CN110666284A - 一种高温设备及其应用纯铝钎料连接设备的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温设备及其应用纯铝钎料连接设备的应用，包括具有金属与金属或金属与陶瓷的接触表面的多个部件，其中这些表面通过由纯铝构成的钎焊接合。预期的设备包括但不限于点火器以及汽车和航空航天工业中的电子应用。

Description

一种高温设备及其应用纯铝钎料连接设备的应用

技术领域

本发明涉及高温设备技术领域，具体为一种高温设备及其应用纯铝钎料连接设备的应用。

背景技术

金属对金属和金属对陶瓷的连接是非常重要的技术需求。非金属与易受冲击的金属之间以及在它们之间的接合处都遇到困难。这些材料包括氧化物陶瓷，氮化物陶瓷，氮化硅，硅化钼，碳化硅以及各种氮化物，硼化物，氧氮化物，硼碳化物，碳氮化物，金刚石和其他常见的工程金属材料，包括铁，铝，镍，铬，镍，ha和钨以及稀土和过渡金属合金。许多工程陶瓷的实用性在很大程度上取决于能否成功加入它们。一种关键的应用是与天然气一起使用的点火器。其他关键应用还存在于电子设备中，尤其是在汽车和航天器中。

陶瓷的连接也被认为是替代具有复杂几何成分的大型产品的形状加工方法的可行替代技术。类似地，对于金属和非金属材料的复合物而言，期望这种陶瓷接合。设计人员越来越多地在需要良好连接工艺的机械加工操作中采用陶瓷金属刀片。

因此，陶瓷和其他非金属必须与金属零件良好结合。作为制造路线的一部分，连接可以为陶瓷组件的制造提供显着的优势，而对于制造陶瓷与金属的结合至关重要。

陶瓷自身或金属/复合材料的连接是一个困难的过程，需要严格的要求才能在使用过程中获得完美的完整性。对于高温情况，需要使用诸如硅化物，碳化硅和Si3N4（氮化硅）的组合陶瓷。还预期它们在高温下在腐蚀性环境中在压力下仍能生存。预计这些接头将承受严重的热，化学和电梯度。对于整个制造成本，连接过程应具有成本效益。连接过程也不应产生任何扭曲。钎焊是一种低温工艺，变形低。

该申请解决了与上述接合过程相关的众所周知的问题。已经提出了几种钎焊合金。例如，在800℃或更高的钎焊温度下，可以使用Ag-Cu-Ti填充金属，但是即使设计了钎焊合金，用这些钎焊实现的接头在氧化环境中也很难在400℃以上生存。在更高的温度下熔化。

增加接头耐火度的明显方法是使用更多的难熔填充金属或智能的三元和四元合金，从而提高了制造成本并破坏了材料的稳定性。理想的是一种接合工艺，该工艺允许在低温下接合，但产生的接头可以在更高的温度下持续使用。但是，钎焊合金很昂贵，经常需要使用银和其他昂贵的材料。

通常，选择低共熔合金来保持较低的钎焊温度。例如，包括银-铜，Au-Pd共晶成分，Pd-Ni和Ni-Cr的共晶合金都满足该标准。在这些填充金属中，只有Ni-Cr可以粗略地分类为活性金属钎焊。可以识别出几种商业钎焊金属，液态至固态的温度约为900°C。许多技术上重要的陶瓷，包括氮化硅以及硅和钼的碳化物，都不能被传统的填充金属很好地润湿。同样，铝化物很难润湿。然而，最近的发展导致了新一类的钎焊。这些活性金属钎料与陶瓷发生化学反应，在其表面上形成可湿性产品，因此不需要事先对陶瓷表面进行改性。但，基于Ag-Cu矩阵的常见活性钎焊可达到的使用温度较低。具有活性添加剂（例如Cr）的Ni钎焊已被视为耐火材料。氮化硅接头是通过使用市售的活性Au-Ni-V填充金属进行钎焊制成的。通常，用这种填充金属进行钎焊并不像使用Ag-Cu-Ti活性钎焊合金那样容易和直接。达到了有用的接头强度值±400MPa，并且在氩气环境下粘合时接头强度略有提高。惰性环境的使用和银的使用使钎焊操作成本高昂。需要替代方案。被认为是耐火材料的替代品。氮化硅接头是通过使用市售的活性Au-Ni-V填充金属进行钎焊制成的。通常，用这种填充金属进行钎焊并不像使用Ag-Cu-Ti活性钎焊合金那样容易和直接。达到了有用的接头强度值±400MPa，并且在氩气环境下粘合时接头强度略有提高。惰性环境的使用和银的使用使钎焊操作成本高昂。需要替代方案。被认为是耐火材料的替代品。氮化硅接头是通过使用市售的活性Au-Ni-V填充金属进行钎焊制成的。通常，用这种填充金属进行钎焊并不像使用Ag-Cu-Ti活性钎焊合金那样容易和直接。达到了有用的接头强度值±400MPa，并且在氩气环境下粘合时接头强度略有提高。惰性环境的使用和银的使用使钎焊操作成本高昂。需要替代方案。在氩气环境下粘接时，接头强度略有提高。惰性环境的使用和银的使用使钎焊操作成本高昂。需要替代方案。在氩气环境下粘接时，接头强度略有提高。惰性环境的使用和银的使用使钎焊操作成本高昂。

发明内容

本申请提出了在上述申请中使用的替代钎焊。已经发现，纯铝（Al）是一种有效的填料，它克服了先前提到的许多有问题的问题。即使铝在661°C熔化，也能实现显着，快速发展的粘结强度和使用温度，特别是当与碳化物，氧化物，氮化物和硅化物材料一起使用时。对于点火器，遇到了有效的高温测量方法，该点火器应在低温下钎焊和使用，但在高温下必须保持导电性和强度。这是一个特别严苛的应用，其中需要循环而几乎没有导电性损失。已经发现，当使用铝作为钎焊材料时，注意到这种性能。通过使用这种新的铝钎焊，可以节省大量能源并降低制造成本。传统上是分批工艺的钎焊可有效且容易地转变为连续工艺，因为与需要惰性气氛相反，这种钎焊可在空气或氮气气氛中使用。

附图说明

图1是具有多个部件的结构的整体视图实施例，这些部件通过纯铝钎焊连接在一起；

图2是具有多个部件的结构的剖视图实施例，该多个部件通过纯铝钎焊连接在一起，示出了部件之间的接合处的钎焊。

具体实施方式

近年来，特别是在需要高温使用的情况下，对涡轮机械，点火器，电子设备，结构件等的有效钎焊的使用和需求不断增长。天然气在汽车和家庭取暖中的使用日益增加，要求点火器的工作温度必须高于1000°C。申请人发现，用纯铝钎焊组装的点火器在温度，循环性和寿命方面表现出非常好的性能。

过去，由于低温和钎焊的高流动性，优选共晶或类似合金。但是，这是从纯粹的材料中学到的，因为钎焊需要特殊的保护气氛。但是，纯铝（甚至99％）的情况截然不同。氧化铝（薄层）可保护固态和液态铝免受氧化，特别是在将端子连接到加热器等受限条件下。与许多其他金属不同，纯铝受到其氧化物的良好保护。

这种点火器的实施例将包括由铁或某种其他金属制成的引线或触点。在这些引线之间将放置由诸如碳化硅或氮化硅之类的陶瓷组成的元件或细丝。通常，陶瓷的直径将比引线的直径小得多，但是陶瓷可以比引线大得多，或者由嵌入陶瓷或类似陶瓷的材料中的其他细丝组成。引线可以在最靠近陶瓷的一端挖空。纯铝或铝合金将被放置在空心以及陶瓷的末端。铝可以熔化以将陶瓷固定到引线上。在某些应用中，可以使用摩擦焊接来熔化铝，以均匀地施加钎焊。

当必须在钎焊炉中提供保护气氛时，会消耗大量能量。一些气氛是由助焊剂产生的，因为它们含有氯化物和氟化物，所以可能具有剧毒。当使用有气氛的炉子或清洁残留的助焊剂时，会降低生产率。如果仅使用纯铝而不使用助焊剂，则可以避免此类问题。铝的熔点低，并且在受到氧化保护时可以保持高流动性。当反应时，产物是导电的并且高熔点。因此，在受限的情况下以及使用箔片时，纯铝在钎焊应用中具有很高的生产率和较低的能耗是有效的。表1显示了反应性纯铝在许多含铁的材料中的行为，

一个实施例设想了在金属和非金属之间进行钎焊之前，将引燃器的引线附有箔片。这种点火器可用于气体点火或黑体应用。通常，将铅与商品级的Ag-Cu钎焊（例如，由俄亥俄州克利夫兰的MorganMorgan生产的材料的CuSil（商品名）的钎焊膏，粉末或箔）。申请人发现，用纯铝或铝合金制成的薄箔（20微米至200微米），可以钎焊，连接和润湿氮化硅以及上述的许多其他陶瓷，并且金属的完整性比用铝箔制成的金属更好。商业钎焊合金。

一种应用铝基钎料的方法是使用级联电子快速工艺（热等离子体），该工艺能够实现快速钎焊接头，因为铝钎料还可以具有多功能的功能梯度层。当将铝用作钎焊时，发现接头导电率保持在1300℃以上。例如，将要钎焊的物品和钎焊浸入包含离子的热等离子体羽流中（开放式等离子体）。所考虑的热等离子体方法和装置是美国专利No.5,235,641中公开的那些。于2017年5月9日发布的美国专利No.9,643,877，名称为“热等离子体处理方法”和美国专利申请No.2017年5月22日提交的美国专利申请第15/600,824号，其标题为“采用费米子和玻色子互为级数的方法和装置进行有益材料加工动力学的研究”，通过使用等离子浸没，在组装点火器或在其他预期的钎焊应用中，用铝钎焊不需要惰性气氛。这与正常的钎焊要求明显不同。但是，也可以使用离子，氮或氮-氢环境。当执行惰性气体要求的钎焊时，该过程可能需要花费数小时并需要封闭。当使用铝而仅使用空气或氮气时，仅使用10个零件，每小时就可以轻松制造100多个零件千瓦时的电能，而批量钎焊过程中需要超过500千瓦时的能量。铝制工艺允许连续运行。如上所述，就能耗而言，传统的基于炉的钎焊分批处理可能很昂贵。另外，由于高炉和设备成本，分批工艺通常效率低下且昂贵。批量钎焊的其他成本包括频繁的维护和专业工人的维修。可能需要额外的步骤，例如等离子清洁或冲裁零件，但铝基钎焊通常不需要。传统的炉钎焊通常是使用100-300kW的间歇式炉进行的。连续铝钎焊机的额定功率仅为15kW。300kW机器以10c/kWh的价格运行一小时的成本为30美元。一台15KW钎焊机的一小时电气运行成本约为1.50美元。在200天的时间里，这相当于144,000美元，而电力成本为7,200美元。

铝与氧化物，碳化物和氮化物良好配合的一个合理的原因是，有效地，铝将任何有害的界面相都容易还原为具有高温复合微结构的导电相。二氧化硅和/或铁铬氧化物易于还原以形成导电相和增强相。氮的存在可以提供额外的增强导电相。

看来铝能够迅速还原诸如二氧化硅或氧化铁的氧化物并产生导电的硅或铁相。如果使用氮气，则可能会产生下表1所示的氮化硅相。

这是一个显着的发明，因为在过去，人们认为铝的熔点太低而不能成为有效的钎料，并且因为钎料总是设计用于共晶所提供的流动性。但是，正如VGopalakrishna和JASekhar所展示的那样，在《铁-碳-硅合金I和II的热分析和流动性相关性》中，1987年美国铸造学会的交易，在某些情况下，纯净的材料也可以提供高流动性。在诸如点火和加热的应用中，电阻是关键因素，事实证明，使用纯铝作为钎焊是有效的。当受到电流作用时，接头结构（如点火器）中的纯铝钎焊比合金铝钎焊的电阻较小，因此加热和氧化较少。然而，也考虑使用高达纯铝的原子百分数的合金元素。

还考虑在处理或冷却期间使用蒸汽，蒸汽离子，氢，惰性气体和氮气以及它们的离子和组合。还考虑了氩气或其他惰性气体，氮氢混合物气体或氢或其他所需的还原性或氧化性气体。以这种方式制成的钎焊接头可以承受高达30-100℃的高温并且具有高的可循环性。还考虑了在食品和抗菌工业中用于连接目的的用途，特别是在纳米结构的保存在结构中可能变得重要的情况下。

预期设备的实施例在图1至图2中示出。图1和图2示出了高温结构10，其包括芯20，引线30和铜焊接头40。引线30通过钎焊接头40的钎材料固定在芯20中。引线可以由铁或上面背景技术部分中列出的其他合适的材料组成。芯20可以由金属或非金属组成，例如陶瓷（预期的陶瓷包括钼硅化物，碳化硅和Si3）。N4（氮化硅））或上面背景部分中也列出的其他材料。引线30可以成一直线放置在芯20中或并排放置。在该实施例中，引线30通过芯材料和钎焊材料彼此分开。当组装时，钎焊接头40最初可以由箔形式的纯铝钎焊材料组成。随后对该结构进行加热，使铝箔熔化，并用于铜焊接头40。熔化的热源可以是热等离子体或通过摩擦过程。也预期其他类型的钎焊材料和形式。

在操作中，电源（未示出）连接到引线30。电流流过引线30和芯20，从而加热结构10。芯材的电阻会产生热量，可用于点火，加热以及其他应用。

以上描述提供了本申请的可能实施例的细节的示例，并且不应被用来限制所有可能实施例的范围。因此，实施例的范围不应由给出的示例和描述限制，而应由权利要求及其合法等同物来确定。

Claims (10)

1.一种高温设备及其应用纯铝钎料连接设备的应用，其中包含多个组件，其中多个组件与纯铝制成的钎焊连接在一起。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个部件包括两个引线和芯，其中，所述芯被设计为接受所述引线插入到所述芯中，并且其中，所述两个引线通过由纯铝构成的钎焊连接到所述芯。

3.根据权利要求1所述的结构，其中，所使用的高温超过50°。

4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述结构还包括多功能且渐变的层。

5.根据权利要求2所述的结构，其中，所述结构是点火器。

6.根据权利要求1所述的结构，其中，所述结构是加热器。

7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个部件由选自金属，非金属和陶瓷的材料组成。

8.根据权利要求7所述的结构，其中，所述金属是铁。

9.根据权利要求7所述的结构，其中，所述陶瓷由选自碳化硅，氮化硅和硅化钼的材料构成。

10.一种用于在高温下使用的结构部件的连接方法，包括：将纯铝钎料放置在组件配合表面之间的接合处，并使组件和铜焊经受足以熔化纯铝钎料的温度。

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