一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法与流程

本发明涉及陶瓷领域，具体涉及一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法。

背景技术：

氧化铝(al2o3)陶瓷具有高刚度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和高绝缘等诸多优异性能，这些优点使氧化铝(al2o3)陶瓷在现代工业和高技术领域得到越来越多的应用。钎焊是al2o3陶瓷相互连接和与金属相连接的最主要方法。例如，al2o3具有高的热导率、尺寸稳定性以及高绝缘击穿场强等诸多优势，因此作为电子基板在大功率电力电子电路中得到广泛应用，在这样的应用中就必须首先将al2o3基板和金属进行钎焊连接。但是，由于在通常的钎焊温度下，作为钎料的液态金属不能润湿al2o3，它们的润湿角大于90°，使得难以采用金属对al2o3进行直接钎焊。

由于陶瓷材料结构与金属材料微观结构不同，钎料往往不能润湿陶瓷表面，也不能与之作用而形成牢固的粘结，因而陶瓷与金属的封接是一种特殊的工艺方法。早期的方法是对al2o3进行金属化，通过在其钎焊面上烧结或镀覆能与al2o3反应的活性金属层(如mo、w等)，进而采用cu基或ag基钎料实现钎焊连接。近年来发展的活性钎料钎焊法则采用了在钎料中加入活性金属组分的方法，通过如ti、v和cr等活性金属与al2o3陶瓷的反应在其表面形成反应过渡层，进而实现金属对al2o3陶瓷的润湿而将其连接。然而，由这些方法获得的钎焊接头都在钎缝金属与al2o3界面存在反应过渡层，而反应过渡层的存在常会对接头产生不利的影响。例如，cu和al2o3钎焊接头的热疲劳性能就因超过1000℃的钎焊温度时界面产生的cualo2而明显降低。因此，现代工业中急需一种能够通过金属直接钎焊al2o3陶瓷而不在接头中产生反应过渡层的技术。

专利cn200910092748.8公开了一种陶瓷和陶瓷以及陶瓷和金属的连接方法。该方法由如下步骤组成：1)使陶瓷的连接面形成厚度为数微米-数十微米的致密的铝或铝合金薄膜，得到连接面覆有所述铝或铝合金薄膜的陶瓷；2)通过所述铝或铝合金薄膜将所述连接面覆有铝或铝合金薄膜的陶瓷与金属连接，或者通过所述铝或铝合金薄膜将所述连接面覆有铝或铝合金薄膜的陶瓷彼此连接。该方法中需要产生由界面反应形成的反应过渡层，而反应过渡层的存在常会对接头产生不利的影响，比如得到的陶瓷的热疲劳性能较低，抗腐蚀性能较差。

ksiazek等在题为“al/al2o3的润湿性和连接强度”的研究论文(ksiazekm,sobczakn,mikulowskib,radziwillw,surowiaki.wettingandbondingstrengthinal/al2o3system.materialsscienceandengineering:a,2002,324(1):162-167)中报道过：在al/al2o3组成的体系中，当al熔液的润湿角由750℃和850℃的121°和96°不润湿状态到950℃的79°润湿状态后，界面的剪切强度可由29mpa和35mpa显著提高到46mpa。但是，由于zr熔液只有在2000℃以上对al2o3的润湿角才能小于90°，而2000℃以上的钎焊温度将因zr熔液严重过烧降低接头的质量和性能，由于zr和zr合金与al2o3陶瓷的结合强度不高，所获得的钎焊接头的强度仍不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，获得了无反应过渡层的钎焊接头，可提高锆钎料与氧化铁陶瓷结合的强度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，所述钎焊方法包括以下步骤：

(a)采用物理气相沉积镀膜法，在氧化铝陶瓷的待钎焊表面镀覆涂层，所述涂层为锆(zr)基涂层；

(b)将步骤(a)镀覆完成的两片氧化铝陶瓷以涂层面相对紧贴放置，后进行真空加热钎焊，得到钎焊接头，所述钎焊接头为锆基钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头。其中，锆基涂层的厚度为300nm～40μm。

优选地，步骤(a)中，所述物理气相沉积镀膜法为采用物理方法使金属气化后沉积于固体材料表面形成涂层的方法，选自真空蒸发镀膜、溅射镀膜或离子镀膜中的一种或多种。其中，离子镀膜加工包括溅射镀膜和离子镀两种方式。

优选地，步骤(a)中，氧化铝陶瓷在镀覆之前，先经过抛光处理，以降低其表面粗糙度。

优选地，步骤(a)中，在镀覆锆基涂层时，先在氧化铝陶瓷的表面镀覆锆单质底层，再在锆单质底层上镀覆锆基涂层。

优选地，所述锆单质底层的厚度不小于100nm，所述锆基涂层的厚度为300nm～40μm。

优选地，步骤(a)中，所述锆基涂层选自锆单质涂层、锆合金涂层或混合涂层中的一种或多种，所述混合涂层为合金元素层和锆单质层组成的涂层。

优选地，所述锆合金涂层为二元合金涂层或三元合金涂层或四元合金涂层，所述二元合金涂层中的二元合金为锆和第二合金元素的混合物，所述三元合金涂层中的三元合金为锆、第二合金元素和第三合金元素的混合物，所述四元合金涂层中的四元合金为锆、第二合金元素、第三合金元素和第四合金元素的混合物，所述第二合金元素为铜(cu)、镍(ni)、硅(si)或锗(ge)中的一种，所述第三合金元素为镍(ni)、钛(ti)、铬(cr)、锶(sr)或钒(v)中的一种，所述第四合金元素为铬。组成多元合金的金属种类各不相同。

优选地，所述二元合金涂层或三元合金涂层或四元合金涂层中，铜的含量≤15at.％，镍的含量≤10at.％，硅的含量≤12at.％，锗的含量≤20at.％，所述三元合金涂层中，第三合金元素的含量≤2at.％，所述四元合金涂层中，第四合金元素的含量≤16at.％。

优选地，所述合金元素层中的合金元素选自铜(cu)、镍(ni)、硅(si)或锗(ge)中的一种或多种。

优选地，所述混合涂层为合金元素层涂覆在锆单质层表面形成，或将至少一层的合金元素层置于双层锆单质层之间形成。在这样的层级结构混合涂层中，合金元素层的总厚度与zr单质层的总厚度按合金元素在zr合金中的含量确定。

优选地，步骤(b)中，真空加热钎焊过程中，真空度为0～10^-1pa，钎焊温度为t～(t+80)℃，所述t为采用的锆基涂层的熔化温度，钎焊时间为5～15min，优选为10min。

本发明考虑到zr与al2o3不发生反应，采用zr及其合金作为钎料直接钎焊al2o3陶瓷，能够在界面形成zr-o化学键实现zr对al2o3的“润湿”，可获得无反应过渡层的钎焊接头，这样的接头可因zr及其合金的易变形能力缓解热应力，获得高的热疲劳性能，而锆钎缝表面形成的氧化膜，则可显著提高接头的抗腐蚀性。在这种接头中，zr或zr合金钎缝与al2o3陶瓷间不产生任何由界面反应形成的化合物过渡层，所获的钎焊接头具有高的强度和高的韧性。物理气相沉积镀膜法具有沉积温度低、沉积速度快、沉积层的成分和结构可控、无公害的优点，能够克服zr或zr合金在2000℃以下钎焊温度不能润湿al2o3陶瓷的困难，实现对al2o3陶瓷的无反应过渡层直接钎焊。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

包括以下的实用性，可以大大提升工业生产的效率，降低生产成本：

1、由本发明获得的钎焊接头，在zr或zr合金钎缝与al2o3陶瓷间不产生任何由界面反应形成的化合物过渡层，所获的钎焊接头具有高的强度和高的韧性。

2、本发明采用气相沉积技术在al2o3陶瓷的待钎焊表面镀覆钎料的方法，克服了zr或zr合金在2000℃以下钎焊温度不能润湿al2o3陶瓷的困难，实现对al2o3陶瓷的无反应过渡层直接钎焊。

3、本发明可用于多种不同合金含量的zr基钎料，包括纯zr和zr-cu，zr-ni，zr-si，zr-ge等二元合金，以及由这些合金元素或加入少量的其他元素组成的三元、四元甚至多元合金。

4、本发明进行真空加热钎焊的过程中，所需的真空度较低。

5、本发明可对大面积的al2o3陶瓷进行平面钎焊，并获得很高的钎透率。

附图说明

图1为实施例1得到的钎焊接头的扫描电子显微镜图；

图2为实施例2得到的钎焊接头的扫描电子显微镜图。

图中：1-al2o3陶瓷层；2-zr单质钎缝层；3-zr-2.0at.％cu合金钎缝层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，包括以下步骤：

(a)将al2o3陶瓷片(30×30×0.8mm)的待钎焊面进行抛光处理，抛光后进行清洗以降低其表面粗糙度；

(b)采用磁控溅射方法在抛光的陶瓷面上镀覆作为钎料的zr单质涂层，zr单质涂层的厚度为7μm；

(c)将两片镀覆完成的氧化铝陶瓷以涂层面相对放置并施加压紧力后装入真空炉，将真空炉腔抽真空至气压低于10^-1pa，并在随后的加热时保持气压不高于此值；

(d)进行真空加热钎焊，钎焊温度为2200℃，加热至钎焊温度并保温10分钟后随炉冷却取出，得到锆单质钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头，采用hitachis-3400n扫描电子显微镜(sem)对该钎焊接头进行观察，如图1所示，1为al2o3陶瓷层，2为zr单质钎缝层，可看到，各钎缝呈现致密饱满的铸态组织，少有末焊透和气孔等钎焊缺陷，钎缝与陶瓷形成了良好的冶金结合。

将锆单质钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头采用国家标准gb11363-89《钎焊接头强度试验方法》进行剪切强度的测定，得到该钎焊接头的剪切强度为115mpa，且韧性高。

实施例2

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，除了步骤(b)中，在抛光的陶瓷面上镀覆锆合金涂层，该锆合金涂层的镀覆顺序为：先在抛光的陶瓷面上镀覆厚度为7μm的zr单质层，再在zr单质层表面镀覆厚度为100nm的cu层外，其余均与实施例1相同，得到zr-2.0at.％cu钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头，采用hitachis-3400n扫描电子显微镜(sem)对该钎焊接头进行观察，如图2所示，1为al2o3陶瓷层，3为zr-2.0at.％cu合金钎缝层，可看到，各钎缝呈现致密饱满的铸态组织，少有末焊透和气孔等钎焊缺陷，钎缝与陶瓷形成了良好的冶金结合。zr-2.0at.％cu钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头的剪切强度为163mpa，且韧性高。

实施例3

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，除了步骤(b)中，在抛光的陶瓷面上镀覆锆合金涂层，该锆合金涂层的镀覆顺序为：先在抛光的陶瓷面上镀覆100nm厚的zr单质底层，接着镀覆厚度为1μm的cu层，在cu层上再镀覆厚度为7μm的zr单质层外，其余均与实施例1相同，得到zr-15.0at.％cu钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头，各钎缝呈现致密饱满的铸态组织，少有末焊透和气孔等钎焊缺陷，钎缝与陶瓷形成了良好的冶金结合，且剪切强度为127mpa，且韧性高。

实施例4

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，除了步骤(b)中，先在抛光的陶瓷面上镀覆锆单质底层，锆单质底层的厚度为100nm，再在锆单质底层上镀覆锆单质涂层，锆单质涂层的厚度为7μm，步骤(d)中，钎焊温度为2050℃，加热至钎焊温度并保温10分钟后随炉冷却取出外，其余均与实施例1相同，得到双层锆单质钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头，其剪切强度为133mpa，且韧性高。

实施例5

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，除了步骤(b)中，先在抛光的陶瓷面上镀覆锆单质底层，锆单质底层的厚度为100nm，后在锆单质底层上镀覆厚度为700nm的锆合金涂层，该锆合金涂层为三元合金涂层，三元合金涂层中含有14.0at.％的cu，1.6at.％的ni(其中，cu为第二合金元素，ni为第三合金元素)，步骤(d)中，钎焊温度为2070℃，加热至钎焊温度并保温10分钟后随炉冷却取出外，其余均与实施例1相同，得到锆单质-三元合金涂层钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头，其剪切强度为153mpa，且韧性高。

实施例6

一种采用锆钎料对氧化铝陶瓷直接钎焊的方法，除了步骤(b)中，先在抛光的陶瓷面上镀覆锆单质底层，锆单质底层的厚度为100nm，后在锆单质底层上镀覆厚度为700nm的锆合金涂层，该锆合金涂层为四元合金涂层，四元合金涂层中含有14.0at.％的cu，1.2at.％的ni和16at.％cr(其中，cu为第二合金元素，ni为第三合金元素，cr为第四合金元素)，步骤(d)中，钎焊温度为2070℃，加热至钎焊温度并保温10分钟后随炉冷却取出外，其余均与实施例1相同，得到锆单质-四元合金涂层钎缝同氧化铝陶瓷直接连接的钎焊接头，其剪切强度为147mpa，且韧性高。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。