CN1061283C - 提高陶瓷/金属钎焊接头强度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高陶瓷/金属钎焊界面焊后强度、抗震抗力的方法。在陶瓷与金属的焊接界面之间加入一层金属Mo网，通过对钎料的网状分割作用，使得钎料在结合界面上的大尺寸凝固收缩，变成了许多小熔区的独立凝固收缩，在相邻小网孔之间产生了反向应力互消的作用，从而使得整个结合面上的残余应力大幅度降低，通过对两种不同的钎料的实验，加金属Mo网后，其焊后强度均提高了50%以上，经700℃抗震处理(淬水)，剩余强度也分别提高180%和130%。

Description

提高陶瓷/金属钎焊接头强度的方法

本发明涉及一种提高陶瓷/金属连接接头强度的方法。

陶瓷与金属的连接是目前高技术领域中一项关键技术，在航天航空、原子能、电力、化工、电子、电真空、机械、军事等重要领域中均有广阔的应用前景。但由于两者之间的膨胀系数相差很大，以及钎料在凝固时的收缩，焊接后造成结合界面上很大的残余应力，这种残余应力的危害是非常严重的，往往造接合界面上的强度大大降低，甚至在陶瓷中产生宏观裂纹和断裂，并且随着接合面尺寸的增大，残余应力的累加也随之增大，这就成为异种材料大面积焊接的难点之一，也是陶瓷与金属作为结构件连接迈向实用化，工业化的最大障碍之一。目前国内外有关降低异相界面钎焊残余应力有以下研究方法：

1．选用膨胀系数相近的材料进行连结，这受到使用需要的限制。

2．在连接面之间加入一层或数层膨胀系数逐渐过渡的金属薄片，形成梯度型复合界面，这种方法仍受材料的限制，同时每加一层中间板需加两面钎料，工艺复杂，由此带来的负面影响随之增大。

3．在钎焊面之间加入一层软性金属片，通过软性金属的塑性变形来缓解残余应力，但这种方法不能满足对接合面的强度要求和使用温度的要求，受到很大限制。

4．低温钎焊。用低温钎料或低温工艺进行钎焊，这同样受到使用要求的极大限制。

因此，有效地降低异种材料接合部位的残余应力，提高连接强度具有重大的应用价值和理论价值。

本发明的目的在于提出一种提高陶瓷/金属钎焊接头强度的方法，能够降低陶瓷与金属钎焊界面间的残余应力，提高钎焊界面的结合强度、热震抗力、并减小因结合面尺寸增大而引起的强度降低的现象(尺寸效应)，具有方法简单、高效，不影响对连结件使用性能的要求的特点。

图1是陶瓷与金属之间加金属网的焊接组示意图，其中1是被焊金属，2是金属网，3是钎焊，4是陶瓷。图2是不加金属网时，钎焊界面在陶瓷一侧中残余应力分布及大小的示意图。其中纵坐标代表残余应力值用6表示。横坐标是界面位置。图3是加金属网后，界面残余应力在陶瓷一侧中的分布及大小示意图。其中a、b、c是相邻两个网孔的边界位置。

该图的纵坐标代表残余应力值，用6表示。横坐标代表网孔位置。

本发明的方法是：

一、在陶瓷与金属焊接界面之间加入一层其熔点高于钎料熔点的金属网和单面钎料；

条件：(A)金属网的熔点要高于钎料的熔点。如Mo；W等；

(B)网丝直径为0.1毫米～0.18毫米；

二、钎料应放置在近陶瓷-侧，金属网放置在近金属一侧；

三、在组装好的试样上施加0.05MPa的压力，然后放入真空炉中进行高温钎焊，具体要求如下：

参照图2，在钎焊金属与陶瓷时，如果不加一层金属网，则整个焊接面由于钎料在凝固时的整体收缩则在结合面的边缘部位产生很大的拉应力。随着焊接尺寸的增大，在界面边缘处的残余应力也随之增大。

参照图3，当在陶瓷与金属界面之间加入一层金属网后，金属网就起到固相骨架的作用，将熔化的钎焊分割成n个小熔区。经钎焊完成后，钎料在凝固时，就由不加网的大面积整体收缩变成了许多小熔区的独立凝固收缩，由于相邻小熔区凝固收缩方向相反，因而在相邻的网孔之间产生了反向拉应力，从而产生了收缩应力相消的作用。同时，由于金属网的加入，实际的凝固区被分割、细化，因此每个小熔区边界的残余拉应力幅值也变小。相邻网孔间的应力经叠加后，在整个钎焊面上就大大降低。

实施例1研究了钎焊组件Al₂O₃/Ni-Ti/Nb与Al₂O₃/Ni-Ti(加金属Mo网)/Nb的结合性能。

(1)材料准备及焊接工艺

陶瓷用纯度为99％Al₂O₃粉加1％的MgO在1760℃烧成。Nb的纯度为大于99％。钎料为Ni51Ti49(原子比)。焊接前，陶瓷与金属接合部均经过砂纸逐级抛光。组合方式与图1相同，钎料经反复轧制并退火，最终磨至约0.3mm的薄片。

将组合好的试样放入真空炉中进行钎焊，真空度为2～3×10^-3Pa，焊接温度为1270℃～1330℃，保温时间20min，样品随炉冷却至室温。

金属网用Mo丝交叉编织作成，Mo丝直径为0.1～0.18mm，平均网孔面积约为0.64mm²。

(2)性能试验：

ⅰ所有样品作结合面的剪切性能试验

ⅱ热震试验分别在250℃，400℃，550℃，700℃加热，均保温15min，然后淬入20℃的水中。

ⅲ尺寸效应试验结合面直径D=5mm～13mm。

(3)试验结果

ⅰAl₂O₃/Ni-Ti(加金属Mo网)/Nb的焊后强度提高了50％以上。

ⅱ加网的抗震抗力均高于不加网的热震抗力并随着热震温度的升高，强度差就越大。如700℃抗震抗力提高了180％以上。

ⅲ尺寸效应加网后，随着钎焊面尺寸的增大，强度的降低变的很小，而不加网者，随着钎焊面尺寸的增大强度急速下降。如焊接面直径D=13mm时，加网的焊接强度提高了100％以上。

实施例2研究了钎焊组件Al₂O₃/Cu-Ni-Ti(加金属Mo网)/Nb与Al₂O₃/Cu-Ni-Ti/Nb的结合性能。

(1)材料准备与工艺

Cu-Ni-Ti的成份：Cu：52.6wt％，Ni：22.5wt％，Ti：24.9wt％

将熔炼好的Cu-Ni-Ti钎焊锭材用线切割方法切成0.4mm的薄片，然后磨至0.3mm(或用Cu-Ni-Ti粉涂于陶瓷焊接表面)，在组装好的试样上施加0.05MPa的外压，然后放入真空炉中进行钎焊，真空度为2～3×10^{- 3}Pa，焊接温度为1200℃，保温时间20min，焊好后样品随炉冷却至室温。金属Mo网应放置在近金属一侧，钎焊放置在近陶瓷一侧，Mo丝直径为0.12mm，网孔平均面积为0.64mm²。

(2)性能试验

ⅰ将焊好的试样装入剪切模具之中，作结合面的剪切强度，对比焊后剪切强度。

ⅱ抗震抗力分别在250℃，400℃，550℃，700℃加热，保温15min，然后淬入20℃的水中，然后作剪切强度试验。

ⅲ尺寸效应试验分别作结合面直径D=3mm～12mm不同试样的剪切性能。

(3)试验结果

ⅰ Al₂O₃/Cu-Ni-Ti(加金属Mo网)/Nb的焊后强度提高了60％。

ⅱ抗震抗力(400℃～700℃，淬水)，提高了50～130％。

ⅲ当结合面尺寸D=7mm时，接头强度提高了100％以上。

Claims (3)

1．提高陶瓷/金属钎焊接头强度的方法，其特征在于，在陶瓷与金属焊接界面之间加入一层其熔点高于钎料熔点的金属网和单面钎料，钎料应放置在近陶瓷一侧，金属网放置在近金属一侧，然后将其放入真空炉中进行高温钎焊。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的金属网的网丝直径为0.1毫米～0.18毫米。

3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的加入金属网的陶瓷/金属组件在放入真空炉时可以施加0.05MPa左右的压力。

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