一种用于SiC陶瓷低应力钎焊的复合钎料及其制备方法与流程

技术领域：

本发明涉及的是复合钎料制备工艺领域，具体涉及的是一种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料及其制备方法。

背景技术：
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sic陶瓷由于具有高熔点、高硬度和良好的耐磨性能等特点，广泛应用于机械、电子、化工和医学等领域。制备sic陶瓷材料的烧结技术也已趋于成熟，但sic陶瓷的复杂大构件成品率依然很低，因此工业上常常采用将小尺寸的sic陶瓷进行焊接而组成大构件的方法。其中必然涉及到sic陶瓷与sic陶瓷及sic陶瓷与金属材料的焊接，而sic陶瓷焊接所面临的两大难题是液态金属钎料对sic陶瓷的润湿结合问题与sic陶瓷/金属界面的残余应力问题。

影响sic陶瓷与金属材料连接的本质问题是sic陶瓷能否被液态金属所润湿，并形成冶金结合。从目前的焊接方法来看，钎焊是实现sic陶瓷材料连接最具有潜力技术之一，并被广泛地研究。一般需要较高的温度条件才可实现液态钎料对sic陶瓷良好的润湿结合，且都需要在真空或惰性保护气氛中完成。目前有三种思路可以解决该问题：一是在钎料中加入活性元素促进sic与液态金属结合。对于sic陶瓷来讲，钛、钽、铬等都可作为活性元素。二是通过在钎料合金中加入某些元素（例如硅、镍、铜、铁、钴、银等）可使得钎料合金对sic的润湿角变小，能够对sic产生良好的润湿结合。三是采用外加能量代替真空环境、焊接压力、高温加热和化学试剂等进行钎焊。上述几种方法可以很好的实现sic陶瓷与金属材料的润湿结合，但是sic陶瓷与金属界面的残余应力问题仍然不能解决。

因为sic陶瓷与金属材料的物理化学性能、晶格结构、线膨胀系数差异都很大，在焊接完成后会直接影响sic陶瓷/金属异种焊接接头应力状态，并在接头界面附近形成残余应力。焊接温度越高残余应力越大，如在低温下焊接，残余应力也会相应减小。现在成熟的中温商业钎料以锌基钎料为主，例如锌铝共晶钎料等，但是这些锌基钎料与sic陶瓷润湿性又相对较差，很难形成冶金结合。

技术实现要素：
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本发明的一个目的是提供一种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料，这种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料用于解决sic陶瓷连接时由于高温引起的残余应力问题，本发明的另一个目的是提供这种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料由骨架合金和填充合金润湿结合而原位生成，骨架合金为泡沫铝，填充合金由纯铝、纯锌、纯铜、铝硅中间合金、铝镍中间合金组成，按质量百分含量计，泡沫铝为5.30％~61.20％，纯铝为22.85％~81.00％，纯锌为0.52％~13.00％，纯铜为0.01％~13.60％，铝硅中间合金为0.06％~15.63％，铝镍中间合金为0.02％~1.5％；铝硅中间合金含si为20%，铝镍中间合金中含ni为10%。

上述用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料的制备方法：

（1）按质量百分含量，称取22.85％~81.00％的纯铝、0.52％~13.00％的纯锌、0.01％~13.60％纯铜、0.06％~15.63％的铝硅中间合金、0.02％~1.5％的铝镍中间合金为填充合金原料；

（2）线切割机切割泡沫铝，得到厚度是1mm的泡沫铝薄片，将质量百分含量5.30％~61.20％的泡沫铝薄片依次与无水乙醇和丙醇混合进行超声清洗；

（3）将所述纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向电阻熔炼炉中充入氩气保护，在熔炼温度为700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后将所述纯铜、铝镍中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在700~950℃的条件下保温5~20分钟，接着加入步骤（1）填充合金总质量0.01％~2.1％的六氯乙烷，精炼5~20分钟，六氯乙烷为脱气剂；在坩埚中加入所述纯锌在470~650℃的条件下熔炼5~20分钟；将泡沫铝薄片放入坩埚，并采用水冷超声头放入熔融钎料合金中，施加频率为20~40千赫兹、振幅为10~30微米的超声波1~20秒，最后在空气中冷却，得到复合钎料合金块；

（4）采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为10~30毫米、厚度为2~3毫米的合金带，得到复合钎料。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明制备的复合钎料由泡沫铝骨架和填充纯锌润湿结合而原位生成，本制备工艺保证了泡沫铝骨架与填充合金之间的良好结合，从而保证复合钎料的成型能力。

2、本发明在高温熔炼过程下施加超声波，可以保证泡沫铝骨架与填充合金界面润湿良好，能够提高钎料最终的力学性能。

3、本发明在焊接时直接可以得到铝合金与纯锌相互间隔的焊缝，接头的残余应力可以下降20%~30%。

4、本发明的低应力钎料，具有焊接温度低（≤600℃）、与sic陶瓷焊接后显著降低应力等特点。

附图说明：

图1为采用本发明复合钎料的宏观组织图；

图2为采用本发明复合钎料的微观组织图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

这种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料由骨架合金和填充合金润湿结合而原位生成，骨架合金为泡沫铝，填充合金由纯铝、纯锌、纯铜、铝硅中间合金、铝镍中间合金组成，按质量百分含量计，泡沫铝为5.30％~61.20％，纯铝为22.85％~81.00％，纯锌为0.52％~13.00％，纯铜为0.01％~13.60％，铝硅中间合金为0.06％~15.63％，铝镍中间合金为0.02％~1.5％；铝硅中间合金含si为20%，铝镍中间合金中含ni为10%。

上述用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料的制备方法：

（1）按质量百分含量，称取22.85％~81.00％的纯铝、0.52％~13.00％的纯锌、0.01％~13.60％纯铜、0.06％~15.63％铝硅合金、0.02％~1.5％铝镍中间合金组成填充合金原料。

（2）线切割机切割泡沫铝，得到厚度是1mm的泡沫铝薄片，将质量百分含量5.30％~61.20％的泡沫铝薄片依次与无水乙醇和丙醇混合进行超声清洗。

（3）将步骤一中纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向炉中充入氩气保护，在熔炼温度为700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后将纯铜、铝镍中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在700~950℃的条件下保温5~20分钟，接着加入填充合金合金总质量0.01％~2.1％的六氯乙烷精炼5~20分钟。在坩埚中加入纯锌在470~650℃的条件下熔炼5~20分钟。将泡沫铝薄片放入坩埚，然后采用水冷超声头放入熔融钎料合金中，施加频率为20~40千赫兹、振幅为10~30微米的超声波1~20秒。最后在空气中冷却，即得到复合钎料合金块。

（4）采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为10~30毫米、厚度为2~3毫米的合金带，得到复合钎料，参阅图1、图2。

技术特征：

1.一种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料，其特征在于：这种用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料由骨架合金和填充合金润湿结合而原位生成，骨架合金为泡沫铝，填充合金由纯铝、纯锌、纯铜、铝硅中间合金、铝镍中间合金组成，按质量百分含量计，泡沫铝为5.30％~61.20％，纯铝为22.85％~81.00％，纯锌为0.52％~13.00％，纯铜为0.01％~13.60％，铝硅中间合金为0.06％~15.63％，铝镍中间合金为0.02％~1.5％；铝硅中间合金含si为20%，铝镍中间合金中含ni为10%。

2.一种权利要求1所述的用于sic陶瓷低应力钎焊的复合钎料的制备方法，其特征在于：

（1）按质量百分含量，称取22.85％~81.00％的纯铝、0.52％~13.00％的纯锌、0.01％~13.60％纯铜、0.06％~15.63％的铝硅中间合金、0.02％~1.5％的铝镍中间合金为填充合金原料；

（2）线切割机切割泡沫铝，得到厚度是1mm的泡沫铝薄片，将质量百分含量5.30％~61.20％的泡沫铝薄片依次与无水乙醇和丙醇混合进行超声清洗；

（3）将所述纯铝放入坩埚并置于电阻熔炼炉中，同时向电阻熔炼炉中充入氩气保护，在熔炼温度为700~950℃的条件下熔炼5~20分钟，然后将所述纯铜、铝镍中间合金和铝硅中间合金依次加入坩埚，在700~950℃的条件下保温5~20分钟，接着加入步骤（1）填充合金总质量0.01％~2.1％的六氯乙烷，精炼5~20分钟，六氯乙烷为脱气剂；在坩埚中加入所述纯锌在470~650℃的条件下熔炼5~20分钟；将泡沫铝薄片放入坩埚，并采用水冷超声头放入熔融钎料合金中，施加频率为20~40千赫兹、振幅为10~30微米的超声波1~20秒，最后在空气中冷却，得到复合钎料合金块；

（4）采用线切割方法将浇铸好的复合钎料合金块切成宽度为10~30毫米、厚度为2~3毫米的合金带，得到复合钎料。

技术总结
本发明涉及的是一种用于SiC陶瓷低应力钎焊的复合钎料及其制备方法，其中用于SiC陶瓷低应力钎焊的复合钎料由骨架合金和填充合金润湿结合而原位生成，骨架合金为泡沫铝，填充合金由纯铝、纯锌、纯铜、铝硅中间合金、铝镍中间合金组成，按质量百分含量计，泡沫铝为5.30％~61.20％，纯铝为22.85％~81.00％，纯锌为0.52％~13.00％，纯铜为0.01％~13.60％，铝硅中间合金为0.06％~15.63％，铝镍中间合金为0.02％~1.5％；铝硅中间合金含Si为20%，铝镍中间合金中含Ni为10%。本发明具有焊接温度低（≤600℃）、与SiC陶瓷焊接后显著降低应力的特点。

技术研发人员：马志鹏;夏法锋;张茗瑄;于心泷;夏杨嘉雯;陈桂娟
受保护的技术使用者：东北石油大学
技术研发日：2020.03.23
技术公布日：2020.05.15