[发明专利]碳化硅包壳及其钎焊连接方法

说明书

本发明公开了一种碳化硅包壳及其钎焊连接方法，碳化硅包壳的钎焊连接方法包括以下步骤：S1、采用Al和Si作为连接材料，将连接材料设置在相适配的包壳管和端塞之间，形成具有Al/Si/Al三层结构的中间连接材料，与所述包壳管和端塞形成待连接组件；S2、将待连接组件置于真空或惰性气氛下进行钎焊连接，所述中间连接材料形成连接层，将所述包壳管和端塞连接为一体。本发明的碳化硅包壳的钎焊连接方法，基于钎焊连接方法，采用Al和Si作为连接材料，在包壳管和端塞之间形成具有Al/Si/Al三层结构的连接层，实现SiC包壳的高强、可靠连接，使其具有良好的抗高温性能以及抗水热腐蚀性能，从而满足核应用要求。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种碳化硅包壳及其钎焊连接方法。

背景技术

碳化硅(SiC)作为一种结构陶瓷材料，不仅具有优异的力学性能、高温性能、耐磨等优异的性能，在核应用领域，也具有良好的抗辐照性能、抗水热腐蚀以及较低的中子吸收截面，在核反应堆中包壳材料的应用尤其突出。但是，要实现SiC包壳材料应用于核工业，则必须解决SiC包壳与端塞的连接问题。

SiC陶瓷熔点极高(～2700℃)，很难实现类似于金属的直接熔焊连接，通常需要采用加入中间连接材料进行连接，比较常见的连接方法有钎焊连接、纳米浸渍瞬态共晶相(NITE相)连接、固相扩散连接、MAX相连接、玻璃陶瓷连接、前驱体连接等。由于包壳管本身的薄壁、长管特性，以及SiC包壳连接前管内装载核燃料的前提条件，使得SiC包壳管与端塞连接时注定不能施加较大连接压力以及连接温度。在以上连接方法中，NITE相连接、固相扩散连接和MAX相连接这三种方法通常都需要较大的连接压力，尤其是NITE相连接需要在高温(＞1800℃)、高压(＞10MPa)下进行，因此，这几种方法不利于SiC包壳管与端塞连接。前驱体连接虽然可在低温(＜1500℃)、低压(＜1MPa)下连接，但是由于连接过程存在较大的体积收缩，使得连接层存在较多气孔，不利于SiC包壳的气密性，同时，使其连接强度较低。玻璃陶瓷连接虽然也可在低温、低压下连接，而且连接强度较高，但是接头抗水热腐蚀以及抗辐照性能较差，不适合用于核反应堆中SiC包壳连接。金属钎焊连接不仅可以实现低温(～1200℃)、低压(～0.1MPa)下的连接，由于钎焊过程中有液相参与，使得连接后焊缝的密封性较好，并且连接强度较高。但是，由于钎焊过程中产生的副产物很容易影响接头的综合性能，尤其是钎焊连接接头的抗高温、抗辐照以及抗水热腐蚀等性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种碳化硅包壳的钎焊连接方法及该方法连接形成的碳化硅包壳。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳化硅包壳的钎焊连接方法，包括以下步骤：

S1、采用Al和Si作为连接材料，将连接材料设置在相适配的包壳管和端塞之间，形成具有Al/Si/Al三层结构的中间连接材料，与所述包壳管和端塞形成待连接组件；

S2、将待连接组件置于真空或惰性气氛下进行钎焊连接，所述中间连接材料形成连接层，将所述包壳管和端塞连接为一体。

优选地，步骤S1中，所述中间连接材料中，Si的质量百分比为20％～30％。

优选地，步骤S1中，所述Al为铝粉或铝箔；所述Si为硅粉或硅片。

优选地，步骤S1中，所述Al和Si的纯度均为95％～99％。

优选地，步骤S2中，在钎焊连接中，以5℃/min～20℃/min的升温速率将温度升至1000℃～1400℃，保温0.5h～2h；连接压力为0.01MPa～0.1MPa。

优选地，步骤S2中，所述连接层的气密性为10^-13～10^-9Pa·m3/s。