專利名稱：陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷與金屬連接方法。
為了充分發(fā)揮陶瓷材料和金屬材料之間的性能互補(bǔ)，開發(fā)可靠實(shí)用的陶瓷與金屬連接方法是一項(xiàng)有著重要工業(yè)應(yīng)用背景的高技術(shù)研究項(xiàng)目。
目前已為人們所知的連接方法主要有活性金屬釬焊；固相擴(kuò)散連接；共晶反應(yīng)連接；玻璃陶瓷液相連接；陶瓷表面金屬化后連接；摩擦焊連接；超高真空常溫連接；激光和電子束焊接。研究表明，活性金屬釬焊和固相擴(kuò)散連接是最有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和前景的兩種連接方法。
活性金屬釬焊，是在普通金屬釬料添加活性元素，通過活性元素與陶瓷之間的界面反應(yīng)，使釬料在陶瓷表面浸潤和鋪展，并實(shí)現(xiàn)化學(xué)連接的方法。研究表明，最有效的活性元素是Ti和Zr，目前國外已有Ag-Cu-Ti和Ag-Cu-Ti-In等活性釬料商業(yè)銷售并在許多實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品上(如陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī))得到應(yīng)用。但由于這些活性釬料熔點(diǎn)低，用它們釬焊的接頭的使用溫度一般不超過750K，也不耐氧化。因此，近年國內(nèi)外都在積極開發(fā)高溫活性釬料，如Cu-Ti、Ni-Cu-Ti和Pd-Cu-Ti等，但至今還沒有成熟的高溫活性釬料問世。
固相擴(kuò)散連接，雖能保證高的高溫連接強(qiáng)度，但其連接需在較高的溫度和壓力下進(jìn)行，這有可能會(huì)增加連接殘余應(yīng)力和導(dǎo)致連接件的變形和破損，同時(shí)還需對待連接表面進(jìn)行高精度加工，以保證連接面之間良好的初始接觸，所需設(shè)備也較復(fù)雜和昂貴，在應(yīng)用上還有許多問題有待解決。
近年來，人們在“Ni基耐熱合金瞬間液相連接”的啟發(fā)下，已開發(fā)出一種新的陶瓷與金屬(或陶瓷)連接方法，稱為“部分瞬間液相連接”。這種連接方法充分結(jié)合了活性金屬釬焊和固相擴(kuò)散連接兩者的優(yōu)點(diǎn)。通過使用微觀設(shè)計(jì)的多層中間層，連接過程中僅在陶瓷表面附近形成局部液相區(qū)，起著類似于釬料的作用，然后再通過液體合金與高熔點(diǎn)金屬核心層之間的相互擴(kuò)散，使液態(tài)合金等溫凝固和進(jìn)一步固相成分均勻化，使接合區(qū)材料的熔點(diǎn)顯著提高，從而表現(xiàn)出固相擴(kuò)散連接接頭的耐熱特性。
在活性釬焊和固相擴(kuò)散連接中均使用均質(zhì)材料(釬料和/或中間層)，釬焊前后釬料的成分和熔點(diǎn)變化不大，且不希望釬料對金屬母材或中間層的過分溶蝕。而部分瞬間液相連接中則選用不均勻中間層(B/A/B，B的厚度遠(yuǎn)小于A的厚度)，在連接溫度下，通過B的熔化或A/B的界面僅在連接區(qū)緊鄰陶瓷處形成局部液相區(qū)，起到釬料的作用，并經(jīng)長時(shí)間的相互擴(kuò)散使液相區(qū)等溫凝固和固相成分均勻化，使接頭又具有固相擴(kuò)散連接的耐熱特性。由于有液相參與界面反應(yīng)，因而部分瞬間液相連接與釬焊類似，在理論上不需連接壓力，實(shí)際使用的壓力比固相連接的要小得多，這也是應(yīng)用上的便利之處。
為實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬間的化學(xué)連接，部分瞬間液相連接中中間層材料選擇的基本原則如下間層材料選擇的基本原則如下(1)B或A-B液體合金能與陶瓷發(fā)生界面反應(yīng)并浸潤，因此，A和B之一必須是活性元素；(2)依靠A/B界面擴(kuò)散形成液相時(shí)，A、B間應(yīng)具有共晶相圖關(guān)系，且有適中的共晶溫度(決定了連接溫度)；而僅通過B的溶化形成液相時(shí)，連接溫度則取決于B熔點(diǎn)，此時(shí)，A與B之間為勻晶或包晶相圖；(3)A(純金屬或A基合金)應(yīng)根據(jù)高溫強(qiáng)度、熱膨脹第數(shù)、彈性模量和耐氧化性等性能選擇，固相擴(kuò)散連接中中間層試驗(yàn)結(jié)果是選擇A的重要依據(jù)；(4)A、B之間盡可能有高的相互擴(kuò)散系數(shù)，以縮短整個(gè)過程時(shí)間；(5)A、B之間盡可能不產(chǎn)生脆性化合物。
目前已為人們所知的中間層材料有Cu/Ni/Cu、Cu/Pt/Cu和Cu/Ni-(20-22％Cr)/Cu用于Al2O3陶瓷的部分瞬間液相連接；Ti/Ni/Ti、Au/Ni-22％Cr/Au用于Si3N4陶瓷的部分瞬間液相連接，最近的試驗(yàn)有用鍍Au-Cu的Ni基合金箔連接表面已鍍Ti的Si3N4陶瓷，連接強(qiáng)度高達(dá)770MPa。可見，活性金屬Ti用于部分瞬間液相連接的目前只有Ti/Ni/Ti中間層。根據(jù)Ti-Ni相圖，在共晶溫度以上進(jìn)行部分瞬間液相連接時(shí)，Ti與Ni之間形成的兩種脆性金屬間化合物，Ni3Ti和NiTi，會(huì)顯著地降低接頭強(qiáng)度。因而Ti/Ni/Ti多層中間層在實(shí)用上尚有明顯不足。由于Ti對幾乎所有的陶瓷(包括氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷)都是活性的，因此使用活性元素Ti作為中間層材料進(jìn)行部分瞬間液相連接具有重要意義和普遍的適用價(jià)值。
本發(fā)明即是針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種多層中間材料中無脆性化合物產(chǎn)生、連接強(qiáng)度高的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，先在陶瓷與金屬之間放置多層中間材料，再加溫連接，所說多層中間材料中至少包括一層Ti、一層Cu、一層X材料，所說X材料為與Cu成勻晶相圖關(guān)系且熔點(diǎn)比Cu熔點(diǎn)高的金屬材料，上述三層材料依次緊挨；將上述多層中間材料放置在陶瓷與金屬之間后，進(jìn)行第一次部分瞬間液相連接，即加溫至第一連接溫度并在此溫度上等溫，所說第一連接溫度介于Ti與Cu的共晶溫度和Cu的熔點(diǎn)之間；上述第一次部分瞬間液相連接完成后，進(jìn)行第二次部分瞬間液相連接，即進(jìn)一步升溫至第二連接溫度并在此溫度上等溫，所說第二連接溫度介于Cu的熔點(diǎn)與X材料的熔點(diǎn)之間。
所說的多層中間材料為五層材料，它們的緊挨次序依次為Ti、Cu、X、Cu、Ti。
所說的X材料為Ni。
所說的第一連接溫度為1323K。
所說的第二連接溫度為1373K。
所說的X材料為Au。
所說的X材料為Pd。
所說的X材料為Pt。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1為本發(fā)明第一次部分瞬間液相連接過程中多層中間材料狀態(tài)圖2為本發(fā)明第二次部分瞬間液相連接過程中多層中間材料狀態(tài)圖；本實(shí)施例中，采用Ti-Cu-Ni-Cu-Ti為多層中間材料，則Ti與Cu之間為共晶相圖關(guān)系，Cu與Ni之間為勻晶相圖關(guān)系，將該多層中間材料放置在陶瓷與金屬之間后，進(jìn)行第一次部分瞬間液相連接(圖1中的a圖表示初始狀態(tài))，即加溫至第一連接溫度，并持續(xù)保溫，該溫度介于Ti與Cu的共晶溫度和Cu的熔點(diǎn)之間，以1323K為宜，由于Ti與Cu之間為共晶相圖關(guān)系，這時(shí)通過Ti與Cu之間的相互擴(kuò)散迅速在界面處形成Cu-Ti的液相區(qū)，并同時(shí)向Ti側(cè)和Cu側(cè)推移，選擇較薄的Ti層時(shí)，液相區(qū)向Ti側(cè)的推移最終將使Ti層全部熔化(溶解)，此時(shí)的狀態(tài)如圖1中b圖所示，其中1為Cu-Ti液體合金、2為固態(tài)Cu層。當(dāng)液相區(qū)達(dá)到最大寬度后在連接溫度下進(jìn)一步保溫將使液相區(qū)發(fā)生等溫凝固，這時(shí)固液界面反方向遷移，等溫凝固完成后還會(huì)進(jìn)行固相成分均勻化，此時(shí)的狀態(tài)如圖1中C圖所示，其中3為反應(yīng)層、4為等溫凝固的Cu-Ti固溶體層、5為固態(tài)Cu層、6為陶瓷。上述的第一次部分瞬間液相連接完成后，進(jìn)行第二次部分瞬間液相連接，即進(jìn)一步升溫至第二連接溫度，該溫度介于Cu的熔點(diǎn)與Ni的熔點(diǎn)之間，以1373K為宜，在此溫度上持續(xù)保溫。這時(shí)在第一次部分瞬間液相連接中的固態(tài)Cu層5和等溫凝固的Cu-Ti固溶體層4就被熔化，此時(shí)的液體合金富Cu，僅含少量的Ti。和前面描述的過程相似，這時(shí)液相區(qū)也會(huì)增寬并達(dá)到最大寬度，然后等溫凝固和固相成分均勻化，從而大幅度提高接合區(qū)材料的熔點(diǎn)。但Cu-Ni相圖為勻晶相圖，在該溫度進(jìn)行保溫不會(huì)形成脆性化合物；同時(shí)，由于活性的Ti原子大部分在第一次部分瞬間液相連接中已被與陶瓷的界面反應(yīng)所消耗，因而在第二次部分瞬間液相連接中形成Ti-Ni脆性化合物的可能性也很小。此外，在第二次部分瞬間液相連接中反應(yīng)層也不會(huì)明顯增厚，因而能在大幅度提高接頭耐熱性的同時(shí)不降低接頭連接強(qiáng)度。第二次部分瞬間液相連接過程中的各狀態(tài)分別如圖2中的d、e、f圖所示，其中7為液體Cu層(含少量Ti)、8為Cu-Ni液體合金、9為Cu-Ni固溶體。另外，需要說明的是，本實(shí)施例中的Ni可用其它金屬材料替代，這些金屬材料為與Cu成勻晶關(guān)系且熔點(diǎn)比Cu熔點(diǎn)高的金屬材料，如Au、Pd、Pt以及它們的合金。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于采用了獨(dú)特的多層中間材料以及二次部分瞬間液相連接工藝，連接后多層中間材料中無脆性化合物產(chǎn)生，因而連接強(qiáng)度高、連接接頭耐熱性高。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，先在陶瓷與金屬之間放置多層中間材料，再加溫連接，其特征在于(1)所說多層中間材料中至少包括一層Ti、一層Cu、一層X材料，所說X材料為與Cu成勻晶相圖關(guān)系且熔點(diǎn)比Cu熔點(diǎn)高的金屬材料，上述三層材料依次緊挨；(2)將上述多層中間材料放置在陶瓷與金屬之間后，進(jìn)行第一次部分瞬間液相連接，即加溫至第一連接溫度并在此溫度上等溫，所說第一連接溫度介于Ti與Cu的共晶溫度和Cu的熔點(diǎn)之間；(3)上述第一次部分瞬間液相連接完成后，進(jìn)行第二次部分瞬間液相連接，即進(jìn)一步升溫至第二連接溫度并在此溫度上等溫，所說第二連接溫度介于Cu的熔點(diǎn)與X材料的熔點(diǎn)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的多層中間材料為五層材料，它們緊挨次序依次為Ti、Cu、X、Cu、Ti。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的X材料為Ni。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的第一連接溫度為1323K。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的第二連接溫度為1373K。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的X材料為Au。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的X材料為Pd。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷與金屬部分瞬間液相連接方法，其特征在于所說的X材料為Pt。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷與金屬連接方法,首先在陶瓷與金屬之間放置多層中間材料,該多層中間材料中至少包括一層Ti、一層Cu,另外還有一層與Cu成勻晶相圖關(guān)系且熔點(diǎn)比Cu熔點(diǎn)高的金屬材料,加溫進(jìn)行第一次部分瞬間液相連接,然后再升溫進(jìn)行第二次部分瞬間液相連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有連接后多層中間材料中無脆性化合物產(chǎn)生、連接強(qiáng)度高、連接接頭耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C04B37/02GK1195653SQ9710692
公開日1998年10月14日 申請日期1997年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月10日
發(fā)明者陳錚 申請人:陳錚