一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，該方法采用了填充有釬料合金的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金，通過將復(fù)合釬料層預(yù)制于硬質(zhì)母材之間，然后通過加熱使填充于多孔金屬層中的釬料合金熔化，再將超聲振動裝置的工具頭作用于母材表面并施加一定壓力和一定時間的超聲振動，完成釬焊過程。通過該方法制備釬焊接頭時，高熔點(diǎn)的多孔金屬在釬焊過程中能對釬縫層起到支撐作用，避免了液相釬料合金在超聲振動作用下被過度的擠出，因此能夠?qū)崿F(xiàn)大熔合面釬焊接頭的制備；此外，釬縫層中多孔金屬層的存在能降低釬縫層的熱膨脹系數(shù)，還能增加釬縫層以及釬縫層和母材間連接界面的強(qiáng)度。
【專利說明】一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于釬焊【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)應(yīng)用要求的不斷提高，以及新材料的不斷涌現(xiàn)，對材料的連接技術(shù)提出了更高的要求。釬焊工藝是一種很有應(yīng)用前景的材料連接方法。然而，受釬料合金本身強(qiáng)度的影響，釬焊接頭在載荷作用下通常失效于釬縫層中，而且接頭中母材與釬料合金間通常具有較低的結(jié)合強(qiáng)度。另外，傳統(tǒng)的釬焊工藝通常需要使用釬劑或者在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，難以獲得大熔合面、高焊合率的釬焊接頭。
[0003]近年來，超聲技術(shù)在材料的釬焊連接領(lǐng)域有了較多的研究。超聲波作用于液相釬縫層中時能在釬料合金內(nèi)形成一系列的聲化學(xué)、聲物理效應(yīng)，它們能促使液相釬料在無釬劑情況下對母材表面進(jìn)行潤濕，并能對釬縫層顯微組織進(jìn)行優(yōu)化。通過超聲釬焊工藝能制備出大熔合面的釬焊接頭，而且接頭具有較高的焊合率。然而，超聲波改善釬縫層顯微組織是建立在不斷溶蝕母材的基礎(chǔ)上的，釬焊時通常需要較長的超聲振動時間，這將引起釬縫層整體結(jié)構(gòu)的不均勻性，也容易造成母材的溶蝕穿孔。因此，有必要在釬焊前便改善釬縫層的強(qiáng)度，從而優(yōu)化釬焊接頭的性能。
[0004]大量的研究表明，通過在合金中添入微納米顆?；蛘呃w維增強(qiáng)相能夠增強(qiáng)合金的力學(xué)性能。然而，顆粒增強(qiáng)相在復(fù)合材料中的均勻性是很難保證的，尤其是當(dāng)顆粒增強(qiáng)合金被用于釬料合金時，增強(qiáng)相在熔融的釬料合金內(nèi)會因為重力的原因產(chǎn)生上浮或下層，并發(fā)生團(tuán)聚。為了獲得增強(qiáng)相分布均勻的復(fù)合材料，一種較為成功的方法為，通過無壓浸滲或有壓浸滲的方法將熔融合金填充入多孔陶瓷或者高熔點(diǎn)金屬中，從而制備出增強(qiáng)相分布均勻的高性能復(fù)合材料?？梢韵胂螅趥鹘y(tǒng)的釬焊工藝中(非超聲波輔助釬焊)，若采用這種多孔基體復(fù)合釬料合金進(jìn)行釬焊，熔融的釬料合金是很難在母材表面實現(xiàn)充分潤濕鋪展的。雖然接頭釬縫層的強(qiáng)度能夠得到改善，但是接頭的焊合率難以得到保證，接頭的整體力學(xué)性能仍然較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，該方法可以制得大熔合面、高焊合率、高強(qiáng)度的釬焊接頭。
[0006]本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，包括制備復(fù)合釬料合金步驟和超聲波輔助釬焊步驟，其中所述的復(fù)合釬料合金步驟包括:
[0007]Al、選取多孔金屬基體，洗凈后將多孔金屬基體浸入溫度低于多孔金屬基體熔點(diǎn)的熔融釬料合金中；
[0008]A2、浸泡后取出多孔金屬基體，制得釬料合金填充的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金;
[0009]所述的超聲波輔助釬焊步驟包括:
[0010]B1、將多孔金屬基體復(fù)合釬料合金置于兩待焊母材之間形成待焊釬焊接頭，將待焊釬焊接頭固定，對待焊釬焊接頭的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金進(jìn)行加熱使填充于多孔金屬基體中的釬料合金熔化；
[0011]B2、將超聲裝置的工具頭作用于其中一個母材的表面上并施加的壓力，超聲結(jié)束后繼續(xù)保持壓力，至釬料合金完全凝固時，形成釬焊接頭，完成釬焊過程。
[0012]在上述多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法中:
[0013]步驟Al中所述多孔金屬基體的厚度優(yōu)選為10?500 μ m。
[0014]步驟BI中所述的兩待焊母材可以為相同材質(zhì)材料或不同材質(zhì)材料。
[0015]所述的兩待焊母材的材質(zhì)優(yōu)選為陶瓷材料、金屬材料或金屬基復(fù)合材料。
[0016]步驟BI中所述的兩待焊母材的形狀優(yōu)選為板狀、片狀、棒狀或管狀。
[0017]步驟BI中的加熱方式優(yōu)選為電阻加熱、火焰加熱、感應(yīng)加熱或熱風(fēng)加熱。
[0018]步驟BI中加熱時釬縫層多孔金屬基體復(fù)合釬料合金的溫度高于釬料合金熔點(diǎn)的溫度但低于多孔金屬基體熔點(diǎn)的溫度。
[0019]優(yōu)選的，步驟BI中加熱時釬縫層多孔金屬基體復(fù)合釬料合金的溫度高于釬料合金熔點(diǎn)5?300°C，但低于多孔金屬基體的熔點(diǎn)。
[0020]步驟B2中超聲振動裝置的振動頻率優(yōu)選為10?70kHz，振幅優(yōu)選為8?60 μ m，對母材施加的壓力優(yōu)選為0.1?5MPa，超聲振動時間優(yōu)選為0.5?200s。
[0021]步驟B2中超聲振動方向優(yōu)選為垂直于所述母材的表面或平行于所述母材的表面。
[0022]本發(fā)明方法采用了填充有釬料合金的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金，通過將復(fù)合釬料層預(yù)制于硬質(zhì)母材之間，然后通過加熱使填充于多孔金屬層中的釬料合金熔化，再將超聲振動裝置的工具頭作用于母材表面并施加一定壓力和一定時間的超聲振動，完成釬焊過程。
[0023]本發(fā)明方法更適合于硬質(zhì)材料間的釬焊，尤其是低溫釬焊、高溫服役，硬質(zhì)母材間的釬焊。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0025](I)復(fù)合釬料合金中多孔金屬基體的存在，能增強(qiáng)接頭釬料層的強(qiáng)度，降低釬縫層的熱膨脹系數(shù)；
[0026](2)釬焊過程中，復(fù)合釬料合金中的多孔金屬基體能為聲場作用下的界面冶金反應(yīng)提供原材料，從而改變接頭界面層的相組成，并提高釬料層和母材間連接界面的結(jié)合強(qiáng)度；
[0027](3)采用超聲波輔助釬焊，能促進(jìn)液相釬料合金在多孔金屬層中的填充，并能促進(jìn)液相釬料合金與多孔金屬基體之間的界面冶金反應(yīng)，這將會引起釬縫層中釬料合金與多孔金屬基體間高溫反應(yīng)相的形成，從而有可能提高接頭的高溫穩(wěn)定性；
[0028](4)超聲釬焊過程中，接頭釬縫層中的多孔金屬基體能對釬縫起到支撐作用，從而避免液相釬料合金被過度的擠出，并實現(xiàn)大熔合面、高焊合率、無釬劑釬焊接頭的制備；
[0029](5)當(dāng)采用N1、Fe等鐵磁性材料作為多孔金屬基體時，配合感應(yīng)加熱方式能對接頭的釬料層進(jìn)行局部、快速加熱，而超聲振動能實現(xiàn)接頭的迅速冶金結(jié)合，這樣能對一些高溫溫度性較差的母材進(jìn)行連接。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是實施例1-3中多孔金屬基體復(fù)合釬料合金的制備示意圖；
[0031]圖2是實施例1中超聲振動方向垂直于平行母材表面時的釬焊不意圖；
[0032]圖3是實施例1中制備的釬焊接頭釬縫層的掃描電鏡顯微圖；
[0033]圖4是實施例2中提供的棒狀母材的釬焊示意圖；
[0034]圖5是實施例2中制備的釬焊接頭釬縫層的掃描電鏡顯微圖；
[0035]圖6是實施例3中提供的超聲振動方向平行于平行母材表面時的釬焊示意圖；
[0036]圖7是實施例3中制備的釬焊接頭釬縫層的掃描電鏡顯微圖。

【具體實施方式】
[0037]以下是本發(fā)明的實施例，通過這些實施例并結(jié)合附圖可以進(jìn)一步清楚地了解本發(fā)明，但它們不是對本發(fā)明的限定。
[0038]實施例1
[0039]參看圖1，取厚度為250 μ m、尺寸為20mmX 20mm的多孔Ni箔一片，將多孔Ni箔置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，風(fēng)干后再將該Ni箔浸入熔融的純Sn中并擺動幾次，隨后取出多孔Ni箔，此時純Sn已經(jīng)浸滲入多孔Ni金屬箔中，并形成了有純Sn填充的多孔Ni基復(fù)合釬料片；
[0040]參看圖2，取尺寸為20mmX20mmX3mm的1060-A1合金兩片，將復(fù)合釬料片I置于上Al母材2和下Al母材3之間，并將組裝后的接頭置于帶有限制夾具的電熱板4上。將超聲振動裝置的工具頭5作用于上Al母材2表面并施加IMPa壓力，隨后打開升溫裝置對接頭進(jìn)行加熱，待釬料合金開始熔化并有溢出態(tài)勢時，開啟超聲振動，超聲振動的頻率、功率、振幅和時間分別為20kHz、500W、20ym和10s，超聲振動方向垂直于Al母材的上表面，超聲振動結(jié)束后，停止加熱并繼續(xù)對接頭保持壓力，待接頭中的釬料合金完全凝固時取出接頭，完成釬焊過程。
[0041]接頭的顯微組織分析表明，如圖3所示，接頭釬縫層中的多孔金屬層在超聲的作用下被擠壓成了條狀結(jié)構(gòu)，釬料合金已經(jīng)完全填充入多孔金屬的空隙中，并且釬料合金與多孔金屬基體以及母材間均發(fā)生了良好的界面冶金反應(yīng)。剪切強(qiáng)度測試結(jié)果表明(接頭的剪切強(qiáng)度測試按照修改后的ASTM D1002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行)，接頭的剪切失效發(fā)生在釬料合金與Al母材的界面處，測得的平均剪切強(qiáng)度值為76.9MPa。
[0042]實施例2
[0043]參看圖1，取厚度為100 μ m、尺寸為1mmX 1mm的多孔Ni箔一片，將多孔Ni箔置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，風(fēng)干后再將該Ni箔浸入熔融的純Sn中并擺動幾次，隨后取出多孔Ni箔，此時純Sn已經(jīng)浸滲入多孔Ni金屬箔中，并形成了有純Sn填充的多孔Ni基復(fù)合釬料片，最后，將該復(fù)合釬料片剪裁成直徑為06.的圓形釬料片。
[0044]參看圖4，取直徑力06mm，長度為40mm的T2_Cu金屬棒兩根，將Cu棒和復(fù)合釬料合金片I進(jìn)行組裝，其中下Cu棒32被夾具固定，而上Cu棒22則具有沿Cu棒軸線方向的自由度，復(fù)合釬料合金片I則置于兩Cu棒之間，將超聲振動裝置的工具頭5作用于接頭的上Cu母材22端部，并施加0.5MPa壓力，隨后開啟感應(yīng)加熱裝置4對接頭的釬料層進(jìn)行局部加熱，待液相釬料合金有溢出態(tài)勢時，開啟超聲振動。超聲振動的時間、頻率、功率和振幅分別為3s、28.8kHz、270W和12 μ m，超聲振動方向平行于Cu棒的軸線，超聲振動停止后關(guān)閉感應(yīng)加熱裝置，待釬縫層完全凝固后取出接頭，完成釬焊過程。
[0045]接頭的顯微組織分析表明，如圖5所示，接頭釬縫層中的多孔金屬層在超聲的作用下被擠壓成了條狀結(jié)構(gòu)，純Sn釬料已經(jīng)完全填充入多孔Ni金屬的空隙中，且Sn與多孔金屬Ni基體以及Cu母材間均發(fā)生了良好的界面冶金反應(yīng)并形成了金屬間化合物。拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果表明(接頭的拉伸強(qiáng)度測試按照修改后的ISO 6892標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行)，接頭的拉伸失效主要發(fā)生在復(fù)合釬料合金與Cu母材的界面處，其拉伸強(qiáng)度值達(dá)到了 72.4MPa。
[0046]實施例3
[0047]參看圖1，取厚度為200 μ m、尺寸為1mmX 1mm的多孔Ni箔一片，將多孔Ni箔置于無水乙醇中進(jìn)行超聲波清洗，風(fēng)干后再將該Ni箔浸入熔融的純Sn中并擺動幾次，隨后取出多孔Ni箔，此時純Sn已經(jīng)浸滲入多孔Ni金屬箔中，并形成了有純Sn填充的多孔Ni基復(fù)合釬料片。
[0048]參看圖6，取尺寸均為1mmX 1mmX 3mm的1060-A1合金和T2_Cu合金各一片，將復(fù)合釬料片I置于Al母材23和Cu母材33之間，并將組裝后的接頭置于帶有限制夾具的電熱板4上，其中Al母材23在上而Cu母材33在下，將超聲振動裝置的工具頭5作用于Al母材23的上表面并施加2MPa壓力，隨后打開電熱板4對接頭進(jìn)行加熱，待釬料合金開始熔化并有溢出態(tài)勢時，開啟超聲振動裝置，超聲振動的頻率、功率、振幅和時間分別為40kHz、400W、11 μ m和4s，超聲振動的方向平行于Al母材上表面，超聲振動結(jié)束后，停止加熱并繼續(xù)對接頭保持壓力，當(dāng)接頭中的釬料合金完全凝固時取出接頭，完成釬焊過程。
[0049]接頭的顯微組織分析表明，如圖7所示，接頭釬縫層中的多孔金屬層在超聲振動作用下被擠壓成了條狀結(jié)構(gòu)，純Sn釬料已經(jīng)完全填充入多孔Ni金屬的空隙中，且Sn與多孔Ni金屬、Al母材和Cu母材間均發(fā)生了良好的界面冶金反應(yīng)。剪切強(qiáng)度測試結(jié)果表明(接頭的剪切強(qiáng)度測試按照修改后的ASTM D1002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行)，接頭的剪切失效發(fā)生在復(fù)合釬料合金與Cu母材的界面處，其剪切強(qiáng)度值達(dá)到了 68.7MPa。
[0050]以上內(nèi)容是結(jié)合具體實施例對本發(fā)明所作的進(jìn)一步說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的范圍只局限于這些說明。上述實施例中還可以改變多孔金屬層和母材的材質(zhì)，也能改變母材的形狀，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，所做出若干推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是包括制備復(fù)合釬料合金步驟和超聲波輔助釬焊步驟，其中所述的復(fù)合釬料合金步驟包括: Al、選取多孔金屬基體，洗凈后將多孔金屬基體浸入溫度低于多孔金屬基體熔點(diǎn)的熔融針料合金中； A2、浸泡后取出多孔金屬基體，制得釬料合金填充的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金； 所述的超聲波輔助釬焊步驟包括: B1、將多孔金屬基體復(fù)合釬料合金置于兩待焊母材之間形成待焊釬焊接頭，將待焊釬焊接頭固定，對待焊釬焊接頭的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金進(jìn)行加熱使填充于多孔金屬基體中的釬料合金熔化； B2、將超聲振動裝置的工具頭作用于其中一個母材的表面上并施加壓力，開啟超聲振動，超聲振動結(jié)束后繼續(xù)保持壓力，至釬料合金完全凝固時，形成釬焊接頭，完成釬焊過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟Al中所述多孔金屬基體的厚度為10?500 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟BI中所述的兩待焊母材為相同材質(zhì)材料或不同材質(zhì)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:所述的兩待焊母材的材質(zhì)為陶瓷材料、金屬材料或金屬基復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟BI中所述的兩待焊母材的形狀為板狀、片狀、棒狀或管狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟BI中的加熱方式為電阻加熱、火焰加熱、感應(yīng)加熱或熱風(fēng)加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟BI中加熱時釬縫層多孔金屬基體復(fù)合釬料合金的溫度高于釬料合金熔點(diǎn)的溫度但低于多孔金屬基體熔點(diǎn)的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟BI中加熱時釬縫層多孔金屬基體復(fù)合釬料合金的溫度高于釬料合金熔點(diǎn)5?300 0C，但低于多孔金屬基體熔點(diǎn)的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟B2中超聲振動裝置的振動頻率為10?70kHz，振幅為8?60 μ m，對母材施加的壓力為0.1?5MPa，超聲振動時間為0.5?200s。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔金屬基體復(fù)合釬料合金釬焊接頭的制備方法，其特征是:步驟B2中超聲振動方向為垂直于所述母材的表面或平行于所述母材的表面。
【文檔編號】B23K1/08GK104191057SQ201410398348
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】王玲, 符永高, 肖勇, 李明雨, 萬超, 杜彬, 趙新, 胡嘉琦, 王子祺 申請人:中國電器科學(xué)研究院有限公司, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院