使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti2AlC陶瓷和铜的方法

摘要

使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti2AlC陶瓷和铜的方法，涉及钎焊Ti2AlC陶瓷和铜的方法。实现了Ti2AlC陶瓷和Cu的高强度、高电导率连接。钎焊方法：分别将Ti2AlC陶瓷和铜进行打磨、抛光和清洗预处理后，将Ti2AlC陶瓷、Ag-Cu共晶钎料和铜装配成钎焊装配件，然后置于真空钎焊炉中钎焊即可。本发明成功实现Ti2AlC陶瓷和Cu的连接，接头压缩剪切强度达89.3～203.3MPa，电导率达5.034×106～6.523×106S/m，接头强度高，导电性好。将Ti2AlC陶瓷和Cu的连接件用于载流摩擦器件，能解决现有工程应用中载流摩擦器件普遍存在成本昂贵、寿命较短的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法。

背景技术

Ti₂AlC陶瓷是三元层状陶瓷M_n+1AX_n其中的一种，它是兼具金属和陶瓷性能的结构/功能一体化陶瓷。Ti₂AlC陶瓷的空间点阵为六方晶系，空间群是P6₃/mmc，由Ti₆C八面体层和二维紧密堆积的Al原子层交替排列而成。首先，Ti原子和Al族原子之间依靠范德华力结合，使得该陶瓷具备层状结构和良好的自润滑性能；其次，Ti原子和C原子之间是共价键结合，Ti-C键的牢固结合赋予该陶瓷优良的物理、化学和力学性能，例如高熔点、高的热稳定性；良好的抗氧化性；高弹性模量和高的屈服强度。除此之外，Al原子和Al原子之间依靠金属键结合，因此Ti₂AlC陶瓷也具备金属的特点，如良好的导电性和导热性、易加工性、较低的维氏硬度和较高的剪切模量以及高温下良好的塑性。

早在1963年，Nowotny等人就合成出少量的Ti₂AlC并对其基本结构进行了基本性能的测定，但直到二十世纪九十年代，高纯度和高性能的Ti₂AlC才被制备出来。该陶瓷抗氧化性好，耐热震，并具有较高的弹性模量和断裂韧性，高温下有良好的塑性并能保持较高的强度，易加工，是高温发动机理想的候选材料。同时也具有良好的导电性，高强度、低摩擦系数和良好的自润滑性能，可作为新一代的电刷和电极材料。而且又有很好的耐腐蚀、抗氧化和导热性及机械加工性，非常适合在高温、化学腐蚀条件下工作的各类减摩构件，如化学反应釜的搅拌器的轴承、风扇轴承、特殊的机械密封件等。

Ti₂AlC陶瓷特殊的性能决定了其广泛的应用前景，基于Ti₂AlC陶瓷优良的导电性和自润滑等性能，Ti₂AlC陶瓷和Cu的连接对载流摩擦器件的发展有着不可估量的作用。若将Ti₂AlC陶瓷和Cu成功连接，将Ti₂AlC陶瓷和Cu的连接件用于载流摩擦器件，能够解决现有工程应用中的载流摩擦器件普遍存在成本昂贵、寿命较短的问题。截止到目前，国内外还没有关于Ti₂AlC陶瓷和Cu连接的文献报道。

发明内容

本发明提供了使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法，实现了Ti₂AlC陶瓷和Cu的高强度、高电导率连接，解决了现有工程应用中的载流摩擦器件普遍存在成本昂贵、寿命较短的问题。

本发明使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法，是通过以下步骤实现的：一、将Ti₂AlC陶瓷依次用320#、600#、800#、1000#、1200#和1600#金相砂纸打磨到表面光亮，然后用型号为0.5μm的金刚石抛光剂将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面抛光；然后将铜依次用1000#和1600#金相砂纸打磨至表面光亮，然后用型号为0.5μm的金刚石抛光剂将铜的待连接表面抛光；二、将经步骤一处理后的Ti₂AlC陶瓷和铜浸入无水乙醇中，超声清洗10～20min，取出，晾干；三、将Ag-Cu共晶钎料、Ti₂AlC陶瓷和铜装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件，然后装配上压头，得钎焊装配件，其中Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件通过瞬间粘合剂粘结固定；四、将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，将钎焊装配件加压至5800～6200Pa，然后抽真空至1.3×10^-3Pa，然后升温至300℃，保温30min，再升温至800～900℃，保温0～40min，然后降温至300℃，再随炉冷却，即完成使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法。

本发明步骤三装配成的Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜结构为三明治结构，Ag-Cu共晶钎料位于Ti₂AlC陶瓷和铜中间。步骤四中加热升温到300℃并保温30min，使用于固定连接Ti₂AlC陶瓷和Ag-Cu共晶钎料、铜和Ag-Cu共晶钎料的有机胶充分挥发。

本发明选用Ag-Cu共晶钎料，能够保证接头的导电性。首先，Ag和Cu在780℃时形成共晶液相，钎料熔点较低，其次，钎料中的Cu元素会与Ti₂AlC陶瓷母材发生强烈的交互作用，而钎料中的Ag能大量固溶Cu元素，从而降低Cu向Ti₂AlC陶瓷母材的溶解，并且在接头处形成富Ag相和富Cu相，这些相都是对接头性能有利的。

本发明采用Ag-Cu钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和Cu，通过控制钎焊温度(800～900℃)和保温时间(0～40min)，以控制反应层厚度和接头中反应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了Ti₂AlC陶瓷和Cu的连接，并得到高强度、导电性好的接头。接头的压缩剪切强度达到89.3～203.3MPa，电导率达到5.034×10⁶～6.523×10⁶S/m。

本发明Ti₂AlC陶瓷和Cu的成功连接，将Ti₂AlC陶瓷和Cu的连接件用于载流摩擦器件，能够解决现有工程应用中的载流摩擦器件普遍存在成本昂贵、寿命较短的问题，对载流摩擦器件的发展有着不可估量的作用。本发明将Ti₂AlC陶瓷与铜进行连接，不仅能够充分发挥Ti₂AlC陶瓷优良的热、电传导性能、自润滑性、在辐射环境下的高温热稳定性和优良的力学性能，同时还能够利用铜优异的电热传导性，对承受摩擦或辐射的构件进行电传导或冷却。

附图说明

图1是具体实施方式九的步骤三中的Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件的结构示意图；图2是具体实施方式九得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的背散射电子照片；图3是具体实施方式九得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的剪切断口形貌图；图4是具体实施方式十一得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的背散射电子照片；图5是具体实施方式十一得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的剪切断口形貌图；图6是具体实施方式十四得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的背散射电子照片；图7是具体实施方式十四得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的剪切断口形貌图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法，是通过以下步骤实现的：一、将Ti₂AlC陶瓷依次用320#、600#、800#、1000#、1200#和1600#金相砂纸打磨到表面光亮，然后用型号为0.5μm的金刚石抛光剂将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面抛光；然后将铜依次用1000#和1600#金相砂纸打磨至表面光亮，然后用型号为0.5μm的金刚石抛光剂将铜的待连接表面抛光；二、将经步骤一处理后的Ti₂AlC陶瓷和铜浸入无水乙醇中，超声清洗10～20min，取出，晾干；三、将Ag-Cu共晶钎料、Ti₂AlC陶瓷和铜装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件，然后装配上压头，得钎焊装配件，其中Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件通过瞬间粘合剂粘结固定；四、将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，将钎焊装配件加压至5800～6200Pa，然后抽真空至1.3×10^-3Pa，然后升温至300℃，保温30min，再升温至800～900℃，保温0～40min，然后降温至300℃，再随炉冷却，即完成使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法。

本实施方式步骤四中升温速率为10℃/min，降温速率为5℃/min。

本实施方式采用Ag-Cu钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和Cu，通过控制钎焊温度(800～900℃)和保温时间(0～40min)，以控制反应层厚度和接头中反应相的分布，进而达到控制接头组织和性能的目的，成功实现了Ti₂AlC陶瓷和Cu的连接，并得到高强度、导电性好的接头。接头的压缩剪切强度达到89.3～203.3MPa，电导率达到5.034×10⁶～6.523×10⁶S/m。

本实施方式实现了Ti₂AlC陶瓷和Cu的高强度、高电导率连接，解决了现有工程应用中的载流摩擦器件普遍存在成本昂贵、寿命较短的问题。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中所述Ag-Cu共晶钎料为Ag-Cu共晶粉末钎料或者Ag-Cu共晶箔片。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中所述Ag-Cu共晶钎料为Ag-Cu共晶粉末钎料，钎焊装配件的制备方法为：将Ag-Cu共晶粉末钎料与羟乙基纤维素粘结剂混合得膏状Ag-Cu共晶钎料，然后将膏状Ag-Cu共晶钎料分别涂覆于Ti₂AlC陶瓷的待连接表面和铜的待连接表面上形成Ag-Cu共晶钎料层，然后用瞬间粘合剂将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面上的Ag-Cu共晶钎料层和和铜的待连接表面上的Ag-Cu共晶钎料层粘结，装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构，然后装配上压头，得钎焊装配件。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

本实施方式中羟乙基纤维素粘结剂为半固态，是将羟乙基纤维素与水混合后加热形成的半固态胶状物，其中羟乙基纤维素的质量是羟乙基纤维素和水的混合物质量的1％～5％。

本实施方式中膏状Ag-Cu共晶钎料在Ti₂AlC陶瓷和铜上的涂覆面积应当相等，并且涂覆面积与Ti₂AlC陶瓷和铜的待连接表面中较小的相等。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤三中所述Ag-Cu共晶钎料为Ag-Cu共晶箔片，钎焊装配件的制备方法为：将Ag-Cu共晶箔片的两个面上涂覆瞬间粘合剂，然后将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面与Ag-Cu共晶箔片的一个面连接，再将铜的待连接表面与Ag-Cu共晶箔片的另一个面连接，装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶箔片/铜的结构件，然后装配上压头，得钎焊装配件。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

本实施方式中Ag-Cu共晶箔片的面积与Ti₂AlC陶瓷的待连接表面和铜的待连接表面两者中较小的待连接表面的面积一致。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中所述的瞬间粘合剂为502瞬间粘合剂、101瞬间粘合剂、401瞬间胶或WEICON瞬间粘合剂。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

本实施方式中的瞬间粘合剂均为市售产品。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中所述的Ag-Cu共晶钎料按质量百分比由72％的Ag和28％的Cu组成。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

本实施方式中Ag-Cu共晶钎料记为Ag72Cu28。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤四中将钎焊装配件加压至6000Pa。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤四中升温至850℃，保温40min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法，是通过以下步骤实现的：一、将Ti₂AlC陶瓷依次用320#、600#、800#、1000#、1200#和1600#金相砂纸打磨到表面光亮，然后用型号为0.5μm的金刚石抛光剂将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面抛光；然后将铜依次用1000#和1600#金相砂纸打磨至表面光亮，然后用型号为0.5μm的金刚石抛光剂将铜的待连接表面抛光；二、将经步骤一处理后的Ti₂AlC陶瓷和铜浸入无水乙醇中，超声清洗20min，取出，晾干；三、将Ag-Cu共晶钎料、Ti₂AlC陶瓷和铜装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件，然后装配上压头，得钎焊装配件，其中Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件通过502瞬间粘合剂粘结固定；四、将钎焊装配件置于真空钎焊炉中，将钎焊装配件加压至6000Pa，然后抽真空至1.3×10^-3Pa，然后升温至300℃，保温30min，再升温至800℃，保温10min，然后降温至300℃，再随炉冷却，即完成使用Ag-Cu共晶钎料钎焊Ti₂AlC陶瓷和铜的方法。

本实施方式步骤三中所述Ag-Cu共晶钎料为Ag-Cu共晶箔片，其成分组成为Ag72Cu28。步骤三中钎焊装配件的制备方法为：将Ag-Cu共晶箔片的两个面上涂覆502瞬间粘合剂，然后将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面与Ag-Cu共晶箔片的一个面连接，再将铜的待连接表面与Ag-Cu共晶箔片的另一个面连接，装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶箔片/铜的结构，然后装配上压头，得钎焊装配件。其中所述的Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶箔片/铜的结构的结构示意图如图1所示，类似于三明治夹心结构。

本实施方式对钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件分别进行压缩剪切强度和电导率的测试，其中测试方法为：使用Instron-5569型电子万能材料试验机(压头移动速率为0.5mm/min)测定接头的压缩剪切强度；采用ZY9858型微欧计测试接头的电阻，将电阻按公式换算即得到接头的电导率，其中γ为电导率，R为电阻，L为测试样的长度，S是测试件的横截面积。结果显示本实施方式的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的压缩剪切强度为89.3MPa，电导率为6.523×10⁶S/m。

本实施方式钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的背散射电子照片如图2所示，由图2可知接头完整致密，无裂纹等缺陷。焊缝较宽，其中形成了AlCu₂Ti相，陶瓷母材侧存在一定宽度的灰色交互作用区，其中交替分布着黑色的陶瓷母材组织和灰色相，铜母材一侧存在一定宽度的扩散区域，其中分布着白色的点状银基固溶体析出相。

本实施方式钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的剪切断口形貌如图3所示，由图3可知，断裂位置主要发生在焊缝处，断口表面分布着撕裂的钎料金属。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中升温至800℃，保温0min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。

采用具体实施方式九相同的测试方式得到，本实施方式的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的压缩剪切强度为199.3MPa，电导率为6.017×10⁶S/m。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中升温至900℃，保温10min；步骤三中所述Ag-Cu共晶钎料为Ag-Cu共晶粉末钎料，其成分组成为Ag72Cu28，步骤三中钎焊装配件的制备方法为：将Ag-Cu共晶粉末钎料与羟乙基纤维素粘结剂混合得膏状Ag-Cu共晶钎料，然后将膏状Ag-Cu共晶钎料分别涂覆于Ti₂AlC陶瓷的待连接表面和铜的待连接表面上形成Ag-Cu共晶钎料层，然后用502瞬间粘合剂将Ti₂AlC陶瓷的待连接表面上的Ag-Cu共晶钎料层和和铜的待连接表面上的Ag-Cu共晶钎料层粘结，装配成Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构，然后装配上压头，得钎焊装配件。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。

本实施方式步骤三中所述的Ti₂AlC陶瓷/Ag-Cu共晶钎料/铜的结构件的结构类似于三明治夹心结构。本实施方式步骤三中羟乙基纤维素粘结剂的配制方法为将羟乙基纤维素与水混合后加热形成的半固态胶状物，其中羟乙基纤维素的质量是羟乙基纤维素和水的混合物质量的1％～5％。

采用具体实施方式九相同的测试方式得到，本实施方式的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的压缩剪切强度为122MPa，电导率为5.034×10⁶S/m。

本实施方式钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的背散射电子照片如图4所示，由图4可知接头完整致密，无裂纹等缺陷。焊缝宽度很窄，仅由锯齿状AlCu₂Ti金属间化合物构成，陶瓷母材侧交互作用区很宽，其中交替分布着黑色的陶瓷母材组织、灰色相和大量的白色相，铜母材侧扩散区域宽度增加，其中分布着白色的针状银基固溶体析出相。

本实施方式钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的剪切断口形貌如图5所示，由图5可知，断口表面凹凸不平，连续分布着网状组织。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中升温至850℃，保温10min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。

采用具体实施方式九相同的测试方式得到，本实施方式的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的压缩剪切强度为199.8MPa，电导率为5.889×10⁶S/m。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中升温至850℃，保温20min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。

采用具体实施方式九相同的测试方式得到，本实施方式的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的压缩剪切强度为168.4MPa，电导率为6.089×10⁶S/m。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式九不同的是步骤四中升温至850℃，保温40min。其它步骤及参数与具体实施方式九相同。

采用具体实施方式九相同的测试方式得到，本实施方式的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的压缩剪切强度为203.3MPa，电导率为6.242×10⁶S/m。

本实施方式钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的背散射电子照片如图6所示，由图6可知接头完整致密，无裂纹等缺陷。焊缝由均匀分布的共晶组织和期间分布的深灰色AlCu₂Ti相及大块灰色相构成，陶瓷母材侧交互作用区较宽，其中交替分布着黑色的陶瓷母材组织、灰色相和白色相，铜母材侧的扩散区域较宽，其中分布着白色的点状银基固溶体析出相。

本实施方式钎焊得到的Ti₂AlC陶瓷和铜的连接件的接头的剪切断口形貌如图7所示，由图7可知，断口表面主要由平整的陶瓷组织和的附着在断口表面的白色组织构成。