粉体复合焊料中增强相在碳/铜连接中的行为和作用机理研究

Joining of carbon materials to Cu alloys is the key technique for the manufacture of the plasma facing divertor components in nuclear fusion applications and commutators in automobile industry. The main problems of the carbon materials/Cu alloys joints are the large thermal expansion mismatch of the components and the high contact angle of molten Cu on carbon materials. The aim of this project is to develop the powders composite filler for joining of carbon materials to Cu. The powders composite filler is composed of the active metal brazes, reactive powders and the additive reinforcements with low coefficient of thermal expansion. The liquid active metal brazes will improve the wetting of the carbon materials and benefit the joining of carbon materials to Cu, and the reactive powders will react with some of the active metal from the brazes to form reinforcements. The reinforcements introduced by additives and in-situ synthesis will contribute to the improvement of the properties of joints and the residual thermal stresses relaxation of joints. In this project, the research will focus on the following: (1) The wetting behavior between the active metal brazes and reinforcements with low coefficient of thermal expansion as well as the effect of reactive powders adding into the brazes on the wetting behavior and interfacial structure of reinforcements/ brazes systems. (2) The behavior and interaction of reinforcements introduced by additives and in-situ synthesis during the joining processes as well as the effect of reinforcements on the microstructure and properties of carbon/Cu joints. The research results will contribute to not only the optimization of the powders composite filler which is applied to join carbon materials to Cu, but also the new scientific understanding for strengthening and the residual stresses relaxation mechanism of reinforcements for the carbon/Cu joints. The research will further provide a reference method for the residual stresses relaxation of other ceramic matrix materials and metal joints.

碳材料与高导热铜合金的连接在核聚变及汽车工业等领域具有重要的应用背景。其连接主要面临两个问题：一是铜及大多数常用钎料与碳材料润湿性较差；二是因母材物理性能（如热膨胀系数）巨大差异导致在接头中存在残余热应力。本项目拟设计一种由活性金属钎料、反应粉体以及添加的增强相等组成的粉体复合焊料，通过活性钎料润湿碳材料，利用反应粉体与部分活性元素原位反应生成增强相，通过原位生成和添加的增强相的共同作用提高接头性能并缓解其残余热应力。主要探索：（1）活性金属钎料与增强相的润湿性以及在钎料中添加的反应粉体对增强相/钎料体系润湿性和界面结构的影响。（2）粉体复合焊料中原位生成和添加的增强相在连接中的行为和相互作用及其对接头结构和性能的影响。研究结果将不仅为粉体复合焊料的优化设计提供理论支撑，也将为增强相对接头的增强作用机理以及应力缓解机制等提供科学认识，从而为其它陶瓷与金属连接中的应力缓解方法和机理提供参考。

碳材料与铜合金连接的研究对于核聚变中碳基面向等离子体部件及汽车碳换向器的制备等具有重要的意义。本项目针对碳/铜连接的难点，设计一种由活性金属钎料、反应粉体以及添加的增强相等组成的粉体复合焊料，通过反应粉体与活性元素原位反应生成增强相，通过原位生成和添加的增强相提高接头性能并缓解其残余热应力。主要研究了以下内容：1）活性金属钎料CuTi与碳材料、h-BN、TiB2及SiC等陶瓷增强相的润湿行为和界面反应等。润湿性研究结果表明CuTi合金与陶瓷增强相的润湿性较好。微观分析表明CuTi合金与碳材料界面结合良好，合金中Ti与碳材料发生反应在界面处形成连续的TiC薄层，而合金层中则形成了Ti-Cu金属间化合物。铺展动力学研究表明Cu-50Ti/BN体系的润湿铺展行为主要由三相线处Ti元素与BN基体的界面反应所控制。而Cu-50Ti/TiB2体系润湿铺展的初始阶段主要受三相线处的界面反应控制，而后期可能受B原子的扩散及液滴的粘性摩擦共同控制。2）研究了在粉体焊料CuTiH2中分别添加C、B、BN、SiC及TiC等以及在CuTiH2Ni中添加TiC和B等形成增强相来连接碳材料与铜合金，通过扫描电镜（SEM）、电子探针（EPMA）、能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）等对接头界面结构及增强相在连接层中的分布和行为进行分析表征。结果表明，在焊料中添加或原位反应生成TiC、TiB、TiN、Ti5Si3和Ti3SiC2等陶瓷增强相，有利于接头性能的提高。在粉体复合焊料中引入陶瓷增强相，可以在接头界面区域形成复合增强结构，且作为非均匀形核点可抑制钎料层的晶粒长大。另外，陶瓷增强相在液态钎料中形成具有毛细作用的框架结构，有利于提高钎料的填缝能力，从而提高接头的性能。3）研究了粉体复合焊料中增强相对于缓解碳/铜接头的残余应力的机制。由于引入的陶瓷增强相具有较低的热膨胀系数，通常低于金属钎料，因此，陶瓷增强相的引入有利于减小连接层与碳材料的热膨胀系数差异，从而可以有效缓解接头残余热应力。项目的研究成果不仅为碳材料与铜合金连接所需的粉体复合焊料的优化设计提供了理论支撑，也为增强相在连接碳材料与铜中的行为及对接头结构和性能的影响提供了科学认识，还对其它陶瓷与金属连接中的应力缓解方法和机理提供了理论参考。