Al2O3陶瓷反应金属化及其与紫铜钎焊工艺及机理研究

摘要

Al2O3陶瓷-紫铜复合构件在航空航天、电子工业中有着广泛的应用前景。针对Al2O3陶瓷与紫铜之间的钎焊连接，本文提出了先对Al2O3陶瓷进行反应金属化再与紫铜连接的间接钎焊方法，对反应金属化机理进行了阐述，并研究了金属化粉末中Ti含量和钎焊工艺参数对Al2O3陶瓷/紫铜接头微观组织结构和力学性能的影响。将金属化粉末作为活性钎料对Al2O3陶瓷与紫铜进行直接钎焊，并对比了两种钎焊方法对钎缝组织、接头性能和紫铜母材的影响。综合分析了接头的断裂位置，抗剪强度和接头组织之间的相互联系。
　　采用机械球磨的方式制备Sn0.3Ag0.7Cu-x％Ti(wt.%, x=2,4,6,8)金属化粉末，其熔化区间为219℃-231℃，机械球磨过程未导致金属化粉末发生机械冶金反应。在900℃/30min条件下对Al2O3陶瓷进行反应金属化，在Al2O3陶瓷表面得到了结合良好且包括β-Sn基体和Ti6Sn5相的金属化层，其中Ti6Sn5相随着Ti含量的增加而增加。金属化层/Al2O3陶瓷界面生成了TiO反应层。
　　利用Sn0.3Ag0.7Cu钎料在580℃-660℃实现了金属化的Al2O3陶瓷与紫铜的连接。接头典型界面结构为：Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/β-Sn(Ti6Sn5+Al2O3陶瓷颗粒)/Al2O3陶瓷。钎焊工艺参数对接头的界面结构和抗剪强度有着较大的影响，随着钎焊温度升高或者保温时间延长，紫铜中Cu元素向钎缝中的溶解量增多，钎缝中形成越来越多的Cu-Sn化合物。当620℃/5min时，接头获得最大抗剪强度值32MPa，断裂发生于Cu6Sn5和β-Sn层。当钎焊参数超过最佳钎焊工艺(620℃/5min)时，钎缝中出现柯肯达尔空洞，导致接头抗剪强度急剧下降。
　　将金属化粉末作为活性钎料在900℃/10min条件下实现了Al2O3陶瓷与紫铜直接钎焊，接头的典型组织包括：Cu(s,s)、富 Cu相和Ti2Cu相，Al2O3陶瓷侧生成含有TiO和TiO2的反应层。随着Ti含量的增加，钎料与Al2O3陶瓷之间的反应越充分，接头的抗剪强度逐渐增大并达到稳定值。Ti含量为6%和8%时，接头得到最大抗剪强度值52MPa，接头完全断裂于Al2O3陶瓷基体。相比于间接钎焊，接头的抗剪强度有所提高，但是对紫铜表面硬度的损害更大。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 陶瓷与金属的焊接现状

1.3 元素Ti在Al2O3陶瓷钎焊中的重要作用

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及过程

2.3 试验分析及性能测试

第3章 Al2O3陶瓷反应金属化

3.1 金属化粉末的表征

3.2 金属化层的表征

3.3 Al2O3陶瓷反应金属化的机理

3.4 本章小结

第4章 Al2O3陶瓷与紫铜的间接钎焊

4.1 Al2O3陶瓷/紫铜间接钎焊接头的典型界面组织结构

4.2 Ti含量对Al2O3陶瓷/紫铜接头微观组织和抗剪强度的影响

4.3 钎焊温度对Al2O3陶瓷/紫铜接头微观组织和抗剪强度的影响

4.4 钎焊时间对Al2O3陶瓷/紫铜接头微观组织和抗剪强度的影响

4.5 Al2O3陶瓷与紫铜间接钎焊机理分析

4.6 本章小结

第5章 Al2O3陶瓷与紫铜的直接钎焊

5.1 Al2O3陶瓷/紫铜直接钎焊接头的典型界面结构

5.2 Ti含量对Al2O3陶瓷/紫铜接头的微观组织的影响

5.3 Ti含量对Al2O3陶瓷/紫铜接头抗剪强度的影响

5.4 Al2O3陶瓷/紫铜直接钎焊接头的组织演化及连接机理

5.5 Al2O3陶瓷与紫铜直接钎焊和间接钎焊的对比分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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