一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备和使用方法与流程

本发明为一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备和使用方法，属于新材料应用技术领域。

背景技术：

高体积分数（60%~75%）SiC颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al MMCs）集高比强度、高比模量、高比刚度、高导热、低密度和低膨胀系数等优良特性于一身在航空航天、武器装备和汽车制造等领域具有广阔的应用前景，相控阵雷达T/R模块电子封装就是其重要应用方向之一。然而，由于该复合材料中SiC陶瓷相与基体金属间物化性能存在较大差异，导致其焊接性较差。大量研究表明通过填加中间层辅助真空硬钎焊的方法可实现该复合材料的有效连接，其连接界面中基体/金属钎料为强连接界面，可保证接头的高强度结合；SiC/金属钎料为弱连接界面，则会造成钎缝局部位置形成气孔、夹杂、微裂纹等缺陷。对于电子封装产品使用性能的指标之一，气密性必须满足漏气率小于1×10^-8Pa·m3/s的使用要求。然而，在实际生产中，漏气率处于9.9×10^-5~1×10^-7 Pa·m3/s的钎焊构件占全部构件的15%~20%，但是其他性能指标均满足，若废弃该部分构件，则造成较高的生产成本和资源浪费，所以本发明旨在提供一种用于提高SiCp/Al复合材料钎缝气密性的铝铜镁镍钎料及其制备方法和使用方法，对达不到气密性要求的焊接构件进行二次钎焊处理，以期望二次钎焊件的气密性能够达到电子封装产品的使用要求，因此针对上诉问题，迫切需要开发一种全新的钎缝气密性钎料生产及使用方法，以满足实际使用的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备和使用方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，混料，将配比好的纯Al、Cu和Ni单质置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，并把Al-50Mg中间合金置于的不锈钢模具中，并将不锈钢模具抽高真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa，然后充入高纯氩气至不锈钢模具内气压为0MPa；

第二步，制备毛坯，打开感应加热电源，预热石墨坩埚，至石墨坩埚显示为暗红色，然后在5min~10min时间内将石墨坩埚加热至1500°C~1600°C，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温10min~0min，然后把合金溶液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔Al-50Mg中间合金，并使得合金溶液与Al-50Mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

第三步，二次铸造，将第二步制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后重新置于感应熔炼炉的石墨坩埚中，然后将感应熔炼炉的石墨坩埚不锈钢模具抽高真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa后，充入氩气至感应熔炼炉的石墨坩埚内气压为0MPa，然后打开感应加热电源，预热石墨坩埚，至石墨坩埚显示为暗红色，然后在5min~10min时间内将石墨坩埚加热至700°C~800°C，并保温10min~20min，使铝铜镁镍液态钎料混合均匀，然后停止加热，并待合金液呈现暗红色时，摇动坩埚使合金液冲破表面氧化膜外壳束缚而顺利倒入不锈钢模具中，同时将氧化膜外壳留存在石墨坩埚内；

第四步，精炼钎料，根据需要，将第三步的操作步骤再次重复操作至少一次，并得到的精炼毛坯；

第五步，预处理精炼毛坯，将第四步制备得到的钎料精炼毛坯合金清洗干净后置于石英管中，然后将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，并通过位置调节装置调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.5mm~1.7mm；

第六步，制备钎料箔片，完成第五步操作后，对甩带机腔体抽真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa后通入氩气，然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1500r/min~1600r/min，打开感应加热电源，调节电流至11~12A，加热3min~10min，石英管内的钎料合金完全熔化，然后对石英管内通入1×10^-3Pa~3×10^-3Pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，然后经过冷却制备得到钎料箔片；

第七步，制备钎料粉，把箔状钎料用剪刀剪碎，碎片的面积不大于8mm²，然后以100g~120g箔状钎料的碎片作为一份，分别将每份箔状钎料的碎片置于若干玛瑙球磨罐中，并在每个玛瑙球磨罐中加入120g~300g，直径为Φ5mm~Φ15mm的玛瑙研磨球，然后分别将各玛瑙球磨罐抽真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa，随后向各玛瑙球磨罐充入氩气并是各玛瑙球磨罐内气压至一个大气压，最后将各玛瑙球磨罐对称装入行星式球磨机中，并罩上保护壳进行研磨，在进行研磨作业时，使用液氮对玛瑙球磨罐进行冷却降温作业，其中研磨转速为500 r/min ~1000r/min，研磨时间为20h~21h，研磨结束后即可获得钎料粉，且钎料粉粉体粒径在20nm~1μm。

进一步的，所述的第一步中的各原料组份按照质量比为：Cu：32.5%~33.8%，Mg：5.8%~6.4%，Ni：0.8%~1.5%，余量为Al。

进一步的，所述的纯Al、Cu和Ni单质的纯度均不低于99%。

一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备和使用方法，包括如下步骤：

步骤1，制备混合液，将10g~12g焊缝气密性所用钎料放入酒精与丙三醇按照体积比1:1~3比例混合的50~60ml混合液中，并施加超声波搅拌25~30min使焊缝气密性所用钎料与混合液充分混合，并制备得到密封混合液；

步骤2，混合液浸泡，将SiCp/Al复合材料焊接后，且气密性处于9.9×10^-5Pa·m³/s~1×10^-7Pa·m³/s范围内焊接件浸泡到第一步制备的密封混合液中的，然后进行超声波振动15min~20min，使密封混合液合金粉因振动作用而迁移至钎缝孔隙缺陷中；

步骤3，焊件静置，停止超声波振动，把焊件继续留置在混合液中15min~20min，依据毛细作用微小钎料粉运动至钎缝孔隙中，从而填充在孔隙中；

步骤4，焊件清洁，用酒精棉把表面残留混合液擦拭干净，并用吹风机冷风吹干焊件表面，尤其是钎缝位置；

步骤5，焊件热处理，把吹干的钎焊试件，置于钎焊炉中加热，将焊件温度升到300℃~00°C，并保温时间20min，然后使焊件随炉冷却至100°C后取出即可。

进一步的，所述步骤2中，在进行超声波震荡时，各超声波源均环绕焊件轴线均布。

进一步的，所述步骤5中，在对焊件进行热处理时，钎焊炉内为真空环境或惰性气体包覆环境。

本发明的积极效果：

1）本发明通过制定一次粗炼两次精练的熔炼工艺，即第一次熔炼高熔点单质Cu、Ni和Al，继而冲熔相应配重的Al-50Mg中间合金，解决了Al-50Mg熔点低、易烧损，易挥发的缺点；随后两次精练工艺，目的是进一步净化合金液，提高钎料合金的纯度和均匀性，同时采用惰性气体为保护气氛，降低了钎料合金烧损率，也避免了杂质的引入，减少了影响因素，提高了实验研究的精度；

2）针对钎料合金的特性，设计专门的惰性气体保护下的甩带工艺，制备具有一定尺寸规格并且脆性较大的箔状钎料，脆性大有助于球磨制粉的进行；

3）采用玛瑙罐对钎料合金箔带碎片进行球磨，球磨过程在高纯氩气保护和液氮辅助低温下运行，减少了合金粉体在球磨过程的氧化，提高了钎料合金粉体的纯度；

4）把钎料合金粉掺入酒精和丙三醇（增加粘度作用）的混合液中，超声波辅助分散均匀。同时，把达不到气密性要求的焊件钎缝浸入混合液中，通过超声波辅助和毛细作用把合金粉体迁移至钎缝孔隙中，增强了钎料颗粒进入钎缝孔隙的几率；

5）对已浸入合金粉的焊件进行二次钎焊，其钎焊温度低于第一次钎焊温度，仅有合金粉体熔化，保证了钎缝的完整。同时，二次钎焊加热起到对钎缝去应力退火得作用，增强了钎缝的可靠性。

6）经氦质谱检漏仪对二次钎焊件进行气密性检测，二次钎焊件的气密性合格率达到80%，即漏气率小于1×10^-8Pa·m³/s。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明

图1：为本发明制备方法流程图；

图2：为本发明使用方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1

如图1和2所示一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，混料，将配比好的纯Al、Cu和Ni单质置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，并把Al-50Mg中间合金置于的不锈钢模具中，并将不锈钢模具抽高真空至1×10^-3Pa，然后充入高纯氩气至不锈钢模具内气压为0MPa；

第二步，制备毛坯，打开感应加热电源，预热石墨坩埚，至石墨坩埚显示为暗红色，然后在5分钟—10分钟时间内将石墨坩埚加热至1500°C，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温25min，然后把合金溶液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔Al-50Mg中间合金，并使得合金溶液与Al-50Mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

第三步，二次铸造，将第二步制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后重新置于感应熔炼炉的石墨坩埚中，然后将感应熔炼炉的石墨坩埚不锈钢模具抽高真空至2×10^-3Pa后，充入氩气至感应熔炼炉的石墨坩埚内气压为0MPa，然后打开感应加热电源，预热石墨坩埚，至石墨坩埚显示为暗红色，然后在6分钟时间内将石墨坩埚加热至750°C，并保温10分钟，使铝铜镁镍液态钎料混合均匀，然后停止加热，并待合金液呈现暗红色时，摇动坩埚使合金液冲破表面氧化膜外壳束缚而顺利倒入不锈钢模具中，同时将氧化膜外壳留存在石墨坩埚内；

第四步，精炼钎料，根据需要，将第三步的操作步骤再次重复操作至少一次，并得到的精炼毛坯；

第五步，预处理精炼毛坯，将第四步制备得到的钎料精炼毛坯合金清洗干净后置于石英管中，然后将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，并通过位置调节装置调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.5mm；

第六步，制备钎料箔片，完成第五步操作后，对甩带机腔体抽真空至1×10^-3Pa后通入氩气，然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1500r/min，打开感应加热电源，调节电流至11A，加热3分钟，石英管内的钎料合金完全熔化，然后对石英管内通入1×10^-3Pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，然后经过冷却制备得到钎料箔片；

第七步，制备钎料粉，把箔状钎料用剪刀剪碎，碎片的面积不大于于8mm²，然后以100g箔状钎料的碎片作为一份，分别将每份箔状钎料的碎片置于若干玛瑙球磨罐中，并在每个玛瑙球磨罐中加入120g，直径为Φ6mm的玛瑙研磨球，然后分别将各玛瑙球磨罐抽真空至1×10^-3Pa，随后向各玛瑙球磨罐充入氩气并是各玛瑙球磨罐内气压至一个大气压，最后将各玛瑙球磨罐对称装入行星式球磨机中，并罩上保护壳进行研磨，在进行研磨作业时，使用液氮对玛瑙球磨罐进行冷却降温作业，其中研磨转速为500r/min，研磨时间为20h，研磨结束后即可获得钎料粉，且钎料粉粉体粒径在20nm。

本实施例中，所述的第一步中的各原料组份按照质量比为：Cu：32.5%~33.8%，Mg：5.8%~6.4%，Ni：0.8%~1.5%，余量为Al。

本实施例中，所述的纯Al、Cu和Ni单质的纯度均不低于99%。

一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备和使用方法，包括如下步骤：

步骤1，制备混合液，将10g焊缝气密性所用钎料放入酒精与丙三醇按照体积比1:1比例混合的50ml混合液中，并施加超声波搅拌25min使焊缝气密性所用钎料与混合液充分混合，并制备得到密封混合液；

步骤2，混合液浸泡，将SiCp/Al复合材料焊接后，且气密性处于9.9×10^-5 Pa·m³/s范围内焊接件浸泡到第一步制备的密封混合液中的，然后进行超声波振动15min，使密封混合液合金粉因振动作用而迁移至钎缝孔隙缺陷中；

步骤3，焊件静置，停止超声波振动，把焊件继续留置在混合液中15min，依据毛细作用微小钎料粉运动至钎缝孔隙中，从而填充在孔隙中；

步骤4，焊件清洁，用酒精棉把表面残留混合液擦拭干净，并用吹风机冷风吹干焊件表面，尤其是钎缝位置；

步骤5，焊件热处理，把吹干的钎焊试件，置于钎焊炉中加热，将焊件温度升到300℃，并保温时间20min，然后使焊件随炉冷却至100°C后取出即可。

本实施例中，所述步骤2中，在进行超声波震荡时，各超声波源均环绕焊件轴线均布。

本实施例中，所述步骤5中，在对焊件进行热处理时，钎焊炉内为真空环境或惰性气体包覆环境。

实施例2

如图1和2所示一种SiCp/Al复合材料粉状钎料制备方法，包括以下步骤：

第一步，混料，将配比好的纯Al、Cu和Ni单质置于高真空感应熔炼炉的石墨坩埚中，并把Al-50Mg中间合金置于的不锈钢模具中，并将不锈钢模具抽高真空至3×10^-3Pa，然后充入高纯氩气至不锈钢模具内气压为0MPa；

第二步，打开感应加热电源，预热石墨坩埚，至石墨坩埚显示为暗红色，然后在5分钟时间内将石墨坩埚加热至1600°C，令石墨坩埚内的金属原料熔化完全，并保温25min，然后把合金溶液迅速倒入不锈钢模具中，从而冲熔Al-50Mg中间合金，并使得合金溶液与Al-50Mg中间合金充分混合，然后自然冷却到常温塑形，制备成钎料毛坯；

第三步，二次铸造，将第二步制备的钎料毛坯从不锈钢模具取出，去除表面氧化皮后重新置于感应熔炼炉的石墨坩埚中，然后将感应熔炼炉的石墨坩埚不锈钢模具抽高真空至3×10^-3Pa后，充入氩气至感应熔炼炉的石墨坩埚内气压为0MPa，然后打开感应加热电源，预热石墨坩埚，至石墨坩埚显示为暗红色，然后在10分钟时间内将石墨坩埚加热至800°C，并保温18分钟，使铝铜镁镍液态钎料混合均匀，然后停止加热，并待合金液呈现暗红色时，摇动坩埚使合金液冲破表面氧化膜外壳束缚而顺利倒入不锈钢模具中，同时将氧化膜外壳留存在石墨坩埚内；

第四步，精炼钎料，根据需要，将第三步的操作步骤再次重复操作至少一次，并得到的精炼毛坯；

第五步，预处理精炼毛坯，将第四步制备得到的钎料精炼毛坯合金清洗干净后置于石英管中，然后将石英管固定在真空甩带机炉腔内的感应线圈中，并通过位置调节装置调整石英管下端喷嘴至铜辊的间距为1.6mm；

第六步，制备钎料箔片，完成第五步操作后，对甩带机腔体抽真空至2.5×10^-3Pa后通入氩气，然后启动铜辊旋转控制开关，调节铜辊转速至1600r/min，打开感应加热电源，调节电流至12A，加热10分钟，石英管内的钎料合金完全熔化，然后对石英管内通入1.1×10^-3Pa氩气，并将熔融钎料在气体压力差作用下，从石英管下端的喷嘴处喷至高速旋转的铜辊上，然后经过冷却制备得到钎料箔片；

第七步，制备钎料粉，把箔状钎料用剪刀剪碎，碎片的面积不大于于8mm²，然后以120g箔状钎料的碎片作为一份，分别将每份箔状钎料的碎片置于若干玛瑙球磨罐中，并在每个玛瑙球磨罐中加入300g，直径为Φ5mm的玛瑙研磨球，然后分别将各玛瑙球磨罐抽真空至1.5×10^-3Pa，随后向各玛瑙球磨罐充入氩气并是各玛瑙球磨罐内气压至一个大气压，最后将各玛瑙球磨罐对称装入行星式球磨机中，并罩上保护壳进行研磨，在进行研磨作业时，使用液氮对玛瑙球磨罐进行冷却降温作业，其中研磨转速为550r/min，研磨时间为20h，研磨结束后即可获得钎料粉，且钎料粉粉体粒径在20nm。

本实施例中，所述的第一步中的各原料组份按照质量比为：Cu：32.5%~33.8%，Mg：5.8%~6.4%，Ni：0.8%~1.5%，余量为Al。

本实施例中，所述的纯Al、Cu和Ni单质的纯度均不低于99%。

SiCp/Al复合材料粉状钎料的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，制备混合液，将10g~12g焊缝气密性所用钎料放入酒精与丙三醇按照体积比1:1.5比例混合的60ml混合液中，并施加超声波搅拌25min使焊缝气密性所用钎料与混合液充分混合，并制备得到密封混合液；

步骤2，混合液浸泡，将SiCp/Al复合材料焊接后，且气密性处于9.9×10^-5m3/s范围内焊接件浸泡到第一步制备的密封混合液中的，然后进行超声波振动15min，使密封混合液合金粉因振动作用而迁移至钎缝孔隙缺陷中；

步骤3，焊件静置，停止超声波振动，把焊件继续留置在混合液中15min，依据毛细作用微小钎料粉运动至钎缝孔隙中，从而填充在孔隙中；

步骤4，焊件清洁，用酒精棉把表面残留混合液擦拭干净，并用吹风机冷风吹干焊件表面，尤其是钎缝位置；

步骤5，焊件热处理，把吹干的钎焊试件，置于钎焊炉中加热，将焊件温度升到600°C，并保温时间20min，然后使焊件随炉冷却至100°C后取出即可。

本实施例中，所述步骤2中，在进行超声波震荡时，各超声波源均环绕焊件轴线均布。

本实施例中，所述步骤5中，在对焊件进行热处理时，钎焊炉内为真空环境或惰性气体包覆环境。

本发明的积极效果：

1）本发明通过制定一次粗炼两次精练的熔炼工艺，即第一次熔炼高熔点单质Cu、Ni和Al，继而冲熔相应配重的Al-50Mg中间合金，解决了Al-50Mg熔点低、易烧损，易挥发的缺点；随后两次精练工艺，目的是进一步净化合金液，提高钎料合金的纯度和均匀性，同时采用惰性气体为保护气氛，降低了钎料合金烧损率，也避免了杂质的引入，减少了影响因素，提高了实验研究的精度；

2）针对钎料合金的特性，设计专门的惰性气体保护下的甩带工艺，制备具有一定尺寸规格并且脆性较大的箔状钎料，脆性大有助于球磨制粉的进行；

3）采用玛瑙罐对钎料合金箔带碎片进行球磨，球磨过程在高纯氩气保护和液氮辅助低温下运行，减少了合金粉体在球磨过程的氧化，提高了钎料合金粉体的纯度；

4）把钎料合金粉掺入酒精和丙三醇（增加粘度作用）的混合液中，超声波辅助分散均匀。同时，把达不到气密性要求的焊件钎缝浸入混合液中，通过超声波辅助和毛细作用把合金粉体迁移至钎缝孔隙中，增强了钎料颗粒进入钎缝孔隙的几率；

5）对已浸入合金粉的焊件进行二次钎焊，其钎焊温度低于第一次钎焊温度，仅有合金粉体熔化，保证了钎缝的完整。同时，二次钎焊加热起到对钎缝去应力退火得作用，增强了钎缝的可靠性。

6）经氦质谱检漏仪对二次钎焊件进行气密性检测，二次钎焊件的气密性合格率达到80%，即漏气率小于1×10^-8Pa·m3/s。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。