1.本发明属于异种材料焊接技术领域，特别是提供一种适用于铜与石墨的低连接温度、界面结合良好的扩散连接方法。
背景技术：2.石墨具有良好的导热性、导电性、高熔点、良好的抗热震性、抗热疲劳性、耐腐蚀性等优点，已经在冶金、电子、汽车、核电、航空航天等领域得到了越来越广泛的应用。然而，由于石墨存在强度低、脆性大、表面易掉黑等问题，难以单独应用，通常需要将其与金属进行连接制备部件。铜由于具有优良的导电导热性、延展性和耐辐射性等优点，是与石墨进行连接制备结构、功能部件最具前景的金属材料。石墨与铜的连接件，当前已经在核聚变反应堆的第一壁和汽车电机的换向器中得到了广泛应用。由于石墨与铜的熔点差异较大，因此难以采用熔化焊进行连接，当前石墨与铜的连接普遍采用扩散连接的方式进行连接。然而，石墨与铜扩散连接的难度较大，主要表现在(1)为了促进连接过程中石墨与铜之间的扩散，目前扩散连接温度普遍较高，而石墨与铜之间的热膨胀系数差异悬殊，在高温连接条件下接头会产生较大残余热应力；(2)石墨(碳)与铜之间相互作用较弱，既不能相互固溶，也不能形成金属间化合物，因此连接界面往往只处于“机械咬合”状态而非冶金结合，导致连接界面结合性差。因此，研究开发一种面向铜与石墨的低连接温度、界面结合良好的扩散连接方法已经成为异种材料连接领域所面临的关键问题之一。
技术实现要素：3.本发明的目的是针对目前铜/石墨扩散连接中存在的连接温度高导致接头热应力大、石墨与铜之间相互作用弱导致界面结合性较差的问题，提出一种含铝中间层的铜与石墨扩散连接方法，该方法能够大幅度降低铜与石墨的扩散连接温度，降低了焊接应力，并促使连接界面发生反应，保证接头各界面均为良好的冶金结合。
4.一种含铝中间层的铜与石墨扩散连接方法，其特征在于采用磁控溅射技术在石墨表面制备微米级的铝中间层，而后与铜装配进行真空扩散连接；在连接过程中，采用“二段法”工艺，首先使铜基体与铝中间层互扩散形成cual合金层，而后再与石墨基体进行扩散连接，最终形成铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头。
5.本发明具体工艺过程包括以下步骤：
6.步骤1，将打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理后的石墨和铝靶材分别放置于磁控溅射系统样品室和靶材台，将样品室抽真空至1
×
10-3
pa～5
×
10-4
pa；
7.步骤2，向样品室通入高纯度氩气至样品室内压力为0.5～0.8pa，并将样品室的温度稳定在20℃～30℃，打开磁控溅射开关，向石墨表面溅射al涂层，溅射时间45min～60min，溅射功率60w～85w，溅射涂层厚度为15～20μm；
8.步骤3，将步骤2得到的溅射al涂层的石墨再次打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理后，与铜的待连接面进行装配，将铜置于经过磁控溅射al镀层的石墨上方并放置于真空扩
散连接模具中，得到装配好的预置焊接件；
9.步骤4，将装配好的预置焊接件放入高真空扩散焊炉的炉膛中并抽真空，当真空度达到1
×
10-4
pa时，开始加热加压，以4～8mpa/min的加压速率加载至40～60mpa并始终保持该压力，以5～10℃/min的升温速率升高至500～550℃并保温10～20min，而后再以5～10℃/min的升温速率升高至650～700℃，保温10～20min后随炉冷却，得到铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头。
10.进一步地，步骤1所述的打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理是将石墨和铝激光脉冲溅射靶材表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15～20min，放入恒温为40～50℃的干燥箱中干燥处理20～30min。
11.进一步地，步骤3所述的打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理是将经过磁控溅射al涂层的石墨和铜表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15～20min，放入恒温为40～50℃的干燥箱中干燥处理20～30min。
12.本发明具有如下优点：
13.(1)以铝为中间层对铜与石墨采用“二段法”工艺进行扩散连接，借助铝元素与铜元素、铝元素与碳元素的强相互作用，在较低温度条件下即可实现连接，大幅度降低了连接接头焊接应力；
14.(2)以铝为中间层对铜与石墨进行扩散连接，在第一阶段，铜/铝界面处发生元素互扩散，使铝中间层转变为cual合金层；第二阶段，cual合金层/石墨界面处发生反应，生成al4c3化合物。借助铝中间层，避免了铜与石墨之间由于相互作用较弱导致连接界面仅为“机械咬合”的状态，连接接头各界面均实现了良好的冶金结合。
附图说明
15.图1为实施例1含铝中间层的铜/石墨扩散连接接头组织扫描电镜图像。左侧为石墨，右侧为铜，连接界面组织中靠近石墨一侧为al4c3化合物层，靠近铜一侧为cual合金层；连接接头各界面致密无缺陷，形成了良好的冶金结合。
具体实施方式
16.实施例1
17.本实施例是一种铜与石墨的焊接方法。所涉及的铜为t1紫铜，机械加工成φ15mm
×
3mm的圆柱；所涉及的石墨为φ15mm
×
3mm的圆柱状石墨。
18.本实施例的具体过程包括以下步骤：
19.步骤1，将铜、石墨和铝磁控溅射靶材的表面打磨、抛光后，依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15min，放入恒温为50℃的干燥箱中干燥处理25min，将干燥处理后的石墨和铝靶材分别放置于磁控溅射系统样品室和靶材台，将样品室抽真空至5
×
10-4
pa；
20.步骤2，向样品室通入高纯度氩气至样品室内压力为0.6pa，并将样品室的温度稳定在24℃，打开磁控溅射开关，向石墨表面溅射al涂层，溅射时间50min，溅射功率65w；
21.步骤3，将经过磁控溅射al涂层的石墨和铜表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15min，放入恒温为50℃的干燥箱中干燥处理25min。将经过磁控溅射al涂层的石墨与铜的待连接面进行装配，将铜置于经过磁控溅射al镀层的石墨上方
并放置于真空扩散连接模具中；
22.步骤4，将装配好的预置焊接件放入高真空扩散焊炉的炉膛中并抽真空，当真空度达到1
×
10-4
pa时，开始加热加压，以4mpa/min的加压速率加载至40mpa并始终保持该压力，以10℃/min的升温速率升高至550℃并保温10min，而后再以8℃/min的升温速率升高至650℃，保温10min后随炉冷却，得到铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头。
23.步骤5，将步骤4得到的t1紫铜和石墨接头通过机械加工沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构，如图1所示，最终获得连接接头为铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构，接头各界面致密无缺陷，形成了良好的冶金结合。本方法铜与石墨的最高扩散连接温度为650℃，远低于现有铜/石墨扩散连接技术的连接温度870℃，有效降低焊接应力。
24.实施例2
25.本实施例是一种铜与石墨的焊接方法。所涉及的铜为t1紫铜，机械加工成φ15mm
×
3mm的圆柱；所涉及的石墨为φ15mm
×
3mm的圆柱状石墨。
26.本实施例的具体过程包括以下步骤：
27.步骤1，将铜、石墨和铝磁控溅射靶材的表面打磨、抛光后，依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗20min，放入恒温为50℃的干燥箱中干燥处理30min，将干燥处理后的石墨和铝靶材分别放置于磁控溅射系统样品室和靶材台，将样品室抽真空至5
×
10-4
pa；
28.步骤2，向样品室通入高纯度氩气至样品室内压力为0.7pa，并将样品室的温度稳定在26℃，打开磁控溅射开关，向石墨表面溅射al涂层，溅射时间55min，溅射功率75w；
29.步骤3，将经过磁控溅射al涂层的石墨和铜表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗20min，放入恒温为50℃的干燥箱中干燥处理20min。将经过磁控溅射al涂层的石墨与铜的待连接面进行装配，将铜置于经过磁控溅射al镀层的石墨上方并放置于真空扩散连接模具中；
30.步骤4，将装配好的预置焊接件放入高真空扩散焊炉的炉膛中并抽真空，当真空度达到1
×
10-4
pa时，开始加热加压，以5mpa/min的加压速率加载至45mpa并始终保持该压力，以10℃/min的升温速率升高至520℃并保温15min，而后再以5℃/min的升温速率升高至680℃，保温15min后随炉冷却，得到铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头。
31.步骤5，将步骤4得到的t1紫铜和石墨接头通过机械加工沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构。
32.实施例3
33.本实施例是一种铜与石墨的焊接方法。所涉及的铜为t1紫铜，机械加工成φ15mm
×
3mm的圆柱；所涉及的石墨为φ15mm
×
3mm的圆柱状石墨。
34.本实施例的具体过程包括以下步骤：
35.步骤1，将铜、石墨和铝磁控溅射靶材的表面打磨、抛光后，依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗20min，放入恒温为50℃的干燥箱中干燥处理20min，将干燥处理后的石墨和铝靶材分别放置于磁控溅射系统样品室和靶材台，将样品室抽真空至5
×
10-4
pa；
36.步骤2，向样品室通入高纯度氩气至样品室内压力为0.8pa，并将样品室的温度稳定在28℃，打开磁控溅射开关，向石墨表面溅射al涂层，溅射时间60min，溅射功率85w；
37.步骤3，将经过磁控溅射al涂层的石墨和铜表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒
精、去离子水进行超声波清洗15min，放入恒温为50℃的干燥箱中干燥处理30min。将经过磁控溅射al涂层的石墨与铜的待连接面进行装配，将铜置于经过磁控溅射al镀层的石墨上方并放置于真空扩散连接模具中；
38.步骤4，将装配好的预置焊接件放入高真空扩散焊炉的炉膛中并抽真空，当真空度达到1
×
10-4
pa时，开始加热加压，以5mpa/min的加压速率加载至50mpa并始终保持该压力，以10℃/min的升温速率升高至500℃并保温20min，而后再以5℃/min的升温速率升高至700℃，保温20min后随炉冷却，得到铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头。
39.步骤5，将步骤4得到的t1紫铜和石墨接头通过机械加工沿轴线截面切开，用砂纸对界面打磨后抛光，制备成金相试样，采用扫描电子显微镜观察接头微观组织结构。
技术特征：1.一种含铝中间层的铜与石墨扩散连接方法，其特征在于，采用磁控溅射技术在石墨表面制备微米级的铝中间层，而后与铜装配进行真空扩散连接；在连接过程中，采用“二段法”工艺，首先使铜基体与铝中间层互扩散形成cual合金层，而后再与石墨基体进行扩散连接，最终形成铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头，具体工艺过程包括以下步骤：步骤1，将打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理后的石墨和铝靶材分别放置于磁控溅射系统样品室和靶材台，将样品室抽真空至1
×
10-3
pa～5
×
10-4
pa；步骤2，向样品室通入高纯度氩气至样品室内压力为0.5～0.8pa，并将样品室的温度稳定在20℃～30℃，打开磁控溅射开关，向石墨表面溅射al涂层，溅射时间45min～60min，溅射功率60w～85w，溅射涂层厚度为15～20μm；步骤3，将步骤2得到的溅射al涂层的石墨再次打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理后，与铜的待连接面进行装配，将铜置于经过磁控溅射al镀层的石墨上方并放置于真空扩散连接模具中，得到装配好的预置焊接件；步骤4，将装配好的预置焊接件放入高真空扩散焊炉的炉膛中并抽真空，当真空度达到1
×
10-4
pa时，开始加热加压，以4～8mpa/min的加压速率加载至40～60mpa并始终保持该压力，以5～10℃/min的升温速率升高至500～550℃并保温10～20min，而后再以5～10℃/min的升温速率升高至650～700℃，保温10～20min后随炉冷却，得到铜/cual合金层/al4c3化合物/石墨结构的连接接头。2.根据权利要求1所述的含铝中间层的铜与石墨扩散连接方法，其特征在于，步骤1所述的打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理是将石墨和铝激光脉冲溅射靶材表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15～20min，放入恒温为40～50℃的干燥箱中干燥处理20～30min。3.根据权利要求1所述的含铝中间层的铜与石墨扩散连接方法，其特征在于，步骤3所述的打磨、抛光、超声波清洗、干燥处理是将经过磁控溅射al涂层的石墨和铜表面进行打磨、抛光后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声波清洗15～20min，放入恒温为40～50℃的干燥箱中干燥处理20～30min。
技术总结一种含铝中间层的铜与石墨扩散连接方法，属于异种材料连接技术领域。本发明采用磁控溅射技术在石墨表面制备微米级的铝中间层，而后与铜装配进行真空扩散连接；在连接过程中，采用“二段法”工艺，首先使铜基体与铝中间层互扩散形成CuAl合金层，而后再与石墨基体进行扩散连接，最终形成铜/CuAl合金层/Al4C3化合物/石墨结构的连接接头。本发明的优点在于：(1)大幅度降低铜与石墨的扩散连接温度，降低了焊接应力；(2)促使连接界面发生反应，保证接头各界面均为良好的冶金结合。均为良好的冶金结合。均为良好的冶金结合。
技术研发人员：杨健 杨秋果 张知航 黄继华 陈树海 叶政 王万里
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2022.06.21
技术公布日：2022/11/1
