Cu基钎料连接碳材料与CuCrZr合金的研究

发布时间：2017-09-16 13:31

  本文关键词：Cu基钎料连接碳材料与CuCrZr合金的研究

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【摘要】：碳材料与铜合金的连接在面向等离子体部件及新型碳换向器的制备中均有明确的应用背景。但是,其连接难点主要在于:第一,铜及大多数非活性钎料与碳材料的润湿性很差;第二,碳材料与铜合金的物理性能(如热膨胀系数)差异较大导致接头降温后产生残余热应力。本研究设计Cu-TiH_2活性钎料以及向其中添加BN粉组成的复合焊料连接碳材料与CuCrZr合金,通过焊料中的Ti改善对碳材料的润湿性,通过在钎料中添加BN粉体在连接层中原位形成增强相来提高接头性能并缓解残余应力。采用Cu-50TiH_2钎料连接高强石墨与CuCrZr合金时,在950℃时接头剪切强度最高,为15.7 MPa,断裂位于靠近焊缝区域的石墨侧。采用Cu-22TiH_2钎料时,在900℃时接头剪切强度可达20.2 MPa,断口为混合型。微观分析表明,采用Cu-TiH_2钎料连接石墨和CuCrZr合金时,接头界面结合良好。连接层主要由Cu基固溶体和Ti-Cu金属间化合物等组成。液态钎料中的Ti原子与石墨母材发生界面反应生成厚度约为1-2μm的TiC层。由于C和Ti原子在TiC层中的扩散速率较小,TiC反应层的形成阻碍了石墨母材中的C原子与液态钎料中Ti原子的互扩散和反应。采用在Cu-50TiH_2钎料中添加2 wt.%的BN粉体作为复合焊料连接石墨与CuCrZr合金时,当连接温度为950℃时,接头平均剪切强度为17.4 MPa,高于采用Cu-50TiH_2钎料连接的接头强度。接头界面结合良好,复合焊料中Ti与BN反应形成TiN颗粒并释放出B原子。随后,B原子与液态焊料中的Ti原子反应形成TiB晶须。连接层主要由Cu基固溶体、Ti-Cu金属间化合物以及原位反应生成的TiB晶须和TiN颗粒等组成。TiB晶须和TiN颗粒作为增强相弥散分布在连接层中,对石墨/CuCrZr接头起到了复合的增强作用,有利于接头性能的提高。另外,连接层中TiB晶须和TiN颗粒的热膨胀系数较小,可以减少石墨母材与连接层之间热膨胀系数差异,从而缓解接头残余热应力。采用Cu-50TiH_2+2 wt.%BN复合焊料连接高强碳/碳复合材料(CFC)与CuCrZr,接头的界面组织结构为:CFC/TiC反应层/Cu基固溶体+Ti_2Cu金属间化合物+TiB晶须+TiN颗粒/CuCrZr合金。由于CFC的热膨胀系数较小,导致接头中的残余热应力较大,造成接头强度较低。
【关键词】：碳材料 铜合金 连接 原位反应 增强相
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG454
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 选题背景和研究意义12-15
• 1.1.1 聚变堆中碳材料/铜的连接12-14
• 1.1.2 换向器中石墨/铜的连接14-15
• 1.2 碳材料/金属连接的难点15
• 1.3 碳材料/金属连接方法及研究现状15-20
• 1.3.1 粘接16-17
• 1.3.2 机械连接17
• 1.3.3 扩散连接17-18
• 1.3.4 钎焊18-20
• 1.4 陶瓷/金属接头中的残余热应力20-24
• 1.4.1 陶瓷/金属接头残余热应力的产生20-21
• 1.4.2 缓解陶瓷/金属接头残余热应力的方法21-24
• 1.5 本课题的研究内容24-26
• 第2章 试验方法26-38
• 2.1 试验材料26-30
• 2.1.1 连接母材26-27
• 2.1.2 焊料27-30
• 2.2 试验设备与工艺30-34
• 2.3 性能测试、差热分析及界面微观分析34-38
• 2.3.1 接头剪切强度测试34-35
• 2.3.2 差热分析及界面微观分析35-38
• 第3章 采用Cu-TiH_2钎料真空钎焊石墨/CuCrZr合金38-58
• 3.1 钎料成分的确定38-40
• 3.2 连接温度对接头剪切强度的影响40-43
• 3.3 接头界面微观分析43-51
• 3.3.1 采用Cu-50TiH_2连接石墨与CuCrZr接头界面的微观分析43-47
• 3.3.2 采用Cu-22TiH_2连接石墨/CuCrZr接头界面的微观分析47-51
• 3.4 采用Cu-TiH_2钎料连接石墨与CuCrZr接头的界面演变过程51-56
• 3.5 本章小结56-58
• 第4章 采用Cu-50TiH_2+BN复合焊料真空钎焊碳材料与CuCrZr合金58-80
• 4.1 Cu-50TiH_2+BN复合焊料连接石墨/CuCrZr接头58-66
• 4.2 采用Cu-50TiH_2+2 wt.%BN复合焊料真空钎焊石墨与CuCrZr接头界面生长模型和机理分析66-74
• 4.3 采用Cu-50TiH_2+2 wt.%BN复合焊料真空钎焊碳/碳复合材料与CuCrZr接头的微观分析74-78
• 4.4 本章小结78-80
• 第5章 结论与展望80-82
• 5.1 结论80-81
• 5.2 展望81-82
• 参考文献82-90
• 攻读硕士期间发表的论文90-92
• 致谢92

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本文编号：863352