超聲波作用下Al2O3陶瓷與銅釬焊工藝及機(jī)理的研究.pdf

1、陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、抗腐蝕、耐磨損以及良好的熱導(dǎo)率等優(yōu)異特性，在航天、航空、軍工、電子、核能、汽車(chē)制造等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而受制于其高硬度及較差的塑形，難以被機(jī)械加工成大型或形狀復(fù)雜的構(gòu)件。解決此問(wèn)題的方法之一就是將陶瓷與金屬材料實(shí)現(xiàn)連接，制造陶瓷-金屬?gòu)?fù)合構(gòu)件，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)良性能?；诖耍疚奶岢隽艘环N快速可靠的超聲波輔助釬焊方法，具有簡(jiǎn)化連接裝置、縮短工藝時(shí)間并強(qiáng)化接頭質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。本文以氧化鋁陶瓷與銅異種材料連接

2、為研究對(duì)象，搭建超聲輔助釬焊平臺(tái)，系統(tǒng)的研究了超聲工藝參數(shù)對(duì)接頭性能影響規(guī)律、超聲對(duì)接頭形成的作用機(jī)理以及接頭組織形貌的演變過(guò)程等三個(gè)方面。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，使用Zn-14Al(wt.％)釬料在超聲輔助下能夠快速實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷與銅的可靠連接。提高超聲作用時(shí)間與增大功率可改善界面潤(rùn)濕，減少接頭中氣孔等缺陷的產(chǎn)生，增強(qiáng)界面化學(xué)反應(yīng)從而使接頭強(qiáng)度增加。但當(dāng)超聲作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（60 s）及超聲功率過(guò)大（300 W）時(shí)，接頭強(qiáng)度反而有所減小

3、。研究發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象是由于長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度超聲作用對(duì)陶瓷基體造成損傷以及生成大量脆性金屬間化合物所致。當(dāng)超聲時(shí)間為5 s-60 s時(shí)，接頭最大剪切強(qiáng)度為84 MPa；當(dāng)超聲功率為100 W-300 W時(shí)，接頭最大剪切強(qiáng)度為83 MPa。熱積累及熱沖擊后接頭的最大剪切強(qiáng)度分別為69 MPa與58 MPa，可達(dá)接頭原始強(qiáng)度的83%與70%。接頭熱導(dǎo)率測(cè)試表明，試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)隨超聲作用時(shí)間增加而增大，說(shuō)明延長(zhǎng)超聲作用能夠增強(qiáng)接頭的導(dǎo)熱性能。接頭熱

4、膨脹系數(shù)測(cè)試表明，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭整體熱膨脹系數(shù)有所降低，說(shuō)明超聲施加能夠降低中間層熱膨脹系數(shù)，提高接頭可靠性。
　　形成氧化鋁陶瓷與銅釬焊可靠接頭的關(guān)鍵在于功率超聲的空化與聲流效應(yīng)。借助超聲空化，銅表面的氧化膜被打碎并隨聲流移除，釬料在界面潤(rùn)濕鋪展良好。超聲對(duì)基體材料具有侵蝕作用，大量的銅元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入焊縫，快速形成二元及三元化合物，使銅側(cè)實(shí)現(xiàn)冶金連接。超聲作用誘發(fā)了陶瓷表面外延生長(zhǎng)形成陶瓷新相以及氧化鋁顆粒高速碰撞機(jī)制，