CN105237026A - 一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，焊料为非晶材料或非晶材料和增强相混合材料，外加热源为乙炔焰或氢氧焰、电弧、激光、电子束或通过热传导和热辐射熔化金属的电阻加热法，所述额外施加的物理场为超声波、磁场和电场中的一种或两种以上同时施加。本发明的优点是：该焊接方法通过额外施加的物理场，有效控制界面反应和强化液态金属流动，调控焊缝物质分布，调节焊接冶金过程，控制焊缝组织结构，消除焊缝缺陷，降低残余热应力，提高焊缝韧性，促进界面结合，提高焊接接头力学性能，减小物料的使用和降低环境污染，广泛应用于航空、航天、电子器件、燃料电池等领域。
Description
技术领域
本发明属于材料连接技术领域，特别是一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法。
背景技术
材料焊接和连接技术是将同种或异种物理、化学、力学性能不同的材料实现牢固的冶金结合的材料成型方法。母材金属仍然保持各自原有特性，比使用单一金属优越。材料的焊接与连接的受到普遍重视，结构材料包括特种陶瓷、金属及其复合材料等，陶瓷/陶瓷的焊接与连接在航空、航天、电子封装、燃料电池组装等中有着广泛应用。
陶瓷/陶瓷焊接与连接方法主要包括机械连接法、粘接法、表面活化连接、固态扩散焊法、氧化物玻璃连接法、瞬间液相法、反应连接等；陶瓷/金属的焊接与连接方法主要包括机械连接法、粘接法、表面活化连接、自蔓延高温合成连接、固态扩散焊法、瞬间液相法、前躯体连接法、氧化物玻璃连接法、反应连接法、高能束焊、摩擦焊等。各种方法各有优缺点，针对不同的需求，都有成功的案例，其中钎焊与扩散焊被认为是焊接与连接陶瓷/陶瓷的最佳方法，研究多、应用广、适用性强。需要解决的主要问题包括：中间层与母材的润湿和铺展、焊接接头的残余热应力、焊接接头的强度。
所使用的中间层一般有三类：金属及其合材料、陶瓷材料、氧化物玻璃等，其中：金属及其合金作为中间层连接陶瓷/陶瓷主要面临三类问题：陶瓷母材与中间层热膨胀系数通常相差较大，极易在结合界面处产生较大的残余热应力；需要气氛保护，一般需要在高真空或惰性气体保护下进行，对设备有较高要求；中间层在陶瓷表面润湿不足，通常需要加入Ti、V等活性元素；陶瓷作为中间层连接陶瓷/陶瓷实际是将陶瓷的烧结工艺应用于连接，主要是将陶瓷以浆料或者流延膜的形式涂覆到陶瓷端面形成中间层，在高温下烧结，实现连接；氧化物玻璃属于非晶，作为中间层连接陶瓷/陶瓷具有的优势在于：与陶瓷化学相容性较好；在陶瓷表面容易进行润湿和铺展；通过调节玻璃成分玻璃的性能在很大范围内可调，包括热膨胀系数、玻璃熔点等；焊接时不需要气氛保护。面临的主要问题是：在仅有温度场，非晶焊料无增强相时，焊缝易于存在裂纹、气孔等缺陷，玻璃脆性大，焊接接头力学性能不足。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，该方法采用多物理场耦合调控增强相均匀分布的焊料作为中间层，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，调控焊缝物质分布，调节焊接冶金过程，控制焊缝组织结构，以消除焊缝缺陷、降低残余热应力，提高焊缝韧性、促进界面结合，提高焊接接头力学性能。
本发明的技术方案：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤如下：
1)陶瓷待焊表面的清洗
将陶瓷的待焊表面去除油脂、污渍，用机械打磨法进行预处理，初步去除氧化膜，然后用超声波清洗仪进行清洗；
2)焊料的制备
焊料为非晶材料或非晶材料和增强相混合材料，将非晶材料或非晶材料和增强相混合材料放入球磨机中混合均匀，然后将混合粉末制成粉状、棒状、带状或膏状复合焊料；
3)陶瓷/陶瓷的连接
将焊料放置于陶瓷与陶瓷母材之间并用工装卡具完成装卡，，开启外加热源，对焊料和母材进行加热使结合处的焊料和焊料与母材接触处熔化为液态，同时对结合处额外施加物理场，焊缝完成后停止加热，待焊缝冷却后关闭额外物理场，得到复合焊缝组织的焊接接头，完成陶瓷-陶瓷的连接。
所述焊料中非晶材料为玻璃或非晶合金钎料，玻璃的形态为粉状或膏状，非晶合金钎料为Ni基非晶钎料、Ti基非晶钎料或Cu基非晶钎料，非晶钎料的形态为粉状、带状或膏状；增强相为碳化硅、氮化硅或碳，增强相的形态为颗粒、纤维或晶须；在非晶材料和增强相混合材料焊料中增强相的体积百分比为1-50％，余量为非晶材料。
所述外加热源为乙炔焰或氢氧焰、电弧、激光、电子束或通过热传导和热辐射熔化金属的电阻加热法。
所述额外施加的物理场为超声波、磁场和电场中的一种或两种以上同时施加，其中：超声波的振动频率为2×104-1×109Hz，工具头输出振幅为0.01-20μm，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，工作压力0.01-5.0MPa，超声波振动方向为横向或纵向；磁场为稳恒磁场或交变磁场，磁场强度为0.001-15T，交变磁场频率为0.01-10000Hz；电场为稳恒电场或交变电场，电场强度为0.001-100000A，交变电场频率为0.01-10000Hz。
本发明的优点是：
该陶瓷-陶瓷的连接方法通过额外施加的物理场，有效控制界面反应和强化液态金属流动、调控焊缝物质分布、调节焊接冶金过程、控制焊缝组织结构、消除焊缝缺陷、降低残余热应力、提高焊缝韧性、促进界面结合、提高焊接接头力学性能；此外，降低或避免钎剂使用，减少对人员的毒副作用以及对结合界面的不良影响，有利于节约能源、减小物料的使用和降低环境污染；陶瓷-陶瓷材料的连接广泛应用于航空、航天、电子器件、燃料电池等领域。
附图说明
图1是未添加增强相、未施加超声波，采用玻璃粉连接碳纤维增强的二氧化硅陶瓷即CfSiO2的组织图。
图2是未添加增强相、施加超声波，采用玻璃粉连接碳纤维增强的二氧化硅陶瓷即CfSiO2的组织图。
具体实施方式
实施例1：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤如下：
1)陶瓷待焊表面的清洗
将氧化铝陶瓷片和碳化硅陶瓷片的待焊表面去除油脂、污渍，用机械打磨法进行预处理，初步去除氧化膜，然后用超声波清洗仪进行清洗；
2)焊料的制备
焊料为玻璃粉和碳化硅晶须混合材料，其中碳化硅晶须的体积百分比为30％，将玻璃粉和碳化硅晶须混合材料放入球磨机中混合均匀，制成粉状焊料；
3)陶瓷/陶瓷的连接
将上述制备的复合焊料放置于陶瓷与陶瓷母材之间并用工装卡具完成装卡，开启电阻加热装置，对复合焊料和母材进行加热使结合处的复合焊料和复合焊料与母材接触处熔化为液态，同时对结合处额外施加磁场，磁场为稳恒磁场，磁场强度为0.2T，焊缝完成后停止加热，待焊缝冷却后关闭磁场，得到复合焊缝组织的焊接接头，完成陶瓷-陶瓷的连接。
图1是未添加增强相、未施加超声波，采用玻璃粉连接碳纤维增强的二氧化硅陶瓷即CfSiO2的组织图。图中表明：没有施加超声波，焊缝中有明显的缺陷，存在气孔、裂纹。焊缝力学性能差。
图2是未添加增强相、施加超声波，采用玻璃粉连接碳纤维增强的二氧化硅陶瓷即CfSiO2的组织图。图中表明：施加超声波，焊缝中缺陷明显减少，没有观察到明显的气孔、裂纹。焊缝力学性能提高。
实施例2：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：待焊的母材为氧化铝陶瓷片和氮化化硅陶瓷片。
未施加超声波和施加超声波的组织图与实施例1类同。
实施例3：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：在氧化铝陶瓷片和碳化硅陶瓷片之间使用的混合材料焊料中，增强相碳化硅的形态为颗粒。
未施加超声波和施加超声波的组织图与实施例1类同。
实施例4：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中使用乙炔焰加热取代电阻加热装置。
未施加超声波和施加超声波的组织图与实施例1类同。
实施例5：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：采用电弧加热，电弧方向与被焊母材之间一定倾斜角度，角度为45°。
未施加超声波和施加超声波的组织图与实施例1类同。
实施例6：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接过程中使用2000瓦的激光能量束加热。
未施加超声波和施加超声波的组织图与实施例1类同。
实施例7：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：额外施加的物理场为超声波，超声波的振动频率为2×104Hz，工具头输出振幅为6μm，超声波电源的输出功率为650W，工作压力2.0MPa，超声波振动方向为纵向。
实施例8：
一种多多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：额外施加的物理场为电场，电场为稳恒电场，电场强度为1500V。
实施例9：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：额外施加的物理场为同时施加磁场和电场，其中磁场为稳恒磁场，磁场强度为0.2T；电场为交变电场，电场强度为1500V，交变电场频率为1×104Hz。
实施例10：
一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：额外施加的物理场为同时施加超声波、磁场和电场，其中超声波的振动频率为2×104Hz，工具头输出振幅为6μm，超声波电源的输出功率为650kW，工作压力2.0MPa，超声波振动方向为横向；磁场为交变磁场，磁场强度为0.2T，交变磁场频率为1×104Hz；电场为稳恒电场，电场强度为1500V。
Claims (4)
1.一种多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，其特征在于采用热源熔化焊料或焊料和部分母材，同时额外施加物理场，步骤如下：
1)陶瓷待焊表面的清洗
将陶瓷的待焊表面去除油脂、污渍，用机械打磨法进行预处理，初步去除氧化膜，然后用超声波清洗仪进行清洗；
2)焊料的制备
焊料为非晶材料或非晶材料和增强相混合材料，将非晶材料或非晶材料和增强相混合材料放入球磨机中混合均匀，然后将混合粉末制成粉状、棒状、带状或膏状复合焊料；
3)陶瓷/陶瓷的连接
将焊料放置于陶瓷与陶瓷母材之间并用工装卡具完成装卡，，开启外加热源，对焊料和母材进行加热使结合处的焊料和焊料与母材接触处熔化为液态，同时对结合处额外施加物理场，焊缝完成后停止加热，待焊缝冷却后关闭额外物理场，得到复合焊缝组织的焊接接头，完成陶瓷-陶瓷的连接。
2.根据权利要求1所述多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，其特征在于：所述焊料中非晶材料为玻璃或非晶合金钎料，玻璃的形态为粉状或膏状，非晶合金钎料为Ni基非晶钎料、Ti基非晶钎料或Cu基非晶钎料，非晶钎料的形态为粉状、带状或膏状；增强相为碳化硅、氮化硅或碳，增强相的形态为颗粒、纤维或晶须；在非晶材料和增强相混合材料焊料中增强相的体积百分比为1-50％，余量为非晶材料。
3.根据权利要求1所述多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，其特征在于：所述外加热源为乙炔焰或氢氧焰、电弧、激光、电子束或通过热传导和热辐射熔化金属的电阻加热法。
4.根据权利要求1所述多物理场耦合调控中间焊料层的陶瓷/陶瓷连接方法，其特征在于：所述额外施加的物理场为超声波、磁场和电场中的一种或两种以上同时施加，其中：超声波的振动频率为2×104-1×109Hz，工具头输出振幅为0.01-20μm，超声波电源的输出功率为0.01-5kW，工作压力0.01-5.0MPa，超声波振动方向为横向或纵向；磁场为稳恒磁场或交变磁场，磁场强度为0.001-15T，交变磁场频率为0.01-10000Hz；电场为稳恒电场或交变电场，电场强度为0.001-100000A，交变电场频率为0.01-10000Hz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170620 Termination date: 20171112 |
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