專利名稱：帶已進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理的鎢部件的復(fù)合構(gòu)件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合構(gòu)件的制作方法，該復(fù)合構(gòu)件通過(guò)一結(jié)合工藝，將鎢含量＞90重量百分比的鎢或鎢合金部件，整體結(jié)合到一熱傳導(dǎo)性＞250W/mK的銅或銅合金中。
背景技術(shù)：
在生產(chǎn)鎢-銅復(fù)合構(gòu)件過(guò)程中突出的難題在于這兩種金屬具備很不同的熱膨脹性能，在室溫下鎢的熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6K-1，而銅則為16.6×10-6K-1。
將鎢和銅混合的工藝如點(diǎn)焊接(Lten)、重鑄(Hintergieβen)、擴(kuò)散焊接(Diffusionsschweiβen)等技術(shù)已有描述，這些操作通常在700～1300℃之間進(jìn)行，然而隨著溫度的降低，由于鎢和銅不同熱膨脹系數(shù)的原因，二者結(jié)合面之間產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)力也可發(fā)生于復(fù)合構(gòu)件的使用場(chǎng)合，因?yàn)閺?fù)合構(gòu)件在使用時(shí)常常經(jīng)受熱循環(huán)負(fù)荷。
復(fù)合構(gòu)件的一個(gè)重要應(yīng)用是在聚變反應(yīng)器中的首層屏障。在聚變反應(yīng)器正常運(yùn)行狀態(tài)下，在首層屏障的表面可產(chǎn)生高達(dá)10MW/m2的能量流。等離子的衰減時(shí)，幾乎20GJ的能量在數(shù)毫秒的時(shí)間內(nèi)釋放。首層屏障的發(fā)展尤其在高能量領(lǐng)域的應(yīng)用，比如熱核裝置收集器、折流板和限幅器，標(biāo)志著聚變領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
首層屏障對(duì)材料的要求各不相同，并且在一定程度上相互矛盾。除了具備物理機(jī)械性能比如高熱傳導(dǎo)、高熔點(diǎn)、低蒸汽壓力、抗熱沖擊性能和易于制作外，另外在核聚變中還需要一些特殊性能，比如在高中子通量作用下的反應(yīng)和變性能力弱，在等離子和中性離子作用下的低腐蝕性，局部電光弧和最強(qiáng)輻射與由特殊輻射產(chǎn)生的低溫作用下的低腐蝕性。鎢正具備首層屏障所要求的低等離子溫度和離子的高通量。鎢具備良好的熱傳導(dǎo)性，比如在室溫下可達(dá)165W/mK。此外，高熔點(diǎn)、低氚吸附性、低真空排氣率等特性使鎢具備了應(yīng)用于首層屏障的條件。高熱量和循環(huán)負(fù)荷的會(huì)導(dǎo)致鎢銅之間的界面斷裂或剝落，熱驅(qū)散障礙將會(huì)導(dǎo)致元件的熔解。
大量的研究已經(jīng)開展，并取得了一定進(jìn)展，其目的在于獲得一種復(fù)合構(gòu)件，它由面向等離子的鎢區(qū)和銅構(gòu)成的散熱器復(fù)合而成，二者界面中僅存在著較小的復(fù)合應(yīng)力。一些減少界面應(yīng)力的方法取得成功，比如在鎢表面采用小立方體或圓桿，其長(zhǎng)度或直徑為數(shù)毫米，插入銅表面。這種元件減少了在合成過(guò)程中和熱循環(huán)工作中的熱應(yīng)力。但是該中元件仍有在熱負(fù)荷作用下鎢銅斷裂的潛在危險(xiǎn)。
許多努力已經(jīng)付諸于減少鎢銅應(yīng)力，通過(guò)鎢銅之間逐漸過(guò)度的方法。美國(guó)專利US5126106描述了一種應(yīng)用銅FGM的方法。其中帶有多孔的鎢元件，通過(guò)等離子噴射將銅滲入其中。
在US5988488中同樣也介紹了應(yīng)用等離子噴射來(lái)完成鎢銅之間的過(guò)渡。與US5126106相比較，該方法同樣也采用等離子噴射使銅沉積，粉末混合物中含有一定數(shù)量的鎢和銅，在金屬鎢和FGM間有一層金屬膜促進(jìn)二者的粘合。
在US5988488中進(jìn)一步解釋了出于實(shí)驗(yàn)的目的，一層由銅和鎢混合材料通過(guò)焊接或澆鑄應(yīng)用于鎢銅散熱器中。
可以看出US5126106和US5988488所造元件具備了更進(jìn)一步的抗熱斷裂性能，其不足之處在于兩種方法程序復(fù)雜，由此而制作的元件價(jià)格昂貴。另外上述方法其平瓦狀結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中受限。由于幾何學(xué)上的原因，這種由單一幾何的轉(zhuǎn)變顯得不大可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是至少提供一種復(fù)合構(gòu)件，它至少局部由鎢或鎢合金和銅或銅合金構(gòu)成，其具備良好的性能，尤其在抗熱疲勞方面，而且費(fèi)用并不昂貴。
本發(fā)明的任務(wù)是通過(guò)各獨(dú)立權(quán)利要求來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
復(fù)合構(gòu)件至少有兩種部件組成，其中鎢或鎢合金部件中鎢的含量不少于90重量百分比，銅或銅合金所具備的熱傳導(dǎo)性大于250W/mK。在后面的描述中，任何指鎢當(dāng)然包括鎢合金的材料，鎢的純度均大于90重量百分比，銅包括銅合金，其熱傳導(dǎo)性大于250W/mK。鎢的含量小于90重量百分比會(huì)導(dǎo)致熱穩(wěn)定性下降或熱傳導(dǎo)性下降。如銅或銅合金中的熱傳導(dǎo)性小于等于250W/mK，熱量不能及時(shí)消散，在鎢和銅部件結(jié)合之前，鎢部件的結(jié)合面已經(jīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理成型。這種結(jié)構(gòu)明顯提高了元件的剛度，尤其在周期性的應(yīng)力作用下。與其他同類技術(shù)能提高元件強(qiáng)度相比，這種構(gòu)造價(jià)格相對(duì)低廉。通過(guò)周期性的負(fù)荷實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以得出由這項(xiàng)發(fā)明在聚變反應(yīng)器的首層屏障使用中，極大的提高了其使用壽命，這個(gè)發(fā)明解決了多年來(lái)存在的一個(gè)難題。
構(gòu)造學(xué)中大體鎢表面的面積比增大需要解釋，這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮邮丈浞▉?lái)完成。在本例中需要進(jìn)一步說(shuō)明的是電子束尤其合適。電子束通過(guò)操縱產(chǎn)生周期性的隆起和凹陷，如果凹陷的深度和隆起的高度在10um至2mm之間，其具備了所需要的特性，尤其隆起和凹陷的形狀為圓錐形。如果所有的凹陷和隆起具備大致一致的直徑、高度和間距，至少10％的結(jié)合面已經(jīng)成型。
構(gòu)件也可以通過(guò)機(jī)械技術(shù)來(lái)完成。由于鎢本身固有的易碎性，易于磨造的外形尤其適合，在金字塔狀的隆起中同樣存在。滿意的結(jié)果需要銑削變形，其特性體現(xiàn)在隆起和凹陷具有大致相同的直徑、深度和間距，至少10％的結(jié)合面已經(jīng)成型。
此外需要強(qiáng)調(diào)的合適技術(shù)工藝是粉末冶金術(shù)，粉末中含有至少90％的鎢，并且其微粒尺度(Fisher)0.5um至10um緊密結(jié)合利用距陣鍛壓，壓力在100MPa至600MPa之間。沖壓機(jī)使其表面成型。這種半成品在低壓力或真空中從1400℃到2700℃燒結(jié)。細(xì)粉采用低溫，粗粉則采用高溫。所需要的燒結(jié)溫度可在相應(yīng)的Ashby圖譜中查找。
理想的鎢材料包括單晶鎢、純鎢、硅酸鋁鉀鎢(AKS-W)、超純度鎢(UHP-W)、纖晶鎢、非晶形鎢、氧化擴(kuò)散強(qiáng)化鎢(ODS-W)、鎢錸合金、ODS鎢錸和碳化物、氮化物和硼化物等組成的合金來(lái)增加其強(qiáng)度。這些化合物與鎢的構(gòu)成體積比為0.05％至1％，鎢和1％三氧化二鑭(重量百分比)復(fù)合構(gòu)件的性能尤其突出，其中一部分鎢或鎢合金的表面是有利的。
已經(jīng)證明銅或銅合金與鎢或鎢合金在合成時(shí)假如無(wú)氧高傳導(dǎo)性銅(OFHC-Cu)是有益的。為了增加鎢銅之間的濕度，應(yīng)用金屬元件或合金比如在鎢表面進(jìn)行涂層，其可以溶解于鎢，同時(shí)也能溶解于銅，或與二者進(jìn)行反應(yīng)。鐵類元素或合金比如鎳正適合此種需求。
通過(guò)焊接也可以達(dá)到結(jié)合要求，在這種情況下一件成型的鎢與一件成型或未成型的銅進(jìn)行焊接，通過(guò)焊接使構(gòu)件中的凹陷處填平。
擴(kuò)散焊接也是更合適的結(jié)合方法，其通過(guò)熱均衡沖壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，一件成型的鎢元件置于容器中(比如鋼制)與非定型的銅元件通過(guò)在100至250MPa熱均衡沖壓，在相應(yīng)銅的固相線下50℃至300℃。在這種情況下，銅注入構(gòu)件中的凹陷部分，并完全填充。
通過(guò)這種方法合成的元件具有良好的可操作性，尤其在周期性負(fù)荷應(yīng)力作用下。由其所生產(chǎn)的元件特別適用于聚變反應(yīng)器的首層屏障(比如折流板、緩沖板)。為了提高首層屏障的強(qiáng)度和剛性，一種強(qiáng)度大于300MPa的金屬加入銅中。這些可以增加強(qiáng)度的金屬?gòu)?fù)合物如Cu-Cr-Zr、ODS銅和奧氏體鋼。適當(dāng)?shù)暮铣晒に嚫鶕?jù)不同的材料改變。銅銅或銅鋼組合適宜焊接或壓焊，比如通過(guò)熱均衡沖壓。對(duì)銅銅組合還可采用熔焊法，如電子束焊接。


本發(fā)明可以通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)施例來(lái)加以說(shuō)明。
圖1為掃描電鏡觀察下通過(guò)電子束進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理而成的鎢部件。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1鎢件，尺寸為25×40×10mm，通過(guò)磨削形成的結(jié)合面積為25×40mm，在制作過(guò)程中，鎢表面有金字塔狀的突起。每個(gè)金字塔的底邊長(zhǎng)0.8mm，其高度為1mm，而金字塔頂為邊長(zhǎng)0.2mm的正方形。每個(gè)金字塔周圍有0.2mm的空隙。所獲得的部件接著與銅元件重鑄，將體積為25×40×5mmOFHC-銅板在真空狀態(tài)下加熱至其熔點(diǎn)以上，在其液相狀態(tài)下保留數(shù)分鐘，加熱爐冷卻。如此獲得含有鎢和OFHC-銅的復(fù)合構(gòu)件產(chǎn)生。這個(gè)元件的體積為24.5×39.5×12.5mm，(其中鎢的厚度為9.5mm，OFHC銅的厚度為3mm)，隨后被裝配如體積為39.5×73.5×30mm的Cu-Cr-Zr中，面積39.5×73.5mm代表復(fù)合構(gòu)件和Cu-Cr-Zr的接觸面積。在此裝配中，復(fù)合構(gòu)件與Cu-Cr-Zr復(fù)合體在鋼制容器內(nèi)焊接，并抽氣、密封。然后進(jìn)入HIP程序中900℃/1000桿。完畢后，鋼制容器被機(jī)械移走，加熱后(1/2h，970℃)通過(guò)氣淬火快速冷卻，冷卻速度大于1℃/S，在475℃貯存3小時(shí)使得Cu-Cr-Zr的硬度增加。
通過(guò)此種方法合成的復(fù)合構(gòu)件在首層屏障中具有良好的散熱能力。
實(shí)施例2鎢-1％三氧化二鑭復(fù)合構(gòu)件，尺寸為25×40×10mm，結(jié)合面積為25×40mm，其通過(guò)電子束來(lái)鑄成。以該法在鎢表面所形成的突起和凹陷如圖1所表示。為了生產(chǎn)復(fù)合構(gòu)件中的銅部件，將已進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理的鎢-1％三氧化二鑭部件和銅件共同鑄造，為此體積為25×40×5mm的OFHC銅板在真空下加熱至銅的熔點(diǎn)以上，當(dāng)?shù)竭_(dá)液態(tài)時(shí)保持?jǐn)?shù)分鐘，然后逐漸冷卻。通過(guò)這種方式復(fù)合構(gòu)件被制成(其體積為24.5×39.5×12.5mm，1％的三氧化二鑭厚度為9.5mm，OFHC銅的厚度為3mm)。首層屏障同例1被制成。
實(shí)施例3鎢制元件，尺寸為35×50×15mm，在其表面(35×50mm)距陣沖壓而成，為此，使用粒經(jīng)為4.5um的純鎢粉，在半成品的表面，規(guī)則金字塔形狀其高和邊長(zhǎng)均為1mm被沖壓成型。在300MPa壓力作用下，其相對(duì)密度達(dá)到65％，然后在氫氣存在的情況下2400℃燒結(jié)，其相對(duì)密度達(dá)到95％。隨后25×40×5mm的體積獲得(接合面25×40mm).如此獲得的部件與體積為25×40×5mm的OFHC銅板重鑄，在真空狀態(tài)下加熱到銅的熔點(diǎn)以上，到達(dá)液態(tài)時(shí)保持?jǐn)?shù)分鐘，冷卻，復(fù)合構(gòu)件由此制成。首層屏障同例1被制成。
權(quán)利要求
1.一種由鎢含量＞90重量百分比的鎢或鎢合金與熱傳導(dǎo)性＞250W/mK的銅或銅合金組成的復(fù)合構(gòu)件的制作方法，其特征在于，為產(chǎn)生一更大的表面面積，鎢或鎢合金部件的接合面在結(jié)合工藝前進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件通過(guò)產(chǎn)生凹陷和隆起來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，各隆起和/或凹陷具有統(tǒng)一的尺寸和/或間距。
4.如權(quán)利要求1～3中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，至少10％的結(jié)合表面具有隆起或凹陷。
5.如權(quán)利要求1～4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件通過(guò)射線照射法進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，凹陷的深度和隆起的高度為100um至2mm。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，隆起和凹陷的形狀近似圓錐形。
8.如權(quán)利要求5～7中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件是通過(guò)電子射線來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理的。
9.如權(quán)利要求1～4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件采用機(jī)械加工進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件通過(guò)仿形削磨進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理獲得金字塔形的凸起。
12.如權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件通過(guò)粉末冶金工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，粉末混合物中含有至少90重量百分比的鎢，且粒徑為0.5um至10um的微粒，該混合物通過(guò)壓力在100MPa至600MPa之間的距陣鍛壓緊密結(jié)合，沖壓機(jī)使其表面成型，這種半成品在低壓力或真空中在1400℃到2700℃溫度下燒結(jié)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，距陣沖壓所產(chǎn)生的金字塔形凹陷的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為0.5～2mm。
15.如權(quán)利要求1～14中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，鎢合金為鎢-1％La2O3重量百分比。
16.如權(quán)利要求1～15中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，銅部件由OFHC銅制成。
17.如權(quán)利要求1～16中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，鎢或鎢合金部件與銅或銅合金部件的結(jié)合通過(guò)重鑄形成。
18.如權(quán)利要求1～16中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，部件的連接由焊接來(lái)完成。
19.如權(quán)利要求1～16中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，部件的連接由擴(kuò)散焊接來(lái)完成，最好是采用熱平衡沖壓。
20.如權(quán)利要求1～19中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，復(fù)合構(gòu)件用作聚變反應(yīng)的首層屏障。
21.由鎢含量＞90重量百分比的鎢或鎢合金與熱傳導(dǎo)性＞250W/mK的銅或銅合金組成的復(fù)合構(gòu)件，由一結(jié)合工藝整體結(jié)合成形，其特征在于，鎢或鎢合金的部件在結(jié)合表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由鎢和銅部件組成的復(fù)合構(gòu)件的制作方法，該復(fù)合構(gòu)件通過(guò)一結(jié)合工藝整體結(jié)合成形，其中，鎢部件在結(jié)合工藝前在其結(jié)合表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理，以產(chǎn)生一更大的表面面積。
文檔編號(hào)B23K20/00GK1937095SQ20061012915
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月29日
發(fā)明者B·舍德勒, Th·胡貝爾, Th·弗里德里希, K·沙伊貝爾, D·舍德勒, A·察貝尼格, H·D·弗里德爾, S·邁爾, N·韋爾萊, B·塔貝尼格 申請(qǐng)人:普蘭西歐洲股份公司