一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法

摘要

本发明公开了一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，该方法通过采用一种热膨胀系数介于陶瓷待焊件与金属待焊件之间的超塑性钛合金薄片作为过渡中间层，利用过渡中间层的超塑性变形、塑性变形以及热膨胀调节作用，来缓解钎焊接头的残余应力，提高接头强度。本发明的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法解决了陶瓷与金属连接过程中因热膨胀失配产生的高应力而导致的钎焊强度低甚至难以焊接的问题，具有简单易行、容易实现的优点，可广泛应用于缓解热膨胀失配材料钎焊接头的残余应力。

权利要求

1.一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：a.采用线切割将超塑性钛合金切成厚度为0.1mm 0.5mm的超塑性钛合金薄片（3）；

~

b.打磨陶瓷待焊件（1）、金属待焊件（5）和超塑性钛合金薄片（3）的表面，将打磨后的陶瓷待焊件（1）、金属待焊件（5）、超塑性钛合金薄片（3）和钎料Ⅰ（2）、钎料Ⅱ（4）进行有机溶剂超声清洗；

c.将步骤b获得的超塑性钛合金薄片（3）进行置氢处理，获得氢含量≤0.6wt.%的超塑性钛合金薄片（3）；

d.将步骤b获得的清洗后的陶瓷待焊件（1）、金属待焊件（5）、钎料Ⅰ（2）、和钎料Ⅱ（4），以及步骤b或者步骤c得到的超塑性钛合金薄片（3）按照陶瓷待焊件（1）、钎料Ⅰ（2）、超塑性钛合金薄片（3）、钎料Ⅱ（4）和金属待焊件（5）的顺序进行组装，得到装配后的构件；

e.将步骤d得到的装配后的构件置于真空炉中进行钎焊，钎焊条件为焊接压力1 MPa ~

6MPa，真空度小于等于10–3Pa，钎焊过程如下：e1.升温，以5oC/min 30oC/min的升温速率加热至焊接温度；

~

e2.保温，在焊接温度下保温；

e3.分段降温或直接降温，分段降温为先冷却至500oC 600oC保温，保温时间小于等于~

10h，再冷却至室温；直接降温为在焊接温度下直接冷却至室温，完成钎焊。

2.根据权利要求1所述的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，其特征在于：步骤b中采用砂纸或金刚石磨盘打磨陶瓷待焊件（1）、金属待焊件（5）和超塑性钛合金薄片（3）的表面，直至清除表面的氧化层，表面的粗糙度小于等于3.2微米。

3.根据权利要求1所述的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，其特征在于：步骤b所述的有机溶剂为乙醇溶液或丙酮溶液中的一种或两种混合溶液。

4.根据权利要求1所述的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，其特征在于：步骤c所述的置氢处理的温度为550 oC  850oC。

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5.根据权利要求1所述的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，其特征在于：步骤e2所述的焊接温度的保温时间为5min  30min。

~

6.根据权利要求1所述的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，其特征在于：步骤e3所述的分段降温或直接降温的冷却速率为1 10oC/min或随炉冷却。

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说明书

一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法。

背景技术

[0002] 陶瓷以其较高的强度、较低的热导率、优异的绝缘性以及耐高温、耐磨损、抗腐蚀等性能特点广泛应用于电力电子、航空航天、能源化工等领域。然而，陶瓷固有的脆性使得其加工性能差，难以制备大尺寸、复杂结构构件；且工业应用中往往要求实现陶瓷与金属的连接，例如Al2O3与不锈钢的连接在航空航天和电子工程中具有十分重要的意义。因此，陶瓷与金属的可靠连接已成为拓宽其应用领域的重要基础。

[0003] 陶瓷与金属的高质量连接非常具有挑战性。这是由于在连接过程中，陶瓷与金属因热膨胀系数和弹性模量等性能差异而在连接界面产生较高的残余应力。较大应力将显著降低接头断裂强度，使其在较小外加载荷下萌生裂纹或开裂；甚至导致接头无法实现有效连接。因此，如何缓解接头中的高应力是实现热膨胀显著失配材料可靠连接的前提和关键。

[0004] 目前，陶瓷与金属钎焊接头残余应力的缓解方法主要有复合钎料法和添加中间层法，若按照缓冲层作用机制，则又分为以下几种：一种方法是添加软金属中间层法。通过添加具有低杨氏模量、低屈服强度和高塑性变形能力的Cu、Ni、Al等软金属层，利用其塑性变形来降低接头的残余应力，但是这些软金属熔点较低，接头工作温度有限。另外一种方法是通过减小陶瓷与金属之间热膨胀系数差异来达到缓解接头残余应力的目的。通过在钎料中直接添加或原位生成热膨胀系数低的增强相，如Si3N4颗粒、SiC颗粒、Al2O3颗粒、TiC颗粒、Mo颗粒、W颗粒、C纤维和TiB晶须等，或者在接头中添加硬金属中间层、梯度中间层等，来提高陶瓷与金属的热物理性能匹配性。尽管上述方法提高了连接体系之间的热匹配性，但增强相或硬质中间层的添加使接头的模量升高、热变形能力明显下降，因此缓解焊接接头应力的效果受到限制，而梯度中间层要求厚度较大且制备困难。此外，为提高钎焊接头强度或接头的综合性能，国内外学者还发展了添加软/硬复合中间层法、多孔金属或金属泡沫缓冲层法，以及通过陶瓷焊接端面的离子注入和表层结构加工来提高接头强度等。但软、硬复合多层的连接界面存在性能上的突变，限制了接头强度的进一步提高。多孔金属或金属泡沫缓冲层法受中间层自身特性的影响，接头强度和密封性能有待提高。而陶瓷焊接端面的离子注入和表层结构加工法并没有解决接头中的高应力问题。

[0005] 综上所述，现在主要通过中间层的塑性变形或热膨胀调节作用来缓解钎焊接头中的残余应力，二种方法各有优缺点，当前亟需发展一种将两者有效结合起来的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法，以更好地缓解钎焊接头的残余应力、提高焊接接头力学性能。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法。

[0007] 本发明的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法包括以下步骤：

[0008] a.采用线切割将超塑性钛合金切成厚度为0.1mm 0.5mm的超塑性钛合金薄片；~

[0009] b.打磨陶瓷待焊件、金属待焊件和超塑性钛合金薄片的表面，将打磨后的陶瓷待焊件、金属待焊件、超塑性钛合金薄片和钎料Ⅰ、钎料Ⅱ进行有机溶剂超声清洗；

[0010] c.将步骤b获得的超塑性钛合金薄片进行置氢处理，获得氢含量≤0.6wt.%的超塑性钛合金薄片；

[0011] d.将步骤b获得的清洗后的陶瓷待焊件、金属待焊件、钎料Ⅰ、和钎料Ⅱ，以及步骤b或者步骤c得到的超塑性钛合金薄片按照陶瓷待焊件、钎料Ⅰ、超塑性钛合金薄片、钎料Ⅱ和金属待焊件的顺序进行组装，得到装配后的构件。

[0012] e.将步骤d得到的装配后的构件置于真空炉中进行钎焊，钎焊条件为焊接压力1 –3MPa  6MPa，真空度小于等于10 Pa，钎焊过程如下：
~

[0013] e1.升温，以5oC/min 30oC/min的升温速率加热至焊接温度；~

[0014] e2.保温，在焊接温度下保温；

[0015] e3.分段降温或直接降温，分段降温为先冷却至500oC 600oC保温，保温时间小于等~于10h，再冷却至室温；直接降温为在焊接温度下直接冷却至室温，完成钎焊。

[0016] 步骤b中采用砂纸或金刚石磨盘打磨陶瓷待焊件、金属待焊件和超塑性钛合金薄片的表面，直至清除表面的氧化层，表面的粗糙度小于等于3.2微米。

[0017] 步骤b所述的有机溶剂为乙醇溶液或丙酮溶液中的一种或两种混合溶液。

[0018] 步骤c所述的置氢处理的温度为550 oC  850oC。~

[0019] 步骤e2所述的焊接温度的保温时间为5min  30min。~

[0020] 步骤e3所述的分段降温或直接降温的冷却速率为1 10oC/min或随炉冷却。~

[0021] 本发明的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法通过采用一种热膨胀系数介于陶瓷待焊件与金属待焊件之间的超塑性钛合金薄片作为过渡中间层，利用过渡中间层的超塑性变形、塑性变形以及热膨胀调节作用，来缓解钎焊接头的残余应力，提高接头强度。

[0022] 本发明的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法解决了陶瓷与金属连接过程中因热膨胀失配产生的高应力而导致的钎焊强度低甚至难以焊接的问题。本发明的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法无需特殊设备，具有简单易行、容易实现的优点，可广泛应用于缓解热膨胀失配材料钎焊接头的残余应力。

附图说明

[0023] 图1为本发明的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法中的装配示意图；

[0024]  图中，1. 陶瓷待焊件 2.钎料Ⅰ 3. 超塑性钛合金薄片 4.钎料Ⅱ 5.金属待焊件。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例详细说明本发明。

[0026] 本发明的技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

[0027] 实施例1

[0028] 本实施例的缓解陶瓷与金属钎焊接头残余应力的方法按以下步骤进行：

[0029] 1.采用线切割将超塑性钛合金切成厚度为0.1mm 0.5mm的超塑性钛合金薄片3；~

[0030] 2.打磨陶瓷待焊件1、金属待焊件5和超塑性钛合金薄片3的表面，直至清除表面的氧化层，表面的粗糙度小于等于3.2微米；将打磨后的陶瓷待焊件1、金属待焊件5、超塑性钛合金薄片3和钎料Ⅰ2、钎料Ⅱ4进行乙醇溶液超声清洗；

[0031] 3.将步骤2获得的清洗后的陶瓷待焊件1、金属待焊件5、钎料Ⅰ2、钎料Ⅱ4和超塑性钛合金薄片3按照陶瓷待焊件1、钎料Ⅰ2、超塑性钛合金薄片3、钎料Ⅱ4和金属待焊件5的顺序进行组装，得到装配后的构件。

[0032] 4.将步骤3得到的装配后的构件置于真空炉中进行钎焊，钎焊条件为焊接压力1 MPa  6MPa，真空度小于等于10–3Pa，钎焊过程如下：~

[0033] 4a.升温，以5oC/min 30oC/min的升温速率加热至焊接温度；~

[0034] 4b.保温，在焊接温度下保温5min  30min；~

[0035] 4c.直接降温，在焊接温度下随炉冷却至室温，完成钎焊。

[0036] 实施例2

[0037] 1.采用线切割将超塑性钛合金切成厚度为0.1mm 0.5mm的超塑性钛合金薄片3；~

[0038] 2.打磨陶瓷待焊件1、金属待焊件5和超塑性钛合金薄片3的表面，直至清除表面的氧化层，表面的粗糙度小于等于3.2微米；将打磨后的陶瓷待焊件1、金属待焊件5、超塑性钛合金薄片3和钎料Ⅰ2、钎料Ⅱ4进行丙酮溶液超声清洗；

[0039] 3.将步骤2获得的超塑性钛合金薄片进行置氢处理，置氢处理的温度为550 oC ~850oC，获得氢含量≤0.6wt.%的超塑性钛合金薄片；

[0040] 4.将步骤2获得的清洗后的陶瓷待焊件、金属待焊件、钎料Ⅰ、钎料Ⅱ和步骤3得到的超塑性钛合金薄片按照陶瓷待焊件、钎料Ⅰ、超塑性钛合金薄片、钎料Ⅱ和金属待焊件的顺序进行组装，得到装配后的构件。

[0041] 5.将步骤4得到的装配后的构件置于真空炉中进行钎焊，钎焊条件为焊接压力1 MPa  6MPa，真空度小于等于10–3Pa，钎焊过程如下：~

[0042] e1.升温，以5oC/min 30oC/min的升温速率加热至焊接温度；~

[0043] e2.保温，在焊接温度下保温，保温时间为5min  30min；~

[0044] e3.分段降温，分段降温的冷却速率为1 10oC/min，分段降温为先冷却至500oC~ ~600oC保温，保温时间小于等于10h，再冷却至室温，完成钎焊。