[发明专利]一种陶瓷低温钎焊方法

说明书

技术领域

本发明属于钎焊技术领域，具体涉及一种陶瓷低温钎焊方法。

背景技术

陶瓷材料具较高的强硬度以及优良的高温物理、化学稳定性，在切削刀具、燃气轮机、氧传感器、固体氧化物燃料电池、光学仪器、电子器件等组件中有着广泛的应用。陶瓷材料的大量使用不可避免地带来了该种材料的连接问题。目前，应用较多的陶瓷材料的连接方法主要有烧结金属粉末连接、扩散连接、钎焊连接等。其中，钎焊方法操作温度低，可以减少高温对母材的损害，而且焊后接头的残余应力小，因而其应用最为普遍。特别地，对于制造结构复杂、强度要求低、服役于低温环境的光学仪器、半导体器件和电子器件中的陶瓷接头，只有通过低温钎焊方法才能实现陶瓷的高精度、低残余应力及无损伤连接。

然而，在低温钎焊时钎料合金对氧化铝陶瓷的润湿性很差，这大大衰弱了陶瓷低温钎焊接头的强度甚至导致无法形成钎焊接头。为了提高低温钎焊时钎料合金对陶瓷的润湿性，不少研究者选择在陶瓷表面镀一层易于被低温钎料合金侵润的金属层。但是，镀层金属与陶瓷基体之间的界面结合性能通常较差，使得陶瓷材料的低温、高强度连接仍然难以实现。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种陶瓷低温钎焊方法，利用超声波在熔融的低熔点焊料介质中形成的声化学效应来改良陶瓷母材与其表面活性金属镀层之间的结合性能，同时在陶瓷活性金属镀层表面涂覆一层Sn金属层，以实现陶瓷材料的低温、高强度连接。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低温钎焊方法，包括母材待焊接面镀活性金属镀层、超声波改性活性金属镀层和超声波辅助钎焊步骤，具体步骤如下：

1)在陶瓷母材待焊接面镀一层活性金属镀层；

2)超声波改性活性金属镀层：将镀有活性金属镀层的陶瓷母材浸入熔Sn中；将超声波探头置于陶瓷母材的活性金属镀层表面上方，进行超声振动处理，改良活性金属镀层与陶瓷基体之间的界面结合并在活性金属镀层表面附着一层Sn金属，移开超声波焊头，并取出经处理后的陶瓷母材，得附有Sn金属表面涂覆层和改性金属中间镀层的陶瓷母材；

3)超声波辅助钎焊：将钎料置于相对设置的上、下两块经步骤2)处理所得陶瓷母材的Sn金属表面涂覆层之间，下陶瓷母材(经步骤2)处理所得附有Sn金属表面涂覆层和改性金属中间镀层的陶瓷母材)的下表面放置在加热装置上，固定后，将超声波探头置于上陶瓷母材(经步骤2)处理所得附有Sn金属表面涂覆层和改性金属中间镀层的陶瓷母材)的上表面并施加压力，然后使用加热装置进行加热，使钎料完全融化；然后开启超声振动，继续保持压力至钎料完全凝固，冷却后取出所得焊接接头，即完成钎焊过程。

上述方案中，所述陶瓷母材可选用氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷等。

上述方案中，所述氧化物陶瓷可选用氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等；所述碳化物陶瓷可选用碳化硅陶瓷、碳化钨陶瓷等；所述氮化物陶瓷可选用氮化硼陶瓷、氮化铝陶瓷等。

上述方案中，步骤1)中所述活性金属镀层可选用Ni层、Ti层、Co层、Zr层、Cr层或Cu层等。

上述方案中，步骤3)中所述钎料可选用Sn基或Zn基钎料等。

上述方案中，所述Sn基钎料可选用纯Sn钎料、Sn-Bi钎料、Sn-Ag钎料、Sn-Pb钎料、Sn-Cu钎料等；Zn基钎料可选用Zn-Sn钎料、Zn-Al钎料等。

上述方案中，所述活性金属镀层的厚度优选为0.1～20μm。

上述方案中，步骤2)中超声波探头与陶瓷母材的活性金属镀层表面之间的距离为10～3000μm；超声波振动频率为20～40kHz，振动时间为1～1000s，振幅为1～30μm；振动方向为垂直于陶瓷金属镀层表面。

上述方案中，步骤3)中所述超声波探头施加的压力优选为0.1～10MPa。

上述方案中，步骤3)中所述超声波振动频率为20～60kHz，振动时间为1～120s，振幅为5～25μm，振动方向为垂直于母材待焊表面。

上述方案中，所述陶瓷母材待焊接面镀活性金属镀层采用的工艺可选择化学镀、电镀、物理气相沉积或化学气相沉积方法等。

上述方案中，步骤3)中所述加热方式可选择感应加热、电阻加热、火焰加热或热风加热等方法。