RU2607299C1 - Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c - Google Patents

Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c Download PDF

Info

Publication number
RU2607299C1
RU2607299C1 RU2015140565A RU2015140565A RU2607299C1 RU 2607299 C1 RU2607299 C1 RU 2607299C1 RU 2015140565 A RU2015140565 A RU 2015140565A RU 2015140565 A RU2015140565 A RU 2015140565A RU 2607299 C1 RU2607299 C1 RU 2607299C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
sections
layer
nickel
medium
Prior art date
Application number
RU2015140565A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Викторович Каратаев
Владимир Борисович Освенский
Игорь Абрамович Драбкин
Александр Игоревич Сорокин
Леонид Петрович Небера
Михаил Геннадьевич Лаврентьев
Original Assignee
Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" filed Critical Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Priority to RU2015140565A priority Critical patent/RU2607299C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607299C1 publication Critical patent/RU2607299C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/008Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating pressure combined with radiant energy
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to thermoelectric energy conversion and can be used during manufacturing of thermoelectric composite thermoelement branches, meant for making electric power generators with high coefficient of conversion. Proposed method of making composite thermoelement branches connection sections of low-, medium- and high-temperature thermoelectric materials includes preliminary application of metal coatings on ends of joined sections, selected from: nickel, indium, iron, molybdenum, tungsten, forming binding layer between sections, installation of all sections in series at increasing operating temperature of butt joint so, that between low and medium temperature sections, as well as between medium- and high-temperature sections binding layers are formed of layer stack Ni/In/N. Assembled mold is placed in plant of spark plasma sintering and heated to temperature of 450–460 °C. It is kept at this temperature for 5–8 minutes at pressure of 3–5 Mpa, in vacuum, until dissolution of boundary part of nickel in molten indium. Then it is cooled to room temperature and isothermal annealing is made in electric furnace with controlled temperature in atmosphere containing 97 % of argon and 3 % of hydrogen, at temperature of 420±2 °C at pressure of 0.5–1.0 MPa for 6–10 hours to produce high-temperature intermetallic compound Ni2In3. After diffusion welding process mold is gradually cooled to room temperature.
EFFECT: technical result is reliable and strong connection of sections of composite thermoelement branches.
6 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии, в частности к производству термоэлектрических составных ветвей термоэлемента, предназначенных для изготовления генераторов электроэнергии с высоким коэффициентом преобразования.The invention relates to the field of thermoelectric energy conversion, in particular to the production of thermoelectric composite branches of a thermoelement intended for the manufacture of power generators with a high conversion coefficient.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) могут быть использованы в системах утилизации «бросового» тепла (объемы которого в мире составляют более 50% всей вырабатываемой энергии) как техногенного, так и природного происхождения. Так, например, преобразование тепла отходящего газа на мусоросжигающих заводах в электроэнергию бытового потребления может существенно снизить ее стоимость для потребителей. Для ТЭГ открываются широкие перспективы их использования на авто- и железнодорожном транспорте, в металлургических процессах, а также в космосе и т.д.Thermoelectric generators (TEG) can be used in systems for the utilization of "waste" heat (the volume of which in the world makes up more than 50% of all generated energy) of both technogenic and natural origin. For example, the conversion of waste gas heat from waste incineration plants into household electricity can significantly reduce its cost to consumers. Broad prospects for their use in road and rail transport, in metallurgical processes, as well as in space, etc. open up for TEGs.

Однако расширение областей использования термоэлектричества в современной энергетике сдерживается относительно малой величиной КПД, что связано с низкой добротностью генераторных термоэлектрических материалов (ZT), которая не всегда превышает единицу. Соответственно КПД ТЭГ не превышает ~5% для однокаскадных и ~8-10% для двухкаскадных модулей. Считается, что при КПД более 10% производство ТЭГ становится рентабельным, что приведет к существенному расширению масштаба их использования.However, the expansion of the fields of use of thermoelectricity in modern energy is constrained by a relatively small value of efficiency, which is associated with the low quality factor of thermoelectric materials (ZT), which does not always exceed unity. Accordingly, the TEG efficiency does not exceed ~ 5% for single-stage and ~ 8-10% for two-stage modules. It is believed that with an efficiency of more than 10%, TEG production becomes cost-effective, which will lead to a significant expansion in the scale of their use.

Ни один термоэлектрический материал не может использоваться в широком диапазоне температур, например, от комнатной до 900°C. Термоэлектрические материалы можно разделить на три группы: низкотемпературные (работающие до 250-300°C), где безальтернативными являются твердые растворы Bi2Te3-xSex и BiySb2-yTe3, среднетемпературные (для температур 300-600°C), среди которых выделяются PbTe, GeTe и сплавы на основе CoSb3, и высокотемпературные (600-1000°C), где на первый план выступают твердые растворы Ge-Si n- и p-типа, а также n-La3-xTe4 и p-Yb14MnSb11. До сих пор коммерческие ТЭГ изготавливают в основном из отдельных термоэлектрических материалов, которые работают в относительно узких диапазонах температур, где они обладают оптимальной эффективностью. Вместе с тем расчеты, которые подтверждаются практикой, показывают, что эффективность ТЭГ существенно повышается (до >10%), когда секции из низко-, средне- и высокотемпературных материалов с лучшими свойствами объединяются последовательно в составные ветви термоэлемента, работающие при большом перепаде температур.No thermoelectric material can be used in a wide temperature range, for example, from room temperature to 900 ° C. Thermoelectric materials can be divided into three groups: low temperature (operating up to 250-300 ° C), where Bi 2 Te 3-x Se x and Bi y Sb 2-y Te 3 solid solutions are non-alternative, medium temperature (for temperatures of 300-600 ° C), among which PbTe, GeTe and CoSb 3 -based alloys stand out, and high-temperature (600-1000 ° C), where n- and p-type solid solutions, as well as n-La 3-, come to the fore x Te 4 and p-Yb 14 MnSb 11 . Until now, commercial TEGs are mainly made from individual thermoelectric materials that operate in relatively narrow temperature ranges, where they have optimal efficiency. At the same time, the calculations, which are confirmed by practice, show that the efficiency of TEGs increases significantly (up to> 10%) when sections of low-, medium-, and high-temperature materials with better properties are combined sequentially into composite branches of a thermoelement operating at a large temperature difference.

Технической задачей данного изобретения является создание способа изготовления составной ветви термоэлемента, работающей в диапазоне температур: от комнатной до 900°C.The technical task of this invention is to provide a method for manufacturing a composite branch of a thermocouple operating in the temperature range: from room temperature to 900 ° C.

Помимо выбора термоэлектрических материалов с лучшими свойствами для секций, весьма важную роль играет процесс формирования составной ветви путем соединения секций между собой. Как правило, соединение секций из выбранных термоэлектрических материалов осуществляется через контактные слои, которые создаются нанесением на торцевые поверхности каждой из них металлических покрытий (например, W, Mo, Fe, Со, Ni и др.). Эти контактные слои способствуют в дальнейшем соединению секций друг с другом, а также с теплопереходами и электрическими проводами. При этом в зависимости от функциональных возможностей (например, совместимость по коэффициенту термического расширения (КТР), адгезионная способность, удельное электрическое сопротивление, антидиффузионные защитные свойства и т.д.) металлические покрытия могут быть однослойными и многослойными.In addition to choosing thermoelectric materials with the best properties for sections, the formation of a compound branch by connecting the sections together plays a very important role. As a rule, sections of selected thermoelectric materials are connected through contact layers, which are created by applying metal coatings to the end surfaces of each of them (for example, W, Mo, Fe, Co, Ni, etc.). These contact layers further facilitate the connection of the sections with each other, as well as with heat transfer and electrical wires. Moreover, depending on the functionality (for example, thermal expansion coefficient compatibility (KTP), adhesion ability, electrical resistivity, anti-diffusion protective properties, etc.), metal coatings can be single-layer and multi-layer.

В зависимости от источника тепла и особенностей поведения расплавленного связующего агента (припоя) известны две основные группы методов пайки и сварки, которые используются на практике для этих конкретных целей.Depending on the heat source and the behavior of the molten binding agent (solder), two main groups of soldering and welding methods are known that are used in practice for these specific purposes.

Известен способ соединения ветвей ТЭМ, где в качестве припоя для образования стыка PbTe n- и p-типа, например, с теплопереходами из Fe или Ni было выбрано соединение SnTe с присадкой 1% масс. Ti. Прочность такого соединения на сдвиг при 25°C составила для n-PbTe, в диапазоне 800-1800 psi (5,6-12,7 МПа). При этом металлизация на тестовых образцах теллурида свинца отсутствовала. Отчет NASA [A.L. Eiss, "Thermoelectric bonding study", NASA CR-369, January 1966].A known method of connecting the branches of TEM, where as a solder for the formation of the junction of n- and p-type PbTe, for example, with heat transitions from Fe or Ni, a SnTe compound with an additive of 1% of the mass was selected. Ti. The shear strength of such a compound at 25 ° C was for n-PbTe, in the range of 800-1800 psi (5.6-12.7 MPa). In this case, metallization on test samples of lead telluride was absent. NASA Report [A.L. Eiss, "Thermoelectric bonding study", NASA CR-369, January 1966].

Известен способ изготовления двухсоставных ветвей из секций PbTe и SiGe методом горячего прессования, где в качестве переходного металлического слоя выбран вольфрам, который рекомендуется для покрытия твердого раствора Si-Ge из-за близости коэффициентов термического расширения (КТР). Указанные термоэлектрические материалы представляют наибольший интерес для космических энергетических систем. Каждый из этих материалов показывает достаточно высокий КПД в своем рабочем диапазоне температур, а именно ~5-7% для PbTe в диапазоне температур 25-500°C и 500-900°C для SiGe. При этом особое внимание на уделяется подготовке поверхностей сочленяемых материалов. Соединение секций n-типа проводят при температуре 850-865°C, а секций p-типа при 840-850°C в атмосфере высокочистого Ar (содержание O2 не превышало 1,5 ppm) продолжительностью 25 мин. Данные о прочности такого соединения в работе отсутствуют (Патент США №3452423, HO1L 7/4, 7/16, опубл. 01.07.1969).A known method of manufacturing two-component branches from sections of PbTe and SiGe by hot pressing, where tungsten is selected as the transition metal layer, which is recommended for coating a Si-Ge solid solution due to the proximity of the thermal expansion coefficients (CTE). The indicated thermoelectric materials are of the greatest interest for space power systems. Each of these materials shows a rather high efficiency in its operating temperature range, namely ~ 5-7% for PbTe in the temperature range of 25-500 ° C and 500-900 ° C for SiGe. In this case, special attention is paid to the preparation of surfaces of articulated materials. The connection of the n-type sections is carried out at a temperature of 850-865 ° C, and the p-type sections at 840-850 ° C in an atmosphere of high-purity Ar (O 2 content did not exceed 1.5 ppm) for a duration of 25 minutes Data on the strength of such a compound are not available in the work (US Patent No. 3452423, HO1L 7/4, 7/16, publ. 07/01/1969).

К недостаткам такой технологии следует отнести использование горячего прессования для получения соединение на основе тугоплавкого металла, прочность которого не может конкурировать с соединением, полученным плазменным или ионно-плазменным напылением вольфрама. Кроме того, из-за большой разности КТР между W (~4,5⋅10-6°C-1) и PbTe (~18⋅10-6°C-1) на границе могут возникать микротрещины в процессе охлаждения после нагревания.The disadvantages of this technology include the use of hot pressing to obtain a compound based on a refractory metal, the strength of which cannot compete with a compound obtained by plasma or ion-plasma sputtering of tungsten. In addition, due to the large difference in the CTE between W (~ 4.5⋅10 -6 ° C -1 ) and PbTe (~ 18⋅10 -6 ° C -1 ) microcracks can occur at the boundary during cooling after heating.

Известен способ изготовления составных ветвей термоэлемента для работы в диапазоне температур 100-700°C горячим прессованием в графитовой пресс-форме с использованием графитовых пуансонов при температуре 500-550°C, в течение 1 ч в атмосфере Ar. Для ветви p-типа между секциями из скуттерудита, Zn4Sb3 и Bi0,4Sb1,6Te3, а также для ветви n-типа между секциями из CoSb3 и Bi2Te2,95Se0,05 в качестве металлического покрытия использовали Ti. При этом соединение секций на холодной стороне осуществляли пайкой низкотемпературным сплавом BiSn (рабочая температура ниже 138°C, которое образует очень не прочное паяное соединение, что, особенно, сказывается при термоциклировании), а на горячей стороне - среднетемпературным сплавом Cu22Ag56Zn17Sn5 (рабочая температура более 650°C). Было измерено удельное контактное сопротивление между теплопереходом из Nb и трехсоставными ветвями n- и p-типа, которое составило менее 5 мкОм⋅см2. На макете термоэлемента, состоящего из n-ветви (Bi2Te2,95Se0,05/CoSb3) и p-ветви (Bi0,4Sb1,6Te3/β-Zn4Sb3/CeFe4Sb12), был достигнут КПД, равный ~10% (Патент США №6673996, МПК H01L 35/04, опубл. 06.01.2004).A known method of manufacturing composite branches of a thermocouple for operation in the temperature range of 100-700 ° C by hot pressing in a graphite mold using graphite punches at a temperature of 500-550 ° C, for 1 h in an atmosphere of Ar. For the p-type branch between sections of scutterudite, Zn 4 Sb 3 and Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 , as well as for the n-type branch between sections of CoSb 3 and Bi 2 Te 2.95 Se 0.05 in Ti was used as a metal coating. In this case, the sections were joined on the cold side by brazing with a low-temperature BiSn alloy (operating temperature below 138 ° C, which forms a very unstable soldered joint, which is especially affected by thermal cycling), and on the hot side by medium-temperature alloy Cu 22 Ag 56 Zn 17 Sn 5 (operating temperature over 650 ° C). The specific contact resistance was measured between the heat transmission of Nb and threefold branches n- and p-type, which was less than 5 mkOm⋅sm 2. On the layout of a thermocouple consisting of an n-branch (Bi 2 Te 2.95 Se 0.05 / CoSb 3 ) and a p-branch (Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 / β-Zn 4 Sb 3 / CeFe 4 Sb 12 ), an efficiency of ~ 10% was achieved (US Patent No. 6,673,996, IPC H01L 35/04, published on January 6, 2004).

Соединение ветвей методом пайки не является надежным, так, при использовании припоя в виде фольги в процессе образования паяного соединения часть жидкого припоя выдавливается из зоны контактирования секций, а при использовании порошкового припоя паяное соединение получается пористым, в результате чего повышается контактное сопротивление.The connection of the branches by soldering is not reliable, for example, when using a solder in the form of a foil during the formation of a solder joint, part of the liquid solder is squeezed out of the contact zone of the sections, and when using a powder solder, the solder joint is porous, resulting in increased contact resistance.

Известен способ изготовления двухсоставных ветвей из низкотемпературного ТЭМ Bi2Te3 и среднетемпературного ТЭМ PbTe, в котором также применяется горячее прессование в пресс-форме из Мо. При этом в качестве средства для нивелирования разницы в коэффициентах линейного расширения предлагается вносить переходный слой между ТЭМ и защитным слоем Fe на горячей стороне PbTe, состоящий из порошковой смеси 25% масс. Fe (с размерами частиц -44 мкм) + 75% масс. PbTe (-400 мкм), а на холодной стороне Bi2Te3 - из порошковой смеси 90% масс. Fe + 10% масс. Bi2Te3. Если горячее прессование проводили в вакууме при температуре 600°C, то нагрузка составляла 7000 psi (49,2 МПа), продолжительность процесса 1 ч; а при температуре 500°C нагрузка - 6000 psi (42,2 МПа), продолжительность процесса 2 ч или более (Заявка США №2012/0103381, МПК H01L 35/30, опубл. 03.05.2012).A known method of manufacturing two-component branches of low-temperature TEM Bi 2 Te 3 and medium-temperature TEM PbTe, which also applies hot pressing in the mold from Mo. Moreover, as a means to level the difference in the linear expansion coefficients, it is proposed to introduce a transition layer between the TEM and the protective layer Fe on the hot side of PbTe, consisting of a powder mixture of 25 wt%. Fe (with a particle size of -44 μm) + 75% of the mass. PbTe (-400 μm), and on the cold side of Bi 2 Te 3 - from a powder mixture of 90% of the mass. Fe + 10% of the mass. Bi 2 Te 3 . If hot pressing was carried out in vacuum at a temperature of 600 ° C, then the load was 7000 psi (49.2 MPa), the duration of the process was 1 h; and at a temperature of 500 ° C the load is 6000 psi (42.2 MPa), the duration of the process is 2 hours or more (US Application No. 2012/0103381, IPC H01L 35/30, publ. 03.05.2012).

Однако образующиеся поры в процессе горячего прессования порошковой смеси также повышают контактное сопротивление, как и микротрещины, возникающие из-за различий коэффициентов линейного между ТЭМ и металлическим покрытием.However, the resulting pores during the hot pressing of the powder mixture also increase the contact resistance, as well as microcracks arising from differences in the linear coefficients between the TEM and the metal coating.

В патентной заявке США №2013/0152990, опубл. 20.07.2013 (МПК H01L 35/08) заявлен способ сборки односекционного термоэлектрического модуля с привлечением процесса взаимной диффузии при нагреве на стыках Ag/Sn/Ag, Ni/Sn/Ni и Cu/Sn/Cu, где в качестве низкоплавкого компонента олово. Соответствующие слои толщиной 1-10 мкм формируются либо с помощью гальванического или электролитического процессов, либо в процессах испарения и распыления в вакууме, а также химического осаждения из газовой фазы. При термокомпрессионной обработке (температура - 250-350°C, давление - 2 МПа, продолжительность процесса – 3-60 мин) на границе стыков образуются интерметаллические соединения: на месте стыка Ag/Sn/Ag формируется соединение Ag3Sn (Тпл=480°C), на месте стыка Ni/Sn/Ni могут образоваться три соединения Ni3Sn4пл=796°C), Ni3Sn2 (Tпл=1267°C) и NiSn (Тпл=1169°C), и, наконец, на месте стыка Cu/Sn/Cu - два соединения Cu6Sn5пл=415°C) и Cu3Sn (Тпл=640°C). Собранные после такой термокомпрессионной обработки термоэлектрические модули при помощи стыка Ag/Sn/Ag могут эксплуатироваться в диапазоне температур 232-480°C, при помощи стыка Ni/Sn/Ni - в диапазоне температур 232-796°C, и, наконец, при помощи стыка Cu/Sn/Cu - в диапазоне температур 232-415°C. Такая сборка генераторных модулей не пригодна для эксплуатации при температурах от комнатной до 900°C, так как выбор элементов для смежного стыка и режимы термокомпрессионной обработки выполнены для конкретных целей по созданию среднетемпературных источников тока.U.S. Patent Application No. 2013/0152990, publ. 07/20/2013 (IPC H01L 35/08) a method for assembling a single-section thermoelectric module using the process of mutual diffusion during heating at the joints Ag / Sn / Ag, Ni / Sn / Ni and Cu / Sn / Cu, where tin is a low-melting component, is declared. Corresponding layers with a thickness of 1-10 μm are formed either by galvanic or electrolytic processes, or in the processes of evaporation and spraying in vacuum, as well as chemical vapor deposition. During thermocompression treatment (temperature - 250-350 ° C, pressure - 2 MPa, duration of the process - 3-60 min), intermetallic compounds are formed at the interface: at the junction of the Ag / Sn / Ag compound Ag 3 Sn is formed (T PL = 480 ° C), at the junction of Ni / Sn / Ni, three compounds Ni 3 Sn 4 (T pl = 796 ° C), Ni 3 Sn 2 (T pl = 1267 ° C) and NiSn (T pl = 1169 ° C) can form ), and finally, at the junction of Cu / Sn / Cu - two compounds Cu 6 Sn 5 (T pl = 415 ° C) and Cu 3 Sn (T pl = 640 ° C). The thermoelectric modules assembled after such thermocompression processing using the Ag / Sn / Ag joint can be operated in the temperature range 232–480 ° C, with the Ni / Sn / Ni joint the temperature range is 232–796 ° C, and finally, using junction Cu / Sn / Cu - in the temperature range 232-415 ° C. Such an assembly of generator modules is not suitable for operation at temperatures from room temperature to 900 ° C, since the choice of elements for the adjacent joint and the modes of thermal compression processing are made for specific purposes of creating medium temperature current sources.

Известен способ диффузионной сварки для изготовления трех- и двухсегментных ветвей термоэлементов из секций n-(Bi2Te3)90(Bi2Se3)10 и p-(Bi2Te3)25(Sb2Te3)75, n- и p-PbTe и p-TAGS-85 (состав которого (GeTe)0,85(AgSbTe2)0,15) с использованием соединительных стыков Cu/In/Cu. Для этого предварительно на образцы халькогенидов Bi и Sb химическим способом наносили никелевое покрытие, а на образцы PbTe никель наносили электролитическим способом. В обоих случаях толщина слоя Ni составляла 6-7 мкм. На горячей стороне p-TAGS-85 создавали сначала контактный слой прессованием порошка Мо толщиной ~50 мкм, что обусловлено сильным взаимодействием между TAGS и Ni. Только после этого наносили электролитическим способом Ni толщиной 6-7 мкм. Затем на соединяемые поверхности электролитическим способом наносили слои Cu толщиной 8-9 мкм из кислотного раствора меди, на которые осаждали электролитический слой In толщиной 9-10 мкм из сульфатного раствора при плотности тока 10 мА/см2. Затем соединяемые секции скрепляли между собой с помощью хомутов, обеспечивающих нагрузку 3-4 МПа и хороший газо- и теплообмен в процессе оплавления низкотемпературного слоя In. Первоначально множественные соединения секций в ветвях термоэлемента происходили одновременно во время прохождения за 9-12 мин сборки на ленточно-протяжном механизме через печь, нагретую до температуры, превышающей Тпл(In)=156,6°C. После этого горячую сборку переносили в печь с атмосферой азота, нагретую до 200°C, на 14-20 ч для завершения процесса термодиффузии. На составных ветвях n-типа были измерены термоэлектрические свойства при температурах от комнатной до 200°C. Удельное контактное сопротивление на образцах n-PbTe по оценкам авторов работы составило менее 40 мкОм⋅см2. При этом замечено влияние на сопротивление толщины образца, которая в эксперименте была 1, 3 и 5 мм. Такое же влияние наблюдалось на величину коэффициента Зеебека (J. Sharp et al. "Electric Resistivity and Seebeck Coefficient of Segmented Thermoelements", International Conference on Thermoelectrics, 2006). Способ принят за прототип.A known method of diffusion welding for the manufacture of three- and two-segment branches of thermocouples from sections n- (Bi 2 Te 3 ) 90 (Bi 2 Se 3 ) 10 and p- (Bi 2 Te 3 ) 25 (Sb 2 Te 3 ) 75 , n- and p-PbTe and p-TAGS-85 (whose composition (GeTe) 0.85 (AgSbTe 2 ) 0.15 ) using Cu / In / Cu joints. For this, a nickel coating was preliminarily chemically applied to samples of Bi and Sb chalcogenides, and nickel was electrolytically applied to PbTe samples. In both cases, the thickness of the Ni layer was 6–7 μm. On the hot side of p-TAGS-85, a contact layer was first created by pressing Mo powder with a thickness of ~ 50 μm, which is due to the strong interaction between TAGS and Ni. Only after that was Ni electroplated 6–7 μm thick. Then, Cu layers 8–9 μm thick from an acidic copper solution were deposited onto the connected surfaces by electrolysis, onto which a 9–10 µm thick In electrolytic layer was deposited from a sulfate solution at a current density of 10 mA / cm 2 . Then, the sections to be joined were fastened together with clamps providing a load of 3-4 MPa and good gas and heat transfer during the melting of the low-temperature In layer. Initially, multiple connections of sections in the branches of the thermocouple occurred simultaneously during the passage for 9-12 minutes of assembly on a belt-pull mechanism through a furnace heated to a temperature exceeding Tm (In) = 156.6 ° C. After that, the hot assembly was transferred to a furnace with a nitrogen atmosphere heated to 200 ° C for 14–20 h to complete the thermal diffusion process. Thermoelectric properties were measured on n-type composite branches at temperatures from room temperature to 200 ° C. The specific contact resistance on n-PbTe samples was estimated by the authors of the work to be less than 40 μO⋅cm 2 . In this case, the influence on the resistance of the sample thickness, which in the experiment was 1, 3, and 5 mm, was noticed. The same effect was observed on the Seebeck coefficient (J. Sharp et al. "Electric Resistivity and Seebeck Coefficient of Segmented Thermoelements", International Conference on Thermoelectrics, 2006). The method adopted for the prototype.

Данный способ-прототип имеет ряд существенных недостатков: во-первых, составные ветви, соединенные между собой диффузионной сваркой с помощью системы металлических покрытий Cu/In/Cu, для работы при температурах до 900°C не пригодны, так как, согласно фазовой диаграмме Cu-In, максимальная температура интерметаллического соединения в этой системе ограничена ~600°C. Требуется подбор других систем для высокотемпературных стыков. Во-вторых, к недостаткам способа следует отнести использование Cu при металлизации секций из термоэлектрических материалов, потому что, несмотря на наличие антидифузионного защитного слоя Ni, быстро диффундирующие атомы Cu могут попадать (например, в результате поверхностной диффузии) в ТЭМ при высоких температурах и приводить к его деградации. Возможно, именно с этим связано достаточно высокие величины удельного контактного сопротивления.This prototype method has a number of significant drawbacks: firstly, the composite branches interconnected by diffusion welding using a Cu / In / Cu metal coating system are not suitable for operation at temperatures up to 900 ° C, since, according to the Cu phase diagram -In, the maximum temperature of the intermetallic compound in this system is limited to ~ 600 ° C. Selection of other systems for high temperature joints is required. Secondly, the disadvantages of the method include the use of Cu in the metallization of sections of thermoelectric materials, because, despite the presence of an anti-diffusion protective layer of Ni, rapidly diffusing Cu atoms can fall (for example, as a result of surface diffusion) into TEMs at high temperatures and cause to its degradation. Perhaps this is due to the relatively high values of specific contact resistance.

Как следует из анализа приведенных примеров, пайка является относительно быстрым технологическим процессом. При этом для соединения секций в составные ветви термоэлемента, а также для соединения ветвей с теплопереходами часто используются способы пайки горячим прессованием. Пайкой соединяются вместе относительно плоские и не очень плоские поверхности, потому что в процессе соединения секций припой при нагреве образует жидкую фазу, которая растекается по поверхности, заполняя неровности. Однако основным недостатком паяного соединения является то, что оно не может выдерживать более высоких температур, чем температура пайки после ее завершения. Жидкий припойный металл не достаточно реагирует с сочленяемыми материалами, что требует изменения его температуры плавления; однако он по-прежнему имеет ту же температуру плавления, как и раньше до пайки и паяное соединение на стыке будет расплавлено, если оно подвергается воздействию температуры, приближающейся к температуре пайки. Поэтому нужны другие более надежные способы соединения секций составных ветвей. В то же время разработчики Marlow Industries (США), а также авторы патентной заявки US 2013/0152990 (Тайвань), показали возможность получения сварных соединений между секциями составных ветвей термоэлемента диффузионной сваркой с промежуточным низкоплавким металлом.As follows from the analysis of the above examples, soldering is a relatively fast process. At the same time, hot-pressed brazing methods are often used to connect sections into composite branches of a thermocouple, as well as to connect branches with heat transitions. By soldering, relatively flat and not very flat surfaces are joined together, because during the joining of the sections, the solder forms a liquid phase during heating, which spreads over the surface, filling in irregularities. However, the main disadvantage of the solder joint is that it cannot withstand higher temperatures than the temperature of the solder after it is completed. Liquid solder metal does not sufficiently react with articulated materials, which requires a change in its melting point; however, it still has the same melting point as before before soldering and the solder joint at the junction will be melted if it is exposed to a temperature approaching the soldering temperature. Therefore, other more reliable methods of joining sections of compound branches are needed. At the same time, the developers of Marlow Industries (USA), as well as the authors of patent application US 2013/0152990 (Taiwan), showed the possibility of obtaining welded joints between sections of composite branches of a thermoelement by diffusion welding with an intermediate low-melting metal.

Техническим результатом изобретения является получение надежного и прочного соединения секций составной ветви термоэлемента, обеспечивающего работу ветви в диапазоне температур от комнатной до 900°C.The technical result of the invention is to obtain a reliable and durable connection of the sections of the composite branches of the thermocouple, ensuring the operation of the branches in the temperature range from room temperature to 900 ° C.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления составной ветви термоэлемента, работающей в интервале температур от комнатной до 900°C, соединением секций из низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов, включающий предварительное нанесение на торцы соединяемых секций металлических покрытий, образующих связующую прослойку между секциями, и последующую диффузионную сварку их под давлением и при нагреве, отличающийся тем, что качестве металлического покрытия выбраны металлы из группы: никель, индий, железо, молибден, вольфрам, перед процессом диффузионной сварки все секции последовательно по нарастанию рабочей температуры устанавливают встык в графитовую пресс-форму так, чтобы между низко- и среднетемпературной секциями, а также между средне- и высокотемпературными секциями образовались связующие прослойки из пакета слоев Ni/In/Ni, собранную пресс-форму помещают в установку искрового плазменного спекания и нагревают до температуры 450-460°C, выдерживают при этой температуре в течение 5-8 мин под давлением 3-5 МПа в вакууме до растворения приграничной части никеля в расплавленном индии, затем охлаждают до комнатной температуры, после чего осуществляют изотермический отжиг в в электропечи с регулируемой температурой в атмосфере, содержащей 97% аргона и 3% водорода, при температуре 420°C±2°C, под давлением 0,5-1,0 МПа, продолжительностью 6-10 ч до образования высокотемпературного интерметаллического соединения Ni2In3, и после завершения диффузионного процесса сварки пресс-форму плавно охлаждают до комнатной температуры, при этом в качестве секции из низкотемпературного термоэлектрического материала предпочтительно используют n-Bi2Te2,85Se0,15 и p-Bi0,4Sb1,6Te3, полученные методом горячей экструзии, на «горячий» торец которой наносят слой металлического никеля; в качестве секции из среднетемпературного термоэлектрического материала предпочтительно используют n-PbTe и p-GeTe, полученные методом горячего прессования, на торцы которой наносят сначала слой металлического железа или молибдена, а затем последовательно слои металлического никеля и индия, при этом соотношение толщины слоя никеля к толщине слоя индия составляет не менее 10:1, а толщина слоя индия не превышает 2,0 мкм; в качестве секции из высокотемпературного термоэлектрического материала предпочтительно используют наноструктурированный n-Si0,8Ge0,2 и p-Si0,8Ge0,2, полученные методом искрового плазменного спекания (ИПС); на «холодный» торец которой наносят сначала слой металлического вольфрама, а затем слой металлического никеля, при этом металлические слои на торцы секций наносят плазменным напылением.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a composite branch of a thermoelement operating in the temperature range from room temperature to 900 ° C, by joining sections of low, medium and high temperature thermoelectric materials, comprising pre-coating the ends of the joined sections of metal coatings forming a bonding layer between sections, and their subsequent diffusion welding under pressure and during heating, characterized in that the quality of the metal coating selected metals from the group: nickel, ind Before the diffusion welding process, all the sections are sequentially installed in the graphite mold so that the working temperature increases, so that between the low- and medium-temperature sections, as well as between the medium- and high-temperature sections, binder layers form a layer package Ni / In / Ni, the assembled mold is placed in a spark plasma sintering unit and heated to a temperature of 450-460 ° C, maintained at this temperature for 5-8 minutes under a pressure of 3-5 MPa in vacuum until dissolved the border part of nickel in molten indium, then it is cooled to room temperature, after which isothermal annealing is carried out in an electric furnace with temperature controlled in an atmosphere containing 97% argon and 3% hydrogen, at a temperature of 420 ° C ± 2 ° C, at a pressure of 0, 5-1.0 MPa, lasting 6-10 hours until the formation of the high-temperature intermetallic compound Ni 2 In 3 , and after completion of the diffusion welding process, the mold is smoothly cooled to room temperature, while as a section of low-temperature thermoelectric The tertiary material is preferably used n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 and p-Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 obtained by hot extrusion, on the "hot" end of which a layer of metallic nickel is applied; As a section of a medium-temperature thermoelectric material, n-PbTe and p-GeTe obtained by hot pressing are preferably used, on the ends of which are first applied a layer of metallic iron or molybdenum, and then successively layers of metallic nickel and indium, with the ratio of the thickness of the nickel layer to the thickness the indium layer is not less than 10: 1, and the thickness of the indium layer does not exceed 2.0 microns; as a section of high-temperature thermoelectric material, nanostructured n-Si 0.8 Ge 0.2 and p-Si 0.8 Ge 0.2 obtained by spark plasma sintering (IPS) are preferably used; on the “cold” end of which is first applied a layer of metallic tungsten, and then a layer of metallic nickel, while metal layers are applied by plasma spraying to the ends of the sections.

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

Процесс получения составных ветвей термоэлемента диффузионной сваркой со связующей "прослойкой между секциями из контактного металлического покрытия никеля (Ni) и низкоплавкого металла индия (In) протекает в две стадии: предварительная сварка секций методом искрового плазменного спекания (ИПС) и последующая диффузионная изотермическая обработка сварных спаев. При этом покрытия для ТЭМ, а слой In - роль низкоплавкого металла (Тпл=156,6°C), являющегося в расплавленном состоянии растворителем для Ni. Выбор никеля связан с его преимуществами перед другими металлами, так как он обладает высокими прочностными характеристиками, пластичностью в широком диапазоне температур, хорошей адгезионной способностью по отношению к большинству ТЭМ, антидиффузионными защитными свойствами и хорошей смачиваемостью различными припоями. В сочетании с никелем из ряда низкоплавких металлов Ga, In, Bi, Sn и Pb по разным причинам был выбран индий. На диаграмме фазового равновесия в системе In-Ni имеется несколько интерметаллических соединений (рис. 1). С индиевой стороны на диаграмме можно выделить две области. При температуре ниже 411°C можно ожидать кристаллизацию фазы In72Ni28, а выше 411°C - фазы In3Ni2, испытывающей при температуре выше 870°C перитектическое превращение с образованием δ-фазы с температурой плавления ~943°C. В связи с необходимостью расширения рабочего диапазона для ветви вплоть до 900°C рассматриваемая система является наиболее подходящей для нашего случая. На первой стадии диффузионной сварки (рис. 2) для ее реализации необходимо быстро перейти область образования низкотемпературного интерметаллического соединения (In72Ni28). Для этого используется метод искрового плазменного спекания (ИПС). В случае ИПС в объемах секций из ТЭМ и между смежными секциями выделяется тепло Джоуля за счет искровых разрядов, возникающих в импульсном режиме, что позволяет под небольшим давлением (3-5 МПа), без связующих добавок быстро нагреть секции ТЭМ до заданной температуры 450-460°C, превышающей температуру образования низкотемпературного интерметаллического соединения (In72Ni28). Тогда на границе In/Ni происходит растворение части приграничного твердого Ni и последующее насыщение им расплава In с образованием активных центров взаимодействия. После временной выдержки (5-8 мин), систему охлаждают до комнатной температуры. Снижение температуры вызывает переохлаждение насыщенного никелем жидкого In, что сопровождается формированием зародышей высокотемпературной интерметаллической фазы In3Ni2 на границе In/Ni. На второй стадии процесса пресс-форму с образцами переносят в электропечь камерного типа, нагретую до 420°C±2°C, т.е. уже ниже прежней температуры, но выше температуры образования In72Ni28, где в изотермических условиях: в атмосфере, содержащей 97% аргона и 3% водорода, при температуре 420°C±2°C, под давлением 0,5-1,0 МПа, продолжительностью 6-10 ч, продолжается диффузионный процесс роста зародышей за счет возрастания концентрации растворенного Ni с образованием выступов новой фазы, которые по мере роста срастаются между собой. При этом точно такой же процесс происходит одновременно на противоположной стороне границы Ni/In/Ni, что естественно убыстряет формирование сварного спая. В результате из зоны сварного спая исчезает свободный индий. Кроме того, на этой стадии происходит гомогенизация состава спая (ИМ фазы на рис. 2), т.е. приведение его в более равновесное состояние и снятие остаточных напряжений во всей конструкции. В конечном итоге возможно исчезновение явной границы резкого изменения свойств (прежде всего удельного контактного сопротивления), что характерно для традиционной пайки. Чтобы слои Ni не потеряли своих защитных свойств во время процесса, их толщина должна быть не менее десятикратной толщины слоя In, у которого она составляет ~2,0 мкм. Отличительной чертой такого способа сварки, является то, что жидкая фаза (в нашем случае индия) существует временно, а именно, только во время формирования сварного спая, и он не требует приложения высокого давления, флюсов и растворителей, в то же время позволяет получать надежные и прочные (без крупных пор, пустот и микротрещин) сварные соединения секций из различных термоэлектрических материалов в одном пакете. Кроме того, исключается возможность изменения свойств соединяемых материалов, повышается качество и надежность составных ветвей термоэлемента.The process of obtaining composite branches of a thermoelement by diffusion welding with a bonding layer between sections of contact metal coating of nickel (Ni) and low melting indium metal (In) proceeds in two stages: preliminary welding of sections by spark plasma sintering (IPS) and subsequent diffusion isothermal treatment of welded junctions In this case, the coatings are for TEM, and the In layer plays the role of a low-melting metal (T PL = 156.6 ° C), which is a solvent for Ni in the molten state. The choice of nickel is related to its advantages over for other metals, since it has high strength characteristics, ductility in a wide temperature range, good adhesion to most TEMs, anti-diffusion protective properties and good wettability with various solders.In combination with nickel from a number of low-melting metals Ga, In, Bi, For various reasons, Sn and Pb were chosen indium.In the phase equilibrium diagram in the In-Ni system, there are several intermetallic compounds (Fig. one). On the Indian side, two areas can be distinguished in the diagram. At temperatures below 411 ° C, crystallization of the In 72 Ni 28 phase can be expected, and above 411 ° C, the In 3 Ni 2 phase, which undergoes peritectic transformation at temperatures above 870 ° C with the formation of a δ phase with a melting point of ~ 943 ° C. Due to the need to expand the operating range for the branch up to 900 ° C, the system under consideration is the most suitable for our case. At the first stage of diffusion welding (Fig. 2), for its implementation it is necessary to quickly go over the region of formation of a low-temperature intermetallic compound (In 72 Ni 28 ). For this, the method of spark plasma sintering (IPS) is used. In the case of IPS, in the volume of sections from TEM and between adjacent sections, Joule heat is generated due to spark discharges that occur in a pulsed mode, which allows under small pressure (3-5 MPa), without binding additives, to quickly heat up TEM sections to a predetermined temperature of 450-460 ° C exceeding the temperature of formation of a low-temperature intermetallic compound (In 72 Ni 28 ). Then, at the In / Ni boundary, a part of the near-boundary solid Ni dissolves and its subsequent saturation with the In melt forms active interaction centers. After a temporary exposure (5-8 min), the system is cooled to room temperature. A decrease in temperature causes supercooling of liquid In saturated with nickel, which is accompanied by the formation of nuclei of the high-temperature intermetallic phase In 3 Ni 2 at the In / Ni interface. In the second stage of the process, the mold with the samples is transferred to a chamber-type electric furnace heated to 420 ° C ± 2 ° C, i.e. already lower than the previous temperature, but higher than the temperature of In 72 Ni 28 formation, where under isothermal conditions: in an atmosphere containing 97% argon and 3% hydrogen, at a temperature of 420 ° C ± 2 ° C, under a pressure of 0.5-1.0 MPa, lasting 6–10 h, the diffusion process of embryo growth continues due to an increase in the concentration of dissolved Ni with the formation of protrusions of a new phase, which grow together with each other. In this case, exactly the same process occurs simultaneously on the opposite side of the Ni / In / Ni interface, which naturally speeds up the formation of a weld joint. As a result, free indium disappears from the weld junction area. In addition, at this stage, the junction composition is homogenized (IM phase in Fig. 2), i.e. bringing it into a more equilibrium state and relieving residual stresses throughout the structure. In the end, the obvious boundary of a sharp change in properties (primarily the specific contact resistance) may disappear, which is typical for traditional soldering. So that the Ni layers do not lose their protective properties during the process, their thickness must be at least ten times the thickness of the In layer, in which it is ~ 2.0 μm. A distinctive feature of this welding method is that the liquid phase (indium in our case) exists temporarily, namely, only during the formation of the weld junction, and it does not require the use of high pressure, fluxes and solvents, while at the same time it allows to obtain reliable and durable (without large pores, voids and microcracks) welded joints of sections from various thermoelectric materials in one package. In addition, the possibility of changing the properties of the materials being joined is excluded, the quality and reliability of the composite branches of the thermocouple increases.

Пример осуществления способа.An example implementation of the method.

Для изготовления составной ветви электронного типа проводимости использовали следующее совместимое сочетание низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов, представленных по нарастанию рабочего интервала температуры: n-Bi2Te2,85Se0,15 (20-250°C) + n-PbTe(250-600°C)+n-Si0,8Ge0,2(600-900°C). В скобках указаны температуры холодной и горячей сторон, соответственно.The following compatible combination of low-, medium-, and high-temperature thermoelectric materials was used to fabricate a composite branch of the electronic type of conductivity, represented by the increase in the working temperature range: n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (20-250 ° C) + n- PbTe (250-600 ° C) + n-Si 0.8 Ge 0.2 (600-900 ° C). The brackets indicate the temperatures of the cold and hot sides, respectively.

Для низкотемпературной секции брали стержень из материала n-Bi2Te2,85Se0,15, изготовленный методом горячей экструзии, величина безразмерной эффективности которого ZTcp=0,75.For the low-temperature section, a core was taken from n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 material, manufactured by hot extrusion, the dimensionless efficiency of which ZT cp = 0.75.

Для среднетемпературной секции брали стержень из материала n-PbTe, полученный методом горячего прессования, ZTcp~1,05.For the medium temperature section, a core of n-PbTe material obtained by hot pressing was taken, ZT cp ~ 1.05.

Для высокотемпературной секции брали n-Si0,8Ge0,2, средняя величина безразмерной эффективности которого ZTcp=0,96.For the high-temperature section, n-Si 0.8 Ge 0.2 was taken, the average dimensionless efficiency of which ZT cp = 0.96.

Торцевые поверхности полученных образцов n-Bi2Te2,85Se0,15, n-PbTe и n-Si0,8Ge0,2 обрабатывали сначала алмазной пастой 14/10 для снятия наружного деформированного слоя, полировали на шлифовально-полировальном станке с использованием сначала карбидкремниевой бумаги с зернистостью Р2500, а затем пасты для матирования, после чего обезжиривали с помощью ацетона, изопропилового спирта и тщательно промывали деионизованной водой, а в конце подготовительной операции сушили под вакуумом.The end surfaces of the obtained samples of n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 , n-PbTe and n-Si 0.8 Ge 0.2 were first treated with diamond paste 14/10 to remove the outer deformed layer, polished on a grinding and polishing machine first using silicon carbide paper with a grit of P2500, and then matting paste, after which they were degreased with acetone, isopropyl alcohol and thoroughly washed with deionized water, and at the end of the preparatory operation they were dried under vacuum.

Затем на торцы каждой секции ТЭМ с учетом коэффициентов термического расширения (КТР) наносили методом плазменного напыления металлические слои:Then, on the ends of each TEM section, taking into account the thermal expansion coefficients (KTR), metal layers were applied by plasma spraying:

- для n-Bi2Te2,85Se0,15, У которого КТР=~(12-15)⋅10-6°C-1, использовали Ni (13,3⋅10-6°C-1);- for n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 , in which KTP = ~ (12-15) ⋅10 -6 ° C -1 , Ni (13.3⋅10 -6 ° C -1 ) was used;

- на поверхность торца n-PbTe (КТР=18⋅10-6°C-1) сначала наносили слой антидиффузионного барьера, в качестве которого использовали железо (КТР=(~15⋅10-6°C-1), так как атомы Ni диффундировали в объем теллурида свинца при температурах выше 400°C. Вместо железа в некоторых случаях можно использовать Мо (5-6⋅10-6°C-1);- on the surface of the end face of n-PbTe (KTP = 18⋅10 -6 ° C -1 ), a layer of the antidiffusion barrier was first applied, iron was used as it (KTP = (~ 15⋅10 -6 ° C -1 ), since the atoms Ni diffused into the volume of lead telluride at temperatures above 400 ° C. Instead of iron, in some cases, Mo can be used (5-6⋅10 -6 ° C -1 );

- для n-Si0,8Ge0,2 (КТР ~4,8⋅10-6°C-1) в качестве антидиффузионного металлического барьера использовали W (~4,5⋅10-6°С-1), на который осаждали никель.- for n-Si 0.8 Ge 0.2 (KTP ~ 4.8⋅10 -6 ° C -1 ), W (~ 4.5⋅10 -6 ° С -1 ) was used as the anti-diffusion metal barrier, which precipitated nickel.

Для нанесения металлических покрытий на подготовленные торцевые поверхности секций из ТЭМ использовали напыление с помощью низкотемпературнгой плазмы на плазмотроне УГНП-7/2025, так как этот метод позволял избежать деформации основы. Итак, на «горячую» сторону секции n-Bi2Te2,85Se0,15 плазменным напылением наносили слой Ni (рис. 2, поз. 1) толщиной ~15-20 мкм. Затем на обе стороны секции n-PbTe напыляли сначала буферные слои Fe (поз. 3) толщиной ~5,0 мкм, затем на них последовательно наносили слои Ni (поз. 1) толщиной ~15-20 мкм и In (поз. 2) толщиной ~2,0 мкм. Наконец, на «холодную» сторону секции n-Si0,8Ge0,2 напыляли сначала защитный слой W (поз. 4) толщиной ~5,0 мкм, а потом Ni (поз. 1) толщиной ~15-20 мкм. Контрольные оценки прочности металлических покрытий на разрыв при комнатной температуре проводили на образцах Ni/n-Bi2Te2,85Se0,15 и Ni/Fe/n-PbTe, а также Ni/W/n-Si0,8Ge0,2 с помощью стандартного динамометра типа ДНУ. Для этого вырезали образцы в виде столбиков сечением 4×4 мм2 и к поверхности Ni на образцах припаивали металлическую проволоку. Растягивающие нагрузки создавали винтовым механизмом, обеспечивающим продольное натяжение проволоки. Предельную прочность на разрыв фиксировали на динамометре в момент разрушения образца либо металлического покрытия. Результаты испытаний показали, что разрыв в основном происходил по материалу n-Bi2Te2,85Se0,15 и n-PbTe. Так, величина прочности на разрыв для n-Bi2Te2,85Se0,15 составила ~13-15 МПа, а для образца n-PbTe величина прочности на разрыв составила 12-14 МПа, в некоторых случаях наблюдался отрыв по слою. На образцах Ni/W/n-Si0,8Ge0,2 наблюдалось появление трещинообразования на границе контакта металлического слоя с ТЭМ при нагрузках 20-22 МПа.For deposition of metal coatings on the prepared end surfaces of sections from TEM, spraying was used using low-temperature plasma on a UGNP-7/2025 plasmatron, since this method made it possible to avoid warping of the base. So, on the “hot” side of the n-Bi 2 Te 2.85 Se section, a layer of Ni (Fig. 2, pos. 1) with a thickness of ~ 15–20 μm was deposited by 0.15 plasma spraying. Then, on both sides of the n-PbTe section, first, buffer layers of Fe (pos. 3) with a thickness of ~ 5.0 μm were sprayed, then successively deposited layers of Ni (pos. 1) with a thickness of ~ 15-20 μm and In (pos. 2) ~ 2.0 μm thick. Finally, on the “cold” side of the n-Si 0.8 Ge 0.2 section, a protective layer W (pos. 4) with a thickness of ~ 5.0 μm was first sprayed, and then Ni (pos. 1) with a thickness of ~ 15-20 microns. Control assessments of the tensile strength of metal coatings at room temperature were carried out on Ni / n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 and Ni / Fe / n-PbTe samples, as well as Ni / W / n-Si 0.8 Ge 0 , 2 using a standard dynamometer type DNU. To do this, samples were cut in the form of columns with a cross section of 4 × 4 mm 2 and a metal wire was soldered to the Ni surface on the samples. Tensile loads were created by a helical mechanism providing longitudinal tension of the wire. The ultimate tensile strength was fixed on a dynamometer at the time of destruction of the sample or metal coating. The test results showed that the gap mainly occurred on the material n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 and n-PbTe. Thus, the tensile strength for n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 was ~ 13-15 MPa, and for the n-PbTe sample, the tensile strength was 12-14 MPa, in some cases, separation was observed along the layer. On Ni / W / n-Si 0.8 Ge 0.2 samples, cracking was observed at the interface between the metal layer and the TEM at loads of 20-22 MPa.

Приготовленные секции с покрытиями загружали в графитовую пресс-форму с графитовыми пуансонами в последовательности, как представлено на рис. 2, и устанавливали на установку искрового плазменного спекания (ИПС) типа (SPS Syntex, Япония). Рабочую камеру установки вакуумировали до остаточного давления ~0,13 Па, после чего проводили процесс ИПС по заданной программе. При нагреве In плавился и на границе с Ni возникали активные центры взаимодействия с образованием новой интерметаллической фазы, т.е. происходило активное предварительное сочленение сваркой секций между собой. Через непродолжительный период времени (5 мин) пресс-форму охлаждали и переносили в электропечь камерного типа с регулируемой температурой. Рабочую камеру печи откачивали, а затем наполняли газовой смесью Ar(97%)+Н2(3%) под давлением 0,8⋅Рата и нагревали до температуры 415°C±5°C. Статическая нагрузка на образцы была небольшой и составляла ~0,5-1,0 МПа. В таком режиме протекала диффузионная изотермическая обработка сварных швов продолжительностью 8-10 ч с целью гомогенизации их состава путем рекристаллизации с образованием интерметаллической фазы (рис. 2, поз. ИМ). После окончания процесса отжига во избежание возникновения остаточных напряжений пресс-форму охлаждали до комнатной температуры со скоростью 1-2°C/мин.The prepared coated sections were loaded into a graphite mold with graphite punches in the sequence as shown in Fig. 2, and installed on the installation of spark plasma sintering (IPA) type (SPS Syntex, Japan). The working chamber of the installation was evacuated to a residual pressure of ~ 0.13 Pa, after which the IPA process was carried out according to a given program. Upon heating, In melted and active centers of interaction arose at the interface with Ni with the formation of a new intermetallic phase, i.e. there was an active preliminary articulation by welding sections between themselves. After a short period of time (5 min), the mold was cooled and transferred to a temperature-controlled chamber-type electric furnace. The working chamber of the furnace was pumped out, and then filled with a gas mixture of Ar (97%) + Н 2 (3%) under a pressure of 0.8 ⋅ P ata and heated to a temperature of 415 ° C ± 5 ° C. The static load on the samples was small and amounted to ~ 0.5-1.0 MPa. In this mode, diffusion isothermal treatment of welds lasting 8-10 hours was carried out in order to homogenize their composition by recrystallization with the formation of an intermetallic phase (Fig. 2, item IM). After the end of the annealing process, in order to avoid the occurrence of residual stresses, the mold was cooled to room temperature at a rate of 1-2 ° C / min.

В дальнейшем полученный трехсекционный образец разрезали на ветви сечением 4×4 мм2 и проводили оценку величины удельного контактного сопротивления путем сканирования потенциальным зондом по длине составной ветви. Затем проводили испытания по определению механической прочности сварных швов между секциями на разрыв. Полученные результаты испытаний в сопоставлении с прототипом представлены в таблице, откуда следует очевидное преимущество предлагаемого способа соединения секций в составные ветви термоэлемента. По оценкам специалистов предполагается, что для достижения КПД генератора, равного 14%, необходимо иметь на составных ветвях величину удельного контактного сопротивления не более ~1,0⋅10-5 Ом⋅см. Полученные заявленным способом величины близки к этому значению.Subsequently, the obtained three-sectional sample was cut into branches with a cross section of 4 × 4 mm 2 and the specific contact resistance was estimated by scanning with a potential probe along the length of the composite branch. Then, tests were carried out to determine the mechanical strength of the welds between the sections at break. The obtained test results in comparison with the prototype are presented in the table, which implies the obvious advantage of the proposed method of connecting sections into composite branches of the thermocouple. According to experts, it is assumed that in order to achieve a generator efficiency of 14%, it is necessary to have a specific contact resistance of no more than ~ 1.0⋅10 -5 Ohm⋅cm on composite branches. The values obtained by the claimed method are close to this value.

Пример 2.Example 2

Для изготовления составной ветви дырочного типа проводимости брали:For the manufacture of the composite branch of the hole type of conductivity was taken:

В качестве низкотемпературных термоэлектрических материалов p-Bi0,4Sb1,6Te3 (ZTcp=1,09), изготовленных методом горячей экструзии; среднетемпературных p-GeTe (ZTcp=1,27), полученных методом горячего прессования; высокотемпературных p-SiGe (ZTcp=0,70), созданных методом искрового плазменного спекания.As low-temperature thermoelectric materials p-Bi 0,4 Sb 1,6 Te 3 (ZT cp = 1,09), made by hot extrusion; medium temperature p-GeTe (ZT cp = 1.27) obtained by hot pressing; high-temperature p-SiGe (ZT cp = 0.70) created by spark plasma sintering.

Далее изготовление составной ветви осуществляли как в примере 1.Next, the manufacture of the composite branches was carried out as in example 1.

Результаты испытаний спаев на прочность и результаты измерения контактного сопротивления представлены в таблице 1.The results of tests of junctions for strength and the results of measuring contact resistance are presented in table 1.

Таким образом, заявленный способ позволяет получить надежные и прочные соединения секций составной ветви термоэлемента, обеспечивающего работу ветви в диапазоне температур от комнатной до 900°C.Thus, the claimed method allows to obtain reliable and durable connection sections of the composite branches of the thermocouple, providing the branch in the temperature range from room to 900 ° C.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (6)

1. Способ изготовления составной ветви термоэлемента соединением секций из низко-, средне- и высокотемпературных термоэлектрических материалов, включающий предварительное нанесение на торцы соединяемых секций металлических покрытий, образующих связующую прослойку между секциями, и последующую диффузионную сварку их под давлением и при нагреве, отличающийся тем, что в качестве металлического покрытия выбраны металлы из группы: никель, индий, железо, молибден, вольфрам, перед процессом диффузионной сварки все секции последовательно по нарастанию рабочей температуры устанавливают встык в графитовую пресс-форму так, чтобы между низко- и среднетемпературной секциями, а также между средне- и высокотемпературными секциями образовались связующие прослойки из пакета слоев Ni/In/Ni, собранную пресс-форму помещают в установку искрового плазменного спекания и нагревают до температуры 450-460°С, выдерживают при этой температуре в течение 5-8 мин под давлением 3-5 МПа, в вакууме, до растворения приграничной части никеля в расплавленном индии, затем охлаждают до комнатной температуры, после чего осуществляют изотермический отжиг в электропечи с регулируемой температурой в атмосфере, содержащей 97% аргона и 3% водорода, при температуре 420°С±2°С, под давлением 0,5-1,0 МПа, продолжительностью 6-10 ч до образования высокотемпературного интерметаллического соединения Ni2In3, и после завершения диффузионного процесса сварки пресс-форму плавно охлаждают до комнатной температуры.1. A method of manufacturing a composite branch of a thermocouple by joining sections of low, medium and high temperature thermoelectric materials, comprising pre-applying metal coatings on the ends of the joined sections to form a bonding layer between the sections, and subsequent diffusion welding them under pressure and when heated, characterized in that metals from the group are selected as a metal coating: nickel, indium, iron, molybdenum, tungsten, before the diffusion welding process, all sections are sequentially to increase the operating temperature, they are installed end-to-end in a graphite mold so that between the low and medium temperature sections, as well as between the medium and high temperature sections, binder layers from the Ni / In / Ni layer package are formed, the assembled mold is placed in a spark plasma sintering unit and heated to a temperature of 450-460 ° C, kept at this temperature for 5-8 minutes under a pressure of 3-5 MPa, in vacuum, to dissolve the border part of nickel in molten indium, then cooled to room temperature, after why carry out isothermal annealing in an electric furnace with a controlled temperature in the atmosphere containing 97% argon and 3% hydrogen, at a temperature of 420 ° C ± 2 ° C, under a pressure of 0.5-1.0 MPa, lasting 6-10 hours until formation high-temperature intermetallic compound Ni 2 In 3 , and after completion of the diffusion welding process, the mold is smoothly cooled to room temperature. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве секции из низкотемпературного термоэлектрического материала предпочтительно используют n-Bi2Te2,85Se0,15 и p-Bi0,4Sb1,6Te3, полученные методом горячей экструзии, на «горячий» торец которых наносят слой металлического никеля.2. The method according to p. 1, characterized in that as a section of a low-temperature thermoelectric material, n-Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 and p-Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 obtained by hot method are preferably used extrusion, on the "hot" end of which a layer of metallic nickel is applied. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве секции из среднетемпературного термоэлектрического материала предпочтительно используют n-PbTe и p-GeTe, полученные методом горячего прессования, на торец которых наносят сначала слой металлического железа или молибдена, а затем последовательно слои металлического никеля и индия.3. The method according to p. 1, characterized in that as a section of medium-temperature thermoelectric material, n-PbTe and p-GeTe obtained by hot pressing are preferably used, on the end of which is first applied a layer of metallic iron or molybdenum, and then successively layers of metallic nickel and indium. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве секции из высокотемпературного термоэлектрического материала предпочтительно используют наноструктурированный n-Si0,8Ge0,2 и p-Si0,8Ge0,2, полученные методом искрового плазменного спекания (ИПС), на «холодный» торец которых наносят сначала слой металлического вольфрама, а затем слой металлического никеля.4. The method according to p. 1, characterized in that the nanostructured n-Si 0.8 Ge 0.2 and p-Si 0.8 Ge 0.2 obtained by the method of spark plasma sintering are preferably used as a section of high-temperature thermoelectric material IPS), on the “cold” end of which they first apply a layer of metallic tungsten, and then a layer of metallic nickel. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что соотношение толщины слоя никеля к толщине слоя индия составляет не менее 10:1, при этом толщина слоя индия не превышает 2,0 мкм.5. The method according to p. 3, characterized in that the ratio of the thickness of the nickel layer to the thickness of the indium layer is not less than 10: 1, while the thickness of the indium layer does not exceed 2.0 microns. 6. Способ по любому из пп. 2, 3, 4, отличающийся тем, что металлические слои на торцы секций наносят плазменным напылением.6. The method according to any one of paragraphs. 2, 3, 4, characterized in that the metal layers on the ends of the sections are applied by plasma spraying.
RU2015140565A 2015-09-23 2015-09-23 Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c RU2607299C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015140565A RU2607299C1 (en) 2015-09-23 2015-09-23 Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015140565A RU2607299C1 (en) 2015-09-23 2015-09-23 Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2607299C1 true RU2607299C1 (en) 2017-01-10

Family

ID=58452742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015140565A RU2607299C1 (en) 2015-09-23 2015-09-23 Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2607299C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2758989C1 (en) * 2021-03-15 2021-11-08 Общество с открытой ответственностью "СмарТТЭК" Method for creating anti-diffusion barrier on surface of plates made of thermoelectric materials based on bismuth and antimony chalcogenides

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120103381A1 (en) * 2008-12-19 2012-05-03 BASF SE and Hi-Z Technology, Inc. Segmented thermoelectric module with bonded legs
US20120167937A1 (en) * 2010-12-29 2012-07-05 Yuan-Chang Fann Thermoelectric module and method of manufacturing the same
UA79960U (en) * 2012-10-29 2013-05-13 Институт Термоэлектричества Нан И Монмс Украины METHOD FOR MANUFACTURING THERMOELEMENT CONTAINING n-In4Se3
WO2013074967A1 (en) * 2011-11-17 2013-05-23 Gentherm Incorporated Thermoelectric devices with interface materials and methods of manufacturing the same
US20130152990A1 (en) * 2011-12-20 2013-06-20 Hong-Jen Lai Solid-liquid interdiffusion bonding structure of thermoelectric module and fabricating method thereof
US20130167896A1 (en) * 2011-12-30 2013-07-04 Industrial Technology Research Institute Thermoelectric module and method of fabricating the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120103381A1 (en) * 2008-12-19 2012-05-03 BASF SE and Hi-Z Technology, Inc. Segmented thermoelectric module with bonded legs
US20120167937A1 (en) * 2010-12-29 2012-07-05 Yuan-Chang Fann Thermoelectric module and method of manufacturing the same
WO2013074967A1 (en) * 2011-11-17 2013-05-23 Gentherm Incorporated Thermoelectric devices with interface materials and methods of manufacturing the same
US20130152990A1 (en) * 2011-12-20 2013-06-20 Hong-Jen Lai Solid-liquid interdiffusion bonding structure of thermoelectric module and fabricating method thereof
US20130167896A1 (en) * 2011-12-30 2013-07-04 Industrial Technology Research Institute Thermoelectric module and method of fabricating the same
UA79960U (en) * 2012-10-29 2013-05-13 Институт Термоэлектричества Нан И Монмс Украины METHOD FOR MANUFACTURING THERMOELEMENT CONTAINING n-In4Se3

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2758989C1 (en) * 2021-03-15 2021-11-08 Общество с открытой ответственностью "СмарТТЭК" Method for creating anti-diffusion barrier on surface of plates made of thermoelectric materials based on bismuth and antimony chalcogenides

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5386239B2 (en) Thermoelectric conversion module
Takaku et al. Development of Bi-base high-temperature Pb-free solders with second-phase dispersion: Thermodynamic calculation, microstructure, and interfacial reaction
US20160163948A1 (en) Thermoelectric Device Fabrication Using Direct Bonding
Lin et al. Study of diffusion barrier for solder/n-type Bi 2 Te 3 and bonding strength for p-and n-type thermoelectric modules
US10224472B2 (en) Thermoelectric power module
Lo et al. Interfacial reactions between diffusion barriers and thermoelectric materials under current stressing
Gu et al. Electromigration in line-type Cu/Sn-Bi/Cu solder joints
JP3245793B2 (en) Manufacturing method of thermoelectric conversion element
JP2001267642A (en) Method of manufacturing thermoelectric conversion module
Shi et al. Interfacial structure and stability in Ni/SKD/Ti/Ni skutterudite thermoelements
KR20000075805A (en) Thermoelectric element
CN103187519B (en) Electrothermal module and manufacture method thereof
Li et al. Interface evolution analysis of graded thermoelectric materials joined by low temperature sintering of nano-silver paste
US3481795A (en) Thermoelectric device including tin solder with particles of iron,cobalt or nickel
RU2607299C1 (en) Method of producing composite branch of thermoelement operating in range of temperatures from room to 900 °c
Jing et al. Interfacial reaction and shear strength of SnAgCu/Ni/Bi 2 Te 3-based TE materials during aging
JP7315377B2 (en) thermoelectric module
Chung et al. High-temperature Bi2Te3 thermoelectric generator fabricated using Cu nanoparticle paste bonding
US3037064A (en) Method and materials for obtaining low resistance bonds to thermoelectric bodies
CN105591019A (en) Thermoelectric element and thermoelectric module
RU2624615C1 (en) Manufacturing method of composite thermoelement branch
Kim et al. Influence of Electroless Ni-P and Pd-P Plating on the Bonding Strength of n-Type Bi-Te Thermoelements
JP6516949B1 (en) Method of manufacturing metal junction and metal junction, semiconductor device and waveguide
García-Cañadas et al. Preparation and characterisation of contacts for high temperature thermoelectric modules
JP2008034721A (en) Thermoelectric power generation element, and its manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20171128

QC41 Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20171128

Effective date: 20190125