高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊_李飛賓

1、23第29卷第3期2008年3月焊接學(xué)報(bào)TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.29No.3March2008高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊李飛賓吳愛萍鄒貴生任家烈(清華大學(xué)機(jī)械工程系北京100084)摘要:電真空應(yīng)用中要求高純氧化鋁與無氧銅的連接接頭具有較高的強(qiáng)度和氣密性。采用AgCuTi活性釬料直接釬焊高純氧化鋁陶瓷與無氧銅研究了釬焊溫度和保溫時(shí)間對(duì)接頭組成、界面反應(yīng)以及接頭抗剪強(qiáng)度的影

2、響研究了銅基體材料對(duì)釬焊接頭組織和界面反應(yīng)的影響。釬焊溫度850~900C保溫時(shí)間20~60min時(shí)接頭抗剪強(qiáng)度接近或達(dá)到90MPa。釬焊工藝參數(shù)偏離上述范圍時(shí)接頭抗剪強(qiáng)度較低。接頭由CuAg(Cu)Cu(AgTi)!Cu3Ti3O(TiO2)Al2O3組成反應(yīng)層以Cu3Ti3O為主個(gè)別工藝條件下有一定量的TiO2生成銅基體視工藝條件的不同對(duì)釬焊接頭組織有一定影響。關(guān)鍵詞:高純氧化鋁陶瓷無氧銅釬焊接頭抗剪強(qiáng)度接頭組織中圖分類號(hào):TG45

3、4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253360X(2008)03005304李飛賓0序言洗約6~10min釬焊在真空爐中進(jìn)行真空度1.0x10~2.0X10Pa加熱速度15‘min隨爐冷卻。高純度、超細(xì)晶粒氧化鋁陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及絕緣強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低和電性能穩(wěn)定等優(yōu)良的電氣性能[13]無氧銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和良好的機(jī)械加工性能[45]。因此在電真空領(lǐng)域?qū)烧哌B接起來可以充分發(fā)揮各自的特點(diǎn)獲得優(yōu)異性能。但是傳統(tǒng)的金屬化

4、方法已經(jīng)不適用于這種陶瓷的表面金屬化所以實(shí)現(xiàn)高純氧化鋁陶瓷和無氧銅的高氣密性直接封接變得十分必要。含Ti元素的活性釬焊法已廣泛應(yīng)用于陶瓷和金屬的連接中[6]由于氧化鋁陶瓷與無氧銅的物化參數(shù)(如線膨脹系數(shù)等)差別較大對(duì)釬焊工藝提出了較高要求。作者主要研究釬焊工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度和組織的影響以及銅基體對(duì)釬焊接頭組織的影響。1試驗(yàn)方法試驗(yàn)所用的陶瓷是純度高于999.7%的氧化鋁無氧銅是1號(hào)無氧銅(代號(hào)TU1)Cu元素含量大于99.97%釬料為A

5、gCuTi合金AgCu為共晶配比Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%~2.0%高純氧化鋁陶瓷和無氧銅的連接試樣均為10mmX5mmX5mm。無氧銅塊釬焊前經(jīng)過20000號(hào)砂紙打磨。所有待焊試樣和釬料連接前均用丙酮和酒精超聲波清收稿日期:20071109釬焊溫度825~925C保溫時(shí)間5~90min。接頭強(qiáng)度用抗剪試驗(yàn)來測(cè)定每個(gè)工藝參數(shù)下得到的接頭抗剪強(qiáng)度是4個(gè)接頭強(qiáng)度的平均值。用掃描電鏡來觀察和分析接頭的組織形貌用X射線衍射來分析界面反應(yīng)產(chǎn)物。2

6、結(jié)果與分析2.1釬焊接頭強(qiáng)度2.1.1釬焊溫度的影響保溫時(shí)間分別為206090min時(shí)接頭抗剪強(qiáng)度隨釬焊溫度的變化如圖1所示?？梢钥闯鲭S著圖1釬焊溫度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響Fig.1Effectofbondingtemperatureonshearstrengthofjoints第3期李飛賓等:高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊55圖5銅側(cè)斷口背散射(825C60min)Fig.5SEMmicrographsoffracturesurfaceo

7、fCuside(825C60minBSE)表2圖5各點(diǎn)成分能譜分析結(jié)果(摩爾分?jǐn)?shù)%)Table2ResultsofEDSofspotsinFig.5位置AgCuTiOAl推測(cè)相a1.0336.0840.8020.451.65Cu3Ti3Ob1.462.2129.3559.327.65TiO22.3銅基體對(duì)接頭組織的影響保溫時(shí)間60min隨釬焊溫度提高銅基體向釬料逐漸溶解如圖6abc所示接頭抗剪強(qiáng)度隨釬焊溫度先增加后減少在875C達(dá)到最大

8、值如圖1所示同時(shí)反應(yīng)層的形態(tài)也有較大變化。在釬焊溫度825t時(shí)反應(yīng)層呈離散顆粒狀(圖7a)根據(jù)上面的分析可知這些顆粒為Cu3Ti3O和TiO2這種不致密導(dǎo)致了接頭強(qiáng)度較低釬焊溫度875C時(shí)得到了致密和連續(xù)的反應(yīng)層(圖7b)根據(jù)接頭能譜和斷口XRD分析可斷定反應(yīng)層為Cu3Ti3O釬焊溫度9000C時(shí)生成一層很薄的連續(xù)的反應(yīng)層如圖7c所示根據(jù)斷口的XRD分析推知反應(yīng)層主要由TiO2構(gòu)成。2.4簡(jiǎn)單分析與討論利用AgCuTi連接氧化鋁和無氧銅

9、時(shí)在釬焊溫度850~900C保溫時(shí)間20~60min時(shí)接頭抗剪強(qiáng)度接近或達(dá)到90MPa釬焊溫度和保溫時(shí)間過長(zhǎng)或過短都不能獲得良好的接頭。接頭組織由圖6接頭組織(60min背散射)Fig.6Microsturcturesofjointswithbondingholdingtimeof60min(SEMBSE)圖7反應(yīng)層(60min背散射)Fig.7Reactionlayersofjointswithbondingholdingtimeof

10、60min(SEMBSE)CuAg(Cu)Cu(AgTi)!Cu3Ti3O(TiO2)Al2O3構(gòu)成。釬焊溫度和保溫時(shí)間影響反應(yīng)層的厚度和形態(tài)從而也間接影響了接頭的抗剪強(qiáng)度。在釬焊溫度825t保溫時(shí)間5min時(shí)生成的反應(yīng)層較薄且不連續(xù)從剪切斷口的表面可以看出釬料與氧化鋁陶瓷反應(yīng)不充分?jǐn)嗔寻l(fā)生在陶瓷與釬料的界面上陶瓷側(cè)斷口基本保留了陶瓷表面而在保溫時(shí)間60min時(shí)只能看到一些離散分布的反應(yīng)層也不利于接頭抗剪強(qiáng)度的提高。同時(shí)在保溫時(shí)間60m