一种Al18B4O33晶须增强的银铜复合钎料及其制备方法与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种晶须增强的银铜复合钎料和制备方法，用于陶瓷/陶瓷或陶瓷/金属钎焊。

背景技术：

陶瓷材料凭借其耐高温、耐腐蚀、耐磨、密度低、强度高等优点，广泛应用于航空航天、电子、化工、核等领域。然而，陶瓷材料自身的脆性大，难以制成大而复杂的构件，因而需要通过焊接的方式将其自身或与金属连接在一起，制成满足使用要求的构件。在诸多连接方法中，钎焊是用于陶瓷连接的最简单实用的方法。然而，陶瓷与金属母材间以及陶瓷母材与金属钎缝间的物理性能差异大，易在接头中形成较大的残余应力。

现有的利用复合钎料缓解陶瓷钎焊接头残余应力的方法有两种：一是向钎料中添加颗粒增强相，二是原位生成晶须；这两种方法都能改善钎缝与陶瓷母材间的线膨胀系数差异，进而降低接头残余应力。

但是，第一种方法的不足之处为：向金属钎料中添加低线膨胀系数颗粒尤其是纳米尺寸颗粒作为增强相时，所添加颗粒易发生团聚现象，从而削弱了改善效果；且颗粒增强相自身的机械性能无法得到充分体现，其对周围金属塑性变形的限制作用也有限。第二种方法的不足之处为：通过原位反应生成晶须对接头进行强化时，由于钎焊时间较短，所生成的晶须数量较少、尺寸相对较小，其分布在一定程度上受反应物颗粒原始分布位置约束，且该种强化形式往往依赖于真空条件。

技术实现要素：

针对现有复合钎料存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料，它用于增强相的一维单晶体在钎缝中分布均匀，且增强相的数量、分布、尺寸和适用条件不受限制，能提高钎焊接头的强度。本发明还提供一种Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料的制备方法。

本发明提供一种Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料，按质量百分比，由60%~70%的Ag粉、20%~30%的Cu粉和5%~15%的Al₁₈B₄O₃₃晶须制成。

本发明提供一种Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按质量百分比称取60%~70%的Ag粉、20%~30%的Cu粉和5%~15%的Al₁₈B₄O₃₃晶须，混合得到原始钎料粉末；

步骤2、将步骤1得到的原始钎料粉末和磨球置于行星式球磨罐中，抽真空后向球磨罐中充入氩气，以100~150r/min的转速，球磨2~8h，得到Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料。

本发明的技术效果是：

本发明的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料中，Ag和Cu为基体元素，Al₁₈B₄O₃₃晶须为直接添加到钎料粉末中的增强相。其中，Ag和Cu在真空条件下能够通过共晶反应形成液相，填充被焊母材间的空隙，反应后剩余的液相在冷却过程中凝固形成钎缝的金属基体部分；在空气条件下，随着温度的升高Cu元素被氧化生成CuO，Ag通过与CuO形成共晶液相并填充被焊母材间的空隙，液相中的Ag冷却后形成钎缝的金属基体部分。本发明中选择Al₁₈B₄O₃₃晶须作为增强相，具有四个优点：

1、Al₁₈B₄O₃₃晶须的合成过程为原子在高能平面上的堆垛过程，晶须生长方向（长度方向）与高能平面垂直，这就使得Al₁₈B₄O₃₃晶须表面原子中，能量较高的原子数比例比纳米颗粒要小得多，进而大大降低了复合钎料制备过程中增强相的团聚趋势，所得复合钎料均匀性好；

2、Al₁₈B₄O₃₃晶须为单晶体结构，自身缺陷少，机械强度高，所形成的含晶须的复合钎缝可以通过晶须的折断、偏转吸收更多的能量，提高了钎焊接头的承载能力；

3、直接加入Al₁₈B₄O₃₃晶须作为增强相，可以克服已报道的晶须增强相对原位合成条件（如真空条件）的依赖性，拓展所制备复合钎料的应用范围；

4、Al₁₈B₄O₃₃晶须生产工艺成熟，原料价格低廉，因而用其作为增强相制备的复合钎料成本相对较低。

采用本发明的复合钎料在1050℃下空气钎焊Al₂O₃陶瓷时，所得钎焊接头中均匀分布着大量的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强相，增强相尺寸明显大于原位合成的晶须，部分Al₁₈B₄O₃₃晶须已经发生折断现象，表明Al₁₈B₄O₃₃晶须具有充分吸收能量作用，钎焊接头平均抗剪强度最高可达61MPa，比使用银铜钎料空气钎焊氧化铝陶瓷的钎焊接头抗剪强度提高了154%，是银铜钎料的2倍多。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为实施例1所制备的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料的微观形貌二次电子扫描照片；

图2为实施例1焊接片材的微观组织形貌图；

图3为实施例1的 Al₂O₃陶瓷钎焊接头断口照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

本实施例按质量百分比，称取65%的Ag粉、25%的Cu粉和10%的Al₁₈B₄O₃₃晶须，混合得到原始钎料粉末；

将上述的原始钎料粉末和磨球置于行星式球磨罐中，抽真空后向球磨罐中充入氩气，以120r/min的转速，球磨4h，得到Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料；其中球料比9:1、填料比45%。

球料比是指球磨时所使用的陶瓷磨球质量与所配置钎料质量之比；填料比是指磨球+钎料粉末总体积与球磨罐容积之比。

测试1：

对上述制备的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料的微观形貌进行扫描电镜观察，从图1可以看出，复合钎料中晶须增强相分布均匀，未观察到明显的增强相团聚现象。

测试2：

取两块尺寸为8mm×8mm×5mm的Al₂O₃陶瓷母材，被焊接表面用600#、1000#金刚石砂轮片磨光，随后将打磨表面抛光至1μm粗糙度，经在丙酮溶液中超声清洗后，利用本实施例制备的复合钎料，采用平铺预置方式连接两块母材，在连接温度1050℃、空气条件下保温10min，得到试样1。

采用金刚石线切割方法，从试验1得到的试样1上切下厚度为2mm的片材，经600#、1000#、1200#金刚石砂轮片打磨和抛光后，得到焊接片材1。

图2为焊接片材1的微观组织形貌图，从图2可以看出，所得钎焊接头钎缝中均匀分布着大量的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强相，增强相尺寸明显大于原位合成的晶须，部分Al₁₈B₄O₃₃晶须已经发生折断现象，表明Al₁₈B₄O₃₃晶须能充分吸收能量。

测试3：

取尺寸为15mm×10mm×5mm和8mm×8mm×5mm的三对Al₂O₃陶瓷母材，采用试验1的方法，再制得3个试样，对此3个试样进行剪切试验，取平均值。

本实施例的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料空气钎焊Al₂O₃陶瓷所得钎焊接头平均抗剪强度可达61MPa，同样地，使用银铜钎料所得钎焊接头的抗剪强度为24 MPa，比使用银铜钎料空气钎焊氧化铝陶瓷的钎焊接头抗剪强度提高了154%。

图3为本实施例的Al₂O₃陶瓷钎焊接头断口照片，从断口中可以观察到大量的Al₁₈B₄O₃₃晶须，以及晶须拔离后留下的窝槽。

由此可得，本发明的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料能够实现对陶瓷材料的高质量钎焊，钎焊接头中的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强相一方面可以降低整个钎缝的线膨胀系数，同时也能通过自身的折断、偏转吸收额外能量，显著提高陶瓷钎焊接头连接质量。

实施例2

本实施例按质量百分比，称取60%的Ag粉、30%的Cu粉和10%的Al₁₈B₄O₃₃晶须，混合得到原始钎料粉末；

将上述的原始钎料粉末和磨球置于行星式球磨罐中，抽真空后向球磨罐中充入氩气，以100r/min的转速，球磨2h，得到Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料；其中球料比6:1、填料比40%。

按实施例1的测试3进行测试，本实施例的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料空气钎焊Al₂O₃陶瓷所得钎焊接头平均抗剪强度为45 MPa。

实施例3

本实施例按质量百分比，称取70%的Ag粉、20%的Cu粉和10%的Al₁₈B₄O₃₃晶须，混合得到原始钎料粉末；

将上述的原始钎料粉末和磨球置于行星式球磨罐中，抽真空后向球磨罐中充入氩气，以150r/min的转速，球磨8h，得到Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料；其中球料比12:1、填料比50%。

按实施例1的测试3进行测试，本实施例的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料空气钎焊Al₂O₃陶瓷所得钎焊接头平均抗剪强度为58 MPa。

实施例4

本实施例按质量百分比，称取68.4%的Ag粉、26.6%的Cu粉和5%的Al₁₈B₄O₃₃晶须，混合得到原始钎料粉末；

将上述的原始钎料粉末和磨球置于行星式球磨罐中，抽真空后向球磨罐中充入氩气，以120r/min的转速，球磨4h，得到Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料；其中球料比9:1、填料比45%。

按实施例1的测试3进行测试，本实施例的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料空气钎焊Al₂O₃陶瓷所得钎焊接头平均抗剪强度为47 MPa。

实施例5

本实施例按质量百分比，称取61.2%的Ag粉、23.8%的Cu粉和15%的Al₁₈B₄O₃₃晶须，混合得到原始钎料粉末；

将上述的原始钎料粉末和磨球置于行星式球磨罐中，抽真空后向球磨罐中充入氩气，以120r/min的转速，球磨4h，得到Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料；其中球料比9:1、填料比45%。

按实施例1的测试3进行测试，本实施例的Al₁₈B₄O₃₃晶须增强的银铜复合钎料空气钎焊Al₂O₃陶瓷所得钎焊接头平均抗剪强度为32 Mpa。

上述的Ag粉、Cu粉和Al₁₈B₄O₃₃晶须粉的质量纯度都为99%~99.9%。