[发明专利]一种大尺寸石墨/铜异种材料接头活性钎焊方法

说明书

本发明提供了一种大尺寸石墨/铜异种材料接头活性钎焊方法，该方法从钎料成分设计、中间层元素选择两个方面入手，提供了新颖的大尺寸石墨/铜钎焊工艺方案。首先，本发明采用低熔点Ag‑Cu‑In‑Ti活性钎料，通过钎料元素与石墨母材的反应实现钎料与石墨母材的有效连接，同时设计钎料合金元素，降低钎料熔点，减小钎焊连接温度造成残余热应力大小。其次，本发明选用钽或铌作为中间层，其元素热膨胀系数与石墨相近，具有一定塑性，且与钎料具有良好的润湿性，减小了残余应力的大小，也使中间层本身与钎料有效连接。采用本发明工艺可实现大尺寸石墨/铜异种材料有效的钎焊连接，接头无裂纹、气孔宏观缺陷，接头强度可以达到40MPa以上。

技术领域

本发明涉及大尺寸的非金属与金属连接领域，具体涉及一种大尺寸石墨/铜异种材料接头活性钎焊方法。

背景技术

石墨具有热电传导性高，化学性质稳定，耐高温和耐腐蚀等优良性能，是国民经济发展中不可缺少的结构材料、高温材料、导电材料、抗磨材料和功能材料，被广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械以及核能和航空航天工业等领域。但是，石墨强度较低，加工性能较差。

铜及其合金导电导热性能优异，强度高，延展性和机械加工性能好。将石墨与铜连接在一起，可实现两种材料性能上的互补，形成高导电、高导热，又具有一定机械强度的复合材料结构。但由于石墨与铜在熔点、热膨胀系数、晶体结构等物理化学性质上存在较大差异，特别是石墨与铜的热膨胀系数的差异会造成大的残余应力，实现石墨与铜的连接存在困难。此外石墨与铜的异种材料连接应用中需要大尺寸母材连接提供优异性能，然而对大尺寸石墨与铜异种材料连接的研究甚少。

以含Ti、Zr、Cr等活性元素的合金为钎料的活性钎焊方法，是实现石墨与铜较好连接的工艺方法。活性钎焊过程中钎料活性元素与石墨发生反应，在石墨表面形成TiC、ZrC等碳化物层，改善钎料与石墨的润湿，实现石墨与钎料的连接。目前，活性钎料主要有Ag基、Cu基、Ti基和Sn基，其中Ag-Cu-Ti钎料由于具有优异的导电性、适中的钎焊温度和较高的强度，被较多用于石墨与铜的连接。但是为了保证活性元素的活性，较高的温度(一般在 850℃以上)是实现连接的必要条件，而高的连接温度很可能会导致金属母材力学性能的降低，也不利于降低残余应力。

现有研究中对石墨与铜的钎焊还停留在小尺寸样品研究，对大尺寸石墨/铜连接的研究少，现行方法连接的试样尺寸最长未超过30mm，且这些试样的接头强度较低。刘严伟等学者采用Ag-Cu-Ti钎焊连接石墨与铜合金，连接面尺寸为25×25mm，接头强度最高仅达到15.4MPa；邹贵生等学者采用Ag-Cu-Ti钎焊连接石墨与铜，连接面尺寸为φ8mm，接头强度最高达31.9MPa；Yangwu Mao等学者运用（Cu-50TiH2）+B复合钎料连接石墨与铜，连接面尺寸为10×10mm，接头强度仅达到19.8MPa。因此，当前对石墨/铜异种材料的连接研究存在试样尺寸小、接头强度低的短板；但在实际应用中，高能物理、核聚变、电工电子等领域需要大尺寸石墨和铜母材连接提供优异性能，因此，进行大尺寸石墨与铜连接的研究并保证接头具有高强度是必要的。

若进行大尺寸石墨/铜连接，残余热应力导致试样断裂的问题将会更加突出。许博文等对银基钎料Ag72Cu28钎焊TU1无氧铜/95%A1₂O₃陶瓷/4J29可伐合金板层进行有限元仿真模拟，发现铜母材中间存在较小压应力，而铜母材两侧存在较大水平拉应力，可以推断随着母材尺寸的增大会使端部应力急剧变大，解决该问题必然是大尺寸石墨/铜有效连接的关键。