高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊_李飛賓

1、23第29卷第3期2008年3月焊接學報TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONVol.29No.3March2008高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊李飛賓吳愛萍鄒貴生任家烈(清華大學機械工程系北京100084)摘要:電真空應用中要求高純氧化鋁與無氧銅的連接接頭具有較高的強度和氣密性。采用AgCuTi活性釬料直接釬焊高純氧化鋁陶瓷與無氧銅研究了釬焊溫度和保溫時間對接頭組成、界面反應以及接頭抗剪強度的影

2、響研究了銅基體材料對釬焊接頭組織和界面反應的影響。釬焊溫度850~900C保溫時間20~60min時接頭抗剪強度接近或達到90MPa。釬焊工藝參數(shù)偏離上述范圍時接頭抗剪強度較低。接頭由CuAg(Cu)Cu(AgTi)!Cu3Ti3O(TiO2)Al2O3組成反應層以Cu3Ti3O為主個別工藝條件下有一定量的TiO2生成銅基體視工藝條件的不同對釬焊接頭組織有一定影響。關鍵詞:高純氧化鋁陶瓷無氧銅釬焊接頭抗剪強度接頭組織中圖分類號:TG45

3、4文獻標識碼:A文章編號:0253360X(2008)03005304李飛賓0序言洗約6~10min釬焊在真空爐中進行真空度1.0x10~2.0X10Pa加熱速度15‘min隨爐冷卻。高純度、超細晶粒氧化鋁陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及絕緣強度高、介質損耗低和電性能穩(wěn)定等優(yōu)良的電氣性能[13]無氧銅具有優(yōu)良的導電、導熱性能和良好的機械加工性能[45]。因此在電真空領域將兩者連接起來可以充分發(fā)揮各自的特點獲得優(yōu)異性能。但是傳統(tǒng)的金屬化

4、方法已經不適用于這種陶瓷的表面金屬化所以實現(xiàn)高純氧化鋁陶瓷和無氧銅的高氣密性直接封接變得十分必要。含Ti元素的活性釬焊法已廣泛應用于陶瓷和金屬的連接中[6]由于氧化鋁陶瓷與無氧銅的物化參數(shù)(如線膨脹系數(shù)等)差別較大對釬焊工藝提出了較高要求。作者主要研究釬焊工藝參數(shù)對接頭強度和組織的影響以及銅基體對釬焊接頭組織的影響。1試驗方法試驗所用的陶瓷是純度高于999.7%的氧化鋁無氧銅是1號無氧銅(代號TU1)Cu元素含量大于99.97%釬料為A

5、gCuTi合金AgCu為共晶配比Ti元素質量分數(shù)為1.0%~2.0%高純氧化鋁陶瓷和無氧銅的連接試樣均為10mmX5mmX5mm。無氧銅塊釬焊前經過20000號砂紙打磨。所有待焊試樣和釬料連接前均用丙酮和酒精超聲波清收稿日期:20071109釬焊溫度825~925C保溫時間5~90min。接頭強度用抗剪試驗來測定每個工藝參數(shù)下得到的接頭抗剪強度是4個接頭強度的平均值。用掃描電鏡來觀察和分析接頭的組織形貌用X射線衍射來分析界面反應產物。2

6、結果與分析2.1釬焊接頭強度2.1.1釬焊溫度的影響保溫時間分別為206090min時接頭抗剪強度隨釬焊溫度的變化如圖1所示?？梢钥闯鲭S著圖1釬焊溫度對接頭抗剪強度的影響Fig.1Effectofbondingtemperatureonshearstrengthofjoints第3期李飛賓等:高純氧化鋁陶瓷與無氧銅的釬焊55圖5銅側斷口背散射(825C60min)Fig.5SEMmicrographsoffracturesurfaceo

7、fCuside(825C60minBSE)表2圖5各點成分能譜分析結果(摩爾分數(shù)%)Table2ResultsofEDSofspotsinFig.5位置AgCuTiOAl推測相a1.0336.0840.8020.451.65Cu3Ti3Ob1.462.2129.3559.327.65TiO22.3銅基體對接頭組織的影響保溫時間60min隨釬焊溫度提高銅基體向釬料逐漸溶解如圖6abc所示接頭抗剪強度隨釬焊溫度先增加后減少在875C達到最大

8、值如圖1所示同時反應層的形態(tài)也有較大變化。在釬焊溫度825t時反應層呈離散顆粒狀(圖7a)根據(jù)上面的分析可知這些顆粒為Cu3Ti3O和TiO2這種不致密導致了接頭強度較低釬焊溫度875C時得到了致密和連續(xù)的反應層(圖7b)根據(jù)接頭能譜和斷口XRD分析可斷定反應層為Cu3Ti3O釬焊溫度9000C時生成一層很薄的連續(xù)的反應層如圖7c所示根據(jù)斷口的XRD分析推知反應層主要由TiO2構成。2.4簡單分析與討論利用AgCuTi連接氧化鋁和無氧銅

9、時在釬焊溫度850~900C保溫時間20~60min時接頭抗剪強度接近或達到90MPa釬焊溫度和保溫時間過長或過短都不能獲得良好的接頭。接頭組織由圖6接頭組織(60min背散射)Fig.6Microsturcturesofjointswithbondingholdingtimeof60min(SEMBSE)圖7反應層(60min背散射)Fig.7Reactionlayersofjointswithbondingholdingtimeof

10、60min(SEMBSE)CuAg(Cu)Cu(AgTi)!Cu3Ti3O(TiO2)Al2O3構成。釬焊溫度和保溫時間影響反應層的厚度和形態(tài)從而也間接影響了接頭的抗剪強度。在釬焊溫度825t保溫時間5min時生成的反應層較薄且不連續(xù)從剪切斷口的表面可以看出釬料與氧化鋁陶瓷反應不充分斷裂發(fā)生在陶瓷與釬料的界面上陶瓷側斷口基本保留了陶瓷表面而在保溫時間60min時只能看到一些離散分布的反應層也不利于接頭抗剪強度的提高。同時在保溫時間60m