CN103978277A - 一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCp/Al复合材料的方法 - Google Patents

一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCp/Al复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，涉及扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法。本发明是要解决SiCP/Al复合材料钎焊时Al基复合材料表面氧化膜难以去除，钎缝中无增强相弥散分布，基体与增强相、增强相与增强相之间无连接作用的技术问题。方法为：一、得到母材；二、得到Al/Cu/Al复合箔；三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将试样装配放入真空炉中，施加压力；四、启动真空泵后通电加热并保温，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。本发明钎焊后所得SiCP/Al复合材料接头组织致密，具有较高强度。本发明应用于SiCP/Al复合材料的连接领域。

Description

一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCp/Al复合材料的方法
技术领域
本发明涉及扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法。
背景技术
SiCP/Al复合材料具有高热导率、低密度和较高的力学性能等优点，而且可通过调整SiC体积分数来调整膨胀系数，实现其与各种基板的热匹配，使其在微波集成电路、功率模块和微处器盖板等领域得到广泛应用。由于SiCP/A1复合材料加工成形困难，焊接技术是其获得广泛应用的保障。
当采用熔焊(TIG、激光焊、电子束焊等)焊接SiCP/A1复合材料时，由于焊接温度高，基体中熔化的液相Al易与SiC反应生成针状脆性的Al4C3，而Al4C3在空气中易水解降低了接头的耐蚀性能。当采用搅拌摩擦焊时，搅拌头的旋转和前进造成增强相的破裂，对母材性能产生不利影响。
采用常规的真空钎焊时，一方面Al基体表面的氧化膜难以去除，钎料对母材润湿不好，在钎焊温度下不能润湿增强相；另一方面，常规的钎料中并不含增强相使得焊完的接头强度不高，但如果焊前在钎料中添加增强相，易造成增强相在钎缝中的偏聚和贫化。哈尔滨工业大学闫久春等人在专利CN200610010098.4中采用超声辅助钎焊Al基复合材料，钎缝中有弥散分布增强相，但焊接过程中需采用具有一定功率的超声发生器辅助去除Al基复合材料表面的氧化膜，因此该方法对于大型尺寸构件的焊接具有局限性。
采用扩散焊连接Al基复合材料时，焊接过程中施加的压力有助于去除Al基体表面的氧化膜。其中直接固相扩散连接(DB)及超塑性扩散连接(SPDB)方法在应用时，对Al基复合材料种类、表面状态及连接设备有较高的要求，特别是较高的连接温度和较长的扩散时间限制了该方法的广泛应用，不利于批量生产。采用瞬时液相扩散连接Al基复合材料时，由于在连接过程中有液相生产，因此对母材待焊表面的要求不高，但形成等温凝固过程所需连接时间较长，也不利于批量生产。
本发明所使用的扩散钎焊兼具钎焊和瞬时液相扩散连接(TLP)的优点，可减少保温时间以降低连接过程对母材性能的影响、降低了对母材表面状态及焊接设备等要求，并可获得高质量的焊接接头。
发明内容
本发明是要解决SiCP/Al复合材料钎焊时Al基复合材料表面氧化膜难以去除，钎缝中无增强相弥散分布，基体与增强相、增强相与增强相之间无连接作用的技术问题。
本发明的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为40％～60％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗5～10min，得到母材；
二、将厚度为30～50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为30～50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗5～10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加1～3MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达4×10-3～6×10-3Pa后通电加热，加热速度为10～25℃/min，加热至580℃～640℃后在该温度下保温5～50min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
本发明包括以下有益效果：
1、在压力及较高的连接温度的作用下，Al与其氧化膜的塑性变形差异较大，使得两者相互剥离，从而露出新鲜的Al金属表面，熔化的Al/Cu/Al钎料能很好的润湿Al并与Al发生反应，反应后形成的液相因毛细作用沿母材基体与增强相间的微小间隙充分扩散，在冷却过程中以Al2Cu形式沿SiC界面断续析出，同时在钎缝中弥散分布SiC增强相；由于Al2Cu与Al形成共晶并依附SiC表面生长，可使得连接界面处SiC与SiC处从无结合力转化为SiC与Al2Cu冶金结合从而增大了接头有效连接面积，提高了接头承载能力，钎料在连接条件下的充分扩散使得钎缝尺寸为μm级，且钎缝中弥散分布增强相。
2、采用该方法连接SiCP/Al复合材料，所形成的钎缝尺寸在微米级宽度，接头组织为断续的Al2Cu，钎缝中有SiC增强相弥散分布，接头组织致密实现了SiCP/Al复合材料的高质量连接。经测试，接头的室温抗剪强度达到37～68MPa。
附图说明
图1为试验一扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头界面组织结构的BSE电子照片；
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为40％～60％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗5～10min，得到母材；
二、将厚度为30～50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为30～50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗5～10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加1～3MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达4×10-3～6×10-3Pa后通电加热，加热速度为10～25℃/min，加热至580℃～640℃后在该温度下保温5～50min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
本实施方式包括以下有益效果：
1、在压力及较高的连接温度的作用下，Al与其氧化膜的塑性变形差异较大，使得两者相互剥离，从而露出新鲜的Al金属表面，熔化的Al/Cu/Al钎料能很好的润湿Al并与Al发生反应，反应后形成的液相因毛细作用沿母材基体与增强相间的微小间隙充分扩散，在冷却过程中以Al2Cu形式沿SiC界面断续析出，同时在钎缝中弥散分布SiC增强相；由于Al2Cu与Al形成共晶并依附SiC表面生长，可使得连接界面处SiC与SiC处从无结合力转化为SiC与Al2Cu冶金结合从而增大了接头有效连接面积，提高了接头承载能力，钎料在连接条件下的充分扩散使得钎缝尺寸为μm级，且钎缝中弥散分布增强相。
2、采用该方法连接SiCP/Al复合材料，所形成的钎缝尺寸在微米级宽度，接头组织为断续的Al2Cu，钎缝中有SiC增强相弥散分布，接头组织致密实现了SiCP/Al复合材料的高质量连接。经测试，接头的室温抗剪强度达到37～68MPa。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中SiCP/Al复合材料的增强相体积分数为45％～55％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中超声清洗10min。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中超声清洗10min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中施加1～2.5MPa的连接压力。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中加热速度为15～20℃/min。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中加热至590℃～630℃后在该温度下保温10～40min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为45％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加2.5MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为15℃/min，加热至630℃后在该温度下保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头界面组织结构的BSE电子照片如图1所示。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到68MPa。
试验二：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为45％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为30μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为30μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加2.5MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为15℃/min，加热至630℃后在该温度下保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到55MPa。
试验三：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为55％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加2.5MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为15℃/min，加热至630℃后在该温度下保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到59MPa。
试验四：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为45％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加1MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为15℃/min，加热至630℃后在该温度下保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到50MPa。
试验五：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为45％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加2.5MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为20℃/min，加热至630℃后在该温度下保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到58MPa。
试验六：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为45％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加2.5MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为15℃/min，加热至630℃后在该温度下保温40min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到46MPa。
试验七：本试验的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为45％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗10min，得到母材；
二、将厚度为50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗10min，得按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加2.5MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热，加热速度为15℃/min，加热至590℃后在该温度下保温10min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
经测试，本试验扩散钎焊后的SiCP/Al复合材料接头的室温抗剪强度达到37MPa。

Claims (8)

1.一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法是按以下步骤进行：
一、将增强相体积分数为40％～60％的SiCP/Al复合材料用线切割加工，钎焊面依次用用80#、180#、400#、800#砂纸打磨后放入酒精中超声清洗5～10min，得到母材；
二、将厚度为30～50μm、纯度为99.9％的Al箔和厚度为30～50μm、纯度为99.9％的Cu箔加工成步骤一得到的母材大小，用1000#砂纸打磨去除表面氧化膜后放入酒精中超声清洗5～10min，按Al/Cu/Al的次序叠放箔片，得到Al/Cu/Al复合箔；
三、按照母材、Al/Cu/Al复合箔、母材将步骤一得到的母材和步骤二得到的Al/Cu/Al复合箔装配放入真空炉中，施加1～3MPa的连接压力；
四、启动真空泵当真空炉中真空度达4×10-3～6×10-3Pa后通电加热，加热速度为10～25℃/min，加热至580℃～640℃后在该温度下保温5～50min，然后随炉冷却至室温，即完成SiCP/Al复合材料的连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤一中SiCP/Al复合材料的增强相体积分数为45％～55％。
3.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤一中超声清洗10min。
4.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤二中超声清洗10min。
5.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤二中施加1～2.5MPa的连接压力。
6.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤三中当真空炉中真空度达5×10-3Pa后通电加热。
7.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤三中加热速度为15～20℃/min。
8.根据权利要求1所述的一种采用Al/Cu/Al复合箔扩散钎焊SiCP/Al复合材料的方法，其特征在于步骤三中加热至590℃～630℃后在该温度下保温10～40min。
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