Cu_CuCrZr钎焊用Cu-Mn基多元固溶体钎料和接头结构.pdf

D0I:10.165686086.202302001文章编号：0 2 54-6 0 8 6(2 0 2 33)02-0125-07June2023NuclearFusicandPlasmaPhysics2023年6 月Vol.43,No.2第43 卷第2 期子体物理核聚变与等离Cu/CuCrZr钎焊用Cu-Mn基多元固溶体钎料和接头结构徐日升，朱颉，郭锋，魏明玉，羌建兵王英敏，王建豹，练友运，封范，刘翔（1.大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室，大连116 0 2 4；2.核工业西南物理研究院，成都6 10 0 41)摘要：为了解决CFC与CuCrZr合金的冶金连接问题，以二元合金Cu62Mn38(at.%)为基础成分，采用低熔点Ga作为主要合金化元素和微合金化元素Cr和Si，设计了系列固溶体钎料合金Cu62Mn37-tGa,Cro.sSio.5(x=010，at.%)。利用电弧熔炼、铜模吸铸和冷轧制备了10 0 um厚的钎料箔带。采用Cu62Mn3iGagCro.sSio.5钎料在不同工艺条件下(8 7 5 90 0，保温15 2 5min)制备了无氧铜和CuCrZr合金钎焊接头。通过热分析和X-射线衍射分析了钎料熔化行为和相组成；采用光学显微镜、扫描电镜、电子探针和力学性能拉伸机对接头的组织形貌、成分分布和力学性能进行了分析。结果表明，在8 8 0/保温2 5min钎焊工艺下可获得无缺陷CFC/CuCrZr接头结构，焊缝的Cu固溶体基体内有少量不连续分布的粒状纳米Cr3Si析出相；在室温抗拉试验中，此接头的抗拉强度为2 15MPa，断后延伸率40%，断裂模式为韧性断裂。该钎料和焊接工艺已应用于HL-2M偏滤器制造中碳纤维复合材料和CuCrZr合金的连接加工关键词：Cu/CuCrZr钎焊；Cu-Mn基钎料；接头组织与性能；偏滤器中图分类号：TG425.2文献标志码：A1引言HL-2M装置偏滤器的面向等离子体和热沉材料分别为碳纤维复合材料(CFC，C X-2 0 0 2 U)和CuCrZr合金 1 5。HL-2M装置运行期间，偏滤器靶板的热负载预计达7 MWm，这要求CFC/CuCrZr连接接头在高热负荷条件下具有高的力学和组织稳定性。CFC与CuCrZr合金的冶金连接需解决两个主要问题：（1）由于二者的熔点、热膨胀系数和弹性模量差异很大，焊接接头中必然存在很大的残余应力，易于开裂；（2）界面相容性差，石墨与Cu既不固溶，也不形成金属间化合物，二者之间无法直接通过钎焊或扩散焊形成冶金结合。目前采用的主要办法是先将CFC表面金属化改性，然后浇铸一层1 2 mm厚的无氧铜(OFC)作为过渡层，最后连接 OFC 和 CuCrZr 合金 6 。Cu/CuCrZr连接可采用钎焊 6 、电子束焊 7 和热等静压焊 8.9 等方法。偏滤器单元部件的几何结构复杂，真空钎焊比较合适。CuCrZr合金为沉淀硬化型Cu合金，时效温度为450 47 0 10 ，如果钎焊温度过高、保温时间太长会造成合金过时效，沉淀强化相发生粗化或重溶进入基体，导致合金力学性能劣化。应当选用合适的钎料，在较低温度下短时保温钎焊，以尽量减少钎焊对CuCrZr合金组织的影响。Bisio 和 Salvo等人 1,12 采用钎料收稿日期：2 0 2 1-0 4-30；修订日期：2 0 2 2-10-12基金项目：国家磁约束聚变能发展研究专项(2 0 19YFE03120004)；国家自然科学基金(516 7 10 45)作者简介：徐日升(1996-)，男，山东日照人，硕士研究生，从事磁约束核聚变热沉材料研究方向。浴126第43卷核聚变与等离子体物理Cus8.8Ge10.9Nio.3(at%）、练友运等人 6 采用Cu63Mn36Cro.sSio.5(at.%)在940 保温钎焊OFC和CuCrZr合金，获得的接头抗拉强度约130 MPa。为降低钎焊温度，王建豹等人 6 采用熔点较低的Cu-P系STEMET-1101非晶钎料，在7 50/保温15min条件下制备出的OFC/CuCrZr接头室温抗拉强度115MPa，对应的CFC/Cu/CuCrZr模块可承受10 0 0次7 MWm-的循环热负荷。Cu-P钎料得到的OFC/CuCrZr焊缝中生成大量CusP和NisP的脆性金属间化合物，而且Cu3P在7 50 挥发，易于在焊缝中产生微气孔，室温拉伸时接头在无氧铜一侧发生脆性断裂 6 。另外，Cu-P钎料在钎焊温度流动性很好，极易溢出焊缝，沿模块侧壁铺展，影响模块的使用。因此，本文拟设计一种可适用于HL-2M装置偏滤器单元模块Cu/CuCrZr钎焊的CuMn基钎料合金。通过真空熔炼和冷轧变形制备了箔带钎料，利用X射线衍射和热分析检测了钎料合金的结构和熔化行为。对比研究了不同钎焊工艺条件下OFC/CuCrZr接头的微观组织、成分分布和力学性能，确定焊接工艺。该钎料和焊接工艺已被HL-2M装置偏滤器单元模块实际加工采用，实现了CFC和CuCrZr合金的连接。2实验2.1钎料成分和制备由Cu-Mn二元相图可知：Cu62Mn38(at.%)合金的固液相线重合，熔点在整个体系中最低(Tm865)。将Cu62Mn38选为钎料基础成分设计多元合金。又根据 Cu-Ga 和 Mn-Ga 体系相图：Cu、M n固溶体的液相线温度均随Ga的固溶含量增加而降低，且室温下Ga在Cu中有较大固溶度。因此，将Ga作为降低钎料熔点的主要合金化元素，同时选用Cr、Si 作为微合金元素，旨在细化晶粒和提高钎料合金的抗氧化性。最终，设计出系列钎料合金成分 Cu62Mn37-Ga,Cro.5Sio.5(x=010,at.%)。以 Cu(99.99 wt.%),Mn(99.8 wt.%),Ga(99.99wt.%),Cr(99.95wt.%)和 Si(99.9999 wt.%)为原料配制 Cu62Mn37-Ga,Cro.5Sio.5(x=010at.%)系列成分,在氩气保护下电弧熔炼合金锭，反复熔炼四次，利用水冷铜模吸铸55mm(长)30 mm(宽)3mm(厚)板状样品，随后将其冷轧成厚度约10 0 m的箔带(共15道次，每道次压下量约0.2 mm)，裁剪成32 mmx14.5mm0.1mm尺寸作为钎料使用。2.2焊接实验母材OFC和CuCrZr合金块的尺寸分别为100mm150mm30mm和30 mm30mm30mm。焊接前将母材和钎料表面用6 0 0#SiC砂纸打磨，并用浓度为2 0%HNO3水溶液清洗表面，随后置于酒精中超声清洗10 min，再取出、吹干。将母材与钎料从上到下按OFC-钎料-CuCrZr顺序叠放，置于真空钎焊炉中进行钎焊，腔室真空度110-3Pa。Cu Cr Z r合金在40 0 和8 0 0 有两个放气峰，钎焊升温过程中在这两个温度分别保温15min去气 6 。本实验的钎焊温度为8 7 5 90 0，保温时间为15 2 5min。具体钎焊工艺为：室温10.mi n-l40015min400-10.m i n-l钎焊室温15min钎焊室温炉冷室温。2.3组织与性能表征采用Q600型DTA热分析仪测量合金箔带样品的熔化曲线,升温速率为10 min-l。采用D8Focus型X射线衍射仪(XRD，Cu K。辐射，2=0.1540 6 nm)分析合金箔带与钎焊接头的物相组成；利用OLYMPUSBX51型显微镜(OM)观察钎料和接头的光学金相形貌，所用腐蚀液为：5gFeCl3+15mlHCI+100ml去离子水；采用SUPARR55场发射扫描电镜(SEM)观测钎焊接头微观形貌与拉伸断口特征；采用ShimadzuEPMA-1800型电子探针仪分析焊缝成分；钎焊接头的室温拉伸性能测试在UTM5504拉伸试验机上完成，加载速率为5x10-4sl。3实验结果与分析3.1Cu62Mn37-GaxCro.5Sio.5(x=010,at.%)钎料Cu62Mn37-xGa,Cro.5Sio.5(x=010,at.%)系列钎料带的热分析(DTA)曲线如图1所示。图1中也同127第2 期徐日升等：Cu/CuCrZr钎焊用Cu-I基多元固溶体钎料和接头结构n时给出了Cu62Mn38合金的熔化曲线作为参照。TMn3mCu,Mn,.Ga,Cro,Sio.sX0MX-1MX-2MX=3MX=4X-5X-6X-7MX-8MX-9MX-10M7001750 800 8509009501000T/图1Cu62Mn37-,Ga,Cro.Sio.5(x=010,at.%)钎料合金的DTA曲线图2 给出了测得的合金固相线温度(Tm)与液相线温度(TL)随Ga 含量(x)的变化曲线。结果表明，在Ga含量x6的成分区间内，合金的TL随x的增加单调下降，TL在6 x9范围内下降变化趋缓，随后又快速降低；合金的Tm随Ga含量的增加持续下降至x=6达到最低值(Tm=825)，比基础成分Cu62Mn38的(Tm=865)降低约40。继续增加Ga含量，Tm升高并在x=8达到峰值，随后又下降。该系列合金的固相-液相线温度区间T(=TL-Tm)大小接近，约为2 5。图3给出了箔带合金的XRD图谱。其中的强衍射峰均对应于面心立方FCC-Cu固溶体相，而衍射峰间相对强度差异是冷轧箔带样品中织构程度与取向不同造成的。当合金的Ga含量超过6 时，衍射图背底上出现了弱小的晶体衍射峰，对应着固溶体合金中出现了少量的Cr3Si型金属间化合物 15。冷轧实验表明，当合金中的Ga含量超过6 时，铸态板状样品在冷轧变形过程中易发生断裂，难以得到10 0 m厚的连续薄带。Cu62Mn3iGagCro.5Sio.5合金的光学金相形貌如图4所示，组织为等轴晶和少量树枝晶，晶粒尺寸为2 0 30 m。薄板状钎料合金是利用水冷铜模吸铸制备而成，经历了近快速凝固过程，因而铸态样品中得到均匀的细晶组织900890CuMnTm880870CuMn6238860850840830820MnGaCrSi0.5-0.5810L0246810 x/at.%图2合金的固相线温度(Tm)与液相线温度(TL)随Ga含量(x)的变化曲线Cu-KSiFCC-Cu000173840424446ne/00t人30405060 70809010011012020/图3Cu62Mn37-Ga,Cro.sSio.5(x=010,at.%)钎料合金的XRD图谱128第43卷核聚变与等离子体物理80um图4Cu62Mn3iGagCro.5Sio.s合金铸锭的光学金相形貌基于对上述合金熔点、组织特征和冷轧结果的综合考虑，选取了Cu62Mn3iGagCro.5Sio.5合金箔带作为OFC/CuCrZr合金连接的钎焊实验钎料。3.2钎焊接头图5a5c给出了在8 7 5、8 90 和90 0 三个钎焊温度保温15min制备下的OFC/CuCrZr接头的光学金相形貌。从图5a中可见，8 7 5接头的焊缝宽度约12 5m，大于箔带钎料厚度(10 0 m)，这表明钎料和母材OFC、Cu Cr Z r 合金之间发生了固溶扩散；基体组织的晶粒尺寸为50 6 0 m，近CuCrZr存在准连续和粒状黑色区域，如图5中箭头所示。890和90 0 接头的焊缝宽度约为135um，黑色区域在8 90 焊缝中粗化，而在90 0 消失。图5e5g是与图5a5c对应的接头SEM二次电子形貌像，可以看出，8 7 5和8 90 焊缝中出现了明显的孔洞缺陷，对应于光学金相箭头所示黑色区域，而90 0 接头结构完整，没有发现孔洞或裂纹缺陷。适当降低钎焊温度，延长保温时间，在8 8 0 温度/保温25min条件下实施钎焊。图3d和3h为接头的光学金相和SEM二次电子形貌像，结果表明获得了结构完整、无缺陷的OFC/CuCrZr钎焊接头，接头与两侧母材组织融合在一起，无明显的界面存在。通过EPMA进一步分析了8 8 0/2 5min制备的OFC/CuCrZr接头组织的成分分布，结果如图6 所示。其中的背散射电子像表明，与两侧OFC与CuCrZr母材相比，接头焊缝的衬度较灰暗，内部还零散分布有少量的黑色粒状物。相对于两侧母材来CuCuCrZrum20umbum20umg50um20um50m20um图5钎焊接头a、b、c 分别为8 7 5、8 90 和90 0 三个钎焊温度/保温15min下钎焊接头的光学金相形貌像；e、f、g一对应的接头SEM二次电子形貌像；d、h 8 8 0 保温/2 5min接头的光学金相和SEM二次电子形貌像。说，钎料的基体组元Cu含量(6 2 at.%)较少，而Mn含量(31at.%)较多，焊缝成分的平均原子序数Z较小，造成上述背散射像衬度对比元素分布衬度可以看出，Mn、G a、Si 主要分布在焊缝区域内，同时在焊缝与CuCrZr母材中都发生了Cr组元的偏聚。经对照分析可以确定：背散射电子像中的焊缝零星析出物(黑色)为富Cr相，其中还含有少量的Si元素，对应前面提到的Cr3Si化合物；Mn元素的成分衬度像表明其向两侧母材发生了扩散，扩散距离约为2 0 m。焊缝中合金元素的分布特征如下：Cu和Ga均匀分布；Cr和Si元素在焊缝发生偏聚，偏聚位置和背散衬度像129第2 期徐日升等：Cu/CuCrZr钎焊用Cu-Mn元固溶体钎料和接头结构中的黑色粒状组织一致。EPMA点分析表明粒状组织富含Cr和Si，同时含金属元素Mn、G a 和少量Cu。结合XRD衍射结果得出，少量纳米尺寸的粒状Cr3Si型金属间化合物颗粒稀疏分布于焊缝中。CuMnCuCuCrZr100umGaCrSi图6 在8 8 0/2 5min钎焊工艺下制备的OFC/CuCrZr接头横截面元素分布3.3钎焊接头力学性能分析在8 8 0/保温25min工艺条件下制备的OFC/CuCrZr接头的室温拉伸实验结果如图7 所示。接头的屈服强度约50 MPa，与OFC母材接近；拉伸曲线随后表现连续的加工硬化，样品的抗拉强度达2 15MPa，断裂前延伸率约40%。图8 给出了接头拉伸断口的SEM二次电子形貌像，断口上布满大量韧窝，显示出典型的韧性断裂特征。25020015010050005101520253035 4045/%图7 在8 8 0/2 5min钎焊工艺下制备的OFC/CuCrZr接头的室温拉伸曲线20um图8拉伸断口SEM二次电子形貌利用Cu62Mn3iGaCro.sSio.s固溶体合金钎料，在880/保温2 5min工艺条件下获得了结构完整的OFC/CuCrZr钎焊接头。所采用的钎焊温度比Cu63Mn36Cro.5Sio.5 低 6 0，比 STEMET-1101Cu-P非晶高130，而接头的室温抗拉强度比二者分别高8 5MPa和10 0 MPa，并表现出典型的韧性断裂模式。使用月Cu62Mn3iGagCro.sSio.5钎料制备的CFC/OFC/CuCrZr接头通过了高热负荷测试，最终130第43卷核聚变与等离子体物理被核工业西南物理研究院采用，实现了HL-2M装置偏滤器部件中CFC(CX-2002U)和CuCrZr合金的钎焊连接。4丝结论开发出了 Cu62Mn37-x-Ga,Cro.5Sio.5(x=06,at.%)多元合金新钎料。其中，Cu62Mn31GagCro.5Sio.5合金的熔化温度为8 2 5，固相-液相温度区间为2 5。通过铜模吸铸制备了组织均匀的钎料板材，冷轧成100m厚箔带，用于钎焊无氧铜(OFC)和CuCrZr合金。同时采用了Cu62Mn3iGagCro.5Sio.5钎料，在880/保温2 5min工艺条件下制备出了无缺陷的OFC/CuCrZr钎焊接头。接头室温抗拉强度达到215MPa，延伸率约为40%，呈韧性断裂。该钎料合金已实际应用于HL-2M装置偏滤器部件中CFC与CuCrZr合金的钎焊连接。参考文献：1Zheng G Y,Xu X Q,Ryutov D D,et al.Advanceddivertor concept design and analysis for HL-2M J.Fusion Engineering and Design,2016,112(9):450-459.2邹晖，李广生，蔡立君，等.HL-2M环向场线圈的结构设计 .核聚变与等离子体物理,2 0 16,36(2):136.3 黄文玉，郑国尧，蔡立君，等.HL-2M装置常规偏滤器与雪花减偏滤器热工水力分析对比 J.核聚变与等离子体物理,2 0 18,38(1):3441.4Lian Y Y,Wang J B,Feng F,et al.Progress in thedevelopment of CFC/CuCrZr components for HL-2Mdivertor JJ.IEEE Transactions on Plasma Science,2018,46(5):1556-1560.5卢勇，蔡立君，黄运聪，等影响HL-2M偏滤器靶板冷却性能的结构参数研究 .核聚变与等离子体物理,2 0 18,38(2):7.6王建豹，练友运，封范，等HL-2M偏滤器CFC/CuCrZr靶板的非晶钎焊工艺研究 J.核聚变与等离子体物理,2 0 19,39(4):7.7Smid I,Akiba M,Vieider G,et al.Development oftungstenarmorandbondingtocopperforplasma-interactive components J.Journal of NuclearMaterials,1998,258(10):160-172.8Merola M,Vieider G,Bet M,et al.Europeanachievements for ITER high heat flux components J.Fusion Engineering and Design,2001,56:173.9Slattery K T,Odegard B C,McKechnie T N,et al.Development of tungsten brush structures for PFC armorapplicationsC.FusionEngineering，IEEE/NPSSSymposium,IEEE,1997.888-891.10 Odegard Jr B C,Cadden C H,Watson R D,et al.Areview of the US joining technologies for plasma facingcomponents in the ITER fusion reactor J.Journal 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Feng,WEI Ming-yu,QIANG Jian-bing,WANG Ying-min,WANG Jian-bao,LIAN You-yun,FENG Fan,LIU Xiang?(1.Key Laboratory of Materials Modification by Laser,Ion,and Electron Beams(Ministry of Education),Dalian University ofTechnology,Dalian 116024;2.Southwestern Institute of Physics,Chengdu 610041)Abstract:In order to solve the metallurgical connection problem between CFC and CuCrZr alloy,a series ofsolid solution brazing alloys with the nominal compositions of Cu62Mn37-xGa,Cro.sSio.s(x=010,at.%)weredesigned by taking Cu62Mn3s(at.%)as the basic composition,Ga with a low melting point as the major alloyingelement and Cr and Si the minor alloying elements.The brazing alloys in foil form of 10om thick were made byarc melting,suction casting and subsequent cold rolling.The brazing alloy of Cu62Mn3iGasCro.sSio.5 wasemployed to joint oxygen-free copper(OFC)and CuCrZr alloy at different brazing temperatures of 875900and holding times of 1525min.The melting behavior of the brazing alloys was examined by thermal analysis,and their structures were identified by X-ray diffraction.The microstructure,composition and mechanicalproperties of joints were studied by means of optical microscopy,scanning electron microscopy,electron probeand mechanical properties tensile equipment,respectively.The results show that defect-free OFC/CuCrZr jointswere obtained at a brazing temperature of 880 a l o n g w i t h a h o l d i n g t i me o f 2 5mi n.T h e ma i n b o n d i n g s e a m o fthe joints consists of a Cu solid solution matrix,in which small amount of nano CrsSi particles are unevenly anddiscontinuously embedded.In room temperature tensile test,the OFC/CuCrZr joint exhibited an tensile strength of215MPa,a plastic strain of 40%,and a tough fracture mode.The Cu62Mn3iGasCro.Sio.5 brazing materialassociated with the specific brazing technique has been used to joint the carbon fiber composite and CuCrZr alloyin the fabrication of HL-2M divertor.Key words:Cu/CuCrZr brazing;Cu-Mn based brazing alloys;Joint structure and performance;Divertor