[发明专利]非真空低压条件下铜铌棒状金属高强度连接工艺

说明书

技术领域

本发明属于一种异种金属连接工艺，特别是涉及铜铌在非真空低压条件下实现冶 金结合的连接工艺，具体是棒状金属铜和铌的高强度冶金结合。

背景技术

随着高新技术的发展，尤其是迅速发展的电子科技领域、航空航天领域和汽车领 域等都对材料力学性能提出了更高要求，现有的单一材料越来越不能满足生产和发展的需 要。金属铌，在难熔金属中具有出色的综合性能：熔点较高密度最低，1093-1427℃范围内比 强度最高，温度低至-200℃仍具有良好的塑性与加工性；金属铜，具有良好的导热、导电性 及延展性，因此铜铌金属体系具备优异的综合性能。但由于铜/铌体系呈正生成焓(+4KJ/ mol)，熔点、密度和晶体结构(铜为面心立方，铌为体心立方)之间均存在巨大差异，因而难 以实现铜铌高强度连接，即高强度冶金结合。目前，工程主要通过球磨法加工铜铌粉末至纳 米级后，以熔渗法和压渗法制备铜铌粉膜，进而获得高致密度，导电导热性能优良的铜铌复 合材料。

目前，常见的异种金属的连接主要是通过焊接、机械结合以及添加与待连接金属 均互溶的金属或合金作为中间层来实现的。这些连接方式可分为两类：一类是机械连接，例 如铆接，是通过螺钉连接，这类连接方式是基于外力实现连接，金属之间并没有发生扩散， 即未实现冶金结合；另一类是冶金连接，例如焊接，两金属的界面间原子由于相互扩散而实 现结合，这种结合状态是在温度或压力的单独作用下(或温度和压力共同作用下)实现的。 焊接工艺包括超声波焊接，搅拌摩擦焊以及扩散焊等。超声波焊接主要应用于铜、银、铝等 有色金属的细丝或薄片材料进行单点、多点和短条状焊接；搅拌摩擦焊采用特殊的搅拌头， 关键在于精确控制搅拌头各部件的相对运动，主要应用于铜铝合金制造。但目前该类方法 仍局限于相互固溶的合金体系，且容易引起焊接接头变形以及热影响区局部软化。真空扩 散焊，即将材料的待焊表面相互接触，施加一定温度和压力，通过微观塑性变形或产生微量 液相而扩大待焊表面的物理接触面积，使待焊面间距达到1*10-7-5*10-7mm，主要应用于异 种金属材料、弥散强化高温合金、金属基复合材料的焊接。采用真空扩散焊虽然能实现互溶 度有限、高熔点金属以及非金属等异种材料之间的焊接，但其设备投资大，焊接时间长，表 面准备耗力大，且难以获得绝对的真空环境。除此之外，采用与两种待连接金属均互溶的金 属或合金作为中间层，利用中间层与两种待连接金属的相互扩散实现连接。例如利用铂作 为中间层连接异种金属钼和银；利用钨铁非晶作为中间层来连接钨和钨铜复合材料；或首 先利用球磨法使待连接两种金属粉末达到纳米级的混合，然后利用模具进行加压，将压好 的粉膜在保护气氛下进行烧结，从而获得一定强度的薄膜，将此薄膜作为待连接金属中间 层来实现异种金属之间的连接。

棒状铜铌实现高强度冶金结合后可应用于非破坏性脉冲强磁场领域。该领域要求 磁体绕制材料(金属线材)具有高强高导电特性，利用高导电特性减少焦耳热效应，利用高 强度特性承受巨大的洛伦兹力。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种非真空低压条件下铜铌棒状金属高强度连接工 艺，通过原子扩散的方式实现棒状金属铜铌之间的高强度结合，即实现铜铌金属真正的冶 金结合。使用本发明连接工艺即使是连接处接触面面积较小的情况下，仍能实现高强度连 接，从而实现棒状金属铜铌连接处力学性能的巨大提升。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种非真空低压条件下铜铌棒状金属高强 度连接工艺，对经过前处理的铜棒和铌棒固定后，依次进行加压键合和退火处理，具体步骤 如下：

步骤一、铜棒和铌棒的前处理：将直径相同的铜棒和铌棒的表面打磨平整，对连接 端面进行去油和清洗处理；分别将铌棒和铜棒的连接端面依次进行刻蚀和超声清洗，晾干 后待用；

步骤二、加压固定：用夹具将上述前处理后的铜棒和铌棒同轴对接、且铜棒和铌棒 的连接端面无缝接触，然后沿轴向施压106Mpa的压力；

步骤三、键合退火：将步骤二用夹具加压固定好的铜棒和铌棒放入退火炉中进行 保护气氛退火，退火温度为950-1050℃，保温时间为2-3h。