【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及难溶金属焊接，尤其涉及一种金属待焊件，大尺寸钨/铜构件焊接方法。
技术介绍
1、聚变能源由于资源丰富和近无污染，成为人类社会未来的理想能源，是最有希望彻底解决能源问题的根本出路之一，对于我国经济、社会的可持续发展具有重要的战略意义。等离子体部件是磁约束聚变装置中的关键元件。
2、钨(w)作为稀有高熔点金属(3683k)，其化学性质比较稳定，具有高导热性、高溅射阈值和低氚滞留的特点，因此被确定为面向等离子体材料(pfms)的首选材料之一。但由于w的导热性较差，因此w需要连接热沉材料构成的冷却系统，将服役过程中其表面的大量热量迅速传递出去，以维持其服役寿命。铜基合金(如cucrzr)因其优良的导热性能和高温强度，成为面向等离子体部件中热沉材料的首要选择。然而，w和cu之间互不固溶而难以直接合金化，并且它们在熔点、热膨胀系数(αcu≈4αw)和杨氏模量(ecu≈0.2ew)等物理性能方面差异较大。因此，互不固溶异种材料w/cu的连接问题一直是技术瓶颈，现有工艺焊接所得w/cu构件的剪切强度约为150mpa，而大尺寸w/cu连接更是面临挑战，其剪切强度更低。
3、爆炸焊接、热等静压法和真空扩散焊方法均适用于连接大尺寸材料。然而，由于w是一种典型的脆性金属，爆炸焊接可能会导致w碎裂，并且通常对w的厚度有限制。此外，爆炸焊接还会对母材产生相当大的残余应力，导致w/cu层状复合材料或连接件的高温或疲劳强度等降低。比较而言，热等静压方法和真空扩散焊是较为适合的方法，且均已进行工程应用。这两种方法通常使用中间
4、w/cu构件直接扩散连接首先要破解界面冶金结合难题。目前主要有以下技术途径：(1)利用w/cu体系中低熔点cu的高温结构诱发互不固溶金属合金化，形成冶金结合界面；(2)利用离子注入产生的辐照损伤结构为原子相互扩散提供通道，并利用缺陷周围的高能态原子为扩散提供热力学驱动力；(3)通过物理气相沉积w/cu多层薄膜使w和cu产生化学混合，达到扩散效果，实现冶金结合；(4)利用机械能的作用使w/cu粉末之间发生扩散和固态反应，在常温下实现冶金结合；(5)互不固溶金属离子束混合合金化和固态反应非晶化等。
5、总体来讲，上述方法均能够克服w/cu之间的互不固溶性，实现二者原子间的相互扩散，建立冶金结合界面，实现合金化。然而，上述方法具有各自的适用性。其中，高温结构诱发合金化，工艺窗口较小(0.90-0.97tm，tm为cu熔点)；辐照损伤合金化，传统离子注入技术改性层较薄(层厚仅有纳米尺度)，因此扩散层厚度也小，而且该技术不适合大尺寸或块状材料合金的制备；机械合金化，材料变形严重，影响部件制造精度；物理气相沉积和离子束混合，对于大尺寸或块状材料合金的制备并不适合。
技术实现思路
1、基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种金属待焊件，大尺寸钨/铜构件焊接方法，本专利技术所述难溶金属基体的表面分布有纳米多孔结构、渗层和中间层形成待焊件，其特定的结构可以实现大尺寸构件或形状复杂构件的难溶金属与其互不固溶金属的焊接，提高结合强度，w/cu焊接件的剪切强度达到236mpa；且制备过程中不涉及使用腐蚀/危险化学品，环保且安全，操作简单、成本低廉。
2、本专利技术提出了一种金属待焊件，包括：第一金属基体、渗层和中间层，其中，第一金属基体的表面分布有纳米多孔结构；第二金属渗透分布在第一金属基体表层，且纳米多孔结构中填充有第二金属形成渗层；第二金属沉积在渗层表面形成中间层；其中，第一金属为难溶金属，第一金属与第二金属互不固溶。
3、优选地，金属待焊件的体积≥1m3。
4、不限定上述金属待焊件的形状，可以为块状、圆形、不规则形状等。
5、优选地，纳米多孔结构的纳米孔尺寸为10-200nm，更优选为50-150nm。
6、优选地，渗层的渗透深度为0.1-10μm。
7、优选地，中间层的厚度为0.1-10μm。
8、优选地，第一金属为钨、钨合金中的一种。
9、上述第一金属为钨时，其纯度大于99.9wt％；上述第一金属为钨合金时，钨的含量≥85wt％，更优选≥95wt％。
10、优选地，第二金属为铜、铜合金中的一种；上述第二金属为铜合金时，铜的含量≥97wt％。
11、优选地，采用空心阴极进行等离子束辐照形成纳米多孔结构、渗层和中间层。
12、优选地，空心阴极中的阴极材质为第二金属。
13、优选地，空心阴极中的阴极为网状阴极。
14、优选地，网状阴极的网孔孔径为0.1-1cm。
15、不限定上述网状阴极的形状，可以为外壁呈网状的空心阴极，如空心圆柱形、空心方柱形、空心球形、空心椭球型、空心不规则形状等；也可以为网板状等，可以根据待处理工件的结构，设计网状阴极的形状。
16、优选地，经过he等离子束辐照在第一金属基体的表面形成纳米多孔结构。
17、优选地，经过第二金属的等离子束辐照形成渗层和中间层。
18、本专利技术通过he等离子束辐照在第一金属基体的表面，在其表面能形成纳米尺度的鼓泡，继而这些鼓泡破裂形成形貌规整、孔径可调的纳米多孔结构。此纳米多孔结构中贮存大量能量并存在大量晶界、位错、亚晶界、空位等非平衡结构，在第二金属等离子束辐照形成渗层时，可以为第二金属原子扩散提供更多驱动力和通道，提高第一金属基体的表面能，促进第二金属原子在第一金属基体中扩散和渗透形成渗层，并对渗层产生机械锁合作用，然后再形成中间层，获得待焊件。
19、此种结构的待焊件可以用于难溶的第一金属与互不固溶的第二金属之间的焊接，实现第一金属与第二金属的紧密焊接，提高焊接后二者的结合强度。
20、现有空心阴极放电辐照处理金属时，需要将金属放置在空心阴极的阴极中，由于现有空心阴极的阴极放电空间有限(以圆块状金属件为例，现有空心阴极一般只能处理直径≤100mm的金属件)，且当现有空心阴极的阴极尺寸过大时其只能在阴极边缘产生等离子体，使其很难处理大尺寸或复杂结构的工件；并且现有空心阴极的工作气压较高(50-200pa)，导致粒子自由程很短，等离子体分布不均匀，导致金属表面处理不均匀，无法实现难溶金属与互不固溶金属的焊接。而本专利技术将空心阴极中的阴极设计成网状，在较低气压条件下，he等离子束就能在第一金属(即难溶金属)表面形成纳米多孔结构，降低能耗；并且当网状阴极为大尺寸时，其网状结构可以使得阴极内部产生均匀的等离子体，适用于大尺寸或复杂结构的工件；并且将空心阴极中的阴极材质选为第二金属，通过调节参数使用同一个空心阴极就能连续形成纳米多孔结构、渗层和中间层，大幅降低生产难度，使得操作简单；并且使用本专利技术空心阴极可以提高渗层的厚度，提高第一金属与第二金属的结合强度。
21、本专利技术还提出本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属待焊件，其特征在于，包括：第一金属基体、渗层和中间层，其中，第一金属基体的表面分布有纳米多孔结构；第二金属渗透分布在第一金属基体表层，且纳米多孔结构中填充有第二金属形成渗层；第二金属沉积在渗层表面形成中间层；其中，第一金属为难溶金属，第一金属与第二金属互不固溶。
2.根据权利要求1所述金属待焊件，其特征在于，金属待焊件的体积≥1m3；优选地，纳米多孔结构的纳米孔尺寸为10-200nm；优选地，渗层的渗透深度为0.1-10μm；优选地，中间层的厚度为0.1-10μm；优选地，第一金属为钨、钨合金中的一种；优选地，第二金属为铜、铜合金中的一种。
3.根据权利要求1或2所述金属待焊件，其特征在于，采用空心阴极进行等离子束辐照形成纳米多孔结构、渗层和中间层；优选地，空心阴极中的阴极材质为第二金属；优选地，空心阴极中的阴极为网状阴极；优选地，网状阴极的网孔孔径为0.1-1cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述金属待焊件，其特征在于，经过He等离子束辐照在第一金属基体的表面形成纳米多孔结构；优选地，经过第二金属的等离子束辐照形成渗层和中间层。
5.一种如权利要求1-4任一项所述金属待焊件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述金属待焊件的制备方法，其特征在于，在S1中，等离子束中，等离子体的密度为1019-1026ion/(m2·s)；优选地，在S1中，氩气和氦气的体积比为1-5:1；优选地，在S1中，空心阴极的脉宽为5-30μs；优选地，在S1中，空心阴极的电压为-600至-2000V；优选地，在S1中，第一金属基体作为第二阴极，其偏压为-50至-600V；优选地，在S1中，氩气和氦气氛围的气压为1-10Pa；优选地，在S1中，先在氩气氛围中，用空心阴极形成Ar等离子束对第一金属基体的表面进行清洗，再在氩气和氦气氛围中，用空心阴极形成Ar和He的等离子束辐照轰击第一金属基体的表面。
7.根据权利要求5或6所述金属待焊件的制备方法，其特征在于，在S2中，空心阴极的电压为-500至-1200V，空心阴极的脉宽为50-90μs；优选地，在S2中，第一金属基体作为第二阴极，其偏压为0至-1000V；优选地，在S3中，空心阴极的电压为-500至-1200V，空心阴极的脉宽为100-210μs；优选地，在S3中，第一金属基体作为第二阴极，其偏压为0至-600V；优选地，在S2中，第一金属基体的温度为800-1200℃；优选地，在S2中，在氩气氛围中，用空心阴极形成Ar等离子束辐照轰击第一金属基体表面，使得第一金属基体升温至800-1200℃，再形成第二金属的等离子束辐照轰击第一金属基体的表面形成渗层。
8.一种如权利要求1-4任一项所述金属待焊件在第一金属与第二金属焊接中的应用，其中，第一金属为难溶金属，第一金属与第二金属互不固溶；优选地，在大尺寸构件或形状复杂构件的第一金属与第二金属焊接中的应用。
9.一种大尺寸钨/铜构件焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：取钨待焊件与铜进行扩散焊接得到大尺寸钨/铜焊接构件，其中，钨待焊件如权利要求1-4任一项所述金属待焊件，第一金属为钨、钨合金中的一种，第二金属为铜、铜合金中的一种。
10.根据权利要求9所述大尺寸钨/铜构件焊接方法，其特征在于，扩散焊接为真空扩散焊接；优选地，扩散焊接的程序为：升温至450-550℃，调节压强为40-60MPa，保温0.5-1h；再升温至600-750℃，调节压强为20-40MPa，保温0.5-1.5h。
...【技术特征摘要】
1.一种金属待焊件，其特征在于，包括：第一金属基体、渗层和中间层，其中，第一金属基体的表面分布有纳米多孔结构；第二金属渗透分布在第一金属基体表层，且纳米多孔结构中填充有第二金属形成渗层；第二金属沉积在渗层表面形成中间层；其中，第一金属为难溶金属，第一金属与第二金属互不固溶。
2.根据权利要求1所述金属待焊件，其特征在于，金属待焊件的体积≥1m3；优选地，纳米多孔结构的纳米孔尺寸为10-200nm；优选地，渗层的渗透深度为0.1-10μm；优选地，中间层的厚度为0.1-10μm；优选地，第一金属为钨、钨合金中的一种；优选地，第二金属为铜、铜合金中的一种。
3.根据权利要求1或2所述金属待焊件，其特征在于，采用空心阴极进行等离子束辐照形成纳米多孔结构、渗层和中间层；优选地，空心阴极中的阴极材质为第二金属；优选地，空心阴极中的阴极为网状阴极；优选地，网状阴极的网孔孔径为0.1-1cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述金属待焊件，其特征在于，经过he等离子束辐照在第一金属基体的表面形成纳米多孔结构；优选地，经过第二金属的等离子束辐照形成渗层和中间层。
5.一种如权利要求1-4任一项所述金属待焊件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述金属待焊件的制备方法，其特征在于，在s1中，等离子束中，等离子体的密度为1019-1026ion/(m2·s)；优选地，在s1中，氩气和氦气的体积比为1-5:1；优选地，在s1中，空心阴极的脉宽为5-30μs；优选地，在s1中，空心阴极的电压为-600至-2000v；优选地，在s1中，第一金属基体作为第二阴极，其偏压为-50至-600v；优选地，在s1中，氩气和氦气氛围的气压为1-10pa；优选地...
【专利技术属性】
技术研发人员：马英鹤，俞臻，胡永辉，张金鹏，周梦良，蔡智会，陶肇瑜，郑文健，任森栋，冯道臣，杨建国，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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