CN101722380A - 高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料及其制备方法，它涉及颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料及其制备方法。本发明解决了高体积分数颗粒增强铝基复合材料钎焊性差以及现有焊接工艺下所得钎缝耐高温差、耐腐蚀性差的问题。本发明的自钎钎料为箔状，其成分由Cu、Si、Mg、Bi、La、Li和Al制成。本发明方法：一、称取原料；二、将原料制成合金圆棒；三、制成急冷态箔状钎料，退火。本发明制得的硬钎焊自钎钎料具有良好的钎焊性，并使钎缝具有耐高温、耐腐蚀的优点。

Description

高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料及其制备方法。

背景技术

高体积分数颗粒增强铝基复合材料以其低热膨胀系数、高热导率和低密度等优异性能，在航空航天光电控制系统精密零部件以及微电子封装器件的制造中有重要应用前景。但由于陶瓷增强相的体积百分比较大(一般大于50％)，材料的润湿性很差，造成此种材料的钎焊非常困难。

目前，钎焊普通低体积分数(一般低于20％)颗粒增强铝基复合材料基本上沿用钎焊铝合金的钎料或者将其表面金属化后再进行钎焊。但是，常规的铝合金钎料对钎焊高体积分数颗粒增强铝基复合材料并不适用，使其表面金属化后也会存在其他问题。高体积分数的SiCp/Al复合材料则更加难焊，这是由于：1.复合材料表面裸露着大量的SiC陶瓷增强相，它含有离子键与共价键，很难被金属键的金属钎料所润湿；2.铝合金基体氧化性很强，氧化膜的存在同样是钎焊的主要障碍；3.铝基复合材料钎焊面的焊前清理具有一定的难度，在用砂纸打磨时轻则表面清理不彻底，重则可使基体金属被过分磨蚀，SiC颗粒更加裸露，从而对钎料的润湿、铺展和扩散增加困难。有研究人员采用Zn-Al钎料超声波钎焊高体积分数颗粒增强铝基复合材料，但是钎料的熔点低，使钎缝耐高温性差，并且钎缝的耐腐蚀性差。

发明内容

本发明的目的是为了解决高体积分数颗粒增强铝基复合材料钎焊性差以及现有焊接工艺下所得钎缝耐高温、耐腐蚀性差的问题，而提供了高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料及其制备方法。

高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料为箔状，其成分按质量百分比由15％～26％Cu、4％～10％Si、0.5％～2％Mg、0.05％～0.1％Bi、0.01％～0.03％La、0.5％～1.0％Li和余量的Al制成。

本发明中高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按Cu占原料质量的15％～26％、Si占原料质量的4％～10％、Mg占原料质量的0.5％～2％、Bi占原料质量的0.05％～0.1％、La占原料质量的0.01％～0.03％、Li占原料质量的0.5％～1.0％和余量的Al(上述各元素之和为100％)的比例分别称取下述原料：纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Mg、Bi、La和Li单质金属；二、然后将步骤一称取的Al置于石墨坩埚中加热至720℃，待完全溶化后再加入步骤一称取的Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，保温15分钟，待加入的合金完全熔化后降温至650℃，保温5分钟，然后以依次加入步骤一称取的单质元素金属La、Mg、Li和Bi，然后静置保温5分钟，以50r/min速度搅拌1分钟，再静置保温5分钟，然后浇注到温度为250℃的模具中，制得合金圆棒；三、然后把合金圆棒在带冷却水的铜辊甩带机上制成的急冷态箔状钎料，急冷态箔状钎料经空气炉中400℃退火4小时；即得到高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料。

本发明所述硬钎焊自钎钎料中的Al元素是主要成分，其控制钎料整体熔化范围，并且复合材料的基体是铝合金，与其有很好的相容性，与其润湿结合形成焊缝。本发明所述硬钎焊自钎钎料中的Cu控制钎料的熔点，能扩散到复合材料基体中形成质量好的焊缝。本发明所述硬钎焊自钎钎料中的Si为界面活性元素，能减低钎料的表面张力，增加钎料的铺展能力；并且合金元素Si与陶瓷(如SiC)的结构比较接近，SiC颗粒充当共晶Si的异质形核基底，共晶Si在SiC表面优先形核长大，利于改善钎缝界面的结合质量。本发明所述硬钎焊自钎钎料中的Mg具有自钎作用，去除氧化膜。本发明所述硬钎焊自钎钎料中的Bi可降低钎料的表面张力，改善润湿性。本发明所述硬钎焊自钎钎料中的La可细化焊缝组织，提高强度和塑性。本发明所述硬钎焊自钎钎料中的Li可增强自钎作用。本发明所述硬钎焊自钎钎料各元素通过在钎焊过程中相互形成化合物、固溶体或共晶体，发挥其润湿作用。

本发明所述自钎钎料的固、液相线温度分别为525℃、540℃。本发明方法制得的自钎钎料，在钎焊高体积分数颗粒增强铝基复合材料过程中能很好地润湿SiC颗粒，焊前不需在复合材料被焊表面进行金属化处理，能和母材形成完全冶金结合的钎缝，具有良好的钎焊性，且具有耐高温、耐腐蚀的优点。

本发明所述的自钎钎料适合于钎焊高体积分数(30％～70％)颗粒增强铝基复合材料的自钎钎料。另外，此钎料也适于高体积分数颗粒增强铝基复合材料与可伐合金的硬钎焊。与锌基钎料铝基钎料相比，本发明所述自钎钎料得到钎缝的耐高温性和耐腐蚀性好。本发明方法使用的Al-Si、Al-Cu中间合金加快了Si、Cu在Al中的溶解，降低熔炼温度，减少了能源的消耗。

附图说明

图1为使用本专利发明的钎料直接钎焊复合材料的钎缝组织图。图2是具体实施方式八的焊接示意图，1表示母材，2表示具体实施方式八制备的自钎钎料。

具体实施方式：本实施方式中高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料，其特征在于高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料为箔状，其成分按质量百分比由15％～26％Cu、4％～10％Si、0.5％～2％Mg、0.05％～0.1％Bi、0.01％～0.03％La、0.5％～1.0％Li和余量的Al制成。

使用此钎料钎焊高体积百分数颗粒增强铝基复合材料料需在真空状态下进行，并且焊前复合材料的表面除清洗干净外，还需尽可能的光滑平整，经过研磨抛光，钎焊温度为550～570℃，真空度为10×10^-3Pa，施加一定压力。

本发明适用于体积分数高于30％，低于70％的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的成分按质量百分比由18％～22％Cu、5％～8％Si、1.0％～1.8％Mg、0.06％～0.08％Bi、0.015％～0.025％La、0.6％～0.8％Li和余量的Al制成。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的成分按质量百分比由20％Cu、6％Si、1.5％Mg、0.07％Bi、0.02％La、0.7％Li和71.71％Al制成。

具体实施方式四：本实施方式中高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按Cu占原料质量的15％～26％、Si占原料质量的4％～10％、Mg占原料质量的0.5％～2％、Bi占原料质量的0.05％～0.1％、La占原料质量的0.01％～0.03％、Li占原料质量的0.5％～1.0％及余量为Al的比例分别称取下述原料：纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Mg、Bi、La和Li单质金属；二、然后将步骤一称取的Al置于石墨坩埚中加热至720℃，待完全溶化后再加入步骤一称取的Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，保温15分钟，待加入的合金完全熔化后降温至650℃，保温5分钟，然后以依次加入步骤一称取的单质元素金属La、Mg、Li和Bi，然后静置保温5分钟，以50r/min速度搅拌1分钟，再静置保温5分钟，然后浇注到温度为250℃的模具中，制得合金圆棒；三、然后把合金圆棒在带冷却水的铜辊甩带机上制成急冷态箔状钎料，急冷态箔状钎料经空气炉中400℃退火4小时；即得到高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料。

本实施方式所述的纯铝的纯度为99.99％(质量)。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中按Cu占原料质量的18％～22％、Si占原料质量的5％～8％、Mg占原料质量的1.0％～1.8％、Bi占原料质量的0.06％～0.08％、La占原料质量的0.015％～0.025％、Li占原料质量的0.6％～0.8％及其余为Al的比例称取原料。其它步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中按Cu占原料质量的20％、Si占原料质量的6％、Mg占原料质量的1.5％、Bi占原料质量的0.07％、La占原料质量的0.02％、Li占原料质量的0.7％及Al占原料质量的71.71％的比例称取原料。其它步骤和参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四、五或六不同的是：步骤三中利用铜辊甩带机制成急冷态箔状钎料的厚为100～120μm。其它步骤和参数与具体实施方式四、五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式中高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按Cu占原料质量的23％、Si占原料质量的5％、Mg占原料质量的1.5％、Bi占原料质量的0.05％、La占原料质量的0.01％、Li占原料质量的0.5％及Al占原料质量的69.94％的比例分别称取下述原料：纯度为99.99％(质量)的Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Mg、Bi、La和Li单质金属；二、然后将步骤一称取的Al置于石墨坩埚中加热至720℃，待完全溶化后再加入步骤一称取的Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，保温15分钟，待加入的合金完全熔化后降温至650℃，保温5分钟，然后以依次加入步骤一称取的单质元素金属La、Mg、Li和Bi，然后静置保温5分钟，以50r/min速度搅拌1分钟，再静置保温5分钟，然后浇注到温度为250℃的模具中，制得直径为13mm合金圆棒；三、然后把合金圆棒在带冷却水的铜辊甩带机上制成厚为100～120μm及宽为12mm的急冷态箔状钎料，急冷态箔状钎料经空气炉中400℃退火4小时；即得到高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料。

通过本实施方式的方法能加工出箔状的钎料，使得钎料能在焊前预置于母材中间。在熔炼过程中使用的Al-Si及Al-Cu中间合金加快了Si、Cu在Al中的溶解，降低熔炼温度，减少了能源的消耗。

采用本实施方式制备的高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料焊接母材为55％SiCp/ZL101(SiC颗粒平均尺寸为40μm)，过程如下：将母材得连接面研磨抛光使其光滑平整，丙酮清洗后，将本实施方式制得钎料置于母材连接面之间(如图2所示)用夹具固定后置于真空炉内，待真空炉中的真空度达到3×10^-3Pa后开始升温，升温速率为20℃/min，在560℃下保温8min后随炉冷却后完成焊接。焊接得到的焊缝组织如图1所示，由图1可以看出钎缝组织致密，形成牢固的冶金结合，钎料具有良好的钎焊性。

Claims (7)

1.高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料，其特征在于高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料为箔状，其成分按质量百分比由15％～26％Cu、4％～10％Si、0.5％～2％Mg、0.05％～0.1％Bi、0.01％～0.03％La、0.5％～1.0％Li和余量的Al制成。

2.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料，其特征在于高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的成分按质量百分比由18％～22％Cu、5％～8％Si、1.0％～1.8％Mg、0.06％～0.08％Bi、0.015％～0.025％La、0.6％～0.8％Li和余量的Al制成。

3.根据权利要求1所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料，其特征在于高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的成分按质量百分比由20％Cu、6％Si、1.5％Mg、0.07％Bi、0.02％La、0.7％Li和71.71％Al制成。

4.如权利要求1所述高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的制备方法，其特征在于高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按Cu占原料质量的15％～26％、Si占原料质量的4％～10％、Mg占原料质量的0.5％～2％、Bi占原料质量的0.05％～0.1％、La占原料质量的0.01％～0.03％、Li占原料质量的0.5％～1.0％及余量为Al的比例分别称取下述原料：纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Mg、Bi、La和Li单质金属；二、然后将步骤一称取的Al置于石墨坩埚中加热至720℃，待完全溶化后再加入步骤一称取的Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金，保温15分钟，待加入的合金完全熔化后降温至650℃，保温5分钟，然后以依次加入步骤一称取的单质元素金属La、Mg、Li和Bi，然后静置保温5分钟，以50r/min速度搅拌1分钟，再静置保温5分钟，然后浇注到温度为250℃的模具中，制得合金圆棒；三、然后把合金圆棒在带冷却水的铜辊甩带机上制成急冷态箔状钎料，急冷态箔状钎料经空气炉中400℃退火4小时；即得到高体积分数颗粒增强铝基复合材料自钎钎料。

5.根据权利要求4所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的制备方法，其特征在于步骤一中按Cu占原料质量的18％～22％、Si占原料质量的5％～8％、Mg占原料质量的1.0％～1.8％、Bi占原料质量的0.06％～0.08％、La占原料质量的0.015％～0.025％、Li占原料质量的0.6％～0.8％及其余为Al的比例称取原料。

6.根据权利要求4所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的制备方法，其特征在于步骤一中按Cu占原料质量的20％、Si占原料质量的6％、Mg占原料质量的1.5％、Bi占原料质量的0.07％、La占原料质量的0.02％、Li占原料质量的0.7％及Al占原料质量的71.71％的比例称取原料。

7.根据权利要求4、5或6所述的高体积分数颗粒增强铝基复合材料硬钎焊自钎钎料的制备方法，其特征在于步骤三中利用铜辊甩带机制成急冷态箔状钎料的厚为100～120μm。

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