降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法

摘要

降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法，它涉及陶瓷与金属钎焊连接方法。本发明要解决现有陶瓷与金属低温钎焊连接困难、钎焊接头残余应力大、只能在高温真空或保护气氛下完成钎焊过程等技术问题。方法：一、对陶瓷及金属的待焊部位进行表面清理，将钎料箔片置于陶瓷及金属待连接面之间或者将钎料块放置到陶瓷与金属搭接缝隙的边缘；二、超声钎焊，保温，降温，对焊接接头施加纵向压力，继续随炉冷却至室温。在大气条件下完成钎焊过程；钎焊温度低；所获陶瓷/金属钎焊接头接头残余应力水平低。

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷与金属钎焊连接方法。

背景技术

陶瓷，具有抗氧化性强，耐磨性能好，硬度高，热膨胀系数小，抗热震和耐化学腐蚀 以及等优良特性。因此，已经在石油、化工、机械、航天、核能、光学等领域具有广泛的 应用前景。为了充分发挥陶瓷的性能，因此需要焊接技术来实现陶瓷与金属的可靠连接。

钎焊是实现陶瓷与金属连接的一种很具有潜力的技术。而在钎焊连接过程中主要存在 两方面的问题——界面润湿结合和接头残余应力。对于界面润湿结合问题，在陶瓷与金属 的接头中，陶瓷一侧显得尤为突出，由于陶瓷与金属钎料在物理和化学性质方面差别巨大， 金属钎料对陶瓷的润湿比较困难，目前常采用活性钎焊技术-即在钎料中加入一定比例的 活性元素，通过活性元素与待焊陶瓷材料之间的化学反应来实现钎焊连接。常用Ti作为 活性元素，为了避免活性元素在大气中的损耗，活性金属钎料对陶瓷的润湿结合一般都在 真空或惰性气氛中完成，并且活性钎焊的温度相对较高，常用的AgCuTi活性钎料，钎焊 温度一般在850～1050℃，而采用一些其他活性钎料钎焊温度甚至高达1300℃以上，例如 Ni51Cr活性钎料。

对于接头残余应力问题，由于陶瓷与金属钎料的线膨胀系数(CTE)差距很大，钎焊接 头中会产生很大的残余应力，导致接头性能下降，不能使界面结合强度有效的发挥。特别 是大尺寸的构件，不仅不便于在真空室内完成钎焊，而且可能会出现焊后硬脆陶瓷直接开 裂。接头残余应力的大小取决于陶瓷、金属、钎料之间的热膨胀系数不配程度以及钎料完 全凝固温度至室温的温差。消除陶瓷/金属钎焊接头残余应力的办法有：一采用具有适中 线膨胀系数的钎料中间层；二降低钎料的凝固温度；三采用较软的钎料中间层。针对使 用于较低温度下的陶瓷/金属接头来说，降低钎料的凝固温度，是解决接头热残余应力问 题的一个有效办法。常规用于陶瓷/金属钎焊的钎料凝固温度相对较高，例如AgCuTi活 性钎料，其凝固温度在780℃左右，其他的活性钎料凝固温度更高。

针对陶瓷/金属接头的低温应用，从生产成本经济效益、节能减排等方面考虑，需要 考虑降低陶瓷/金属的钎焊温度以及改变大尺寸陶瓷构件的钎焊环境，并降低钎焊接头的 残余应力。因此，在大气条件下完成陶瓷/金属的低温钎焊连接并获得具有低残余应力的 钎焊接头具有重要的意义。

发明内容

本发明要解决现有陶瓷与金属低温钎焊连接困难、钎焊接头残余应力大、只能在高温 真空或保护气氛下完成钎焊过程等技术问题，提出一种降低陶瓷与金属接头残余应力的钎 焊方法。本发明在大气条件下陶瓷与金属钎焊连接方法，获得低残余应力接头。适用于常 温及低温条件下的陶瓷与金属需要连接的场合。

降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法是按下述步骤进行的：一、对陶瓷及金属的 待焊部位进行表面清理，将Al-Sn-Si-Zn钎料箔片置于陶瓷及金属待连接面之间或者将 Al-Sn-Si-Zn钎料块放置到陶瓷与金属搭接缝隙的边缘，得到待焊件；二、在超声频率为 20～100kHz、振幅为1～10μm、钎焊温度为600～620℃条件下对钎焊部分进行超声钎焊 4～30s，保温0～30min，然后随炉降温或空冷至300～500℃，对焊接接头施加0～100N的纵 向压力，继续随炉冷却至室温；即实现了降低陶瓷与金属接头残余应力。

本发明中采用两种焊接方式，预制钎料中间层和毛细填缝超声波钎焊。

本发明中钎料的成分为Al-(10～20wt.％)Sn-(6-10wt.％)Si-(4-10wt.％)Zn，钎料片的固相 线温度区间为198～227℃，液相线温度区间为540～580℃，具体温度由钎料成分决定。例 如Al-15Sn-8Si-4Zn钎料的固相线温度低至200℃以下，如图3所示。

本发明中Al-Sn-Si-Zn钎料，Al元素的作用是实现钎料对SiC以及TC4合金的润湿。 Sn元素的作用是降低钎料的凝固温度，Si元素的作用是降低钎料的熔点并抑制Al-SiC之 间的反应物Al₄C₃的生成，Zn元素的作用是强化Sn与Al的界面结合。

本发明中加压的目的是防止凝固过程中钎料内部出现缩孔。

本发明采用超声波辅助的方法实现了陶瓷/金属的钎焊连接；在大气条件下完成钎焊 过程；钎焊温度低，在580～620℃之间完成钎焊过程；所获陶瓷/金属钎焊接头接头残余 应力水平低，例如，采用Al12Si钎料连接SiC与TC4所获接头的残余应力最大值为 80～100MPa，焊后SiC陶瓷内部近界面处存在开裂现象。而同条件下采用Al-15Sn-8Si-4Zn 作为中间层时，接头残余应力最大值降低至10MPa左右，SiC陶瓷未开裂。

附图说明

图1是采用预置钎料中间层方法陶瓷/金属低温低应力超声波钎焊过程原理图；图 2是采用毛细填缝方法陶瓷/金属低温低应力超声波钎焊过程原理图；图3是 Al-15Sn-8Si-4Zn钎料的差热分析结果；图4是采用Al-15Sn-8Si-4Zn钎料作为中间层超声 波钎焊SiC陶瓷/TC4合金获得的接头焊缝微观结构一；图5是采用Al-Sn-Si-Zn钎料中间 层超声波钎焊SiC/TC4获得的接头焊缝微观结构二；图中1表示陶瓷，2表示超声波工具 头，3表示金属，4表示加热装置，5表示Al-Sn-Si-Zn钎料箔片，6表示Al-Sn-Si-Zn钎料 块。

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：本实施方式中降低陶瓷与金属接头残余应力的钎焊方法是按下述步 骤进行的：一、对陶瓷及金属的待焊部位进行表面清理，将Al-Sn-Si-Zn钎料箔片置于陶 瓷及金属待连接面之间或者将Al-Sn-Si-Zn钎料块放置到陶瓷与金属搭接缝隙的边缘，得 到待焊件；二、在超声频率为20～100kHz、振幅为1～10μm、钎焊温度为600～620℃条件 下对钎焊部分进行超声钎焊4～30s，保温0～30min，然后随炉降温或空冷至300～500℃， 对焊接接头施加0～100N的纵向压力，继续随炉冷却至室温；即实现了降低陶瓷与金属接 头残余应力。

接头剪切强度能够达到70～80MPa。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述陶瓷为SiC、 Al₂O₃、Si₃N₄或TiC。其它步骤和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或二不同的是：步骤一所述金属为 TC4或不锈钢。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：Al-Sn-Si-Zn钎 料箔片的成分按重量百分比由10％～20％的Sn、6％～10％的Si、4％～10％Zn和余量的Al 组成，厚度为100～500μm。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

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：步骤二所述超声 频率为50～80kHz。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

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：步骤二所述振幅 为2～8μm。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二所述振幅 为5μm。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

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：步骤二所述钎焊 温度为610℃。其它步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二所述超声 钎焊时间为10～20s。其它步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：结合图1进行说明，大气条件下实现陶瓷/金属接头低应力的低温钎焊方法 按以下步骤实现：一对陶瓷(SiC陶瓷)及金属(TC4合金)待焊部位进行表面清理， 将Al-Sn-Si-Zn钎料箔片填充到陶瓷与金属的待连接面之间；二，加热至钎料完全熔化， 施加频率为20kHz、振幅为10μm的超声波，随后保温20min，随炉降温至300℃，对待 焊面施加纵向压力100N，继续随炉冷却至室温。

本实施方式中所获焊缝组织为层状。本实施方式中采用预置钎料中间层超声波钎焊。

本实施方式中所获接头微观组织结构形貌如图4所示。

试验二：结合图2进行说明，大气条件下实现陶瓷/金属接头低应力的低温钎焊方法 按以下步骤实现：一对陶瓷(SiC陶瓷)及金属(TC4合金)待焊部位进行表面清理， 将Al-Sn-Si-Zn钎料块放置到陶瓷与金属搭接缝隙的边缘；二，加热至钎料完全熔化，施 加频率为20kHz、振幅为20μm的超声波，随后保温30min，空冷至450℃，对待焊面施 加纵向压力50N，继续随炉冷却至室温。

本实施方式中所获焊缝组织为织状。

本实施方式中采用毛细填缝超声波钎焊。

本实施方式中所获接头微观组织结构形貌如图5所示。