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1、第29卷第3期2008年3月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.29No.3March2008高纯氧化铝陶瓷与无氧铜的钎焊李飞宾,吴爱萍,邹贵生,任家烈(清华大学机械工程系,北京100084)摘要:电真空应用中,要求高纯氧化铝与无氧铜的连接接头具有较高的强度和气密性。采用AgCuTi活性钎料直接钎焊高纯氧化铝陶瓷与无氧铜,研究了钎焊温度和保温时间对接头组成、界面反应以及接头抗剪强度的影响,研究了铜基体材料对钎焊接头组织和界面反应的影响。钎焊温度850~900C
2、,保温时间20~60min时,接头抗剪强度接近或达到90MPa。钎焊工艺参数偏离上述范围时,接头抗剪强度较低。接头由Cu/Ag(Cu),Cu(Ag,Ti)!Cu3Ti3O(TiO2)/Al2O3组成,反应层以Cu3Ti3O为主,个别工艺条件下有一定量的TiO2生成,铜基体视工艺条件的不同对钎焊接头组织有一定影响。关键词:高纯氧化铝陶瓷;无氧铜;钎焊;接头抗剪强度;接头组织中图分类号:TG454文献标识码:A文章编号:0253-360X(2008)03-0053-04李飞宾-2-30序言洗约6~10min,钎焊在真空炉中进
3、行,真空度1.0x10~2.0X10Pa,加热速度15‘/min,随炉冷却。高纯度、超细晶粒氧化铝陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损以及绝缘强度高、介质损耗低和电性能稳定等优良的电气性能[1-3];无氧铜具有优良的导电、导热性能和良好的机械加工性能[4,5]。因此,在电真空领域,将两者连接起来,可以充分发挥各自的特点,获得优异性能。但是传统的金属化方法已经不适用于这种陶瓷的表面金属化,所以实现高纯氧化铝陶瓷和无氧铜的高气密性直接封接变得十分必要。含Ti元素的活性钎焊法已广泛应用于陶瓷和金属的连接中[6],由于氧化铝陶瓷与无氧
4、铜的物化参数(如线膨胀系数等)差别较大,对钎焊工艺提出了较高要求。作者主要研究钎焊工艺参数对接头强度和组织的影响以及铜基体对钎焊接头组织的影响。1试验方法试验所用的陶瓷是纯度高于9.7%的氧化铝,无氧铜是1号无氧铜(代号TU1),Cu元素含量大于99.97%,钎料为AgCuTi合金,AgCu为共晶配比,Ti元素质量分数为1.0%~2.0%,高纯氧化铝陶瓷和无氧铜的连接试样均为10mmX5mmX5mm。无氧铜块钎焊前经过200号砂纸打磨。所有待焊试样和钎料连接前均用丙酮和酒精超声波清收稿日期:2007-11-09钎焊温度8
5、25~925C,保温时间5~90min。接头强度用抗剪试验来测定,每个工艺参数下得到的接头抗剪强度是4个接头强度的平均值。用扫描电镜来观察和分析接头的组织形貌,用X射线衍射来分析界面反应产物。2结果与分析2.1钎焊接头强度2.1.1钎焊温度的影响保温时间分别为20,60,90min时,接头抗剪强度随钎焊温度的变化如图1所示。可以看出,随着图1钎焊温度对接头抗剪强度的影响Fig.1Effectofbondingtemperatureonshearstrengthofjoints钎焊温度的提高,接头抗剪强度先增加后减少,钎焊温
6、度过高或过低不利于接头强度的提高。2.1.2保温时间的影响钎焊温度分别为825,850,875C,接头抗剪强度随保温时间的变化如图2所示。可以看出,随着保温时间的延长,接头抗剪强度先增加后减少,存在一个峰值,保温时间过长、过短均不利于接头强度的提高。图2保温时间对接头抗剪强度的影响Fig.2Effectofholdingtimeonshearstrengthofjoints2.2接头组织与界面反应层钎焊温度825C,保温时间30min时的接头组织形貌如图3a所示,接头中各点成分的能谱分析结果如表1所示,接头剪切断口表面XR
7、D分析结果如图4所示。根据能谱和XRD分析结果可以看出,氧化铝陶瓷和钎料发生界面反应,反应层主要由Cu,Ti,O元素和少量的Ag,Al元素组成,反应产物以Cu3Ti3O为主。接头的组织构成为Cu/Ag(Cu),Cu(Ag,Ti)/反应层Cu3Ti3O(TiO2)/Al2O3。其中Ag(Cu)表示银基体含少量的Cu元素,Cu(Ag,Ti)表示铜基体含少量的Ag,Ti元素,Cu3Ti3O(TiO2)表示反应层以Cu3Ti3O为主,在个别钎焊工艺条件下同时有TiO2生成。由图3a可以看出,在825C保温30min时,反应层厚度约
8、为2~3m。而在钎焊温度825C,保温时间5min和60min的接头组织分别如图3b,c所示。在保温时间5min时,保温时间过短,钎料与陶瓷之间的反应不充分,反应层较薄且断断续续。而在保温时间60min时,找不到连续致密的反应层,只有一些离散的灰色颗粒,断口表面背散射照片如图5所示,对其中的a,b两点做
