阅读说明：本技术 一种无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接方法 (Oxygen-free copper and chromium zirconium copper medium and low temperature direct diffusion connection method ) 是由 黄远 赵璨 王祖敏 刘永长 于 2019-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接方法,对无氧铜块体和铬锆铜块体待连接表面进行打磨、抛光、超声清洗等前处理；将经过前处理的无氧铜块体和铬锆铜块体的待连接面进行对接,加压固定；在氩气保护气氛中进行保温并连接。本发明的连接方法成功地实现了无氧铜和铬锆铜两种铜合金之间的扩散和界面上的冶金结合,获得了无氧铜/铬锆铜之间的高强度连接,最大剪切强度达到了136MPa左右,且退火后的铬锆铜的硬度符合ITER中铬锆铜布氏硬度HB≥120的要求。(The invention discloses a method for directly diffusion bonding oxygen-free copper and chromium zirconium copper at medium and low temperature, which comprises the steps of carrying out pretreatment such as grinding, polishing, ultrasonic cleaning and the like on surfaces to be bonded of an oxygen-free copper block and a chromium zirconium copper block; butting the surfaces to be connected of the oxygen-free copper block and the chromium zirconium copper block which are subjected to pretreatment, and pressurizing and fixing; and (5) preserving the temperature and connecting in an argon protective atmosphere. The connection method successfully realizes the diffusion between the two copper alloys of the oxygen-free copper and the chromium-zirconium-copper and the metallurgical bonding on the interface, obtains the high-strength connection between the oxygen-free copper and the chromium-zirconium-copper, has the maximum shearing strength of about 136MPa, and meets the requirement that the Brinell hardness HB of the chromium-zirconium-copper in ITER is more than or equal to 120.)

一种无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接方法

技术领域

本发明属于一种金属连接技术，特别是涉及一种在较低连接温度、非真空压力条件下实现冶金结合的金属直接连接工艺，具体为无氧铜块体和铬锆铜块体的中低温直接扩散连接工艺。

背景技术

ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。受控热核聚变能有望成为新世纪主要能源之一，其中面向等离子体元件是核聚变工程的关键部件。面向等离子体元件要求材料既耐高温又具有高的热导性，同时还有较低的离子束溅射率。由于钨是稀有高熔点金属(3410℃)，其化学性质比较稳定，具有高导热性、高溅射阈值和低的氚滞留的特点，因此被确定为面向等离子体元件的首选材料之一。由于钨作为面向等离子体材料工作时其表面的热通量高达10～20MW/m²，需要进行快速散热，而铬锆铜具有优良的导热性能和良好的综合力学性能，经常被作为热沉材料使用，因此需要将钨和铬锆铜连接起来以便于面向等离子部件的快速散热。工程上在进行钨和铬锆铜的连接时，通常在钨表面铸造一层无氧铜，然后再通过其他技术，如HIP技术在600～750℃将无氧铜与铬锆铜进行连接从而最终实现钨与铬锆铜的连接。使用无氧铜的原因在于无氧铜具有蠕变松驰性，可以有效缓解钨与铬锆铜间的热应力，可获得抗热循环性能较高的连接件。显然，无氧铜与铬锆铜的连接成为了制备钨/铬锆铜连接件的一个关键技术。

目前，无氧铜和铬锆铜的连接方法主要有以下几类：第一类是钎焊，所用钎料主要为Cu基钎料，如无氧铜和铬锆铜使用Cu-37Mn-9Ni钎料进行钎焊连接可以获得108～116MPa的层间(界面)剪切强度；第二类是热等静压法，该类方法通常要使用金属中间层，如无氧铜和铬锆铜使用Ni做中间层进行热等静压连接可以获得128MPa的层间(界面)剪切强度。上述方法都需引入中间材料，这会降低整体连接件的导热性能。同时，上述两种方法连接温度均高于475℃，而当退火温度高于475℃(铬锆铜的最佳时效温度)时，由于铬锆铜中的第二相会重新固溶到铜基体中，属于第二相弥散强化型的铬锆铜力学性能就会降低，因此往往需要对铬锆铜进行二次淬火、时效，这大大延长了制造周期，增加了制造成本。除了上述两种方法之外，无氧铜和铬锆铜的连接还有电子束焊、激光焊等方法，这些方法存在着不易控制参数，制造成本高，无法大规模使用等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接方法，可实现在较低温度及非真空压力条件下无氧铜和铬锆铜两种铜合金之间的扩散和界面上的冶金结合，获得无氧铜/铬锆铜之间的高强度连接，最大剪切强度达到了120～136MPa。该连接过程中不涉及使用腐蚀、危险化学药品，安全无污染，并且具有操作方便、成本低等优点

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接方法，按照下述步骤进行：

步骤1，将无氧铜和铬锆铜的待连接面相对并接触，同时将无氧铜和铬锆铜进行固定并在垂直于待连接面的方向上施加压力；

在步骤1中，施加压力为80—150MPa，优选100—120MPa。

在步骤1中，对无氧铜进行前处理如下：将无氧铜的待连接表面进行打磨，打磨采用金相砂纸进行，所使用金相砂纸的规格的先后顺序为：400#、800#和1500#，待连接表面用1500#的金相砂纸打磨后进行高精度抛光，抛光使用0.5μm金刚石抛光剂进行；待连接表面抛光至镜面状态，镜面的粗糙度Ra达到0.025-012μm；抛光结束后在无水乙醇中超声清洗15～20min，晾干后待用。

在步骤1中，对铬锆铜进行前处理如下：将铬锆铜的待连接表面进行打磨，打磨采用金相砂纸进行，所使用金相砂纸的规格的先后顺序为：400#、800#和1500#；待连接表面用1500#的金相砂纸打磨后进行高精度抛光，抛光使用0.5μm金刚石抛光剂进行；待连接表面抛光至镜面状态，镜面的粗糙度Ra达到0.025-012μm。抛光结束后在无水乙醇中超声清洗15～20min，晾干后待用。

在步骤1中，使用夹具将无氧铜和铬锆铜进行固定并施加垂直于待连接面的方向上的垂直压力。

步骤2，在保持施加压力的情况下，将无氧铜和铬锆铜在惰性保护气氛下进行退火，退火温度为445℃～475℃，保温时间为1—5小时，随炉冷却至室温，即可实现无氧铜和铬锆铜的连接。

在步骤2中，惰性保护气氛为氮气、氦气或者氩气。

在步骤2中，退火温度为450—470摄氏度，保温时间为2.5—3.5小时。

在步骤2中，使用退火炉进行退火，自室温(20～35℃)以每分钟10摄氏度的速度升温至退火温度之下100摄氏度，再以每分钟5摄氏度的速度升温至退火温度进行保温处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：(1)本发明提供了无氧铜和铬锆铜的中低温直接扩散连接工艺，通过对无氧铜块体和铬锆铜块体的待连接表面进行前处理，使其呈镜面状态，避免划痕缺陷，同时选择合适的压力、保温时间和退火温度在氩气保护气氛下进行退火，实现了无氧铜和铬锆铜之间的扩散和界面上的冶金结合，成功获得了无氧铜-铬锆铜之间的高强度连接。(2)本发明避免了引入第三方元素对材料性能的影响，不会改变连接件的实际成分及产生附加性能。另外，本发明只需通过简单的加压退火工艺即可直接实现无氧铜和铬锆铜的高强度连接，连接效率较高，可操作性好，安全无污染，避免了对铬锆铜进行二次淬火、时效，解决了传统方法连接无氧铜和铬锆铜存在的一些问题。性能试验测试结果表明，无氧铜/铬锆铜连接件的层间(界面)最大剪切强度可以达到120～136MPa左右。

附图说明

图1为本发明中样品加压固定示意图，图中1-上压板(钼制)，2-下压板(钼制)，3-钼制加压螺栓(规格为M8)，4-Al2O3陶瓷板，5-无氧铜，6-铬锆铜。

图2为本发明中样品层间(界面)剪切试验装置图，图中1-铬锆铜块体，2-无氧铜块体，3-剪切试验卡具。

图3(a)为实施例1的无氧铜/铬锆铜连接件层间剪切强度测试曲线图。

图3(b)为实施例2的无氧铜/铬锆铜连接件层间剪切强度测试曲线图。

图3(c)为实施例3的无氧铜/铬锆铜连接件层间剪切强度测试曲线图。

图4为实施例1的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧的形貌低倍扫描电镜(SEM)照片。

图5为实施例1的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧的成分能谱(EDS)谱图。

图6(a)是实施例1的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧的形貌高倍扫描电镜(SEM)照片。

图6(b)是实施例2的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧的形貌高倍扫描电镜(SEM)照片。

图6(c)是实施例3的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧的形貌高倍扫描电镜(SEM)照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

实施例1、无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接工艺，包括以下步骤：

步骤1)无氧铜块体和铬锆铜块体的前处理：

表面打磨。将尺寸分别为10mm×10mm×5mm和22mm×12mm×5mm的无氧铜块体和铬锆铜块体的待连接表面依次用400#、600#、800#、1000#、1500#的金相砂纸打磨平整。其中，每换一次砂纸，打磨方向旋转90°，至前一道打磨痕迹完全消失，最终待连接面只留有1500#砂纸的打磨痕迹；

抛光。将用砂纸打磨过的待连接面，用0.5μm金刚石抛光剂进行高精度抛光，并将待连接表面抛光至镜面状态，粗糙度Ra为0.025-012μm(或表面光洁度达13级)；

超声清洗。将抛光后的无氧铜块体和铬锆铜块体浸泡在无水乙醇中超声清洗15min，晾干后待用。

步骤2)无氧铜块体和铬锆铜块体的固定、加压：

装配前对夹具和Al₂O₃陶瓷片分别用酒精擦洗表面；将经过前处理的无氧铜块体和铬锆铜块体的待连接面对接，用夹具将无氧铜块体和铬锆铜块体固定，并在试样上下两侧分别垫入Al₂O₃陶瓷片以防止试样与夹具发生反应，通过夹具施加100MPa的垂直压力，如图1所示。

步骤3)退火：

将步骤2)用夹具加压固定好的无氧铜块体1和铬锆铜块体2放入退火炉中进行氩气保护气氛退火，退火温度为450℃，保温时间为3h。控温过程为：以10℃/min的速度自室温20—25摄氏度升温至350℃，随后以5℃/min的速度升温至450℃，在450℃下保温3h后随炉冷却到室温20～35℃；拆除加压固定夹具，取出连接为一体的无氧铜/铬锆铜连接件。

图3(a)是实施例1的无氧铜/铬锆铜连接件层间剪切强度测试曲线图，其平均剪切强度为130MPa。图4是实施例1的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧形貌的低倍扫描电镜(SEM)照片；图5是图4中矩形框区域的成分EDS图。能谱分析的结果显示，铬锆铜断面指定区域只存在铜元素，重量百分比为100％，表明经加压退火，无氧铜/铬锆铜连接件断裂发生在无氧铜一侧。图6(a)是实施例1的无氧铜/铬锆铜连接剪切断口铬锆铜一侧形貌的高倍扫描电镜(SEM)照片。由图6(a)可知无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口呈韧性断裂，且为细小均匀的等轴韧窝，韧窝深度大，表明无氧铜和铬锆铜之间产生了良好的冶金结合。

实施例2、无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接工艺，步骤与实施例1基本相同，不同仅为：步骤3)中，退火时间由3h改为2.5h。

图3(b)是实施例2的无氧铜/铬锆铜键合链接件层间剪切强度测试曲线图，其平均剪切强度为95MPa。图6(b)是实施例2的无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口铬锆铜一侧形貌的高倍扫描电镜(SEM)照片。由图6(b)可知无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口呈韧性断裂，但相较于实施例1，韧窝变大变浅，韧窝数量也变少。

实施例3、无氧铜和铬锆铜中低温直接扩散连接工艺，步骤与实施例1基本相同，不同仅为：步骤3)中，退火时间由3h改为3.5h。

图4(c)是实施例2的无氧铜/铬锆铜连接件层间剪切强度的测试曲线图，其平均剪切强度为104MPa。图6(c)是实施例2的无氧铜/铬锆铜连接剪切断口铬锆铜一侧形貌的高倍扫描电镜(SEM)照片。由图6(c)可知无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口呈韧性断裂，且韧窝尺寸较为细小，但相较于实施例1，韧窝变浅。

本发明进行以下测试：1)无氧铜/铬锆铜连接件的界面剪切强度测试；2)无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口能谱(EDS)分析；3)无氧铜/铬锆铜连接件剪切断口形貌扫描电子显微镜(SEM)观察；4)无氧铜/铬锆铜连接件中铬锆铜的硬度测试。本发明实施例1至3获得的无氧铜/铬锆铜连接件的强度测试过程如下。

无氧铜/铬锆铜连接件的层间剪切强度测试在电子万能试验机(型号为MTS-E45)上进行。测试参数为：预载力速度2.000mm/min；应力结束点0.020mm/min；试验应力速率0.005(kN/mm²)/s；预载力0.050kN；温度25.0℃。无氧铜/铬锆铜界面断裂时，记录此时的最大载荷F。根据公式(1)计算得到无氧铜/铬锆铜连接件的剪切强度。

其中S为无氧铜/铬锆铜界面的初始面积。

表1为实施例1、2、3所获无氧铜/铬锆铜连接件的层间剪切强度，对应的剪切强度测试曲线分别为图3(a)、(b)和(c)。

表1

由表1可知，利用本发明方法将无氧铜块体和铬锆铜块体连接在一起之后，平均剪切强度为95～130MPa，具有较佳的结合强度。使用HAMS-D10硬度计测量本发明实施例1～3获得的无氧铜/铬锆铜连接件的硬度，其中铬锆铜部位的布氏硬度分别为142HB、143HB、152HB，均符合ITER中铬锆铜布氏硬度HB≥120的要求。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。