[发明专利]用于碳材料和铜合金的耐热组合件的方法

说明书

本发明涉及将由多孔碳系材料制成的至少一个部件与由富铜金属 材料制成的至少一个部件进行组装的方法和用于实施该方法的合金膏。

所述组合件，也称为耐热组合件，是使用温度大于500℃的部件的 组合件。

这些组合件在热工程领域受到很大的关注。由于它们具有10 MW/m²至20MW/m²的高能量交换密度，所以它们可以用于制造热交 换构件。能量是利用“碳系材料侧”(高度耐热)上非常高的功率产生 的，而热通过有效冷却系统(例如通过循环冷却剂冷却)在“铜侧”(较 不耐热)上回收。

因此，对于这类组合件，确保非常好的热交换和构成该组合件的各 部件之间具有非常良好的机械锚固是很重要的。

这些组合件通常是包含由富铜材料制成的部件和由多孔碳系材料 制成的部件的组合件。

在本发明中，术语“多孔碳系材料”应理解为包含至少50wt％的 碳、优选大于80wt％的碳和最优选由100％碳组成的材料。

这类材料可以是石墨、玻璃碳、由碳系基体中的碳纤维构成复合材 料等。

同样，表述“富铜金属材料”在本发明中应理解为包含至少50wt％ 的铜的材料，优选包含多于至少80wt％的铜的材料，更优选纯铜。

最后，术语“多孔材料”应理解为指以所指材料的体积计开孔率大 于5％和小于50％的材料。

为了生产这种组合件，已经提出了组装的方法，在该方法中，使用 有机粘合剂将两个部件粘结在一起。然而，这类组合件的使用温度可能 决不会超过至多200℃，这对于耐热材料是不合适的。

还提出了通过纯机械方法通过钉住、螺纹连接、互锁或铆接生产组 合件。然而，这些组合件仅在两个部件之间提供部分的、随机的接触， 因此导致非常一般的热交换。

还提出了通过熔焊，即在高温下在两个部件之间的界面处施加压力 以允许在两个部件之间进行原子相互扩散来组装耐热组合件的两个部 件。在该方法中，温度必须保持低于至少耐热材料的熔点。因此，在该 体系中没有液相。这种组装在沿单个方向施压的压力机中或在等压室中 进行。熔焊非常适用于两种金属合金之间的组装，但是当存在耐热陶瓷 材料时相当不合适，这是因为陶瓷的组成原子在接合处几乎不扩散。无 论如何，熔焊不允许部分金属渗入陶瓷材料的孔隙中，因此不能在两部 件之间同时获得非常好的热交换和非常好的机械锚固。

因此，为了保证组合件内良好的热传递和良好的机械完整性，可以 设想利用仅利用液相的方法，因为液相可以在界面处部分渗入由多孔碳 系复合物制成的部件。

为此，一些方法使用活性钎焊，在所有的情形中，活性钎焊需要钎 焊，即在低于10^-4mbar的高真空下或在惰性气体、氩气等气氛中，使 与空气中的氧隔开的钎料熔融。

因此，美国专利5340658提出使用由86～99.5wt％的选自铜、银、 镍和铝的至少一种活性元素和0.5～10wt％的选自钒、铌、钛、锆和硅 的元素组成的钎焊合金作为钎焊合金将碳系复合物接合至金属材料。在 该方法中，将钎焊合金置于由碳复合材料制成的部件和由金属材料制成 的部件之间的界面处，并且在真空中、在850℃和980℃之间的温度下 加热整个组合件10分钟。

还提出使用基于银或铜的称为活性钎料的钎料，所述钎料含有一定 百分比的活性元素例如钛或锆，由此确保对多数陶瓷基体，尤其是碳系 陶瓷，例如石墨或碳-碳复合材料良好润湿。

然而，活性钎焊的主要缺点是渗透的随机性，该渗透的随机性实际 上取决于碳系材料的孔隙度的随机性。换言之，在单个界面处经常观察 到钎料对复合物的强烈渗透，其可在浸渍过轻的区域附近的接合处产生 空隙。在该情况下，热传递不佳，并可能在操作期间出现“热点”。同 样，机械紧固也不佳，并且在热冲击的情况下具有碳系复合物与其支撑 物脱附或脱离的风险。

因此，即使这种紧固可以给出有用的结果，但是对于设想的工业应 用而言自然缺乏可靠性。