本發(fā)明涉及用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的釬料及制備和釬焊方法，屬于焊接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高純度的氧化鋁陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和絕緣強度高、介質(zhì)損耗低、電性能穩(wěn)定等優(yōu)良的特點，無氧銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能以及良好的機械加工性能，其含氧量低、化學(xué)活度較小，加工性能優(yōu)于純銅。將二者焊接起來，可以充分發(fā)揮各自的特點,獲得優(yōu)異性能。但是由于氧化鋁陶瓷與無氧銅的如線膨脹系數(shù)差別較大,對釬焊工藝提出了較高要求。以往使用間接釬焊的方法來釬焊氧化氧化鋁陶瓷和無氧銅，但是間接釬焊污染大，操作復(fù)雜，在實際的應(yīng)用中存在諸多不便。李飛賓等人提出使用Ag-Cu-Ti活性釬料直接釬焊高純氧化鋁陶瓷與無氧銅，此方法可以釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅，但是釬焊溫度較高，達到850℃，導(dǎo)致容易產(chǎn)生脆化相使焊接接頭的抗剪強度較低；王險峰、劉立斌等人使用Cu-Ti釬料釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅，釬焊溫度達到1000℃，釬焊溫度過高，容易產(chǎn)生Cu3Ti3O相，產(chǎn)生不致密的化合物使強度下降。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的釬料及制備和釬焊方法，該釬料的釬焊溫度在770℃，釬料熔化溫度大幅下降，在釬焊溫度下釬料熔化均勻；尤其是加入混合稀土元素Ce、Pr，顯著提高了釬料的潤濕性，降低釬焊溫度，控制界面化合物的厚度，顯著改善接頭力學(xué)性能。
技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的釬料，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括：Cu22.0％～28.0％，In10.0％～14.0％，Ti3.0％～5.0％，Pr0.01％～0.3％，Ce0.01％～0.2％，余量為Ag。
作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括：Cu24.0％～26.0％，In11.0％～13.0％，Ti3.5％～4.5％，Pr0.01％～0.1％，Ce0.01％～0.1％，余量為Ag。
作為優(yōu)選，所述釬料以重量百分比計的元素成分包括：Cu：25.5％，In12.0％，Ti4.0％，Pr0.05％，Ce0.05％，余量為Ag。
作為優(yōu)選，所述釬料為箔片帶狀，厚度為50～100μm。
一種上述的用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的釬料的制備方法，包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Pr顆粒、Ce顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在15～25℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
作為優(yōu)選，所述步驟4)中噴嘴呈長方形，其長度為8～10mm，寬度為0.8～1.2mm。
作為優(yōu)選，所述步驟6)中銅輥直徑為250mm，銅輥寬度為50mm。
一種上述的用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的釬料的釬焊方法，包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和無氧銅試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和無氧銅及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和無氧銅待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至770℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
(1)本發(fā)明的顯著優(yōu)點為該釬料的流動性好，對母材潤濕性好，且與無氧銅和氧化鋁陶瓷的結(jié)合性能佳，剪切強度高，能夠有效減小釬焊時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；本發(fā)明釬料的釬焊溫度在770℃，釬料熔化溫度大幅下降，在釬焊溫度下釬料熔化均勻；尤其是加入混合稀土元素Ce、Pr，顯著提高了釬料的潤濕性，降低釬焊溫度，控制界面化合物的厚度，顯著改善接頭力學(xué)性能。
(2)采用本發(fā)明的釬料連接工藝穩(wěn)定可靠，利用真空釬焊連接，構(gòu)件在加熱過程中處于真空狀態(tài)，整個構(gòu)件無變形，無微觀裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，其表面潤濕鋪展較好，釬料與基體母材充分形成固溶冶金反應(yīng)，組織細粒，充分填充釬縫，提高了接頭的整體強度，以及擁有良好的塑性變形能力，因而能獲得更為穩(wěn)定可靠的連接接頭；
(3)本發(fā)明獲得的釬料制備方法和釬焊工藝簡單，實施方便快捷，釬料的制備以及釬焊工藝可重復(fù)再現(xiàn)，真空釬焊過程無須添加釬劑以及保護措施，便于廣泛的推廣與應(yīng)用。
具體實施方式
實施例1
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：23.0％，In11.0％，Ti3.0％，Pr0.02％，Ce0.02％，余量為Ag。
上述一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料的制備方法包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Pr顆粒、Ce顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料的釬焊工藝，其特征在于包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和無氧銅試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和無氧銅及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和無氧銅待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至770℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為117MPa。
實施例2
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：27.0％，In13.0％，Ti5.0％，Pr0.08％，Ce0.1％，余量為Ag。
上述一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料的制備方法包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Pr顆粒、Ce顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa左右，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料的釬焊工藝，其特征在于包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和無氧銅試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和無氧銅及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和無氧銅待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至770℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為122MPa。
實施例3
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：25.5％，In12.0％，Ti4.0％，Pr0.05％，Ce0.05％，余量為Ag。
上述一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料的制備方法包括以下步驟：
1)按質(zhì)量百分比稱取高純度的Ti顆粒、In顆粒、Pr顆粒、Ce顆粒、Cu片制得混合物，放入加有丙酮的容器中，在20℃左右的溫度下進行超聲清洗15～20min；
2)將步驟1超聲清洗后的混合物在30～50℃的溫度下烘干，得到干燥的混合物；
3)將混合物和Ag采用真空感應(yīng)熔煉的方法制備成分均勻的釬料母合金，將制備出的母合金碾碎后，裝入高真空單輥甩帶機的石英玻璃管內(nèi)；
4)將石英玻璃管夾裝在甩帶機的電感應(yīng)加熱圈中，并將其噴嘴至銅輥表面間距調(diào)整為150～200μm；
5)關(guān)閉爐門，采用機械泵抽真空至1.5×10-3Pa，然后采用分子泵抽高真空，高真空度不低于9×10-5Pa，然后腔體充滿高純Ar氣至200～230mbar；
6)開啟電機，使銅輥轉(zhuǎn)速28～33m/s的范圍內(nèi)，再開啟高頻電源，將石英玻璃管內(nèi)的母合金高頻感應(yīng)加熱至完全均勻熔融后，保溫過熱熔體60s～80s；
7)將Ar氣氣壓調(diào)制P＝50KPa左右，用高壓氬氣將石英玻璃內(nèi)的過熱熔體連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻銅輥表面，液態(tài)金屬受到急冷而成箔帶狀，從而得到釬料箔片帶，厚度為50～100μm。
一種用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料的釬焊工藝，其特征在于包括以下步驟：
1)準(zhǔn)備階段：對待釬焊的氧化鋁陶瓷和無氧銅試樣端面進行清理，除去表面的雜質(zhì)、油污以及氧化膜，用金相砂紙進行研磨光滑，將氧化鋁陶瓷和無氧銅及釬料箔片一起置于丙酮中，采用超聲波清洗15～20min，并進行烘干處理，期間特別注意防止釬料元素的氧化；
2)裝配階段：將清洗后的釬料箔片置于氧化鋁陶瓷和無氧銅待焊表面之間，并緊貼裝配于專用釬焊夾具中，確保連接的精度，在夾具上放置額定質(zhì)量的壓頭，產(chǎn)生0.04～0.06MPa的恒定垂直壓力；
3)釬焊連接階段：將裝配好的夾具整體置于真空度不低于1.5×10-5Pa的釬焊爐中，以15℃/min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃/min的速率升溫至770℃，保溫20min，再以5℃/min的速率降溫至300℃，之后再隨爐冷卻至室溫，開爐取出被焊連接件即可。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為134MPa。
實施例4
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：22.0％，In10.0％，Ti3.0％，Pr0.01％，Ce0.01％，余量為Ag。
釬料的制備方法和焊接方法與實施例1相同。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為131MPa。
實施例5
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：28.0％，In14.0％，Ti5.0％，Pr0.3％，Ce0.2％，余量為Ag。
釬料的制備方法和焊接方法與實施例1相同。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為125MPa。
實施例6
釬料的成分及質(zhì)量百分比配比為：Cu：24.0％，In11.0％，Ti3.5.0％，Pr0.01％，Ce0.01％，余量為Ag。
釬料的制備方法和焊接方法與實施例1相同。
結(jié)果：釬焊獲得的連接接頭形成良好，金相觀察發(fā)現(xiàn)釬焊區(qū)形成致密的界面結(jié)合，合金成分分布均勻，室溫剪切強度為127MPa。
實施例7
設(shè)計3組對比例，基本步驟與實施例3相同，不同之處在于原料含量不同，具體為：
對比例1的組分含量：Cu25.0％，In13.0％，Ti4.0％，Pr0.0％，Ce0.0％，余量為Ag。
對比例2的組分含量：Cu29.5％，In12.0％，Ti4.0％，Pr0.05％，Ce0.05％，余量為Ag。
對比例3的組分含量：Cu25.0％，In12.0％，Ti4.0％，Pr0.2％，Ce0.2％，余量為Ag。
將實施例1-3和7制得的焊接接頭進行性能檢測，獲得的試驗結(jié)果如表1所示。
表1
由表1可知，實施例1-3制得的釬焊接頭微觀結(jié)構(gòu)致密，均勻分布，連接界面明顯，剪切強度在117～134MPa之間，由此可知本發(fā)明用于釬焊氧化鋁陶瓷和無氧銅的中溫Ag基釬料具備良好的附著力和潤濕性能，且釬焊接頭結(jié)合強度高。
對比試驗1表明，如果沒有稀土元素的加入，適當(dāng)?shù)奶岣逫n的含量也能在770℃進行釬焊，但缺少了稀土的潤濕作用，無法抑制金屬間化合物的產(chǎn)生，接頭性能、接頭的剪切強度顯著下降。對比試驗2表明，雖然Cu元素是母材基體元素，在釬焊時可以減少Cu基體的消耗，但是Cu元素過多，會抑制Ti的活性，惡化潤濕性，所以，Cu元素含量不能過高，根據(jù)實驗表明，含量在25％左右最為合適。對比試驗3表明，稀土元素過多，會導(dǎo)致釬料的潤濕性下降，過多的稀土?xí)趸稍?，增加釬料的粘度，潤濕性嚴(yán)重下降，接頭性能也顯著下降。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。