度低，会削弱Cu/CuCrZr连接强度，不适合在生产中大规模应用和高 强度要求的场合。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接方 法，解决Cu和CuCrZr合金的低温、高效率、高强度连接问题，本发明采用机 械合金化制备高活性纳米Cu-Mn合金粉末，利用纳米扩散连接技术在低温下实 现Cu和CuCrZr合金良好的冶金结合和高的结合强度。

为达到上述目的，本发明所采用的方案是：

Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接方法，包括以下步骤：

(1)采用机械合金化法制备20～50μm的Cu-Mn合金粉末；

(2)采用涂覆法或铺展法在母材Cu和CuCrZr合金的待连接面上沉积 Cu-Mn合金粉末；

(3)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜； 将母材放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗；利用加压扩散连接技术，以Cu-Mn 合金粉末为中间层进行Cu和CuCrZr合金的扩散连接。扩散连接压力为 5～50MPa，连接温度为550℃～850℃，保温时间为1h～5h，获得的Cu/CuCrZr连 接部件。对Cu/CuCrZr连接部件进行线切割后，进行室温拉伸，并对连接界面进 行SEM和EDS检测。

其中，Cu-Mn合金粉末，由以下原料按照重量份数组成：Cu粉50～80份， Mn粉20～50份。

Cu粉和Mn粉混合后，采用氩气为保护气体进行高能球磨，球料比为5～10:1， 转速为300-500r/min，球磨时间为10-60小时；球磨后，将粉末浆料置于真空干 燥箱中，于40℃干燥20h；将干燥后的粉末经过80目筛子过筛，收集备用。

本发明提供的Cu和CuCrZr合金的纳米扩散连接方法，Cu-Mn合金粉末为 纳米合金粉末，具有粒度细、活性高、扩散能力强的特点，其作为中间层粉末用 于扩散连接时能够进一步降低连接所需要的温度和提高扩散连接速率，通过添加 Cu-Mn中间层、调节连接工艺，可以在较低的温度下实现Cu和CuCrZr合金的 纳米扩散连接，减少了高温对CuCrZr合金性能的损害以及后续的热处理工艺， 降低了生产的成本；最终连接样的抗拉强度可达200MPa以上，且连接界面无孔 隙、裂纹等缺陷。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体实施方式。

实施例1

(1)按质量Cu粉80g、Mn粉20g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为中间层合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使待连接的母材表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声 清洗，吹干备用。

(3)将球磨干燥后的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液， 在超声清洗仪中超声搅拌2min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用涂覆技 术均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在30MPa、800℃进行扩散连 接，保温时间为3h，最终可以获得拉伸强度为220MPa、连接界面无气孔和裂纹 的Cu/CuCrZr连接样。

实施例2

(1)按质量Cu粉67g、Mn粉33g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为Cu-Mn合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使待连接的母材表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声 清洗，吹干备用。

(3)将球磨干燥后的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液， 在超声清洗仪中超声搅拌2min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用涂覆技 术均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在30MPa、800℃进行扩散连 接，保温时间为1h，最终可以获得拉伸强度为220MPa、连接界面无气孔和裂纹 的Cu/CuCrZr连接样。

实施例3

(1)按质量Cu粉50g、Mn粉50g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为Cu-Mn合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使待连接的表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗， 吹干备用。

(3)将球磨好的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液，在 超声清洗仪中超声搅拌3min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用涂覆技术 均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在30MPa、800℃进行扩散连 接，保温时间为4h，获得拉伸强度为200MPa的连接样。

实施例4

(1)按质量Cu粉67g、Mn粉33g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为Cu-Mn合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗，吹干备 用。

(3)将球磨好的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液，在 超声清洗仪中超声搅拌3min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用涂覆技术 均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在10MPa、650℃进行扩散连 接，保温时间为4h，获得拉伸强度为200MPa的连接样。

实施例5

(1)按质量Cu粉67g、Mn粉33g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为Cu-Mn合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗，吹干备 用。

(3)将球磨好的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液，在 超声清洗仪中超声搅拌3min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用涂覆技术 均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在40MPa、850℃进行扩散连 接，保温时间为3h，获得拉伸强度为200MPa的连接样。

实施例6

(1)按质量Cu粉67g、Mn粉33g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为Cu-Mn合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗，吹干备 用。

(3)将球磨好的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液，在 超声清洗仪中超声搅拌3min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用铺展技术 均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在10MPa、750℃进行扩散连 接，保温时间为2h，获得拉伸强度为200MPa的连接样。

实施例7

(1)按质量Cu粉67g、Mn粉33g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为中间层合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗，吹干备 用。

(3)将球磨好的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液，在 超声清洗仪中超声搅拌3min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用铺展技术 均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在40MPa、550℃进行扩散连 接，保温时间为3h，获得拉伸强度为200MPa的连接样。

实施例8

(1)按质量Cu粉67g、Mn粉33g配比粉末，其球磨工艺参数如下：

将高能球磨后的粉末进行真空干燥，即为中间层合金粉末；

(2)将母材Cu和CuCrZr合金的待连接面进行机械打磨，去除表面氧化膜， 使表面尽可能平整。随后将试样放入丙酮和无水乙醇中，进行超声清洗，吹干备 用。

(3)将球磨好的Cu-Mn合金粉末和无水乙醇按照质量比20:1配成溶液，在 超声清洗仪中超声搅拌3min，使之分散均匀料浆，将配置好的料浆采用铺展技术 均匀沉积在Cu和CuCrZr合金中。

(4)将Cu与CuCrZr合金置于加压连接炉中，在5MPa、850℃进行扩散连接， 保温时间为1h，获得拉伸强度为200MPa的连接样。