一種鎢涂層銅合金部件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鎢涂層銅合金部件及其制備方法。本發(fā)明的銅合金部件從外到內(nèi)依次包括0.1-2mm厚的鎢表面層、0.5-2mm厚的含銅應(yīng)力緩釋層和銅合金部件本體。本發(fā)明的銅合金部件可用于核能防護領(lǐng)域，本發(fā)明的方法所制備的鎢涂層銅合金部件在部件各層尺寸，厚度相匹配的情況下，不會出現(xiàn)部件變形，涂層脫落以及開裂現(xiàn)象。
【專利說明】一種鎢涂層銅合金部件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鎢涂層銅合金部件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]純鎢材料不僅具有一般金屬的共有性質(zhì)，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性和金屬光澤等，同時還具有高密度、高熔點、高熱導(dǎo)率，低蒸汽壓、低熱膨脹系數(shù)、強的吸收射線能力和濺射閾值、較好的抗腐蝕性等特性，因此對于核聚變設(shè)備部件來說，是一種重要的面向等離子體第一壁防護涂層材料。 [0003]由于純鎢與銅及銅合金間具有較大的熱膨脹性質(zhì)差異，且銅合金(鉻鋯銅，但不限于鉻鋯銅)強度較銅高，且不易于塑形變形。無論是在CVD (化學氣相沉積)沉積過程中，還是在部件服役過程中，均會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，都將導(dǎo)致銅合金/CVD-鎢涂層界面脫開，無法有效連接從而影響部件的使用。
[0004]當前，對于銅合金(鉻鋯銅，但不限于鉻鋯銅)表面添加應(yīng)力緩釋層是解決上述問題的主要方案，其中應(yīng)力緩釋層主要為鎢-銅功能梯度材料和較軟的純銅OFHC材料，或為銅合金表面經(jīng)機械加工，具有不同形狀，尺寸的凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的過渡層。亦可為經(jīng)機械加工，具有不同形狀，尺寸的凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的鎢-銅功能梯度材料層和純銅OFHC材料層。
[0005]其中，外加的應(yīng)力緩釋層(如鎢-銅功能梯度材料和較軟的純銅OFHC材料)與銅合金層連接方式有熱等靜壓、熱壓擴散焊接以及釬焊等方式。但由于銅合金材料在較高溫度下會發(fā)生沉淀相固溶，使得強度顯著降低。故而在實際焊接過程中要嚴格控制溫度。
[0006]對于純鎢涂層的制備工藝，目前國內(nèi)外已有諸多研究，如熔鹽電鍍法、等離子噴涂以及化學氣相沉積(CVD)等。熔鹽電鍍法可得到密度較高的純鎢涂層，但由于其制備溫度較高，不適于銅合金表面純鎢涂層的涂覆；等離子體噴涂法所得到的純鎢涂層由于密度較低，且涂覆速率過慢。較難得到滿足應(yīng)用需求的純鎢涂層?；瘜W氣相沉積(CVD)方法是目前工藝適用性最廣，可直接獲得高純，高致密組織結(jié)構(gòu)，不受工件形狀限制的純鎢涂層方法之一 O
[0007]專利《水冷卻平板層狀鉻鋯銅/OFHC-Cu/CVD-鎢面向等離子體部件及其制作方法》(申請?zhí)?012210260306.1)提出了一種制作方法可以解決部分在銅合金基材表面添加CVD-鎢涂層的制備問題，但是，采用此方法制備較厚CVD-鎢涂層，對于較大尺寸，要求高表面質(zhì)量的面向等離子體第一壁部件則無法滿足要求，主要存在厚CVD-鎢層與適配層間內(nèi)應(yīng)力過大，沉積后部件變形，適配層較易脫落等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種鎢涂層銅合金部件。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供上述鎢涂層銅合金部件的制備方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0011]一種鎢涂層銅合金部件，從外到內(nèi)依次包括0.1-2_厚的鎢表面層、0.5-2_厚的含銅應(yīng)力緩釋層和銅合金部件本體。
[0012]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述含銅應(yīng)力緩釋層為鎢銅功能梯度材料層、無氧銅層或所述銅合金部件本體上的凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層。
[0013]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述銅合金為鉻鋯銅合金。
[0014]本發(fā)明的另一技術(shù)方案如下:
[0015]一種上述鎢涂層銅合金部件的制備方法，包括如下步驟:
[0016](I)將所述銅合金部件與含銅應(yīng)力緩釋層進行無缺陷連接；
[0017](2)去除連接好的含銅應(yīng)力緩釋層表面的氧化層，并酸洗；
[0018](3)用化學氣相沉積法在酸洗后的含銅應(yīng)力緩釋層表面制備鎢表面層。
[0019]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述步驟(1)具體為:將所述銅合金部件與含銅應(yīng)力緩釋層通過熱等靜壓、熱壓擴散焊接或釬焊進行無缺陷連接，或直接在銅合金部件的本體上機械加工出凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為含銅應(yīng)力緩釋層。
[0020]進一步優(yōu)選的，在熱等靜壓、熱壓擴散焊接或釬焊后，在所述含銅應(yīng)力緩釋層上機械加工出凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
[0021]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述步驟(2)中的酸洗所用的酸為0.05mol/L~0.5mol/L的鹽酸水溶液，酸洗時間為15分鐘。
[0022]在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所述步驟(3)的化學氣相沉積法采用六氟化鎢-氫氣體系，氣相沉積溫度為400-600°C。
`[0023]進一步優(yōu)選的,所述六氟化鶴和氫氣的純度均至少為99.99% ;六氟化鶴的溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa。
[0024]進一步優(yōu)選的，所述六氟化鎢和氫氣的摩爾比為1:2~3.5，化學氣相沉積的沉積速率為 0.2mm ~0.6mm/h。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
[0026](I)本發(fā)明的鎢涂層銅合金部件從外到內(nèi)依次包括0.l_2mm厚的鎢表面層、
0.5-2mm厚的含銅應(yīng)力緩釋層和銅合金部件本體，可用于核能防護領(lǐng)域(針對聚變面向等離子體第一壁部件，但不限于該部件)。
[0027](2)本發(fā)明的制備方法所采用的化學氣相沉積工藝的應(yīng)用范圍廣，可制備包含C(石墨和CFC)，Mo, Cu及Al在內(nèi)的多種基材表面的純鎢涂層。
[0028](3)本發(fā)明的方法所制備的鎢涂層銅合金部件在部件各層尺寸，厚度相匹配的情況下，不會出現(xiàn)部件變形，涂層脫落以及開裂現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明實施例1所制得的鎢涂層銅合金部件的表面掃描電鏡照片；
[0030]圖2為本發(fā)明實施例1所制得的鎢涂層銅合金部件的橫截面示意圖。
【具體實施方式】
[0031]以下通過【具體實施方式】結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行進一步的說明和描述。
[0032]實施例1
[0033](I)選用厚度約為40mm的鉻鋯銅(CuCrZr)合金作為基礎(chǔ)材料，選用厚度Imm的冷等靜壓-燒結(jié)工藝制備出的3層鎢銅功能梯度材料(3層的銅含量分別為60%、30%和10%，分別對應(yīng)W60Cu、W30Cu和WlOCu)作為含銅應(yīng)力緩釋層
[0034](2)將上述3層鎢銅功能梯度材料的含銅60%的那一面與鉻鋯銅合金基礎(chǔ)材料在溫度450°C~950°C;壓力為5~90MPa，真空度不小于KT1Pa條件下進行熱壓擴散焊接，時間為lh。為保證鉻鋯銅合金不發(fā)生沉淀相固溶，焊接中的溫度應(yīng)控制在600°C以下；
[0035](3)打磨去除連接好的3層鎢銅功能梯度材料的含銅10%的那一面的氧化層，并進行稀鹽酸清洗(0.05mol/L鹽酸水溶液，15分鐘)和純水清洗，得清洗后的樣品；
[0036](4)將清洗后樣品放入沉積爐，在氫氣保護氣氛下進行升溫。待基材表面溫度達到預(yù)設(shè)的沉積溫度580°C且穩(wěn)定，將純度均為99.99%的六氟化鎢和氫氣的混合氣體由沉積爐上通氣口通入沉積爐內(nèi)，其中六氟化鎢流量為0.lmol/min (溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa)，氫氣流量為0.2mol/min，將六氟化鎢和氫氣混合氣體通入沉積爐內(nèi)，混合氣體在板材表面及其附近發(fā)生反應(yīng)，生成鎢和氫氟酸。沉積時間約為1.5h。鎢沉積在板材表面形成涂層，生成的氫氟酸和未反應(yīng)的氣體排出沉積爐。
[0037](5)反應(yīng)完成后，關(guān)閉六氟化鎢，停止加熱，繼續(xù)通入氫氣至爐內(nèi)溫度降至100°C以下，改通氮氣冷卻至室溫，然后拆爐，取出樣品，即制得鎢涂層銅合金部件。鎢涂層(CVD-W)厚度為1mm，鶴涂層沉積速率約為0.6mm/h。涂層表面平整,無凸起顆粒,涂層無開裂,起皮現(xiàn)象，其表面的掃描電鏡照片如圖1所示，其橫截面示意圖如圖2所示。
[0038]實施例2
[0039](1)選用厚度約為5_的鉻鋯銅合金作為基礎(chǔ)材料，所述含銅應(yīng)力緩釋層為其表面采用線切割機械加工方式開出平直狀，尺寸為(1_X1_X 1.5mm)凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
[0040](2)打磨去除所述凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上的氧化層，并進行稀鹽酸清洗(0.lmol/L鹽酸水溶液，15分鐘)、純水清洗和超純水清洗，得清洗后的樣品；
[0041](4)將清洗后樣品放入沉積爐，在氫氣保護氣氛下進行升溫。待基材表面溫度達到預(yù)設(shè)的沉積溫度400°C且穩(wěn)定，將純度均為99.99%的六氟化鎢和氫氣的混合氣體由沉積爐上通氣口通入沉積爐內(nèi)，其中六氟化鎢流量為0.134mol/min (溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa)，氫氣流量為0.402mol/min，將六氟化鎢和氫氣混合氣體通入沉積爐內(nèi)，混合氣體在板材表面及其附近發(fā)生反應(yīng)，生成鎢和氫氟酸。沉積時間約為0.5h。鎢沉積在板材表面形成涂層，生成的氫氟酸和未反應(yīng)的氣體排出沉積爐。
[0042](5)反應(yīng)完成后，關(guān)閉六氟化鎢，停止加熱，繼續(xù)通入氫氣至爐內(nèi)溫度降至100°C以下，改通氮氣冷卻至室溫，然后拆爐，取出樣品，即制得鎢涂層銅合金部件。鎢涂層厚度為
0.1mm,鶴涂層沉積速率為0.2mm/ho涂層表面平整，無凸起顆粒，涂層無開裂，起皮現(xiàn)象。
[0043]實施例3
[0044](I)選用厚度約為4mm的鉻錯銅合金作為基礎(chǔ)材料,選用厚度2mm的無氧銅板材作為含銅應(yīng)力緩釋層
[0045](2)將無氧銅板材與鉻鋯銅合金基礎(chǔ)材料在溫度450°C~950°C ;壓力為5~90MPa，真空度不小于KT1Pa條件下進行熱壓擴散焊接，時間為3h。為保證鉻鋯銅合金不發(fā)生沉淀相固溶，焊接中的溫度應(yīng)控制在600°C以下；
[0046](3)在無氧銅板材表面進行線切割機械加工出尺寸為1mmX ImmX2mm的平直狀凹
槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。[0047](4)打磨去除上述無氧銅板材表面的氧化層，并進行稀鹽酸清洗(0.5mol/L鹽酸水溶液，15分鐘)、純水清洗和超純水清洗，得清洗后的樣品；
[0048](5)將清洗后樣品放入沉積爐，在氫氣保護氣氛下進行升溫。待基材表面溫度達到預(yù)設(shè)的沉積溫度520°C且穩(wěn)定，將六氟化鎢和氫氣的混合氣體由沉積爐上通氣口通入沉積爐內(nèi)，其中六氟化鎢流量為0.134mol/min (溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa)，氫氣流量為0.469mol/min，將純度均為99.99%的六氟化鎢和氫氣混合氣體通入沉積爐內(nèi)，混合氣體在板材表面及其附近發(fā)生反應(yīng)，生成鎢和氫氟酸。沉積時間約為4h。鎢沉積在板材表面形成涂層，生成的氫氟酸和未反應(yīng)的氣體排出沉積爐。
[0049](5)反應(yīng)完成后，關(guān)閉六氟化鎢，停止加熱，繼續(xù)通入氫氣至爐內(nèi)溫度降至100°C以下，改通氮氣冷卻至室溫，然后拆爐，取出樣品，即制得鎢涂層銅合金部件。鎢涂層厚度為2mm,鶴涂層沉積速率為0.5mm/ho涂層表面平整,無凸起顆粒,涂層無開裂,起皮現(xiàn)象。
[0050]以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實施的范圍，SP依本發(fā)明專利范圍及說明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鎢涂層銅合金部件，其特征在于:從外到內(nèi)依次包括0.l_2mm厚的鎢表面層、0.5-2_厚的含銅應(yīng)力緩釋層和銅合金部件本體。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鎢涂層銅合金部件，其特征在于:所述含銅應(yīng)力緩釋層為鎢銅功能梯度材料層、無氧銅層或所述銅合金部件本體上的凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)層。
3.如權(quán)利要求1所述的一種鎢涂層銅合金部件，其特征在于:所述銅合金為鉻鋯銅合金。
4.一種權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)將所述銅合金部件與含銅應(yīng)力緩釋層進行無缺陷連接； (2)去除連接好的含銅應(yīng)力緩釋層表面的氧化層，并酸洗； (3 )用化學氣相沉積法在酸洗后的含銅應(yīng)力緩釋層表面制備鎢表面層。
5.如權(quán)利要求4所述的一種鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)具體為:將所述銅合金部件與含銅應(yīng)力緩釋層通過熱等靜壓、熱壓擴散焊接或釬焊進行無缺陷連接，或直接在銅合金部件的本體上機械加工出凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為含銅應(yīng)力緩釋層。
6.如權(quán)利要求5所述的一種鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:在熱等靜壓、熱壓擴散焊接或釬焊后，在所述含銅應(yīng)力緩釋層上機械加工出凹槽網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求4所述的一種鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中的酸洗所用的酸為0.05mol/L~0.5mol/L的鹽酸水溶液，酸洗時間為15分鐘。`
8.如權(quán)利要求4所述的一種鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)的化學氣相沉積法米用六氟化鶴-氫氣體系，溫度為400-600°C。
9.如權(quán)利要求8所述的一種鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:所述六氟化鎢和氫氣的純度均至少為99.99% ;六氟化鎢的溫度高于45°C而低于其分解溫度，壓力為70-120kPa。
10.如權(quán)利要求8所述的一種鎢涂層銅合金部件的制備方法，其特征在于:所述六氟化鎢和氫氣的摩爾比1:2~3.5，化學氣相沉積的沉積速率為0.2mm~0.6mm/h。
【文檔編號】B22F7/08GK103774112SQ201310578945
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】呂延偉, 宋久鵬, 劉俊勇, 顏彬游, 陳志剛, 于洋, 莊志剛 申請人:廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司