CN109604806A - 一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯铌‑无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，该方法以高纯铌板作为复板，以无氧铜板作为基板，通过爆炸焊接的方式制造高纯铌‑无氧铜复合板材；所述高纯铌板的质量纯度不小于99.99％，高纯铌板的厚度不大于2mm，所述无氧铜板中的氧含量小于2ppm，无氧铜板的厚度大于10mm。本发明采用爆炸焊接使高纯铌板的复合面与无氧铜板之间发生高速碰撞形成固相冶金结合进行复合，避免了加热轧制过程中高纯铌板材的氧化和无氧铜板材吸氧的缺陷，克服了两种延伸率均较大的高纯板材难于冷轧轧制复合的难题，且保持了高纯铌材料优良的超导性能，同时无氧铜板增加了超导腔体的厚度，从而增强了超导腔体的机械稳定性。
Description
技术领域
本发明属于高纯金属复合板材制造技术领域，具体涉及一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法。
背景技术
随着人类社会对能源的需求进一步增长，核裂变能成为我国能源发展战略规划中的支柱能源之一。核电运行产生的核燃料累积存量将达到约10000吨，如何妥善处置核燃料特别是其中的长寿命高放废料，是我国乃至国际核能界无法回避的重大问题，也是影响核电可持续发展的瓶颈问题之一。加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System简称ADS)是国际公认为的最有前景的长寿命核废料安全处理处置手段。
重离子加速器是用人工方法产生高速离子束流的装置，是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具，也是研发关乎经济社会发展和国家安全的先进核技术的平台。为了探索原子核存在极限和奇特结构、宇宙中从铁到铀元素的来源等重大前沿科学问题，提出建造重大科技基础设施—“强流重离子加速器装置”(High Intensity Heavy-ionAccelerator Facility，简称HIAF)。这将是我国在后处理领域的一个重点发展方向。
高纯铌以其优越的超导性能、高导热性运用于高能物理学中，其主要用作超导腔体，是大型高能粒子加速器的核心部件。运用高纯铌制成的超导腔体可以在高温与低温下交替运行而不影响其超导性能，保证组成的加速器可以长期运行，成为加速器使用的优选材料。但高纯铌原料制备较难，且造价太高，科学研究寻求高纯铌的复合板来代替高纯铌材料，在保证高纯铌材料发挥其超导性能的同时，降低设备成本，节约稀有金属能源。
无氧铜电导率高，加工性能较稳定，焊接性、耐蚀性和低温性能好，其密度略高于高纯铌。有研究采用高纯铌-无氧铜复合板代替原有高纯铌板，将高纯铌-无氧铜复合板制成超导腔体，由于超导腔体内部为复合板的高纯铌表面，仍保持高纯铌优异的超导性能。与高纯铌超导腔体相比，高纯铌-无氧铜复合板超导腔体除了可提高超导腔体的刚度外，可以大幅降低超导腔的造价。与铜铌溅射腔体相比，二者均可降低超导腔体造价、增强超导腔体的机械稳定性、增加超导腔体的导热能力，因此均有利于超导加速器的持续稳定运行，但是高纯铌-无氧铜复合板超导腔体的射频性能优于铌铜溅射腔。与铌基Nb3Sn薄膜超导腔体相比，高纯铌-无氧铜复合板超导腔体的Q值低(Q为品质因数)，运行费用较高，但是高纯铌-无氧铜复合板超导腔体的造价更低，机械稳定性更好，导热能力更强，更有利于超导加速器的长期稳定运行，这将是射频超导大科学装置在上述能源问题及科技、国防、工业得以应用的前提。因此，高纯铌-无氧铜复合腔技术将是最符合大科学装置设计、运行需求的方向。稳定的生产出高纯铌-无氧铜(Nb/Cu)复合板材，为我国射频超导大科学装置的加速结构选择提供另外一条可行的技术路线，具有重要的理论意义和工程应用价值。
申请号为201510738639.4的发明专利中公开了爆炸焊接铌钢复合板的方法，实现大面积的连续焊接，解决了铌/钢爆炸复合贴合率和剪切强度以及直接一次爆炸复合的问题，满足了国内机械制造以及化工用材等的需要。但对铌-铜复合板材制备的方法尚无专有技术，尤其是没有对两种高纯金属复合板材的制备技术的公布，且此高纯铌-无氧铜复合板材需保证高纯铌材料优良的超导性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法。该方法采用爆炸焊接使高纯铌板的复合面与无氧铜板之间发生高速碰撞形成固相冶金结合，避免了加热轧制过程中高纯铌板材的氧化和无氧铜板材吸氧的缺陷，克服了两种延伸率均较大的高纯板材难于冷轧轧制复合的难题，成功将两种高纯金属板材复合，且保持了高纯铌材料优良的超导性能，同时无氧铜板增加了超导腔体的厚度，从而增强了超导腔体的机械稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，该方法以高纯铌板作为复板，以无氧铜板作为基板，通过爆炸焊接的方式制造高纯铌-无氧铜复合板材；所述高纯铌板的质量纯度不小于99.99％，高纯铌板的厚度不大于2mm，所述无氧铜板中的氧含量小于2ppm，无氧铜板的厚度大于10mm。
采用加热轧制、包覆叠轧等方法制备高纯铌-无氧铜复合板材，由于加热过程使原料产生剧烈的氧化，得到的高纯铌-无氧铜复合板材的残余电阻率急剧下降，无法满足超导腔体使用要求；采用冷轧方法对高纯铌板和无氧铜板进行复合，由于高纯铌板和无氧铜板的表面膜(包括氧化膜和吸附膜)韧性较大易变性，冷轧时表面膜随同基体流动进行变形，难以破裂，新金属层无法显露，高纯铌板和无氧铜板之间无法结合形成新的复合层，从而无法得到高纯铌-无氧铜复合板材。
本发明分别以高纯铌板为复板、以无氧铜板为基板通过爆炸焊接制造高纯铌-无氧铜复合板材，使两种板材瞬时发生高速碰撞形成固相冶金结合，避免了与高温氧化环境的接触。为了满足超导腔体的使用要求，将高纯铌板的质量纯度限定为不小于99.99％，有效保证了高纯铌板的超导性能，在将高纯铌板的厚度限定为不大于2mm以降低原料成本的同时，在高纯铌板上复合无氧铜板并将无氧铜板的厚度限定为大于10mm，以保证超导腔体具备一定的刚度和机械稳定性，同时由于高纯铌板在加工过程中极易氧化或引入各种杂质，因此将无氧铜板中的氧含量限定为小于2ppm，从源头上降低了高纯铌-无氧铜复合板材的氧含量及杂质含量，有利于保证高纯铌-无氧铜复合板材中高纯铌板的超导性能。
上述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、分别对高纯铌板和无氧铜板依次进行表面砂光、打磨和清洁处理；所述高纯铌板的残余电阻率大于300；所述经清洁处理后的高纯铌板和无氧铜板的不平度均小于1mm/m；
步骤二、将步骤一中经清洁处理后的高纯铌板的非复合面进行覆膜保护；
步骤三、将步骤一中经清洁处理后的无氧铜板水平铺置于铺设在基础沙土层上的爆炸专用纤维纸板上，然后在无氧铜板上放置支撑间隙，再将步骤二中经覆膜保护后的高纯铌板放置在支撑间隙上并使高纯铌板的复合面与支撑间隙接触，形成高纯铌-无氧铜复合板材中间体；
步骤四、在步骤三中形成的高纯铌-无氧铜复合板材中间体的高纯铌板非复合面上均布炸药，并在高纯铌板非复合面的炸药中心埋入引爆点雷管，然后进行起爆爆炸焊接复合，使高纯铌板的复合面与无氧铜板复合，得到高纯铌-无氧铜复合板材半成品；
步骤五、将步骤四中得到的高纯铌-无氧铜复合板材半成品依次进行校平、表面砂光、打磨和真空热处理，得到高纯铌-无氧铜复合板材。
本发明先将高纯铌板和无氧铜板依次进行表面砂光、打磨和清洁处理，消除两种板材的表面缺陷并去除表面残留的金属碎屑及加工油污，然后对高纯铌板的未复合表面进行覆膜保护，防止未复合表面在爆炸焊接过程中发生剧烈氧化，保证了高纯铌板的超导性能，再将无氧铜板和高纯铌板合理放置并在两者之间设置支撑间隙，采用炸药进行起爆爆炸焊接复合，使高纯铌板的复合面与无氧铜板之间发生高速碰撞形成固相冶金结合，最终得到高纯铌-无氧铜复合板材，避免了加热轧制过程中高纯铌板材的氧化和无氧铜板材吸氧的缺陷，克服了两种延伸率均较大的高纯板材难于冷轧轧制复合的难题，成功将两种高纯金属板材复合，且保持了高纯铌材料优良的超导性能，同时无氧铜板增加了超导腔体的厚度，从而增强了超导腔体的机械稳定性。
上述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤二中所述覆膜保护采用的薄膜为PVC膜，经覆膜保护后的高纯铌板的非复合面上无气泡且不平度小于1mm/m。采用PVC膜进行覆膜保护，有效防止了爆炸焊接过程对高纯铌板非复合面的氧化和外来损伤；同时控制覆膜保护后的高纯铌板的非复合面上无气泡且不平度小于1mm/m，保证了爆炸焊接得到的高纯铌-无氧铜复合板材半成品的表面质量和不平度。
上述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤三中所述基础沙土层中的沙土颗粒的直径不大于1mm。采用上述组成的基础沙土层避免了爆炸焊接过程中沙土颗粒对高纯铌板和无氧铜板的表面造成损伤。
上述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤三中所述支撑间隙的高度为2mm～5mm。为了保证爆炸复合过程的能量传播不受阻碍，需要对高纯铌板的复合面及无氧铜板的复合面之间设置支撑间隙，根据高纯铌板和无氧铜板的厚度，将支撑间隙的高度设置为2mm～5mm，既保证了纯铌板材与无氧铜板材之间平行且稳定，又减少了支撑间隙的数量，避免了支撑间隙摆放过于密集造成高纯铌-无氧铜复合板材内部组织不均匀的现象。
上述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤四中所述炸药平行布满高纯铌板的表面，且炸药的边部与高纯铌板的边部齐平。将炸药平行布满高纯铌板的非复合面的表面以保证爆炸焊接过程中高纯铌板所受爆炸力均匀，从而与无氧铜板的结合也均匀，避免了复合不均的现象，改善了高纯铌-无氧铜复合板材的品质，而炸药的边部与高纯铌板的边部齐平则保证了爆炸复合后高纯铌板与无氧铜板的边部完全复合，进一步提高了复合效果。
上述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤四中所述炸药的铺设厚度为10mm～20mm。根据高纯铌板和无氧铜板的厚度，设置炸药的铺设厚度，既保证了高纯铌板和无氧铜板的完全复合，又避免了爆炸过度对高纯铌板和无氧铜板造成的损伤。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用爆炸焊接使高纯铌板的复合面与无氧铜板之间发生高速碰撞形成固相冶金结合，最终得到高纯铌-无氧铜复合板材，避免了加热轧制过程中高纯铌板材的氧化和无氧铜板材吸氧的缺陷，克服了两种延伸率均较大的高纯板材难于冷轧轧制复合的难题，成功将两种高纯金属板材复合，且保持了高纯铌材料优良的超导性能，同时无氧铜板增加了超导腔体的厚度，从而增强了超导腔体的机械稳定性。
2、本发明通过爆炸焊接实现了无氧铜板和高纯铌板的高质量有效复合，制造得到的高纯铌-无氧铜复合板材的贴合率为100％，过程简短，生产效率高。
3、本发明采用无氧铜板增加了超导腔体的厚度，在保证高纯铌-无氧铜复合板材制备的超导腔体的超导性能与稳定性的前提下，减薄了高纯铌板的厚度，减少了高纯铌板的使用量，降低了原料成本
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
步骤一、分别对高纯铌板和无氧铜板依次进行表面砂光、打磨和清洁处理；所述高纯铌板的残余电阻率大于300；所述经清洁处理后的高纯铌板的不平度为0.6mm/m，无氧铜板的不平度为0.5mm/m；所述高纯铌板的质量纯度为99.99％，高纯铌板的尺寸为1.2mm×700mm×1400mm(厚×宽×长)，所述无氧铜板中的氧含量小于2ppm，无氧铜板的尺寸为14mm×700mm×1400mm(厚×宽×长)；
步骤二、将步骤一中经清洁处理后的高纯铌板的非复合面进行覆膜保护；所述覆膜保护采用的薄膜为PVC膜，经覆膜保护后的高纯铌板的非复合面上无气泡且不平度为0.6mm/m；
步骤三、将步骤一中经清洁处理后的无氧铜板水平铺置于铺设在基础沙土层上的爆炸专用纤维纸板上，然后在无氧铜板上放置高度为4mm的铜支撑间隙，其中，在无氧铜板的长度方向上以300mm的间隙距离均布5个支撑间隙，在无氧铜板的宽度方向上以300mm的间隙距离均布3个支撑间隙，再将步骤二中经覆膜保护后的高纯铌板放置在支撑间隙上并使高纯铌板的复合面与支撑间隙接触，形成高纯铌-无氧铜复合板材中间体；所述基础沙土层中的沙土颗粒的直径不大于1mm；
步骤四、在步骤三中形成的高纯铌-无氧铜复合板材中间体的高纯铌板非复合面上均布炸药，并在高纯铌板非复合面的炸药中心埋入引爆点雷管，然后进行起爆爆炸焊接复合，使高纯铌板的复合面与无氧铜板复合，得到高纯铌-无氧铜复合板材半成品；所述炸药平行布满高纯铌板的表面且炸药的边部与高纯铌板的边部齐平，炸药的铺设厚度为15mm；
步骤五、将步骤四中得到的高纯铌-无氧铜复合板材半成品依次进行校平、表面砂光、打磨和真空热处理，得到高纯铌-无氧铜复合板材。
经检测，本实施例得到的高纯铌-无氧铜复合板材的厚度为14.5mm，表面质量优良，无裂纹和杂质，室温力学性能优于高纯铌板材，该高纯铌-无氧铜复合板材中高纯铌板的残余电阻率大于300，经弯曲试验验证该高纯铌-无氧铜复合板材无分层现象，无损探伤结果显示该高纯铌-无氧铜复合板材的贴合率为100％。
实施例2
步骤一、分别对高纯铌板和无氧铜板依次进行表面砂光、打磨和清洁处理；所述高纯铌板的残余电阻率大于300；所述经清洁处理后的高纯铌板的不平度为0.5mm/m，无氧铜板的不平度为0.7mm/m；所述高纯铌板的质量纯度为99.995％，高纯铌板的尺寸为2mm×700mm×1400mm(厚×宽×长)，所述无氧铜板中的氧含量小于2ppm，无氧铜板的尺寸为11mm×700mm×1400mm(厚×宽×长)；
步骤二、将步骤一中经清洁处理后的高纯铌板的非复合面进行覆膜保护；所述覆膜保护采用的薄膜为PVC膜，经覆膜保护后的高纯铌板的非复合面上无气泡且不平度为0.5mm/m；
步骤三、将步骤一中经清洁处理后的无氧铜板水平铺置于铺设在基础沙土层上的爆炸专用纤维纸板上，然后在无氧铜板上放置高度为5mm的铜支撑间隙，其中，在无氧铜板的长度方向上以300mm的间隙距离均布8个支撑间隙，在无氧铜板的宽度方向上以200mm的间隙距离均布5个支撑间隙，再将步骤二中经覆膜保护后的高纯铌板放置在支撑间隙上并使高纯铌板的复合面与支撑间隙接触，形成高纯铌-无氧铜复合板材中间体；所述基础沙土层中的沙土颗粒的直径不大于1mm；
步骤四、在步骤三中形成的高纯铌-无氧铜复合板材中间体的高纯铌板非复合面上均布炸药，并在高纯铌板非复合面的炸药中心埋入引爆点雷管，然后进行起爆爆炸焊接复合，使高纯铌板的复合面与无氧铜板复合，得到高纯铌-无氧铜复合板材半成品；所述炸药平行布满高纯铌板的表面且炸药的边部与高纯铌板的边部齐平，炸药的铺设厚度为20mm；
步骤五、将步骤四中得到的高纯铌-无氧铜复合板材半成品依次进行校平、表面砂光、打磨和真空热处理，得到高纯铌-无氧铜复合板材。
经检测，本实施例得到的高纯铌-无氧铜复合板材的厚度为12.6mm，表面质量优良，无裂纹和杂质，室温力学性能优于高纯铌板材，该高纯铌-无氧铜复合板材中高纯铌板的残余电阻率大于300，经弯曲试验验证该高纯铌-无氧铜复合板材无分层现象，无损探伤结果显示该高纯铌-无氧铜复合板材的贴合率为100％。
实施例3
步骤一、分别对高纯铌板和无氧铜板依次进行表面砂光、打磨和清洁处理；所述高纯铌板的残余电阻率大于300；所述经清洁处理后的高纯铌板的不平度为0.8mm/m，无氧铜板的不平度为0.5mm/m；所述高纯铌板的质量纯度为99.99％，高纯铌板的尺寸为0.9mm×700mm×1400mm(厚×宽×长)，所述无氧铜板中的氧含量小于2ppm，无氧铜板的尺寸为16mm×700mm×1400mm(厚×宽×长)；
步骤二、将步骤一中经清洁处理后的高纯铌板的非复合面进行覆膜保护；所述覆膜保护采用的薄膜为PVC膜，经覆膜保护后的高纯铌板的非复合面上无气泡且不平度为0.8mm/m；
步骤三、将步骤一中经清洁处理后的无氧铜板水平铺置于铺设在基础沙土层上的爆炸专用纤维纸板上，然后在无氧铜板上放置高度为2mm的铜支撑间隙，其中，在无氧铜板的长度方向上以200mm的间隙距离均布6个支撑间隙，在无氧铜板的宽度方向上以300mm的间隙距离均布3个支撑间隙，再将步骤二中经覆膜保护后的高纯铌板放置在支撑间隙上并使高纯铌板的复合面与支撑间隙接触，形成高纯铌-无氧铜复合板材中间体；所述基础沙土层中的沙土颗粒的直径不大于1mm；
步骤四、在步骤三中形成的高纯铌-无氧铜复合板材中间体的高纯铌板非复合面上均布炸药，并在高纯铌板非复合面的炸药中心埋入引爆点雷管，然后进行起爆爆炸焊接复合，使高纯铌板的复合面与无氧铜板复合，得到高纯铌-无氧铜复合板材半成品；所述炸药平行布满高纯铌板的表面且炸药的边部与高纯铌板的边部齐平，炸药的铺设厚度为10mm；
步骤五、将步骤四中得到的高纯铌-无氧铜复合板材半成品依次进行校平、表面砂光、打磨和真空热处理，得到高纯铌-无氧铜复合板材。
经检测，本实施例得到的高纯铌-无氧铜复合板材的厚度为16.5mm，表面质量优良，无裂纹和杂质，室温力学性能优于高纯铌板材，该高纯铌-无氧铜复合板材中高纯铌板的残余电阻率大于300，经弯曲试验验证该高纯铌-无氧铜复合板材无分层现象，无损探伤结果显示该高纯铌-无氧铜复合板材的贴合率为100％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，该方法以高纯铌板作为复板，以无氧铜板作为基板，通过爆炸焊接的方式制造高纯铌-无氧铜复合板材；所述高纯铌板的质量纯度不小于99.99％，高纯铌板的厚度不大于2mm，所述无氧铜板中的氧含量小于2ppm，无氧铜板的厚度大于10mm。
2.根据权利要求1所述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、分别对高纯铌板和无氧铜板依次进行表面砂光、打磨和清洁处理；所述高纯铌板的残余电阻率大于300；所述经清洁处理后的高纯铌板和无氧铜板的不平度均小于1mm/m；
步骤二、将步骤一中经清洁处理后的高纯铌板的非复合面进行覆膜保护；
步骤三、将步骤一中经清洁处理后的无氧铜板水平铺置于铺设在基础沙土层上的爆炸专用纤维纸板上，然后在无氧铜板上放置支撑间隙，再将步骤二中经覆膜保护后的高纯铌板放置在支撑间隙上并使高纯铌板的复合面与支撑间隙接触，形成高纯铌-无氧铜复合板材中间体；
步骤四、在步骤三中形成的高纯铌-无氧铜复合板材中间体的高纯铌板非复合面上均布炸药，并在高纯铌板非复合面的炸药中心埋入引爆点雷管，然后进行起爆爆炸焊接复合，使高纯铌板的复合面与无氧铜板复合，得到高纯铌-无氧铜复合板材半成品；
步骤五、将步骤四中得到的高纯铌-无氧铜复合板材半成品依次进行校平、表面砂光、打磨和真空热处理，得到高纯铌-无氧铜复合板材。
3.根据权利要求2所述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤二中所述覆膜保护采用的薄膜为PVC膜，经覆膜保护后的高纯铌板的非复合面上无气泡且不平度小于1mm/m。
4.根据权利要求2所述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤三中所述基础沙土层中的沙土颗粒的直径不大于1mm。
5.根据权利要求2所述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤三中所述支撑间隙的高度为2mm～5mm。
6.根据权利要求2所述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤四中所述炸药平行布满高纯铌板的表面，且炸药的边部与高纯铌板的边部齐平。
7.根据权利要求2所述的一种高纯铌-无氧铜复合板材的爆炸焊接制造方法，其特征在于，步骤四中所述炸药的铺设厚度为10mm～20mm。
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