[发明专利]共熔钎焊组合物和相关方法及装置

说明书

描述了一种活性钎焊合金组合物，其包括：镍；或镍和钴的组合；约2重量%至约30重量%锗；和约1重量%至约5重量%硼和约0.5重量%至约5重量%的至少一种活性元素。所述组合物不含硅。也描述了由所述钎焊合金组合物形成和位于不同装置(10)、结构和机构的钎焊合金连接(140,150)。进一步描述了使用所述钎焊组合物修补金属部件(202)内的裂缝(200)或其它空腔的相关方法。

技术领域

本公开涉及由金属和陶瓷部件形成的机构和装置。在一些特定实施方案中，本发明涉及用于连接和密封机构或装置中各种结构的方法，例如电化学装置中的结构。

背景技术

许多类型的机构和装置包括由多样化材料制成的部件，例如金属、塑料和陶瓷。实例包括：照明装置；发电设备例如燃气涡轮发动机；用于油气勘探的泵；光谱设备(例如，γ射线检测器)和医疗设备，例如X射线装置。作为另一个说明，电化学装置例如电池和燃料电池包括各种金属和陶瓷结构。这些结构通常需要彼此连接，通常以提供在特定装置上或装置内的密封的形式连接。钎焊为适用于许多这些应用的广泛使用的连接方法。

上述燃气涡轮发动机用于多种高级军用和商用飞行器，以及发电设备。发动机通常包括在发动机“热段”(涡轮和燃烧室)以及“冷段”(例如空气入口和压缩机)两者中需要连接在一起的陶瓷和金属部件。除符合高温使用(例如至少750℃)需求外，各种金属-陶瓷连接还需要非常坚固和耐用。

如本领域技术人员了解，金属-陶瓷钎焊长久以来就是一项困难的任务。第一，钎焊合金熔体很难在钎焊操作期间润湿陶瓷表面。第二，金属和陶瓷连接之间的热膨胀系数(CTE)差异以及陶瓷和填料金属之间的CTE差异可在部件运行期间削弱或损害钎焊连接。

除燃气涡轮发动机以外，还发现在许多其它结构和装置中将金属连接到陶瓷是有挑战性的。实例包括医疗装置例如X射线仪器。其它实例包括油汽钻探和勘探设备。

储能装置例如电池还可包括由陶瓷和金属材料形成的相邻部件。特定实例包括高温“热”电化学装置，例如钠/金属卤化物和钠-硫电池。陶瓷部件通常包括电绝缘的α氧化铝套圈、离子导电电解质β氧化铝管，且通常经由密封玻璃连接或结合。金属部件通常包括金属外壳、集电器部件和通常通过焊接或热压结合(TCB)连接的其它金属部件。虽然密封这些部件的机构是目前可得的，但其使用有时可存在一些困难，例如由于上述的CTE不匹配。

因为金属与陶瓷的结合对于高温电池的单电池可靠性和安全是最重要的，所以已经考虑关于连接这些部件的许多不同类型的密封材料和密封方法，包括陶瓷结合剂、钎焊和烧结。然而，大部分密封可能不能经受高温和腐蚀性环境。常见结合工艺包括多个步骤：陶瓷部件金属化，随后使用热压结合(TCB)将金属化的陶瓷部件结合至金属部件。虽然该方法有时有用，但由于多个加工步骤以及控制加工步骤的困难，它是相对昂贵和复杂的。

关于连接陶瓷到金属，或陶瓷到陶瓷，“活性钎焊”的概念已在近年来变得更流行。活性钎焊使用促进陶瓷表面润湿的活性金属元素，增强提供隔绝密封的能力。如本文所用，“活性金属元素”是指具有与陶瓷内的氧的高亲和力，由此与陶瓷反应的反应性金属。

含有活性金属元素的钎焊合金还可以称为“活性钎焊合金”。活性金属元素在钎焊合金处于熔融状态时经历与陶瓷的反应，并导致在陶瓷和钎焊合金界面上形成薄的反应层。薄的反应层使钎焊合金润湿陶瓷表面，导致形成陶瓷-陶瓷或陶瓷-金属连接/结合，这还可称为“活性钎焊密封”。

近来已经开发出很多活性钎焊合金组合物。在镍金属部件连接到陶瓷的情形中，钎焊组合物通常包括镍。还存在像钛或锆的活性金属，以及像硅或硼的熔点抑制剂。这些类型的钎焊合金已用于成功地将陶瓷连接到金属。它们还可以用作暴露于高温(例如大于300℃)的部件的连接材料。