钎焊异组分W‑Cu合金的钎料及制备方法和钎焊方法与流程

钎焊异组分W-Cu合金的钎料及制备方法和钎焊方法技术领域本发明涉及钎焊异组分W-Cu合金的钎料及制备方法和钎焊方法，属于异质材料焊接技术领域。

背景技术：
W-Cu合金综合了钨和铜的优异性能，具有良好的导电导热和低热膨胀系数等特点，在大功率器件中常作为一种热沉材料。但随着微波半导体器件不断小型化、高度集成、高功率的发展而导致的高发热率，现有的均质W-Cu合金很难满足电子基板散热性能方面的要求。如果将两种所需不同成分的W-Cu合金连接起来，则可以很好地解决这一问题。钎焊这种固液相连接方法是连接异种材料的首选方法之一。两种不同成分W-Cu合金的连接可以通过调整钨铜含量将钨铜复合材料的优势更好的发挥出来，可以使W-Cu合金应用于多种复杂环境，使其具有高导电导热、低的相匹配热膨胀系数、高的强度等一系列优异的综合性能，因此探索两种不同成分W-Cu合金的连接方法不仅具有积极的现实意义，而且有着良好的应用前景。对于两块异组分的W-Cu合金连接而言，寻找一种性能优良和性价比高的填充材料，制定合理的焊接工艺是实现两块异组分W-Cu合金连接的关键。目前，尚未看到异组分W-Cu合金钎焊的相关报道。

技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种钎焊异组分W-Cu合金的钎料及制备方法和钎焊方法，钎料综合性能良好，设计的钎焊工艺简单合理，两者配合使用最终能获得力学性能优越的钎焊接头。技术方案：为解决上述技术问题，本发明的钎焊异组分W-Cu合金的钎料，所述钎料各组分及组分的质量百分比分别为Mn10.0％～16.0％，Co0.5％～3.5％，Ni1.0％～5.0％，Ti1.0％～4.0％，Si0.2％～0.6％，B0.1％～0.3％，余量为Cu。作为优选，所述钎料为箔片带，厚度为100～200μm。作为优选，所述钎料各组分及组分的质量百分比分别为Mn12.0％～15.0％，Co1.0％～3.0％，Ni1.5％～4.0％，Ti1.5％～4％，Si0.3％～0.6％，B0.15％～0.3％，余量为Cu。作为优选，所述钎料各组分及组分的质量百分比分别为Mn13.0％、Co2.5％、Ni3.0％、Ti3.0％、Si0.5％、B0.2％，其余为Cu。一种上述的钎焊异组分W-Cu合金的钎料的制备方法，包括以下步骤：1)按质量百分比称取高纯度的Mn片、Co颗粒、Ni颗粒、Ti颗粒、Si颗粒、B颗粒和Cu颗粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15～25℃的温度下进行超声清洗15～20min；2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；3)将混合物Mn、Co、Ni、Ti、Si、B和Cu采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为150～250μm；5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于6×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至180～200mbar；6)开启电机，使铜辊转速us在29～34m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～90s；7)将Ar气气压调制P＝20～50KPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为100～200μm。作为优选，所述步骤3中石英管喷嘴呈长方形，其长度为8～12mm，宽度为0.9～1.2mm。作为优选，所述步骤6中铜辊直径为250mm，铜辊宽度为50mm。一种使用上述的钎焊异组分W-Cu合金的钎料的钎焊方法，包括以下步骤：(1)准备阶段：对待钎焊的两块异组分的W-Cu合金试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，利用W3.5号金相砂纸将钎料箔片双面进行研磨光滑，研磨后将两块异组分的W-Cu合金试样及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于两块异组分的W-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02～0.04MPa的恒定垂直压力；(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10-4Pa的钎焊设备中，首先以10～15℃/min的速率升温至300～350℃，保温15～20min，再以5～10℃/min的速率升温至700～850℃，保温时间15～20min，再以8～12℃/min的速率继续升温至钎焊温度1000～1050℃，保温时间20～45min，再以12～16℃/min的速率冷却至800～850℃，保温时间10～15min，最后以5～10℃/min的速率冷却至400～450℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。本发明制备的铜基钎料，通过合理添加多种合金元素使钎料具有良好的钎焊工艺性能，耐热耐腐蚀性能和加工性能，满足异组分W-Cu合金钎焊接头在复杂环境中的性能要求。其中加入适量的Mn元素一是可以通过固溶作用提高钎焊接头的性能，二是Mn的加入在一定程度上也能提高接头的耐高温性能；加入适量的Co元素既可以避免在钎料中生成新相，又能改变相组成物质的形态，对特定相的细化作用很明显；加入适量的Ni元素可以提高接头的耐热耐腐蚀性和高温强度；加入适量Ti有利于降低钎料熔点提高合金流动性以及可以细化晶粒，提高钎料合金的强度与塑性；加入微量的Si和B可提高钎料的抗氧化能力，降低钎料的熔化温度，改善润湿性；同时大量的Cu元素有利于提高钎料对母材的润湿性和固溶能力，提高合金钎料的塑性和强度，促进两块不同组分W-Cu合金的固溶冶金反应，提高钎焊接头的综合性能。本发明提供的钎焊工艺是采用先将两块异组分的W-Cu合金以对接的方式放入专门的钎焊夹具中，再将样品和夹具一同放入真空炉完成钎焊，高真空环境配合合理的工艺参数设定，使得整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，有助于获得力学性能良好的钎焊接头。本发明提供的铜基钎料对W-Cu合金表现出良好的润湿性和冶金相溶性，获得的钎焊接头强度高，耐蚀性好，是一种综合性能良好的经济型钎焊材料。本发明设计的钎焊工艺简单，实施方便快捷，配合合理的工艺参数设定可以很好地实现两块异组分W-Cu合金的连接。有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明提供的铜基钎料钎焊温度在1000℃～1050℃，钎料熔化温度适中，钎料熔化均匀，通过添加相关有益元素，使得钎料对W-Cu合金具有良好的润湿性和冶金相溶性，获得的钎焊接头强度高，耐蚀性好，完全能应用于复杂环境中，是一种综合性能良好的经济型钎料；制备的铜基钎料箔片有利于促进钎焊连接过程中合金元素的扩散和界面反应，提高钎料在W-Cu合金表面的润湿和铺展能力，有助于形成致密的钎焊接头；(2)本发明设计的异组分W-Cu合金的钎焊工艺简单合理，采用真空炉中钎焊方法，钎焊过程无须添加钎剂及其他保护措施，高真空环境配合合理的工艺参数设定，使得整个构件无变形，无微观裂纹、气孔和夹杂等缺陷，有助于获得力学性能良好的钎焊接头；(3)本发明提供的铜基钎料具有优异常温和高温性能，能与母材充分发生固溶冶金反应，配合使用本发明简单实用的钎焊工艺最终能获得综合性能良好的连接接头，为W-Cu合金提供了新的应用前景；(4)本发明研制的铜基钎料综合性能良好，非常适用于W-Cu合金的钎焊，设计的钎焊工艺实施方便快捷，钎料的制备以及钎焊工艺可重复再现，便于广泛的推广与应用。附图说明图1为本发明钎焊结构件结构示意图。图2为具体实施1得到的钎焊接头扫描电镜照片；图3为具体实施1得到的钎焊接头弯曲断口宏观形貌照片；图4为具体实施1得到的钎焊接头弯曲断口微观形貌照片。具体实施方式实施例1选择W75-Cu1合金与W55-Cu2合金进行对接接头真空钎焊。其中W75-Cu1合金与W55-Cu2合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。钎料的成分及质量百分比配比为：Mn13.0％，Co2.5％，Ni3.0％，Ti3.0％，Si0.5％、B0.2％，余量为Cu。钎料厚度为100μm。上述一种钎焊W75-Cu合金与W55-Cu合金的钎料制备方法，包括以下步骤：1)按质量百分比称取高纯度的130gMn片、25gCo颗粒、30gNi颗粒、30gTi颗粒、5gSi颗粒、2gB颗粒和778gCu颗粒制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的温度下进行超声清洗15～20min；2)将步骤1超声清洗后的混合物在30～50℃的温度下烘干，得到干燥的混合物；3)将混合物Mn、Co、Ni、Ti、Si、B和Cu采用真空感应熔炼的方法制备成分均匀的钎料母合金，将制备出的母合金碾碎后，装入高真空单辊甩带机的石英玻璃管内；4)将石英玻璃管夹装在甩带机的电感应加热圈中，并将其喷嘴至铜辊表面间距调整为150～250μm；5)关闭炉门，采用机械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于6×10-5Pa，然后腔体充满高纯Ar气至180～200mbar；6)开启电机，使铜辊转速us在29～34m/s的范围内，再开启高频电源，将石英玻璃管内的母合金高频感应加热至完全均匀熔融后，保温过热熔体70s～90s；7)将Ar气气压调制P＝20～50KPa，用高压氩气将石英玻璃内的过热熔体连续喷射到高速旋转的冷却铜辊表面，液态金属受到急冷而成箔带状，从而得到钎料箔片带，厚度为100μm。钎焊工艺步骤为：(1)准备阶段：对待钎焊的W75-Cu1合金和W55-Cu2合金试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，利用W3.5号金相砂纸将铜基钎料3箔片双面进行研磨光滑，研磨后将W75-Cu1合金、W55-Cu2合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于W75-Cu1合金与W55-Cu2合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.04MPa的恒定垂直压力，如图1所示；(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10-4Pa的钎焊设备中，首先以12℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以8℃/min的速率升温至800℃，保温时间20min，再以10℃/min的速率继续升温至钎焊温度1050℃，保温时间30min，再以15℃/min的速率冷却至800℃，保温时间15min，最后以8℃/min的速率冷却至450℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。结果：钎焊获得的W75-Cu1合金和W55-Cu2合金接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为980MPa，钎焊接头扫描电镜照片如图2所示，钎焊接头弯曲断口宏观形貌照片如图3所示，钎焊接头弯曲断口微观形貌照片如图4所示。实施例2选择W80-Cu合金与W60-Cu合金进行对接接头真空钎焊。其中W80-Cu合金与W60-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。钎料的成分及质量百分比配比为：Mn15.0％，Co2.0％，Ni3.0％，Ti3.0％，Si0.3％，B0.15％，余量为Cu。钎料厚度为130μm。钎焊工艺步骤为：(1)准备阶段：对待钎焊的W80-Cu合金和W60-Cu合金试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，利用W3.5号金相砂纸将铜基钎料箔片双面进行研磨光滑，研磨后将W80-Cu合金、W60-Cu合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于W80-Cu合金与W60-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.03MPa的恒定垂直压力；(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10-4Pa的钎焊设备中，首先以14℃/min的速率升温至350℃，保温20min，再以10℃/min的速率升温至850℃，保温时间20min，再以9℃/min的速率继续升温至钎焊温度1040℃，保温时间40min，再以13℃/min的速率冷却至850℃，保温时间15min，最后以7℃/min的速率冷却至400℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。结果：钎焊获得的W80-Cu合金和W60-Cu合金接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为950MPa。实施例3选择W70-Cu合金与W50-Cu合金进行对接接头真空钎焊。其中W70-Cu合金与W50-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。钎料的成分及质量百分比配比为：Mn12.0％，Co3.0％，Ni4.0％，Ti3.0％，Si0.6％，B0.3％，余量为Cu。钎料厚度为150μm。钎焊工艺步骤为：(1)准备阶段：对待钎焊的W70-Cu合金和W50-Cu合金试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，利用W3.5号金相砂纸将铜基钎料箔片双面进行研磨光滑，研磨后将W70-Cu合金、W50-Cu合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于W70-Cu合金与W50-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02MPa的恒定垂直压力；(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10-4Pa的钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以6℃/min的速率升温至800℃，保温时间20min，再以8℃/min的速率继续升温至钎焊温度1030℃，保温时间45min，再以12℃/min的速率冷却至800℃，保温时间15min，最后以5℃/min的速率冷却至400℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。结果：钎焊获得的W70-Cu合金和W50-Cu合金接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为930MPa。实施例4选择W60-Cu合金与W50-Cu合金进行对接接头真空钎焊。其中W60-Cu合金与W50-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。钎料的成分及质量百分比配比为：Mn10.0％，Co0.5％，Ni1.0％，Ti1.0％，Si0.2％，B0.1％，余量为Cu。钎料厚度为200μm。钎焊工艺步骤为：(1)准备阶段：对待钎焊的W60-Cu合金和W50-Cu合金试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，利用W3.5号金相砂纸将铜基钎料箔片双面进行研磨光滑，研磨后将W60-Cu合金、W50-Cu合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于W60-Cu合金与W50-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.02MPa的恒定垂直压力；(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10-4Pa的钎焊设备中，首先以10℃/min的速率升温至300℃，保温20min，再以6℃/min的速率升温至800℃，保温时间20min，再以8℃/min的速率继续升温至钎焊温度1030℃，保温时间45min，再以12℃/min的速率冷却至800℃，保温时间15min，最后以5℃/min的速率冷却至400℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。结果：钎焊获得的W60-Cu合金和W50-Cu合金接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为940MPa。实施例5选择W80-Cu合金与W70-Cu合金进行对接接头真空钎焊。其中W80-Cu合金与W70-Cu合金试样尺寸均为20mm×20mm×6mm，待钎焊面为20mm×6mm截面。钎料的成分及质量百分比配比为：Mn16.0％，Co3.5％，Ni5.0％，Ti4.0％，Si0.5％，B0.3％，余量为Cu。钎料厚度为130μm。钎焊工艺步骤为：(1)准备阶段：对待钎焊的W80-Cu合金和W70-Cu合金试样端面进行清理，除去表面的杂质、油污以及氧化膜，利用W28～W3.5号金相砂纸进行研磨光滑，利用W3.5号金相砂纸将铜基钎料箔片双面进行研磨光滑，研磨后将W80-Cu合金、W60-Cu合金及钎料箔片一起置于丙酮中，采用超声波清洗15～20min，并进行烘干处理；(2)装配阶段：将清洗后的钎料箔片置于W80-Cu合金与W70-Cu合金待焊表面之间，并紧贴装配于专用钎焊夹具中，确保连接的精度，在夹具上放置额定质量的压头，产生0.03MPa的恒定垂直压力；(3)钎焊连接阶段：将装配好的夹具整体置于真空度不低于6×10-4Pa的钎焊设备中，首先以14℃/min的速率升温至350℃，保温20min，再以10℃/min的速率升温至850℃，保温时间20min，再以9℃/min的速率继续升温至钎焊温度1040℃，保温时间40min，再以13℃/min的速率冷却至850℃，保温时间15min，最后以7℃/min的速率冷却至400℃，随炉冷却至室温，开炉取出被焊连接件即可。结果：钎焊获得的W80-Cu合金和W70-Cu合金接头形成良好，金相观察发现钎焊区形成致密的界面结合，合金成分分布均匀，室温四点弯曲强度为950MPa。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。