低溫超聲SnBi基釬料及其制備方法,及其超聲釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)陶瓷及其復合材料的釬焊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低溫超聲SnBi 基釬料及其制備方法，以及超聲釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陶瓷的機械強度高、具有較好的耐磨性、耐腐蝕性，并且熱穩(wěn)定性能好。藍寶石是 陶瓷中最常用的一種。
[0003] 藍寶石由于其較好的光學性能，被廣泛應用于光學器件和窗口材料。然而隨著現(xiàn) 代光學系統(tǒng)對大孔徑光學材料的需求，通過人工生長得到的藍寶石尺寸已經(jīng)不能滿足需 求。目前，獲得到大尺寸光學窗口的唯一途徑就是通過將小塊藍寶石連接到一起。因此，藍 寶石的連接技術(shù)已經(jīng)成為了學術(shù)界議論的熱點，具有重要的研宄和實用價值。
[0004] 通過膠接法連接藍寶石由于接頭中的高分子在高溫下容易分解而存在一定可靠 性問題，且連接強度不高。反應燒結(jié)法得到的焊縫中存在孔洞等缺陷，成為藍寶石斷裂過程 中的裂縫源。釬焊是實現(xiàn)陶瓷材料連接最常用的方法，目前廣泛應用的釬焊藍寶石的活性 釬料主要是Ag-Cu-Ti釬料。通過活性元素 Ti與藍寶石的反應，促進液態(tài)釬料與藍寶石的 潤濕結(jié)合。整個焊接過程需要在真空環(huán)境及850°C高溫才能實現(xiàn)連接，從高溫（850°C )冷 卻到室溫的過程中，由于釬料與藍寶石的熱膨脹系數(shù)相差較大，導致焊接接頭留有很大的 殘余應力，成為焊接接頭開裂的主要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決應用現(xiàn)有活性釬料釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材料只能在高溫 (850°C )下釬焊，并且難于形成有效連接、冷卻過程中由于殘余熱應力而造成焊縫開裂的 問題；而提供了低溫超聲SnBi基釬料及其制備方法，及其超聲釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合 材料的方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明中低溫超聲SnBi基釬料的化學組成以重量百分比 計為：41· 5 ~52. 5% Bi，0. 05 ~0· 15% Cu，0. 01 ~0· 1% A1，0. 01 ~0· 05%混合稀土，余 量為Sn ;所述混合稀土按重量百分比是由50%~70% Ce、20%~30% LaUO~15% Nd 和余量為Pr組成；其制備方法是按下述步驟進行的：將Cu放入到坩堝中，將馬弗爐加熱到 1200 °C，并向其中充Ar氣，將坩堝放入到馬弗爐中，保溫直到Cu完全融化，相繼加入Al、Sn、 Bi以及混合稀土 RE，然后保溫20~60分鐘；冷卻后得到低溫超聲SnBi基釬料。
[0007] 低溫超聲SnBi基釬料超聲釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材料的方法是按下述步驟 進行的：
[0008] 步驟一、取兩塊陶瓷或者一塊陶瓷和一塊陶瓷基復合材料或者兩塊陶瓷基復合材 料作為待焊接件，置于丙酮中超聲清洗；
[0009] 步驟二、將權(quán)利要求1所述的低溫超聲SnBi基釬料壓片，片的厚度為0.3~ 0. 5mm，剪裁成與待焊接件相對應的尺寸，得到釬料片；
[0010] 步驟三、將步驟二中釬料片夾與步驟一處理后待焊接件的待焊面之間得到待焊 件，然后將待焊件放入卡具中卡緊；
[0011] 步驟四、施加0. 2~IMpa的壓力，將超聲工具頭直接壓在步驟三卡具中的待焊件 上，大氣環(huán)境下，加熱到170~200°C，施加振幅為5 μπι的超聲波進行超聲輔助釬焊50~ 1000 s0
[0012] 本發(fā)明采用以Al元素作為活性元素 SnBi基釬料，實現(xiàn)了在較低的溫度下（170~ 200°C )超聲釬焊連接陶瓷（藍寶石）及含陶瓷基復合材料等，含陶瓷基的復合材料如含有 陶瓷顆粒的玻璃、硅、鋁合金、鎂合金、鈦合金等。本發(fā)明避免了接頭的開裂，實現(xiàn)了陶瓷和 /或陶瓷基復合材料的有效連接，特別是藍寶石的焊接。
[0013] 相比現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0014] 1、本發(fā)明以Al為釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材料的活性元素，通過Al向陶瓷和 /或陶瓷基復合材料表面擴散反應生成Al2O3過度層，實現(xiàn)陶瓷和/或陶瓷基復合材料基底 與釬料的有效連接。
[0015] 2、本發(fā)明中Al的含量為微含量（0.01%-0. 1%)，A1的熔點為660°C，微量Al可以 避免Sn基釬料的熔點顯著上升，同時避免Al與釬料中的Cu反應生成CuAI2XuAI及Cu2Al 等脆性金屬間化合物，從而弱化焊縫。
[0016] 3、本發(fā)明中Cu元素能與釬料中的Sn元素形成Cu6Sn5，生成的Cu 6Sn5作為形核劑， 增大了 SnBi共晶組織的形核率，促進了 β-Sn相和富Bi相晶粒的細化，改善了釬料的脆 性。釬料的延展率從不加 Cu元素的21%提高到了 39%。
[0017] 4、本發(fā)明中添加的Cu元素在焊縫形成過程中，生成的Cu6Sn5，從而細化晶粒。焊 縫組織中晶粒的細化可以提高韌性，降低殘余應力，從而使焊縫的強度有所提升。
[0018] 5、本發(fā)明含低溫超聲SnBi基釬料實現(xiàn)了低溫焊接，降低了冷卻過程中由于結(jié)構(gòu) 陶瓷和釬料的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的殘余應力，從而大大加強結(jié)構(gòu)陶瓷焊件在使用過 程中的可靠性。而現(xiàn)有活性釬料（Ag-Cu-Ti釬料）以Ti為活性元素的焊接中，由于釬焊溫 度較高，導致冷卻過程中焊接接頭殘余應力較大，在使用中存在一定可靠性的問題。
[0019] 6、本發(fā)明的低溫超聲SnBi基釬料超聲釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材料在大氣環(huán) 境中就能實現(xiàn)有效連接。而現(xiàn)有活性釬料（Ag-Cu-Ti釬料）釬焊陶瓷和/或陶瓷基復合材 料需要在真空爐中進行，對焊接環(huán)境的要求比較苛刻。
[0020] 7、Ti的價格昂貴，而Al的價格比較低廉，本發(fā)明使用Al作為活性元素降低生產(chǎn) 釬料的成本。
[0021] 8、混合稀土 RE的加入可以顯著提高Al在Al2O3表面的潤濕，從而使Al與陶瓷或 陶瓷顆粒之間能夠更好的結(jié)合，同時混合稀土 RE的加入可以細化Sn基釬料的組織。
【附圖說明】
[0022] 圖1為超聲輔助釬焊藍寶石示意圖；圖2為低溫超聲SnBi基釬料的DSC曲線；圖3 為釬料合金的微觀組織圖；圖4為低溫超聲SnBi基釬料合的金微觀組織圖；圖5為焊接接 頭組織形貌；圖6為焊接接頭剪切強度隨超聲振幅的變化；圖7為混合稀土加入對焊接接 頭剪切強度的影響；圖8為藍寶石/釬料界面生成的納米Al2O3顆粒SEM圖像；圖9為活性 元素 Al與Al2O3界面接觸原子排列示意圖；圖10為活性元素 Al與Al 203反應外延生長Al 203 薄層不意圖；其中圖1中的1--待焊上藍寶石、2--待焊下藍寶石，3--釬料、4--超 聲工具頭、5-一加熱線圈、6-一固定模具，7-一可變尺寸夾具。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0023] 一：本實施方式中低溫超聲SnBi基釬料的化學組成見表1 :
[0024] 表1為低溫超聲SnBi基釬料的化學成分（以重量百分比計）
[0025]
[0026] 其中，微量混合稀土（RE)的化學組成見表2 :
[0027] 表2為混合稀土（RE)的化學成分（以重量百分比計）
[0028]
[0029] 本實施方式中低溫超聲SnBi基釬料的制備方法如下：
[0030] 將Cu放入到坩堝中，將馬弗爐加熱到1200°C，并向其中充Ar氣，將坩堝放入到馬 弗爐中，保溫直到Cu完全融化，相繼加入Al、Sn、Bi、以及混合稀土 RE，然后保溫30分鐘； 冷卻后得到低溫超聲SnBi基釬料。
[0031] 本實施方式中低溫超聲SnBi基釬料超聲釬焊藍寶石方法是按下述步驟進行的：