[发明专利]一种利用热扩散技术连接石墨与钼的方法

说明书

技术领域

本发明属于异质材料连接技术领域，具体涉及一种利用热扩散技术连接石墨与钼的方法。

背景技术

随着技术设备的不断发展创新，各领域对异种材料连接的要求日益增加，异种材料的连接技术也在不断推广前进。异种材料的连接是使两种或几种不同的材料按照一定的制备工艺和服役条件连接形成一个具有综合使用性能的有机整体。石墨材料由于其结构及制备工艺的特殊性决定其拥有各种优良特性，包括密度小、导电导热性好、抗热冲击性能优良、高的升华温度、高温强度高、低弹/膨胀系数及良好的可加工性等特点，可用于等离子辐射状态下的工作环境，与具有相似的热膨胀系数的高熔点金属钼连接后用于核反应堆热接头处的底座，既可以起到很好的散热效果，又可以减小底座的体积。钼具有优异的高温强度，低的蒸汽压，低的热膨胀系数和良好的导电导热性能，因而被广泛用于冶金机械、航空航天及精密仪器等各个领域，成为发展现代高科技产业不可缺少的原材料之一。比如民用工业中医疗诊断设备中的电真空器件—X线管的阳极靶材(石墨基钨钼靶材)，因为其间断式的受电子轰击且会产生很高的热量，这些热量主要集中分布在转动的阳极靶面上,如果不能有效的散热，长期处在交变热负荷的下的阳极靶材表面容易龟裂失效。此外，由于各层基体热膨胀系数的差异导致整体材料受热不均匀，金属钼层易与石墨基体分离从而导致微裂纹的扩展、加深，最终从石墨基体上剥离，损坏X射线管。再者，石墨/钼合金的复合连接件也可用于核聚变的传热部件，测试仪器中的受热元件等其他领域。这样的复合连接不仅充分发挥了石墨、难熔金属钼的优异特性，提高了连接件的使用寿命和可靠性，而且明显扩大了其应用范围。

目前，关于石墨与异质材料的焊接方法主要有两种：一种是使石墨表面金属化，然后再采用常规钎料连接，该方法工艺复杂，技术难度较大，生产效率较低，在一定程度上限制了它的快速发展；另一种是用含有活性元素(Ti、Zr、V、Nb)等钎料在真空条件下直接连接石墨和钼，但是由于两者原子结构之间的本质差别及本身的物理化学性能，难熔金属钼难以与石墨有效稳定的连接在一起，机械结合虽然容易，但难以满足热传导的要求。只有通过添加一些有效的中间层使其在界面发生复杂的物化反应，最终使石墨与金属钼实现良好的结合，结合强度不低于石墨本身的强度，同时在高温下服役不开裂，满足特殊要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用热扩散技术连接石墨与钼的方法，解决了现有连接方法存在的连接参数难以控制、工艺复杂的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种利用热扩散技术连接石墨与钼的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、根据所制石墨材料与钼连接的技术要求和规格，选择不同种类的钼片；

步骤2、对石墨块表面和钼片的表面进行表面预处理；

步骤3、制备Ti/Zr钎料薄片；

步骤4、摆放铺层：将经步骤2处理的石墨块、经步骤3制得的Ti/Zr钎料薄片和经步骤2处理的钼片由上至下依次铺放，并装入真空熔炼炉中，使真空熔炼炉的底盘铜电极与钼片接触，使真空熔炼炉的电弧枪与石墨块接触，然后关闭炉盖，真空熔炼炉腔室内抽真空；

步骤5、开启真空熔炼炉，通入氩气进行热扩散连接，完成石墨块与钼片的连接。

本发明的特点还在于，

步骤1中，钼片由纯钼或钼基合金材料制得，钼基合金材料包括钼硼合金、钨钼合金或钼铼合金。

步骤2中，表面预处理的具体方法为：依次用280、320和400号纱纸对石墨块和钼片的表面进行打磨，去除表面杂质和毛刺后，用无水乙醇清洗干净，然后用温度不高于80℃的鼓风干燥箱分别烘干。

步骤3中，制备Ti/Zr钎料薄片的具体实施方法为：将Ti粉和Zr粉按质量比1：1放入球磨机中混合4～6h，得混合粉末，然后将混合粉末平铺在钢压模具中，在液压机上单向压制成型，压力300～350MPa，保压1min，然后脱模。

Ti/Zr钎料薄片的厚度为1～3mm。

步骤4中，真空熔炼炉中的真空度为1.3～2.0×10^-3pa。

步骤5中，热扩散连接的具体实施方法为：控制真空熔炼炉的电流为150～180A，使引弧枪在石墨块上引弧，直至位于中间层的Ti/Zr钎料薄片熔化，并同时在石墨块上施加0.5～1MPa的压制压力，保压10～30s，然后灭弧，在保护气氛下冷却到室温。

步骤5中氩气的流速为为5～8L/h。