Ag-Cu-Ti基復(fù)合釬料釬焊氮化硅陶瓷的連接工藝和機(jī)理研究.pdf

1、氮化硅陶瓷是一種常用的結(jié)構(gòu)陶瓷,研究該類陶瓷的連接意義重大。當(dāng)采用傳統(tǒng)的合金釬料連接氮化硅時(shí),由于母材與釬料合金之間較大的熱膨脹系數(shù)差異,容易在連接后的接頭內(nèi)產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力。本文在Ag-Cu-Ti合金釬料內(nèi)添加一定體積分?jǐn)?shù)的SiCp或Mo顆粒,以降低釬料熱膨脹系數(shù),緩解接頭內(nèi)的應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，研究了Si3N4陶瓷與釬料之間的界面反應(yīng)過(guò)程和接頭內(nèi)反應(yīng)相的形成機(jī)制;并采用數(shù)字圖像相關(guān)法研究了接頭在添加顆粒后性能得到提升的根本原因。

2、>　　研究發(fā)現(xiàn),采用Ag-Cu-Ti+SiCp復(fù)合釬料連接Si3N4陶瓷時(shí),當(dāng)連接溫度較低或保溫時(shí)間較短時(shí),界面反應(yīng)不能充分進(jìn)行。而當(dāng)釬焊溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),釬料內(nèi)SiCp反應(yīng)完全。在本研究范圍內(nèi),當(dāng)釬料內(nèi)含4wt.％Ti時(shí),隨著接頭內(nèi) SiCp含量的增加,接頭彎曲強(qiáng)度先增加后降低;當(dāng)釬料內(nèi)含5vol.%SiCp時(shí),隨著接頭內(nèi)Ti含量的提升,接頭彎曲強(qiáng)度也是先增加后降低。當(dāng)釬料成分為(Ag72Cu28)92Ti8+5vol.%Si

3、Cp,在900℃保溫10min下,接頭最高的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到了506MPa。
　　采用Ag-Cu-Ti+Mo復(fù)合釬料連接Si3N4陶瓷時(shí),接頭的力學(xué)性能隨著釬焊溫度的升高先增加后降低(840-950℃),而隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低(10-40min);當(dāng)復(fù)合釬料內(nèi) Mo含量從0vol.%增加到20vol.%時(shí)(Ti含量為4wt.%),接頭彎曲強(qiáng)度先增加后降低,高M(jìn)o含量接頭內(nèi)出現(xiàn)大量的Ti-Cu金屬間化合物;當(dāng)釬料合金中Ti含量

4、從2wt.%增加到6wt.%時(shí)(Mo為5vol.%),接頭彎曲強(qiáng)度也是先增加后降低。當(dāng)釬料成分為Ag72Cu28)96Ti4+5vol.%Mo,在900℃保溫10min下,接頭的平均三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到了429MPa。
　　使用Ag-Cu-Ti+SiCp復(fù)合釬料連接Si3N4陶瓷的連接機(jī)理為:當(dāng)釬料熔化后,活性元素 Ti與Si3N4陶瓷發(fā)生反應(yīng),在陶瓷/釬料界面處生成了晶粒尺寸約30-50nm的TiN;反應(yīng)釋放的Si原子往液態(tài)釬料內(nèi)擴(kuò)

5、散,在TiN/釬料界面處生成晶粒尺寸約200nm的Ti5Si3。HRTEM表明TiN沿著Si3N4陶瓷母材的某些晶面外延生成。釬縫內(nèi)Ti與SiCp的反應(yīng)逐步進(jìn)行,首先生成Ti3SiC2和Ti5Si3;當(dāng) SiCp完全分解后,Ti3SiC2繼續(xù)與Ti反應(yīng)生成 TiC和Ti5Si3。Si從 Ti3SiC2中的脫嵌引起了Ti3SiC2的分解。
　　使用Ag-Cu-Ti+Mo復(fù)合釬料連接Si3N4陶瓷的連接機(jī)理為:母材/釬料界面層結(jié)構(gòu)和形

6、成機(jī)制與含 SiCp的復(fù)合釬料一致;Ag基和Cu基固溶體組織構(gòu)成釬縫的主體組織,在兩類固溶體上彌散分布著Mo顆粒及Ti-Cu金屬間化合物。釬料層內(nèi)出現(xiàn)了多種類型的Ti-Cu化合物,Ti-Cu化合物的吉布斯生成自由能計(jì)算以及釬料層內(nèi)的透射分析結(jié)果均證實(shí)了這一點(diǎn)。納米壓痕測(cè)試表明 Ti-Cu化合物具有高于Ag或Cu的楊式模量和硬度。
　　本文研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)在接頭內(nèi)復(fù)合一定含量的添加相(SiCp或 Mo)時(shí)(5vol.%),均可獲得優(yōu)質(zhì)的

7、釬焊接頭。以SiCp為例,采用DIC揭示了該條件下的增強(qiáng)機(jī)制為:添加顆粒后引起接頭內(nèi)宏觀殘余應(yīng)力水平的降低;釬料層內(nèi)發(fā)生早期的塑性變形以及大的變形程度導(dǎo)致了接頭內(nèi)微觀殘余應(yīng)力水平的下降;顆粒的增強(qiáng)效應(yīng)。此外,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用SiCp作為添加相時(shí),在合適的工藝和釬料成分下,得到接頭最高的彎曲強(qiáng)度(506MPa)高于含Mo復(fù)合釬料所獲得的最高彎曲強(qiáng)度(429MPa)。分析認(rèn)為含SiCp的復(fù)合釬料中可通過(guò)靈活調(diào)整接頭內(nèi)顆粒含量及Ti含量,使得在