CN107827476A - 一种陶瓷钎料及其钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷钎料，包括Al基箔片，所述Al基箔片两侧镀覆有Al内层和Ni外层双层薄膜。镀膜Al箔钎料克服了Al钎料表面难以避免的Al2O3对钎焊的阻碍，实现了Al液对陶瓷的直接接触，获得了Al对陶瓷的无界面反应过渡层直接钎焊的接头。

Description

一种陶瓷钎料及其钎焊方法

技术领域

本发明涉及一种高稳定性陶瓷的钎焊材料及其钎焊方法。

背景技术

Al₂O₃和AlN等工程陶瓷具有高强度和高的热稳定性，绝缘性、介电性，以及耐蚀性等许多优异的性能，在现代工业和高科技领域得到越来越多的应用，并展示出广阔的前景。由于难以直接加工，工程上经常需要将陶瓷相互或与金属进行连接，而钎焊则是实现这些连接最主要和最重要的方法。作为钎料的金属或者合金熔液能够润湿陶瓷是实现对陶瓷钎焊的前提。但是，包括现有作为陶瓷钎料的Cu、Ag，Ni等在内的绝大多数金属和合金的熔液都不能润湿主要的工程陶瓷。

针对该问题，目前工程上主要采用了两种方法，一种是在如Al₂O₃等陶瓷表面烧结或者镀覆能与陶瓷产生反应的活性金属层，如Mo、W等，以形成反应过渡层的表面改性方法，从而通过金属熔液对反应过渡层的的润湿实现陶瓷的钎焊连接。另一种则是将活性金属如Ti，V，Cr等加入到钎料中的活性钎料方法，通过钎料熔液中的活性金属与陶瓷的反应在钎缝金属与陶瓷的界面形成反应过渡层，进而实现金属对陶瓷的润湿和连接。

然而，无论采用表面改性方法还是活性钎料方法，所获得的陶瓷钎焊接头都不可避免地在钎缝金属与陶瓷的界面存在由于活性金属与陶瓷反应而生成的反应过渡层，而反应过渡层的存在常会对接头性能产生许多不利的影响。例如，Cu和AlN陶瓷的钎焊接头热疲劳性能就因超过1000℃的钎焊时界面所产生的CuAlO₂而明显降低。因此，现代陶瓷加工中急需一种能够通过金属直接钎焊陶瓷而不在接头中产生反应过渡层的技术。

专利200910092748.8公开了一种通过热浸镀在陶瓷表面镀覆一层微米级厚的Al或Al合金薄膜进而实现陶瓷之间或陶瓷与金属钎焊连接的方法，但是采用该方法对AlN和Al在670～820℃钎焊所得接头的强度仍不够理想。最近，专利201610009353.7和201610008279.7分别公开了一种采用物理气相沉积技术在Al₂O₃和AlN陶瓷表面直接沉积Al或Al合金薄膜作为钎料的方法，实现了对这两种陶瓷的无界面过渡层直接钎焊，并获得了约160MPa的高剪切强度。但是，由于该技术中的Al或Al合金钎料采用了物理气相沉积的方法，需要将整个被钎焊的陶瓷体都放入到真空腔体内，不但工序复杂，也显著增加了成本。而且对于一些复杂形状的陶瓷工件，也难以实现将薄膜钎料沉积于待钎焊面。

发明内容

本发明的目的是为克服上述问题，提出一种陶瓷钎料，包括Al基箔片，所述Al基箔片两侧镀覆有Al内层和Ni外层双层薄膜，其中，Al内层厚度一般为0.3-10μm。通过将这种镀膜Al箔钎料夹在两陶瓷的待钎焊面并施加压紧力后进行钎焊，以得到由Al或Al合金直接钎焊陶瓷并且没有界面反应过渡层的高强度钎焊接头。

进一步的，所述Al基箔片优选为纯Al箔片或Al合金箔片，其厚度一般为30-200μm。

更进一步的，所述Al合金箔片优选为Al-Ni、Al-Cu、Al-Si、Al-Ge、 Al-Ag合金。

值得注意的是，本发明能够钎焊的陶瓷是不与Al产生化学反应的Al2O3、ZrO2、AlN、TiN、ZrN等稳定性高的陶瓷。或者是虽然可与Al 产生化学反应，但在900℃以下反应不剧烈的Si3N4、TiO2等稳定性较高的陶瓷。

需要指出的是，在钎焊过程中，钎焊作业不需要在真空或气体保护的条件下进行，也不需要添加任何的钎焊剂。钎焊时加热的温度范围一般选用为高于镀膜Al箔钎料合金熔化温度20～250℃。

附图说明

图1为本发明未镀膜Al箔钎料和镀膜Al箔钎料变化的示意图。

图2为本发明镀Ni/Al双层薄膜Al箔钎料钎焊AlN所获Al-1％Ni钎缝接头的围观图像。

图3为本发明镀Ni/Al双层薄膜Al箔钎料钎焊AlN接头剪切强度随钎焊温度的变化。

图4为本发明镀Ni/Al双层薄膜Al箔钎料分别在680℃、760℃、800℃、 840℃下钎焊AlN所获Al-1％Ni接头剪切断口的光学显微镜照片。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示，进一步阐述上述技术方案的运用过程。

如图所示的一种钎焊陶瓷的方法包括如下步骤：

镀膜Al箔钎料：

将Al箔进行清洗以除去其表面的油污及污染物，采用溅射镀膜的方法在Al箔表面沉积由Al层和Ni层组成的双层薄膜，Al层的厚度为 2μm，Ni层的厚度为0.2μm，由此获得的镀膜Al箔钎料的结构可参见图1。

升温钎焊：

将镀膜Al箔钎料夹在两AlN陶瓷片之间，在陶瓷片上放置重物以对样品施加约为1000Pa的压强，在非真空和不施加钎剂的条件下对压紧的试样进行680-880℃不同温度的钎焊，钎焊的保温时间为30min，焊后试样随炉冷却，获得钎缝为Al-1％Ni合金的钎焊接头。

如图可知，680℃所获钎焊接头的剪切强度为79MPa，断裂完全发生在钎缝金属与陶瓷的界面。760℃所获钎焊接头的剪切强度为108MPa，断裂既发生在钎缝金属与陶瓷的界面，也发生在钎缝金属之中。800℃所获钎焊接头的剪切强度为128MPa，断裂主要发生在钎缝金属之中，但仍有小部分发生于钎缝金属与陶瓷的界面。840℃以上所获钎焊接头的剪切强度为146MPa，断裂完全发生在钎缝金属之中。

效果说明

如图1所示，本发明提供的镀膜Al箔钎料克服了Al钎料表面难以避免的Al2O3对钎焊的阻碍，实现了Al液对陶瓷的直接接触，获得了Al对陶瓷的无界面反应过渡层直接钎焊的接头。

图1通过镀了Ni/Al双层薄膜的Al箔钎料和未镀膜Al箔钎料的比较，说明镀膜Al箔钎料去除Al箔原表面Al2O3膜而实现钎焊过程。在图 1中，未镀Ni/Al双层薄膜的Al箔钎料在外压下紧贴陶瓷，其表面的 Al₂O₃膜与陶瓷紧密接触。由于Al2O3的热膨胀系数仅为Al的约三分之一，脆性的Al₂O₃膜虽然在加热过程开裂，但直至Al箔熔化后，流动的 Al液也不能将这些破碎的固态Al2O3膜完全从界面推开，它们中的大部分仍然阻隔在Al液和陶瓷之间。

对于镀了Ni/Al双层薄膜的Al箔钎料来说，原Al箔表面的Al2O3膜已被Ni/Al双层薄膜所掩埋，Al箔钎料熔化后，被掩埋的Al2O3膜开裂、破碎，并被卷入到合金液中。镀膜Al箔表面Ni层所形成的NiO膜则因与 Al液发生Al+NiO→Al2O3+Ni的反应而分解，Al-Ni合金液实现了对AlN 的直接接触，并形成Al-Ni合金对AlN陶瓷的无界面反应过渡层直接钎焊。

本发明可用于多种不同合金含量的Al基钎料，包括纯Al和Al-Ni， Al-Cu，Al-Si，Al-Ge，Al-Ag等二元合金，以及由这些合金元素共同添加，或者再加入少量其他元素组成的三元甚至多元合金。并且，合金的含量可以通过双层薄膜中合金元素表面层的成分和厚度方便、准确地实现控制。

由于本发明提供的镀膜Al箔钎料具有自行去除表面氧化膜的功能，钎焊可以在非真空和非气体保护的条件下进行，并且不需要任何钎焊剂。

本发明可对大面积的AlN陶瓷进行平面钎焊，并获得很高的焊透率。

由本发明获得的钎焊接头，在Al或Al合金钎缝与陶瓷间不产生任何由界面反应形成的化合物过渡层，如图2所示，钎焊接头的性能可得到显著提高，如强度和韧性。

本发明提供的提高钎焊温度至高达钎料熔化温度以上250℃的升温钎焊方法还可使钎焊接头的强度得到显著提高，如图3所示。

如图4所示，Ni/Al双层薄膜钎焊AlN接头剪切强度随钎焊温度的变化显示，对于由镀膜Al钎料熔化后获得的含1％Ni的Al钎料钎焊接头，随着钎焊温度的提高，接头的剪切强度可由680℃的79MPa显著提高到 840℃的146MPa，相应地，钎焊接头的断裂方式从680℃钎焊的钎缝金属与陶瓷界面逐步转移至钎缝金属之中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种陶瓷钎料，包括Al基箔片，其特征在于，所述Al基箔片两侧镀覆有Al内层和Ni外层双层薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷钎料，其特征在于，所述Al基箔片为纯Al箔片或Al合金箔片。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷钎料，其特征在于，所述Al合金箔片为Al-Ni、Al-Cu、Al-Si、Al-Ge、Al-Ag合金。

4.一种运用权利要求1所述钎料钎焊陶瓷的方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤，

1)钎料制作，首先在Al基箔片的两表面分别通过物理气化沉积由Al内层、Ni外层组成的薄膜，将其作为钎料；

2)焊接成型，将所述钎料装夹在两陶瓷的待钎焊面，施加压紧力后在500-5000Pa的压强进下行钎焊，。

5.根据权利要求4所述的一种陶瓷的钎焊方法，其特征在于，基底箔片表面薄膜的沉积方法为真空蒸发镀膜、溅射镀膜或离子镀膜。