【摘 要】
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钨是目前聚变实验堆中主要采用的面向等离子体材料。由于面向等离子体材料在工作时需要承受极高的热负荷,因此需要与铜合金热沉材料进行连接以便快速散热,W/Cu连接对制造核聚变反应堆的面向等离子体组件具有重要意义。然而,W-Cu为不互溶金属体系,W和Cu之间很难实现合金化获得结合,同时W和Cu在熔点、热膨胀系数和杨氏模量等性能方面差异较大,因此很难实现W与Cu之间的连接。在未来面向等离子体组件制造中,W与
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钨是目前聚变实验堆中主要采用的面向等离子体材料。由于面向等离子体材料在工作时需要承受极高的热负荷,因此需要与铜合金热沉材料进行连接以便快速散热,W/Cu连接对制造核聚变反应堆的面向等离子体组件具有重要意义。然而,W-Cu为不互溶金属体系,W和Cu之间很难实现合金化获得结合,同时W和Cu在熔点、热膨胀系数和杨氏模量等性能方面差异较大,因此很难实现W与Cu之间的连接。在未来面向等离子体组件制造中,W与Cu的连接是亟待解决的关键技术难题。针对上述问题,本文首先拟通过对W进行表面纳米活化处理以提高W的表面能,再结合电沉积铜工艺及近熔临界温度退火,实现W-Cu的合金化、形成W-Cu冶金结合界面。然后再与铜进行扩散连接,制备出高性能的W/Cu连接件。最后采用多种表征测试方法对所获W/Cu连接件的界面显微结构和性能进行了研究。具体研究结果如下:（1）通过水热反应和在700℃下H2还原脱氧3 h来实现W表面纳米活化处理,获得了纳米结构。随后在近铜熔点温度附近退火处理实现了W和Cu的合金化,成功地构建了W/Cu冶金结合界面。在980℃再与Cu扩散连接3 h后成功制得W/Cu连接件。测试结果表明,经纳米活化处理制备的W/Cu连接件拉伸强度约为93 MPa,与不经过纳米活化处理制备的W/Cu连接件相比,其拉伸强度提高了约60%。（2）通过阳极氧化处理和650℃下H2还原脱氧3 h,在金属W表面制备了均匀分布的纳米多孔活性结构。随后在近熔点温度附近扩散退火也实现了W/Cu的合金化,构建了W/Cu冶金结合界面。在980℃再与Cu扩散连接3 h成功制备出平均拉伸强度为128 MPa的W/Cu连接件,拉伸强度较未纳米化制备的W/Cu连接件提高了约110%,较水热反应纳米化制备的W/Cu连接件提高了40%。热扩散系数测试结果表明该纳米活化处理也提高了W/Cu接头的导热能力。显微结构表征结果表明经过退火后W/Cu扩散层厚度约为32 nm,较未纳米化的22 nm W/Cu扩散层厚度提高了45%。结合XRD测试和第一性原理计算证明采用阳极氧化纳米活化处理的活性机制来源于W表面能的增加。
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