一種利用熱擴散技術連接石墨與鉬的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于異質(zhì)材料連接技術領域，具體涉及一種利用熱擴散技術連接石墨與鉬的方法。
【背景技術】
[0002]隨著技術設備的不斷發(fā)展創(chuàng)新，各領域對異種材料連接的要求日益增加，異種材料的連接技術也在不斷推廣前進。異種材料的連接是使兩種或幾種不同的材料按照一定的制備工藝和服役條件連接形成一個具有綜合使用性能的有機整體。石墨材料由于其結構及制備工藝的特殊性決定其擁有各種優(yōu)良特性，包括密度小、導電導熱性好、抗熱沖擊性能優(yōu)良、高的升華溫度、高溫強度高、低彈/膨脹系數(shù)及良好的可加工性等特點，可用于等離子輻射狀態(tài)下的工作環(huán)境，與具有相似的熱膨脹系數(shù)的高熔點金屬鉬連接后用于核反應堆熱接頭處的底座，既可以起到很好的散熱效果，又可以減小底座的體積。鉬具有優(yōu)異的高溫強度，低的蒸汽壓，低的熱膨脹系數(shù)和良好的導電導熱性能，因而被廣泛用于冶金機械、航空航天及精密儀器等各個領域，成為發(fā)展現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)不可缺少的原材料之一。比如民用工業(yè)中醫(yī)療診斷設備中的電真空器件一X線管的陽極靶材(石墨基鎢鉬靶材)，因為其間斷式的受電子轟擊且會產(chǎn)生很高的熱量，這些熱量主要集中分布在轉動的陽極靶面上，如果不能有效的散熱，長期處在交變熱負荷的下的陽極靶材表面容易龜裂失效。此外，由于各層基體熱膨脹系數(shù)的差異導致整體材料受熱不均勻，金屬鉬層易與石墨基體分離從而導致微裂紋的擴展、加深，最終從石墨基體上剝離，損壞X射線管。再者，石墨/鉬合金的復合連接件也可用于核聚變的傳熱部件，測試儀器中的受熱元件等其他領域。這樣的復合連接不僅充分發(fā)揮了石墨、難熔金屬鉬的優(yōu)異特性，提高了連接件的使用壽命和可靠性，而且明顯擴大了其應用范圍。
[0003]目前，關于石墨與異質(zhì)材料的焊接方法主要有兩種:一種是使石墨表面金屬化，然后再采用常規(guī)釬料連接，該方法工藝復雜，技術難度較大，生產(chǎn)效率較低，在一定程度上限制了它的快速發(fā)展；另一種是用含有活性元素(T1、Zr、V、Nb)等釬料在真空條件下直接連接石墨和鉬，但是由于兩者原子結構之間的本質(zhì)差別及本身的物理化學性能，難熔金屬鉬難以與石墨有效穩(wěn)定的連接在一起，機械結合雖然容易，但難以滿足熱傳導的要求。只有通過添加一些有效的中間層使其在界面發(fā)生復雜的物化反應，最終使石墨與金屬鉬實現(xiàn)良好的結合，結合強度不低于石墨本身的強度，同時在高溫下服役不開裂，滿足特殊要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種利用熱擴散技術連接石墨與鉬的方法，解決了現(xiàn)有連接方法存在的連接參數(shù)難以控制、工藝復雜的問題。
[0005]本發(fā)明所采用的技術方案是，一種利用熱擴散技術連接石墨與鉬的方法，具體按照以下步驟實施:
[0006]步驟1、根據(jù)所制石墨材料與鉬連接的技術要求和規(guī)格，選擇不同種類的鉬片；
[0007]步驟2、對石墨塊表面和鉬片的表面進行表面預處理；
[0008]步驟3、制備Ti/Zr釬料薄片；
[0009]步驟4、擺放鋪層:將經(jīng)步驟2處理的石墨塊、經(jīng)步驟3制得的Ti/Zr釬料薄片和經(jīng)步驟2處理的鉬片由上至下依次鋪放，并裝入真空熔煉爐中，使真空熔煉爐的底盤銅電極與鉬片接觸，使真空熔煉爐的電弧槍與石墨塊接觸，然后關閉爐蓋，真空熔煉爐腔室內(nèi)抽真空；
[0010]步驟5、開啟真空熔煉爐，通入氬氣進行熱擴散連接，完成石墨塊與鉬片的連接。
[0011]本發(fā)明的特點還在于，
[0012]步驟I中，鉬片由純鉬或鉬基合金材料制得，鉬基合金材料包括鉬硼合金、鎢鉬合金或鉬錸合金。
[0013]步驟2中，表面預處理的具體方法為:依次用280、320和400號紗紙對石墨塊和鉬片的表面進行打磨，去除表面雜質(zhì)和毛刺后，用無水乙醇清洗干凈，然后用溫度不高于80°C的鼓風干燥箱分別烘干。
[0014]步驟3中，制備Ti/Zr釬料薄片的具體實施方法為:將Ti粉和Zr粉按質(zhì)量比1:1放入球磨機中混合4?6h，得混合粉末，然后將混合粉末平鋪在鋼壓模具中，在液壓機上單向壓制成型，壓力300?350MPa，保壓lmin，然后脫模。
[0015]Ti/Zr釬料薄片的厚度為I?3mm。
[0016]步驟4中，真空熔煉爐中的真空度為1.3?2.0X 10 3pa。
[0017]步驟5中，熱擴散連接的具體實施方法為:控制真空熔煉爐的電流為150?180A，使引弧槍在石墨塊上引弧，直至位于中間層的Ti/Zr釬料薄片熔化，并同時在石墨塊上施加0.5?IMPa的壓制壓力，保壓10?30s，然后滅弧，在保護氣氛下冷卻到室溫。
[0018]步驟5中氬氣的流速為為5?8L/h。
[0019]本發(fā)明的有益效果是，一種利用熱擴散技術連接石墨與鉬的方法，通過添加Ti/Zr釬料薄片的層鋪設計使非金屬石墨與難熔金屬鉬在界面處發(fā)生液固反應，從而形成一個界面結合強度高、結構穩(wěn)定的過渡復合面，不僅能夠使金屬鉬和非金屬石墨有效穩(wěn)定的連接在一起，結合強度不低于石墨基體的強度，同時在高溫下服役不開裂，滿足綜合性能穩(wěn)定、彼此結合強度高等特殊要求，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約貴金屬資源，不僅延長了鉬/石墨復合產(chǎn)品的使用壽命，而且整個復合連接制備工藝過程簡單，操作方便，成本低廉，為進一步改善國產(chǎn)醫(yī)用CT合金靶材(石墨基鎢鉬合金靶材)和其它用途提供一個新的途徑。
【附圖說明】
[0020]圖1是采用本發(fā)明實施例1方法連接圓柱狀復合連接件的示意圖；
[0021]圖2是采用本發(fā)明實施例1方法連接層板狀復合連接件的示意圖。
[0022]圖中，1.石墨塊，2.Ti/Zr釬料薄片，3.鉬片。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024]一種利用熱擴散技術連接石墨與鉬的方法，具體按照以下步驟實施:
[0025]步驟1、根據(jù)所制石墨材料與鉬連接的技術要求和規(guī)格，選擇不同種類的石墨塊I和鉬片3，鉬片3由純鉬或鉬基合金材料制得，其中，鉬基合金材料包括鉬硼合金、鎢鉬合金或鉬錸合金；
[0026]步驟2、對石墨塊I表面和鉬片3的表面進行表面預處理:依次用280、320和400號紗紙對石墨塊I和鉬片3的表面進行打磨，去除表面雜質(zhì)和毛刺后，用無水乙醇清洗干凈，然后用溫度不高于80°C的鼓風干燥箱分別烘干；
[0027]步驟3、制備Ti/Zr釬料薄片2，將Ti粉和Zr粉按質(zhì)量比1:1放入球磨機中混合4?6h，得混合粉末，然后將混合粉末平鋪在鋼壓模具中，在液壓機上單向壓制成型，壓力300?350MPa，保壓lmin，然后脫模制得，Ti/Zr釬料薄片2的厚度為I?3mm ;
[0028]步驟4、擺放鋪層:將經(jīng)步驟2處理的石墨塊1、經(jīng)步驟3制得的Ti/Zr釬料薄片2和經(jīng)步驟2處理的鉬片3由上至下依次鋪放，并裝入真空熔煉爐中，使真空熔煉爐的底盤銅電極與鉬片3接觸，使真空熔煉爐的電弧槍與石墨塊I接觸，然后關閉爐蓋，真空熔煉爐腔室內(nèi)抽真空，真空熔煉爐中的真空度為1.3?2.0X 10 3pa ;
[0029]步驟5、開啟真空熔煉爐，通入氬氣進行熱擴散連接，氬氣的流速為為5?8L/h，控制真空熔煉爐的電流為150?180A，使引弧槍在石墨塊I上引弧，直至位于中間層的Ti/Zr釬料薄片2熔化，并同時在石墨塊I上施加0.5?IMPa的壓制壓力，保壓10?30s，然后滅弧，在保護氣氛下冷卻到室溫，完成石墨塊I與鉬片3的連接。
[0030]本發(fā)明方法是在真空熔煉爐中加熱連接件，采用層鋪設計連接非金屬石墨與難熔金屬鉬，以Ti/Zr釬料為中間層，目的是使熔融的Ti/Zr液流與石墨基體、金屬鉬或鉬合金充分接觸潤濕，發(fā)生液固反應，從而在界面實現(xiàn)良好的冶金結合。在真空熔煉爐中連接鉬/TiZr釬料/石墨材料的坯料，是一種簡單又可靠的