陶瓷與Invar合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種釬焊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料以自身良好的耐熱，高強(qiáng)度，耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)防、能源、航空航天、機(jī)械、石化、冶金、電子等行業(yè)，各種特殊環(huán)境下獲得了重視，并且有著良好的應(yīng)用前景，也成為了目前許多國(guó)家科研領(lǐng)域的焦點(diǎn)，得到了大量人力物力的投入。
[0003]在眾多透波陶瓷材料中，氮化物系陶瓷材料(如多孔Si3N4陶瓷)具有尺寸穩(wěn)定性好、承載能力強(qiáng)、抗熱震性好等一系列突出優(yōu)異的性能，從而成為符合高速巡航導(dǎo)彈天線罩標(biāo)準(zhǔn)的理想材料，近幾十年來，各國(guó)科研人員在這一領(lǐng)域投入了大量的人力和物理并且開展了廣泛的研究。金屬的塑韌性均優(yōu)于陶瓷材料，但其高溫性能、硬度及耐腐蝕等性能要遜于陶瓷材料。而且實(shí)際工程中也迫切地需要解決陶瓷和金屬的連接問題，從而有效發(fā)揮陶瓷及金屬各自的優(yōu)勢(shì)，獲得綜合性能良好的零部件。近些年來，Si3N4陶瓷和金屬的連接問題成為眾多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。
[0004]天線罩開口一側(cè)端面需與導(dǎo)彈彈體金屬材料進(jìn)行可靠有效的連接，才能滿足實(shí)際的工程應(yīng)用。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，在天線罩開口側(cè)端部放置一個(gè)連接環(huán)，天線罩與導(dǎo)彈彈體分別與連接環(huán)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)天線罩罩體與彈體的有效連接。陶瓷材料制備的天線罩往往需要與低膨脹合金材料制備的彈體進(jìn)行連接，其中常用的低膨脹系數(shù)的合金材料為Invar合金，其在室溫下熱膨脹系數(shù)僅為1.6 X 10—6°C—1，對(duì)多孔Si3N4陶瓷與Invar連接問題的研究具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。但是多孔Si3N4陶瓷與Invar合金的連接鮮有相關(guān)報(bào)道。
[0005]釬焊過程中Invar合金熱膨脹系數(shù)隨著溫度升高會(huì)有明顯的變化，因此在釬焊冷卻過程中會(huì)在陶瓷與金屬界面上形成較大的殘余熱應(yīng)力，較大的熱應(yīng)力能夠明顯降低接頭強(qiáng)度，甚至產(chǎn)生顯微裂紋，另一方面Ti元素較為活潑能與Invar合金發(fā)生相互作用生成Fe-Ti以及N1-Ti相等脆性化合物，從而對(duì)接頭強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為了解決Invar合金在釬焊冷卻過程中會(huì)在陶瓷與金屬界面上形成較大的殘余熱應(yīng)力，降低接頭強(qiáng)度的技術(shù)問題，提供了一種釬焊多孔Si3N4陶瓷與Invar合金的方法。
[0007 ] 釬焊多孔S i 3N4陶瓷與Invar合金的方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0008]一、將拋光后的Invar合金以及Cu箔片放入無水乙醇中，超聲波清洗15min;
[0009]二、將Ag-Cu-Ti釬料與粘結(jié)劑混合，然后涂在多孔Si3N4陶瓷下表面，將Ag-Cu釬料與粘結(jié)劑混合，然后涂在Invar合金的上表面，再將Cu箔片夾在Ag-Cu-Ti釬料與Ag-Cu釬料間，得試樣；
[0010]三、試樣上面加上壓塊放于真空燒結(jié)爐中，在真空度為6X 10—3Pa的條件下，以10°C/min的加熱速率將試樣加熱到300°C并保溫10?30min，然后以10°C/min的加熱速度將試樣加熱到850?950°C，在連接壓力為3 X 13Pa?4 X 13Pa的條件下保溫20min，再降溫至3000C，隨爐冷卻至室溫，即完成多孔Si3N4陶瓷與Invar合金的釬焊。
[00?1 ] 步驟一中拋光Invar合金的方法如下:
[0012]依次采用400#金相砂、800#金相砂、1200#金相砂紙將Invar合金打磨至表面光亮無劃痕。
[0013]步驟一中拋光Cu箔片的方法如下:
[0014]依次采用400#金相砂、800#金相砂、1200#金相砂紙將Cu箔片打磨至表面光亮無劃痕，再采用粒度為0.5μπι的金剛石拋光劑對(duì)Cu箔片表面進(jìn)行拋光直至表面在顯微鏡下無劃痕。
[0015]步驟二中所述Cu箔片的厚度為50?150μπι。
[0016]步驟二中所述粘結(jié)劑為羥乙基纖維素。
[0017]釬焊過程中Invar合金熱膨脹系數(shù)隨著溫度升高會(huì)有明顯的變化，因此在釬焊冷卻過程中會(huì)在陶瓷與金屬界面上形成較大的殘余熱應(yīng)力，較大的熱應(yīng)力能夠明顯降低接頭強(qiáng)度，甚至產(chǎn)生顯微裂紋，另一方面Ti元素較為活潑能與Invar合金發(fā)生相互作用生成Fe-Ti以及N1-Ti相等脆性化合物，從而對(duì)接頭強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響。
[0018]本發(fā)明為了使釬料對(duì)陶瓷母材有較好的潤(rùn)濕效果，采用Ag-Cu-Ti釬料。為了降低釬料熔點(diǎn)Ag-Cu-Ti釬料以及靠近Invar—側(cè)的Ag-Cu比例為Ag-Cu共晶點(diǎn)成分72:28 為活性元素能夠與陶瓷發(fā)生相互作用從而提高潤(rùn)濕性。本發(fā)明選用的Cu中間層厚度為50-150μm，，通過加入軟金屬中間層Cu，一方面能夠阻礙Ti元素?cái)U(kuò)散，抑制脆性化合物生成；另一方面Cu通過自身的塑性變形緩解了接頭應(yīng)力。從而得到高質(zhì)量的多孔Si3N4Anvar合金接頭。本發(fā)明研究了釬焊溫度以及Cu中間層厚度對(duì)接頭的影響，通過改變釬焊溫度以及Cu中間層厚度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭組織和性能的控制。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020](I)相比于單獨(dú)使用Ag-Cu-Ti釬料，Cu中間層的引入能夠更好的環(huán)節(jié)接頭殘余應(yīng)力，使接頭更加可罪；
[0021](2)Cu中間層的加入能夠很大程度上阻隔了 Ti元素與Invar合金的接觸，從而阻止脆性化合物的形成；
[0022](3)釬焊過程中由于Ti擴(kuò)散受到抑制，從而使更多的Ti元素能夠與陶瓷一側(cè)相互作用形成更好的連續(xù)反應(yīng)層，從而獲得良好接頭，接頭性能大幅度提高，接頭強(qiáng)度可達(dá)73MPa0
【附圖說明】
[0023]圖1是實(shí)驗(yàn)一中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0024]圖2是實(shí)驗(yàn)二中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0025]圖3是實(shí)驗(yàn)三中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0026]圖4是圖3的局部放大圖；
[0027]圖5是實(shí)驗(yàn)四中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0028]圖6是實(shí)驗(yàn)五中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0029]圖7是圖6的局部放大圖；
[0030]圖8是實(shí)驗(yàn)六中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0031 ]圖9是實(shí)驗(yàn)七中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0032]圖10是實(shí)驗(yàn)八中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0033]圖11是圖10的局部放大圖；
[0034]圖12是實(shí)驗(yàn)九中所得接頭的微觀組織形貌圖；
[0035]圖13是圖12的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0037]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式釬焊多孔Si3N4陶瓷與Invar合金的方法按照以下步驟進(jìn)行:
[0038]—、將拋光后的Invar合金以及Cu箔片放入無水乙醇中，超聲波清洗15min;
[0039]二、將Ag-Cu-Ti釬料與粘結(jié)劑混合，然后涂在多孔Si3N4陶瓷下表面，將Ag-Cu釬料與粘結(jié)劑混合，然后涂在Invar合金的上表面，再將Cu箔片夾在Ag-Cu-Ti釬料與Ag-Cu釬料間，得試樣；
[0040]三、試樣上面加上壓塊放于真空燒結(jié)爐中，在真空度為6X 10—3Pa的條件下，以10°C/min的加熱速率將試樣加熱到300°C并保溫10?30min，然后以10°C/min的加熱速度將試樣加熱到850?950°C，在連接壓力為3 X 13Pa?4 X 13Pa的條件下保溫20min，再降溫至3000C，隨爐冷卻至室溫，即完成多孔Si3N4陶瓷與Invar合金的釬焊。
[0041]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是步驟一中拋光Invar合金的方法如下:
[0042]依次采用400#金相砂、800#金相砂、1200#金相砂紙將Invar合金打磨至表面光亮無劃痕。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0043]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二之一不同的是步驟一中拋光Cu箔片的方法如下:
[0044]依次采用400#金相砂、800#金相砂、1200#金相砂紙將Cu箔片打磨至表面光亮無劃痕，再采用粒度為0.5μπι的金剛石拋光劑對(duì)Cu箔片表面進(jìn)行拋光直至表面在顯微鏡下無劃痕。其它與【具體實(shí)施方式】一或二之一相同。
[0045]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是步驟二中所述Cu箔片的厚度為50?150μπι。其它與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0046]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是步驟二中所述Cu箔片的厚度為IΟΟμπι。其它與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0047]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是步驟二中所述粘結(jié)劑為羥乙基纖維素。其它與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0048]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是步驟三中然后以10°C/min的加熱速度將試樣加熱到860°C，在連接壓力為3\10￥&的條件下保溫201^11。其它與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0049]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是步驟三中然后以10°C/min的加熱速度將試樣加熱到870°C，在連接壓力為3\10￥&的條件下保溫201^11。其它與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0050]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是步驟三中然后以10°C/min的加熱速度將試樣加熱到900°C，在連接壓力為4\10￥&的條件下保溫201^11。其它與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0051]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是步驟三中然后以10°C/min的加熱速度將試樣加熱到940°C，在連接壓力為4\10￥&的條件下保溫201^11。其它與【具體實(shí)施方式】一至九之一相同。
[0052]采用下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明效果:
[0053]實(shí)驗(yàn)一:
[0054]釬焊多孔S i 3N4陶瓷與Invar合金的方法按照以下步驟進(jìn)行: