[發明專利]一種多物理場耦合調控中間焊料層的陶瓷/陶瓷連接方法

有效

• 申請號: 201510768016.1
• 申請日: 2015-11-12
• 公開（公告）號: CN105237026A
• 公開（公告）日: 2016-01-13
• 發明（設計）人: 王謙;朱琳;周小玉;李云濤;王志華;何先迪;宋麗新;郭大偉;萬朝輝
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: C04B37/00
• 分類號: C04B37/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明屬于材料連接技術領域，特別是一種多物理場耦合調控中間焊料層的陶瓷/陶瓷連接方法。

背景技術

材料焊接和連接技術是將同種或異種物理、化學、力學性能不同的材料實現牢固的冶金結合的材料成型方法。母材金屬仍然保持各自原有特性，比使用單一金屬優越。材料的焊接與連接的受到普遍重視，結構材料包括特種陶瓷、金屬及其復合材料等，陶瓷/陶瓷的焊接與連接在航空、航天、電子封裝、燃料電池組裝等中有著廣泛應用。

陶瓷/陶瓷焊接與連接方法主要包括機械連接法、粘接法、表面活化連接、固態擴散焊法、氧化物玻璃連接法、瞬間液相法、反應連接等；陶瓷/金屬的焊接與連接方法主要包括機械連接法、粘接法、表面活化連接、自蔓延高溫合成連接、固態擴散焊法、瞬間液相法、前軀體連接法、氧化物玻璃連接法、反應連接法、高能束焊、摩擦焊等。各種方法各有優缺點，針對不同的需求，都有成功的案例，其中釬焊與擴散焊被認為是焊接與連接陶瓷/陶瓷的最佳方法，研究多、應用廣、適用性強。需要解決的主要問題包括：中間層與母材的潤濕和鋪展、焊接接頭的殘余熱應力、焊接接頭的強度。

所使用的中間層一般有三類：金屬及其合材料、陶瓷材料、氧化物玻璃等，其中：金屬及其合金作為中間層連接陶瓷/陶瓷主要面臨三類問題：陶瓷母材與中間層熱膨脹系數通常相差較大，極易在結合界面處產生較大的殘余熱應力；需要氣氛保護，一般需要在高真空或惰性氣體保護下進行，對設備有較高要求；中間層在陶瓷表面潤濕不足，通常需要加入Ti、V等活性元素；陶瓷作為中間層連接陶瓷/陶瓷實際是將陶瓷的燒結工藝應用于連接，主要是將陶瓷以漿料或者流延膜的形式涂覆到陶瓷端面形成中間層，在高溫下燒結，實現連接；氧化物玻璃屬于非晶，作為中間層連接陶瓷/陶瓷具有的優勢在于：與陶瓷化學相容性較好；在陶瓷表面容易進行潤濕和鋪展；通過調節玻璃成分玻璃的性能在很大范圍內可調，包括熱膨脹系數、玻璃熔點等；焊接時不需要氣氛保護。面臨的主要問題是：在僅有溫度場，非晶焊料無增強相時，焊縫易于存在裂紋、氣孔等缺陷，玻璃脆性大，焊接接頭力學性能不足。

發明內容

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種多物理場耦合調控中間焊料層的陶瓷/陶瓷連接方法，該方法采用多物理場耦合調控增強相均勻分布的焊料作為中間層，采用熱源熔化焊料或焊料和部分母材，同時額外施加物理場，調控焊縫物質分布，調節焊接冶金過程，控制焊縫組織結構，以消除焊縫缺陷、降低殘余熱應力，提高焊縫韌性、促進界面結合，提高焊接接頭力學性能。

本發明的技術方案：

一種多物理場耦合調控中間焊料層的陶瓷/陶瓷連接方法，采用熱源熔化焊料或焊料和部分母材，同時額外施加物理場，步驟如下：

1)陶瓷待焊表面的清洗

將陶瓷的待焊表面去除油脂、污漬，用機械打磨法進行預處理，初步去除氧化膜，然后用超聲波清洗儀進行清洗；

2)焊料的制備

焊料為非晶材料或非晶材料和增強相混合材料，將非晶材料或非晶材料和增強相混合材料放入球磨機中混合均勻，然后將混合粉末制成粉狀、棒狀、帶狀或膏狀復合焊料；

3)陶瓷/陶瓷的連接

將焊料放置于陶瓷與陶瓷母材之間并用工裝卡具完成裝卡，，開啟外加熱源，對焊料和母材進行加熱使結合處的焊料和焊料與母材接觸處熔化為液態，同時對結合處額外施加物理場，焊縫完成后停止加熱，待焊縫冷卻后關閉額外物理場，得到復合焊縫組織的焊接接頭，完成陶瓷-陶瓷的連接。

所述焊料中非晶材料為玻璃或非晶合金釬料，玻璃的形態為粉狀或膏狀，非晶合金釬料為Ni基非晶釬料、Ti基非晶釬料或Cu基非晶釬料，非晶釬料的形態為粉狀、帶狀或膏狀；增強相為碳化硅、氮化硅或碳，增強相的形態為顆粒、纖維或晶須；在非晶材料和增強相混合材料焊料中增強相的體積百分比為1-50％，余量為非晶材料。

所述外加熱源為乙炔焰或氫氧焰、電弧、激光、電子束或通過熱傳導和熱輻射熔化金屬的電阻加熱法。

所述額外施加的物理場為超聲波、磁場和電場中的一種或兩種以上同時施加，其中：超聲波的振動頻率為2×10⁴-1×10⁹Hz，工具頭輸出振幅為0.01-20μm，超聲波電源的輸出功率為0.01-5kW，工作壓力0.01-5.0MPa，超聲波振動方向為橫向或縱向；磁場為穩恒磁場或交變磁場，磁場強度為0.001-15T，交變磁場頻率為0.01-10000Hz；電場為穩恒電場或交變電場，電場強度為0.001-100000A，交變電場頻率為0.01-10000Hz。

本發明的優點是：