Ag-Cu-Ti基復合釬料釬焊氮化硅陶瓷的連接工藝和機理研究.pdf

1、氮化硅陶瓷是一種常用的結構陶瓷,研究該類陶瓷的連接意義重大。當采用傳統(tǒng)的合金釬料連接氮化硅時,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產生高的殘余應力。本文在Ag-Cu-Ti合金釬料內添加一定體積分數(shù)的SiCp或Mo顆粒,以降低釬料熱膨脹系數(shù),緩解接頭內的應力。在此基礎上，研究了Si3N4陶瓷與釬料之間的界面反應過程和接頭內反應相的形成機制;并采用數(shù)字圖像相關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復合釬料連接Si3N4陶瓷時,當連接溫度較低或保溫時間較短時,界面反應不能充分進行。而當釬焊溫度過高或保溫時間過長時,釬料內SiCp反應完全。在本研究范圍內,當釬料內含4wt.％Ti時,隨著接頭內 SiCp含量的增加,接頭彎曲強度先增加后降低;當釬料內含5vol.%SiCp時,隨著接頭內Ti含量的提升,接頭彎曲強度也是先增加后降低。當釬料成分為(Ag72Cu28)92Ti8+5vol.%Si

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

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

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Ti與SiCp的反應逐步進行,首先生成Ti3SiC2和Ti5Si3;當 SiCp完全分解后,Ti3SiC2繼續(xù)與Ti反應生成 TiC和Ti5Si3。Si從 Ti3SiC2中的脫嵌引起了Ti3SiC2的分解。
　　使用Ag-Cu-Ti+Mo復合釬料連接Si3N4陶瓷的連接機理為:母材/釬料界面層結構和形

6、成機制與含 SiCp的復合釬料一致;Ag基和Cu基固溶體組織構成釬縫的主體組織,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算以及釬料層內的透射分析結果均證實了這一點。納米壓痕測試表明 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):當在接頭內復合一定含量的添加相(SiCp或 Mo)時(5vol.%),均可獲得優(yōu)質的

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