[發明專利]共熔釬焊組合物和相關方法及裝置

有效

• 申請號: 201710202904.6
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號: CN107262956B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: R.R.阿哈拉普拉普;S.庫馬
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: B23K35/24
• 分類號: B23K35/24;B23K35/30;B23K1/19
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 林毅斌;黃念

描述了一種活性釬焊合金組合物，其包括：鎳；或鎳和鈷的組合；約2重量%至約30重量%鍺；和約1重量%至約5重量%硼和約0.5重量%至約5重量%的至少一種活性元素。所述組合物不含硅。也描述了由所述釬焊合金組合物形成和位于不同裝置(10)、結構和機構的釬焊合金連接(140,150)。進一步描述了使用所述釬焊組合物修補金屬部件(202)內的裂縫(200)或其它空腔的相關方法。

技術領域

本公開涉及由金屬和陶瓷部件形成的機構和裝置。在一些特定實施方案中，本發明涉及用于連接和密封機構或裝置中各種結構的方法，例如電化學裝置中的結構。

背景技術

許多類型的機構和裝置包括由多樣化材料制成的部件，例如金屬、塑料和陶瓷。實例包括：照明裝置；發電設備例如燃氣渦輪發動機；用于油氣勘探的泵；光譜設備(例如，γ射線檢測器)和醫療設備，例如X射線裝置。作為另一個說明，電化學裝置例如電池和燃料電池包括各種金屬和陶瓷結構。這些結構通常需要彼此連接，通常以提供在特定裝置上或裝置內的密封的形式連接。釬焊為適用于許多這些應用的廣泛使用的連接方法。

上述燃氣渦輪發動機用于多種高級軍用和商用飛行器，以及發電設備。發動機通常包括在發動機“熱段”(渦輪和燃燒室)以及“冷段”(例如空氣入口和壓縮機)兩者中需要連接在一起的陶瓷和金屬部件。除符合高溫使用(例如至少750℃)需求外，各種金屬-陶瓷連接還需要非常堅固和耐用。

如本領域技術人員了解，金屬-陶瓷釬焊長久以來就是一項困難的任務。第一，釬焊合金熔體很難在釬焊操作期間潤濕陶瓷表面。第二，金屬和陶瓷連接之間的熱膨脹系數(CTE)差異以及陶瓷和填料金屬之間的CTE差異可在部件運行期間削弱或損害釬焊連接。

除燃氣渦輪發動機以外，還發現在許多其它結構和裝置中將金屬連接到陶瓷是有挑戰性的。實例包括醫療裝置例如X射線儀器。其它實例包括油汽鉆探和勘探設備。

儲能裝置例如電池還可包括由陶瓷和金屬材料形成的相鄰部件。特定實例包括高溫“熱”電化學裝置，例如鈉/金屬鹵化物和鈉-硫電池。陶瓷部件通常包括電絕緣的α氧化鋁套圈、離子導電電解質β氧化鋁管，且通常經由密封玻璃連接或結合。金屬部件通常包括金屬外殼、集電器部件和通常通過焊接或熱壓結合(TCB)連接的其它金屬部件。雖然密封這些部件的機構是目前可得的，但其使用有時可存在一些困難，例如由于上述的CTE不匹配。

因為金屬與陶瓷的結合對于高溫電池的單電池可靠性和安全是最重要的，所以已經考慮關于連接這些部件的許多不同類型的密封材料和密封方法，包括陶瓷結合劑、釬焊和燒結。然而，大部分密封可能不能經受高溫和腐蝕性環境。常見結合工藝包括多個步驟：陶瓷部件金屬化，隨后使用熱壓結合(TCB)將金屬化的陶瓷部件結合至金屬部件。雖然該方法有時有用，但由于多個加工步驟以及控制加工步驟的困難，它是相對昂貴和復雜的。

關于連接陶瓷到金屬，或陶瓷到陶瓷，“活性釬焊”的概念已在近年來變得更流行。活性釬焊使用促進陶瓷表面潤濕的活性金屬元素，增強提供隔絕密封的能力。如本文所用，“活性金屬元素”是指具有與陶瓷內的氧的高親和力，由此與陶瓷反應的反應性金屬。

含有活性金屬元素的釬焊合金還可以稱為“活性釬焊合金”。活性金屬元素在釬焊合金處于熔融狀態時經歷與陶瓷的反應，并導致在陶瓷和釬焊合金界面上形成薄的反應層。薄的反應層使釬焊合金潤濕陶瓷表面，導致形成陶瓷-陶瓷或陶瓷-金屬連接/結合，這還可稱為“活性釬焊密封”。

近來已經開發出很多活性釬焊合金組合物。在鎳金屬部件連接到陶瓷的情形中，釬焊組合物通常包括鎳。還存在像鈦或鋯的活性金屬，以及像硅或硼的熔點抑制劑。這些類型的釬焊合金已用于成功地將陶瓷連接到金屬。它們還可以用作暴露于高溫(例如大于300℃)的部件的連接材料。