利用Au-12Ge共晶钎料钎焊非晶合金的方法
【专利摘要】一种利用Au-12Ge共晶钎料钎焊非晶合金的方法，对待钎焊母材的连接表面处理，采用真空钎焊的方法，通过Au-12Ge共晶钎料实施所述非晶合金之间、所述非晶合金与黄铜和紫铜之间的钎焊。所述非晶合金为Zr基或Ti基非晶合金。本发明实现了同种Zr基非晶合金、同种Ti基非晶合金、Zr基非晶合金与Ti基非晶合金、Zr基非晶合金与紫铜以及Zr基非晶合金与黄铜之间的钎焊连接，钎焊接头无孔洞和缝隙存在，界面结合良好，同时非晶合金仍然保持非晶态。本发明能够获得高质量的钎焊连接接头。
【专利说明】利用Au-12Ge共晶钎料钎焊非晶合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料焊接领域，特别是提供了一种利用Au-Ge钎料钎焊Zr基或Ti基非晶合金的方法。
【背景技术】
[0002]非晶合金具有特殊的长程无序、短程有序的内部结构，表现出比传统晶态合金更为优异的力学、物理和化学性能，比如高强度、高硬度、高耐蚀性以及优异的磁学性能等，在航空航天器件、精密机械和微机电系统等领域显示出巨大的应用潜力。但由于非晶合金受到自身形成能力的限制，难以制备出满足工程需求的大尺寸材料，因此迫切需要在低温下实现非晶合金的连接，以扩大其应用范围。Au-Ge共晶合金钎料具有良好的机械性能和高的耐腐蚀性能，在航空航天和微机电系统等领域具有广泛的应用，同时其熔点相对较低，适合于钎焊对温度敏感的材料。非晶合金处于热力学的亚稳态，在高温下容易发生晶化，对温度要求相对较高。同时非晶合金缺少晶界、相界，表现出各向同性，各部分表面能均匀一致，且其内部结构与液态钎料极为相似，因此采用钎焊连接方法实现非晶合金的连接较为适宜。
[0003]日本学者利用超声空化处理方法研究了 Zr基非晶合金的钎焊性能[TamuraS，Tsunekawa Y，Okumiya MjHatakeyama M.Ultrasonic cavitation treatment forsoldering on Zr—based bulk metallic glass.Journal of Materials ProcessingTechnology.2008; 206 (1- 3):322]。研究发现，利用超声空化处理方式可有效去除非晶合金表面的钝化层，增强钎料对非晶合金的润湿性，但合理的超声空化工艺确定相对较为困难，且钎料与非晶合金结合界面处存在氧化层，影响钎焊性能。
[0004]日本学者利用Sn-Ag-Cu钎料对三种非晶合金进行了润湿性研究[Nishikawa H,WongPiromsarn K,Abe H,Takemoto T,Fukuhara M, InoueA.Solderability of bulk metallic glasses using lead-free solders.MaterialsTransactions.2009; 50 (6): 1326]，研究发现，钎料对Pd基非晶合金具有良好的润湿性，而对于Zr基非晶合金和Cu基非晶合金则不能润湿，原因是合金表面存在较稳定的Zr和Ti氧化层，阻止了钎料的润湿性，即使通过超声波处理后，钎料与非晶合金的连接强度依然较弱。
[0005]在申请号为201310213825.7的发明创造中，公开了一种Zr基块体金属玻璃与Sn基钎料的低温连接方法。该方法提出了一种利用熔融纯锡和锡基钎料浸润Zr基非晶合金从而实现钎焊连接的方法，但利用该方法实现钎焊连接需要时间较长，一般需要10个小时左右，降低了钎焊的效率。
【发明内容】
[0006]为克服现有技术中存在的常规钎料对非晶合金润湿性差，需要长时间浸润才能实现连接，以及需要借助超声处理等方式增强润湿性的不足，本发明提出了一种利用Au-12Ge共晶钎料钎焊非晶合金的方法。[0007]本发明所述非晶合金为Zr基或Ti基非晶合金。本发明的具体过程为:
[0008]步骤1，表面处理:对待钎焊母材的连接表面采用800#或1000#SiC砂纸打磨后，放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物。
[0009]步骤2，真空钎焊:将Au_12Ge共晶钎料预置在待钎焊母材的连接表面之间。将热电偶焊接在所述非晶合金焊接端的圆周上，组成焊接件。将所述焊接件放置在热模拟试验机中，并抽真空至KT5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370?390°C实施焊接；焊接时间为10?30min，完成对所述焊接件的焊接。真空钎焊中通过热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
[0010]步骤3，冷却:将焊接后的焊接件随炉冷却，获得钎焊连接接头。
[0011]本发明能够实现同质非晶合金、异质非晶合金、非晶合金与紫铜以及非晶合金与黄铜的良好焊接，具有以下优点:
[0012]I)本发明在高真空条件下进行，有利于连接件表面氧化膜的去除，避免了外界气氛对钎焊连接接头的不利影响。
[0013]2)焊接温度高于钎料熔点温度，低于非晶合金晶化温度，既保证了钎料对焊件的润湿，又确保了焊接完成后非晶合金仍然保持非晶状态。
[0014]3)母材表面进行多种粗糙度处理，充分考虑了母材表面状态对钎料润湿性的影响。
[0015]4)本发明在Gleeble3500热模拟试验机上进行，该设备对试样进行电阻加热，且热电偶直接焊接在母材上，温度控制较为准确。同时焊接完成后，试样冷却速度快，有利于钎缝组织的细化，提高钎缝的力学性能。
[0016]5)本发明所叙述的方法具有可推广性，可用于多种同质、异质非晶合金以及非晶合金与晶态材料的钎焊连接。
[0017]本发明实现了同种Zr基非晶合金、同种Ti基非晶合金、Zr基非晶合金与Ti基非晶合金、Zr基非晶合金与紫铜以及Zr基非晶合金与H62黄铜之间的钎焊连接，钎焊接头无孔洞和缝隙存在，界面结合良好，同时非晶合金仍然保持非晶态。由于本发明在真空条件下进行，钎焊连接温度处于Zr基和Ti基非晶合金的过冷液相区，非晶合金表面的氧化膜可通过真空和超塑性变形去除；同时待钎焊母材经表面经处理后，获得的表面粗糙度起到良好的毛细管作用，促进Au-12Ge钎料对母材的润湿，加速界面处原子扩散过程，从而在短时间内获得高质量的钎焊连接接头。同时非晶合金在过冷液相区具有一定的热稳定性，因此，在本发明工艺条件下，Zr基和Ti基非晶合金仍然保持非晶态。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的流程图；
[0019]图2为钎焊接头照片；
[0020]图3为钎焊连接前后Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5非晶合金的XRD图谱；其中4是铸态，5是针焊后；
[0021]图4为经过800#砂纸处理后获得的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5/Cu钎焊接头显微组织照片;其中 1.Cu ；2.Au-12Ge 共晶钎料；3.Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5 非晶合金。
[0022]图5 为经过 800# 砂纸处理后获得的 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5/ Zr41 2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5钎焊接头显微组织照片。
【具体实施方式】
[0023]实施例一
[0024]本实施例是一种利用Au-Ge共晶钎料钎焊Zr基非晶合金棒材与紫铜棒材的方法，所述的Zr基非晶合金为直径8mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金棒材，Au-Ge共晶钎料为共晶箔带软钎料，该共晶箔带软钎料的厚度为80 μ m ;所述紫铜棒材的直径为8mm。
[0025]本实施例的具体过程为:
[0026]步骤1，表面处理:Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5非晶合金和紫铜待连接表面采用800#或1000#SiC砂纸打磨，本实施例中两者均采用800#SiC砂纸打磨。将紫铜棒材放入10%的盐酸酒精溶液中酸洗2min，以充分去除金属表面氧化层和钝化层。Au-12Ge箔带共晶钎料采用1500#砂纸打磨以去除表面氧化层。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5#晶合金、紫铜试样和Au-12Ge共晶钎料在表面处理过程完成后放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物。
[0027]步骤2，真空钎焊:将Au-12Ge共晶钎料预置在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金与紫铜之间。将热电偶焊接在所述非晶合金与紫铜棒材焊接一端的圆周上，组成焊接件。将由非晶合金、紫铜棒材和Au-12Ge共晶钎料组成的焊接件放置在Gleeble3500热模拟试验机中。
[0028]对热模拟试验机抽真空至10_5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370?390°C实施焊接，焊接时间为10?30min，完成对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金与紫铜棒材的焊接。所述Torr为真空单位，Itorr?133.322Pa。本实施例中，焊接件加热至380°C实施焊接，焊接时间为30min。同时为了保证焊接接头的质量，焊接中通过Gleeble3500热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
[0029]步骤3，冷却:将焊接后的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5非晶合金与紫铜棒材随炉冷却，获得Zr4L2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金一紫铜钎焊接头。
[0030]本实施例制备的Zr41.2Ti13.8CUl2.5Ni1QBe22.5#晶合金一紫铜钎焊接头界面结合良好，Au-12Ge共晶钎料对非晶合金的润湿性良好，钎料和非晶合金连接处存在扩散区和界面区。本实施例提供的方法适用于多种不同尺寸的Zr基非晶合金与紫铜的钎焊连接。
[0031]实施例二
[0032]本实施例是一种利用Au-Ge共晶钎料钎焊Zr基非晶合金棒材与紫铜棒材的方法，所述的Zr基非晶合金为直径8mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金棒材，Au-Ge共晶钎料为共晶箔带软钎料，该共晶箔带软钎料的厚度为80 μ m ;所述紫铜棒材的直径为8mm。
[0033]本实施例的具体过程为:
[0034]步骤1，表面处理:Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5非晶合金和紫铜待连接表面采用800#或1000#SiC砂纸打磨，本实施例中两者均采用1000#SiC砂纸打磨。将紫铜棒材放入10%的盐酸酒精溶液中酸洗2min，以充分去除金属表面氧化层和钝化层。Au-12Ge箔带共晶钎料采用1500#砂纸打磨以去除表面氧化层。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金、紫铜试样和Au-12Ge共晶钎料在表面处理过程完成后放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物。[0035]步骤2，真空钎焊:将Au-12Ge共晶钎料预置在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金与紫铜之间。将热电偶焊接在所述非晶合金与紫铜棒材焊接一端的圆周上，组成焊接件。将由非晶合金、紫铜棒材和Au-12Ge共晶钎料组成的焊接件放置在Gleeble3500热模拟试验机中。
[0036]对热模拟试验机抽真空至10_5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370?390°C实施焊接，焊接时间为10?30min，完成对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金与紫铜棒材的焊接。所述Torr为真空单位，Itorr?133.322Pa。本实施例中，焊接件加热至380°C实施焊接，焊接时间为30min。同时为了保证焊接接头的质量，焊接中通过Gleeble3500热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
[0037]步骤3，冷却:将焊接后的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金与紫铜棒材随炉冷却，获得Zr4L2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金一紫铜钎焊接头。
[0038]本实施例制备的Zr41.2Ti13.8CUl2.5Ni1QBe22.5#晶合金一紫铜钎焊接头界面结合良好，Au-12Ge共晶钎料对非晶合金的润湿性良好，钎料和非晶合金连接处存在扩散区和界面区。本实施例提供的方法适用于多种不同尺寸的Zr基非晶合金与紫铜的钎焊连接。
[0039]实施例三
[0040]本实施例是一种利用Au-Ge共晶钎料钎焊同质Zr基非晶合金的方法，所述的Zr基非晶合金为直径6mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5棒材，Au-Ge共晶钎料为共晶箔带软钎料，该共晶箔带软钎料的厚度为80 μ m。
[0041]本实施例的具体过程为:
[0042]步骤1，表面处理:Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.dhaH合金待连接表面采用800#或1000#SiC砂纸打磨，本实施例中采用800#SiC砂纸打磨。Au-12Ge箔带共晶钎料采用1500#砂纸打磨以去除表面氧化层。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金和Au_12Ge共晶钎料在表面处理过程完成后放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物。
[0043]步骤2，真空钎焊:将Au_12Ge共晶钎料预置在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金之间。将热电偶焊接在所述非晶合金焊接一端的圆周上，组成焊接件。将由非晶合金和Au-12Ge共晶钎料组成的焊接件放置在Gleeble3500热模拟试验机中。
[0044]对热模拟试验机抽真空至10_5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370?390°C实施焊接，焊接时间为10?30min，完成对同质Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金棒材的焊接。所述Torr为真空单位，Itorr?133.322Pa。本实施例中，焊接件加热至380°C实施焊接，焊接时间为30min。同时为了保证焊接接头的质量，焊接中通过Gleeble3500热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
[0045]步骤3，冷却:将焊接后的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金棒材随炉冷却，获得同质Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金钎焊接头。
[0046]本实施例制备的同质Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金钎焊接头界面结合良好，Au_12Ge共晶钎料对非晶合金的润湿性良好，钎料和非晶合金连接处存在扩散区和界面区。本实施例提供的方法适用于多种不同尺寸的同质Zr基非晶合金的钎焊连接。
[0047]实施例四
[0048]本实施例是一种利用Au-Ge共晶钎料钎焊钎焊Zr基和Ti基非晶合金的方法，所述的 Zr 基和 Ti 基非晶合金分别为直径 6mm 的 Zr4L2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5iP Ti40Zr25Ni8Cu9Be18棒材，Au-Ge共晶钎料为共晶箔带软钎料，该共晶箔带软钎料的厚度为80 μ m。
[0049]本实施例的具体过程为:
[0050]步骤I，表面处理:Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 非晶合金和 Ti4tlZr25Ni8Cu9Be18 非晶合金待连接表面均采用800#或1000#SiC砂纸打磨，本实施例中两者均采用800#SiC砂纸打磨。Au-12Ge箔带共晶钎料采用1500#砂纸打磨以去除表面氧化层。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金、Ti4tlZr25Ni8Cu9Be18非晶合金和Au-12Ge共晶钎料在表面处理过程完成后放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物。
[0051]步骤2，真空钎焊:将Au_12Ge共晶钎料预置在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金与Ti4ciZr25Ni8Cu9Be18非晶合金之间。将热电偶焊接在所述Zr基非晶合金焊接一端的圆周上，组成焊接件。将由非晶合金和Au-12Ge共晶钎料组成的焊接件放置在Gleeble3500热模拟试验机中。
[0052]对热模拟试验机抽真空至10_5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370~390°C实施焊接，焊接时间为10~30min，完成对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金与Ti4tlZr25Ni8Cu9Be18非晶合金棒材的焊接。所述Torr为真空单位，ltorr ^ 133.322Pa。本实施例中，焊接件加热至390°C实施焊接，焊接时间为30min。同时为了保证焊接接头的质量，焊接中通过Gleeble3500热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
[0053]步骤3，冷却:将焊接后的 Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5 非晶合金与 Ti4tlZr25Ni8Cu9Be18非晶合金棒材随炉冷却，获得异质非晶合金钎焊接头。[0054]本实施例制备的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5 非晶合金与 Ti4tlZr25Ni8Cu9Be18 非晶合金钎焊接头界面结合良好，Au-12Ge共晶钎料对Zr基和Ti基非晶合金的润湿性均良好。本实施例提供的方法适用于多种不同尺寸的Zr基和Ti基非晶合金的钎焊连接。
[0055]实施例五
[0056]本实施例是一种利用Au-Ge共晶钎料钎焊Zr基非晶合金棒材与黄铜棒材的方法，所述的Zr基非晶合金为直径8mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金棒材，Au-Ge共晶钎料为共晶箔带软钎料，该共晶箔带软钎料的厚度为80 μ m ;所述黄铜棒材的直径为8mm的H62黄铜。
[0057]本实施例的具体过程为:
[0058]步骤1，表面处理:Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5非晶合金和H62黄铜待连接表面采用800#或1000#SiC砂纸打磨，本实施例中两者均采用800#SiC砂纸打磨。将H62黄铜棒材放入10%的盐酸酒精溶液中酸洗2min，以充分去除金属表面氧化层和钝化层。Au_12Ge箔带共晶钎料采用1500#砂纸打磨以去除表面氧化层。Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金、H62黄铜试样和Au-12Ge共晶钎料在表面处理过程完成后放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物。
[0059]步骤2，真空钎焊:将Au-12Ge共晶钎料预置在Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金与H62黄铜之间。将热电偶焊接在所述非晶合金与H62黄铜棒材焊接一端的圆周上，组成焊接件。将由非晶合金、H62黄铜棒材和Au-12Ge共晶钎料组成的焊接件放置在Gleeble3500热模拟试验机中。
[0060]对热模拟试验机抽真空至10_5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370~390°C实施焊接，焊接时间为10~30min，完成对Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5#晶合金与H62黄铜棒材的焊接。所述Torr为真空单位，ltorr ≈ 133.322Pa。本实施例中，焊接件加热至380°C实施焊接，焊接时间为30min。同时为了保证焊接接头的质量，焊接中通过Gleeble3500热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
[0061]步骤3，冷却:将焊接后的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1QBe22.5非晶合金与H62黄铜棒材随炉冷却，获得Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金一H62黄铜钎焊接头。
[0062]本实施例制备的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni1(lBe22.5非晶合金一H62黄铜钎焊接头界面结合良好，Au-12Ge共晶钎料对非晶合金的润湿性良好，钎料和非晶合金连接处存在扩散区和界面区。本实施例提供的方法适用于多种不同尺寸的Zr基非晶合金与H62黄铜的钎焊连接。
【权利要求】
1.一种利用Au-12Ge共晶钎料钎焊非晶合金的方法，其特征在于，所述的非晶合金为Zr基或Ti基非晶合金，其具体过程为: 步骤1，表面处理:对待钎焊母材的连接表面采用800#或1000#SiC砂纸打磨后，放入丙酮溶液中超声波清洗5min，以去除表面污染物； 步骤2，真空钎焊:将Au-12Ge共晶钎料预置在待钎焊母材的连接表面之间；将热电偶焊接在所述非晶合金焊接端的圆周上，组成焊接件；将所述焊接件放置在热模拟试验机中，并抽真空至KT5Torr时，以ΙΟΚ/min的升温速率将焊接件加热至370?390°C实施焊接；焊接时间为10?30min，完成对所述焊接件的焊接； 步骤3，冷却:将焊接后的焊接件随炉冷却，获得钎焊连接接头。
2.如权利要求1所述利用Au-12Ge共晶钎料钎焊非晶合金的方法，其特征在于，真空钎焊中通过热模拟试验机对焊接件施加5MPa的轴向压力。
【文档编号】B23K1/19GK103737139SQ201310750916
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】寇宏超, 李金山, 王军, 管恒, 唐斌, 胡锐, 张铁邦, 杨劼人, 薛祥义 申请人:西北工业大学