專利名稱：一種用于制造復合材料的工藝及該復合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備復合材料的工藝，該復合材料包括由鋼或鈦基材料制成的部分和由銅基或鋁基材料制成的部分。
背景技術(shù)：
銅基材料或鋁基材料不能通過熔焊工藝與鋼或鈦基材料直接相連接。在下文的術(shù)語“-基材料”在各種情況下，都應理解為基底金屬含量大于50wt％的合金。術(shù)語鋼包括全部的鋼系材料。
包含由鋼或鈦基材料制成部分和由銅基或鋁基材料制成部分的復合材料，其一個重要應用為冷卻元件。銅和鋁因其具有高導熱性而被采用。為了獲得足夠的結(jié)構(gòu)強度，將銅或鋁部分連接到一結(jié)構(gòu)材料，通常為鋼或鈦材料。
例如，采用鋼/銅復合材料作為聚變反應堆第一層器壁部件的零件。開發(fā)第一層器壁部件，尤其是用于諸如分流器、擋板和限制器之類的具有極高能量密度的區(qū)域，是代表聚變研究技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵部件。針對這些材料的粘著性連接已開展了廣泛的研究。
例如，已知下述特別針對鋼/銅復合材料的解決方案-在銅基材料和鋼之間焊接一Ni接頭-采用電鍍層密封該過渡層-擴散焊-軟釬焊軟釬焊連接在耐腐蝕性和強度上存在缺陷，通過擴散焊連接的連接件的強度在很多情況下都是不夠的。此外，建立所需的工藝穩(wěn)定性也十分困難。且，這種連接的強度性能多變而很低。正如熱負荷測試所證實的，在銅基材料和鋼之間的Ni接頭的焊接也有其缺點。例如，這種過渡對于Ni接頭區(qū)域內(nèi)的局部流動較為敏感。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種復合材料，其具有足夠的功能，尤其是強度、耐熱疲勞和耐腐蝕性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種復合材料，其包含由鋼或鈦基材料制成的部分及由銅基或鋁基材料制成的部分；其中復合材料的各部分通過中間件相連接；中間件由鋼或鈦基材料制成的區(qū)域和銅基或鋁基材料制成的區(qū)域組成；上述兩區(qū)域通過爆炸焊進行粘著性連接形成連接區(qū)域，且將部分與區(qū)域進行粘著性連接形成連接區(qū)域、將部分與區(qū)域進行粘著性連接形成連接區(qū)域，部分與區(qū)域由具有相同基體金屬的材料組成，部分與區(qū)域由具有相同基體金屬的材料組成。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種用于制造復合材料的工藝，該復合材料包含由鋼或鈦基材料制成的部分及由銅基或鋁基材料制成的部分；其中由鋼或鈦基材料制成的區(qū)域和由銅基或鋁基材料制成的區(qū)域通過爆炸焊連接形成連接區(qū)域從而制造出中間件；且通過熔焊或擴散焊將部分與區(qū)域連接形成連接區(qū)域、以及將部分與區(qū)域連接形成連接區(qū)域；部分與區(qū)域由具有相同基體金屬的材料組成，部分與區(qū)域由具有相同基體金屬的材料組成。
首先，制備一中間件，包括由鋼或鈦基材料制成的區(qū)域和由銅基或鋁基材料制成的區(qū)域，他們通過爆炸焊接連接。這可以通過采用由所用材料制成的金屬薄板/板材簡單地完成。由于銅和鋁比鋼和鈦的延展性好，且具有更低的屈服強度，因此優(yōu)選把銅或鋁薄板/板材置于鋼或鈦薄板/板材上。然后在銅或鋁薄板/板材上放置炸藥。形成波狀、鋸齒形的具有高強度的典型爆炸焊接連接區(qū)域。可以通過機加工或射線加工將這種方式制造出的復合材料加工成具有適當幾何形狀的中間件。
然后，通過熔焊或擴散焊工藝將復合材料的各部分與中間件的相應的區(qū)域連接。在本文中，詞語“相應的”意味著該復合材料部分和與其相連的中間件區(qū)域是由相同類型材料制備的。在本文中，術(shù)語“相同類型”應理解為其由相同基體材料構(gòu)成，即，例如由銅基材料制成的部分和由銅基材料制成的區(qū)域，或由鋼制成的部分和由鋼制成的區(qū)域。
因此，為了制備復合材料，例如，包含鋼和銅基材料，首先，應通過爆破焊接制備由鋼和銅基材料構(gòu)成的中間件。然后，通過熔焊或擴散焊將鋼部分與中間件的鋼區(qū)域相連，以及將由銅基材料制成的部分與中間件的由銅基材料制成的區(qū)域相連。該中間件的鋼與其余復合材料的鋼可以有不同的結(jié)構(gòu)和/或成分，或優(yōu)選為相同的結(jié)構(gòu)和/或成分。銅基材料同樣適用類似情況。
可能以類似方法制備的復合材料包括-鋼/鋁基材料-鈦基材料/銅基材料，以及-鈦基材料/鋁基材料。
如果中間件的各個區(qū)域與復合材料的各個部分有相同或相似的組成，那么在本文中的各種情況下都是有利的。尤其是對于具有較寬范圍可能微觀結(jié)構(gòu)的鋼，類似的微觀結(jié)構(gòu)也是有利的。
采用加工硬化的材料制造復合材料也是有利的，如微粒硬化的銅合金(例如Cu-Cr-Zr)或合金鋼(例如奧氏體鋼，如316L)。因此，該中間件(例如Cu-Cr-Zr/316L)的各個材料區(qū)具有足夠高的流動屈服值。因此，不存在會因局部流動而失效的低強度過渡區(qū)。因而應力導致的延伸可以在更大的區(qū)域內(nèi)被吸收或被復合材料的部分解決。此外，對所有的材料組合而言爆破焊接代表一種經(jīng)濟的既定工藝?？梢詫υ摫坪附拥倪B接部分進行非破壞性測試。既然中間件各區(qū)域與復合材料各部分之間的連接部分在各自情況下由相同類型的材料組成，采用熔焊或擴散焊工藝是可能的?？刹捎玫娜酆腹に嚨奶貏e實例包括惰性氣體保護鎢極電弧焊(TIG)、激光和電子束焊。
對于在第一層器壁方面的應用，進一步的優(yōu)勢在于，由于避免了使用鎳，因此可以滿足相對磁導率盡可能低的要求。
對于用作冷卻元件的情形，如果將中間件設(shè)計為管狀斷面且將復合材料的各部分設(shè)計成管狀是有利的。在這種情況下將中間件設(shè)計成管狀斷面與對爆炸焊制造的復合材料板進行機加工的情況是一樣的，在該情況中管狀斷面軸向長度與復合材料板的厚度一致。用鋼/銅基材料制成的復合材料已經(jīng)可能取得特別有利的效果。從較廣的鋼種范圍方面，奧氏體或部分奧氏體鋼特別值得一提。微粒硬化銅合金，諸如析出強化銅合金Cu-Cr-Zr，已被證實為合適的銅基材料。本發(fā)明工藝用于制造聚變反應堆的第一層器壁部件或第一層器壁部件的零件尤其具有優(yōu)勢。
在接下來的描述中，基于由鋼/銅基材料組成的復合材料對本發(fā)明進行解釋。然而，以同樣的方式依照本發(fā)明制造其它的復合材料也是可能的。


圖1所示為一管狀復合材料的橫剖面。
具體實施例方式
實施例采用Cu-Cr-Zr/316L(奧氏體鋼)制造一種管狀復合材料1。這種復合材料用作聚變反應堆分流器中的熱交換器。
為達到這種目的，通過爆炸焊將處于固溶退火、淬火狀態(tài)下的用Cu-Cr-Zr制成的板材與用316L制成的板材連接起來。兩塊板材各自的表面積為500×500mm2、各自的厚度為15mm。對于爆炸焊而言，Cu-Cr-Zr板材用作“錠殼”。出于這一目的，將炸藥置于Cu-Cr-Zr板材的上邊并點火，結(jié)果形成連接區(qū)域7。
焊接后，對復合板進行超聲檢驗。通過這種途徑可以定位已連接和未連接的區(qū)域。然后利用噴水切割從板材上已連接區(qū)域切割出芯狀的中間件4，其中芯的軸與爆炸焊接的連接表面7垂直。芯4的直徑為15mm，高度為30mm。鋼區(qū)域5和Cu-Cr-Zr區(qū)域6各自的厚度為15mm。爆炸焊縫7具有該種連接工藝的典型波浪形形狀。
將該芯4的兩端進行車削加工形成一個深5mm、直徑為12mm的臺階。在接下來裝配復合材料的被設(shè)計為Φ15×1.5mm的管狀的Cu-Cr-Zr部分3時，處于Cu-Cr-Zr區(qū)域6內(nèi)的臺階作為電子束焊的對中手段。316L側(cè)區(qū)域5內(nèi)的臺階也遵照同樣的原則。
將一用316L制成的鋼管2定位于區(qū)域5的中心，將一Cu-Cr-Zr管3定位于區(qū)域6的中心。之后將以這種方式獲得的組件通過電子束焊進行粘著性連接，其中外圍焊縫9位于Cu-Cr-Zr區(qū)域，另一外圍焊縫8位于316L區(qū)域。接著對焊接后的復合材料進行475℃/3h時效硬化，并機加工成一根外徑15mm、壁厚1.5mm的復合材料管1。接下來進行的諸如氦泄漏測試、染色滲透性測試及X光檢驗，顯示出完整無缺的連接區(qū)域。在拉伸試驗中，失效發(fā)生在Cu-Cr-Zr管部分。這表明爆炸焊縫和電子束焊縫的強度高于Cu-Cr-Zr的強度。
權(quán)利要求
1.一種用于制造復合材料(1)的工藝，該復合材料包含由鋼或鈦基材料制成的部分(2)及由銅基或鋁基材料制成的部分(3)；其中由鋼或鈦基材料制成的區(qū)域(5)和由銅基或鋁基材料制成的區(qū)域(6)通過爆炸焊連接形成連接區(qū)域(7)從而制造出中間件(4)；且通過熔焊或擴散焊將部分(2)與區(qū)域(5)連接形成連接區(qū)域(8)、以及將部分(3)與區(qū)域(6)連接形成連接區(qū)域(9)；部分(2)與區(qū)域(5)由具有相同基體金屬的材料組成，部分(3)與區(qū)域(6)由具有相同基體金屬的材料組成。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其中部分(2)和區(qū)域(5)由同一材料組成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中部分(3)和區(qū)域(6)由同一材料組成。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的工藝，其中由銅基或鋁基材料制成的金屬板與由鋼或鈦基材料制成的金屬板通過爆炸焊連接，將上述方式制成的復合材料機加工成中間件(4)。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的工藝，其中通過惰性氣體保護鎢極電弧焊、激光或電子束焊將部分(2)與區(qū)域(5)連接起來，將部分(3)與區(qū)域(6)連接起來。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的工藝，其中區(qū)域(5)由鋼組成，區(qū)域(6)由銅基材料組成。
7.如權(quán)利要求6所述的工藝，其中所述鋼至少在部分區(qū)域具有奧氏體微觀組織。
8.如權(quán)利要求6所述的工藝，其中銅基材料進行了微粒硬化。
9.如權(quán)利要求8所述的工藝，其中銅基材料為Cu-Cr-Zr。
10.如權(quán)利要求1-9之一所述的工藝，其中，中間件(4)設(shè)計為具有管狀斷面且部分(2，3)設(shè)計為管狀。
11.如權(quán)利要求1-10之一所述的工藝，其中復合材料(1)用作聚變反應堆第一層器壁元件或是第一層器壁元件的部件。
12.一種復合材料(1)，其包含由鋼或鈦基材料制成的部分(2)及由銅基或鋁基材料制成的部分(3)；其中復合材料的各部分(2，3)通過中間件(4)相連接；中間件(4)由鋼或鈦基材料制成的區(qū)域(5)和銅基或鋁基材料制成的區(qū)域(6)組成；上述兩區(qū)域通過爆炸焊進行粘著性連接形成連接區(qū)域(7)，且將部分(2)與區(qū)域(4)進行粘著性連接形成連接區(qū)域(8)、將部分(3)與區(qū)域(6)進行粘著性連接形成連接區(qū)域(9)，部分(2)與區(qū)域(5)由具有相同基體金屬的材料組成，部分(3)與區(qū)域(6)由具有相同基體金屬的材料組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備復合材料的工藝，該復合材料包含由鋼或鈦基材料制成的部分和由銅基或鋁基材料制成的部分。該復合材料的各部分通過中間件連接。該中間件同樣的包括由鋼或鈦基材料制成的區(qū)域和由銅基或鋁基材料制成的區(qū)域，這兩個區(qū)域通過爆炸焊連接。該復合材料的各部分與中間件的各同型區(qū)域通過熔焊或擴散焊工藝連接。
文檔編號F16L9/02GK1939645SQ20061014442
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13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 申請人:普蘭西歐洲股份公司