CN113000960B - 一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法 - Google Patents

一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法 Download PDF

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Abstract

一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，涉及一种陶瓷与金属的连接方法。本发明是要解决目前多孔氮化硅陶瓷/Invar合金天线罩接头残余应力较高的技术问题。本发明通过天线罩的结构设计解决了目前多孔氮化硅陶瓷/Invar合金天线罩接头残余应力较高的问题，使环形天线罩连接后无明显微裂纹。本发明的中间连接层的设计，其由上层钎料、软性中间层和下层钎料组成。其中上层钎料为AgCuTi钎料箔；软性中间层为Cu泡沫、Cu瓦楞或泡沫镍；下层钎料为AgCu钎料箔。本发明应用于焊接领域。

Description

一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷与金属的连接方法。
背景技术
天线罩是飞行器重要结构部分，其需要具备介电性能优良、抗热震性能好、热膨胀系数低等特性。多孔Si3N4陶瓷作为天线罩体能够满足上述要求，然而多孔Si3N4陶瓷材料的脆性较大，难以直接与飞行器其他部分进行装配，因此，需要在天线罩端部连接金属环，通过金属环实现与飞行器其他部分的装配。有专利介绍了采用有机胶连接天线罩与金属环，但其强度低，耐高温性不好。因此，采用陶瓷-金属钎焊技术将极大提高连接结构的强度及耐高温性能。Invar合金具备热膨胀系数低的优点，因此常被选做金属连接环。一方面大尺寸结构件连接面积大，残余应力随构件尺寸增大而急剧上升，另一方面由于多孔Si3N4陶瓷易破碎，钎焊过程极易因残余应力过大导致多孔Si3N4陶瓷断裂。因此，需要对天线罩连接部分进行结构设计，通过优化结构降低连接件的残余应力。
发明内容
本发明是要解决目前多孔氮化硅陶瓷/Invar合金天线罩接头残余应力较高的技术问题，而提供一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法。
本发明的陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：
一、将Invar合金连接环依次用无水乙醇和丙酮进行清洗；
所述的Invar合金连接环的中心为通孔，Invar合金连接环的上部为空心圆台结构，上端的直径小于下端的直径；Invar合金连接环的下部为空心圆柱体结构；Invar合金连接环上部的底端的外径小于Invar合金连接环下部的外径；
二、将多孔Si3N4陶瓷天线罩用棉花擦拭表面；所述的多孔Si3N4陶瓷天线罩为空心圆环结构，且内壁的形状与Invar合金连接环的上部的外壁形状相同；
三、将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料加工成与Invar合金连接环的上部外壁形状相同的环形结构，然后将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料放入无水乙醇中超声清洗2min～3min，放入烘箱中烘干；
所述的里层钎料为AgCu钎料箔；
所述的软性中间层钎料为泡沫铜、Cu瓦楞或泡沫镍；
所述的外层钎料为AgCuTi钎料箔；
四、在Invar合金连接环上部的外表面依次套上里层钎料、软性中间层和外层钎料，各个相邻的层之间用502胶粘住，然后在上层钎料的外壁套上多孔Si3N4陶瓷天线罩，各层之间紧密配合；
五、将步骤四中装配好的待焊工件放入真空加热炉中，在真空条件下，先以10℃/min～15℃/min将温度从室温升到300℃～350℃，在300℃～350℃保温30min～40min；随后以10℃/min～15/min的升温速率从300℃～350℃升温至850℃～900℃，在850℃～900℃保温10min～15min，然后以5℃/min～10℃/min降温至300℃～350℃，然后自然冷却至室温，完成陶瓷与金属的钎焊。
瓦楞结构具有抗冲击的特性，且Cu单质具有较好的延展性和塑性，因此Cu瓦楞结构兼具较好的弹性和塑性的优点。瓦楞结构能灵活的调整齿形形状，诸如梯形、三角形、矩形等，并且能根据需要而变化齿形的高度。Cu瓦楞结构不仅在连接过程中能通过弹性变形以适应因Invar合金与Si3N4陶瓷热膨胀系数不同引起的母材间间隙的变化，而且能通过Cu瓦楞结构的局部塑性变形缓解因Invar合金与Si3N4陶瓷热膨胀系数不同导致的残余应力。
本发明旨在设计一种陶瓷天线罩的连接结构，采用梯度复合中间层来抑制陶瓷金属钎焊接头残余应力，提高了接头的强度，实现大型环状多孔氮化硅陶瓷/Invar合金天线罩的应用。
本发明操作简单，焊前不需要对待焊试样表面进行任何改性处理即可实现陶瓷与金属的直接钎焊，通过软性中间层的加入缓解残余应力，减少连接界面上微裂纹的出现，使环形天线罩连接后无明显微裂纹。
附图说明
图1为试验一的Invar合金连接环的剖面图；
图2为试验一的步骤四待焊工件的装配剖面图；
图3为具体实施方式八的Cu瓦楞的俯视图；
图4为具体实施方式六的Cu瓦楞的俯视图；
图5为具体实施方式七的Cu瓦楞的俯视图；
图6为试验三的步骤五所获得的接头组织的照片；
图7为图6中方框内的放大图；
图8为试验五的步骤五所获得的接头组织的整体SEM图；
图9为图8的第一局部放大图；
图10为图8的第二局部放大图；
图11为图8的第三局部放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，具体是按以下步骤进行的：
一、将Invar合金连接环依次用无水乙醇和丙酮进行清洗，除去预焊接表面加工的油污；
所述的Invar合金连接环的中心为通孔，Invar合金连接环的上部为空心圆台结构，上端的直径小于下端的直径；Invar合金连接环的下部为空心圆柱体结构；Invar合金连接环上部的底端的外径小于Invar合金连接环下部的外径；
二、将多孔Si3N4陶瓷天线罩用棉花擦拭表面，除去表面的灰尘；所述的多孔Si3N4陶瓷天线罩为空心圆环结构，且内壁的形状与Invar合金连接环的上部的外壁形状相同；
三、将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料加工成与Invar合金连接环的上部外壁形状相同的环形结构，然后将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料放入无水乙醇中超声清洗2min～3min，放入烘箱中烘干；
所述的里层钎料为AgCu钎料箔；
所述的软性中间层钎料为泡沫铜、Cu瓦楞或泡沫镍；
所述的外层钎料为AgCuTi钎料箔；
四、在Invar合金连接环上部的外表面依次套上里层钎料、软性中间层和外层钎料，各个相邻的层之间用502胶粘住，然后在上层钎料的外壁套上多孔Si3N4陶瓷天线罩，各层之间紧密配合；
五、将步骤四中装配好的待焊工件放入真空加热炉中，在真空条件下，先以10℃/min～15℃/min将温度从室温升到300℃～350℃，在300℃～350℃保温30min～40min；随后以10℃/min～15/min的升温速率从300℃～350℃升温至850℃～900℃，在850℃～900℃保温10min～15min，然后以5℃/min～10℃/min降温至300℃～350℃，然后自然冷却至室温，完成陶瓷与金属的钎焊。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中放入烘箱中在40℃进行烘干。其他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：步骤三中所述的里层钎料的厚度为50μm～100μm。其他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：步骤三中所述的软性中间层钎料的厚度为0.5mm～5mm。其他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四不同的是：步骤三中所述的外层钎料的厚度为50μm～120μm。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤三中所述的Cu瓦楞的齿形为梯型和三角形交替布置，如图4所示。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤三中所述的Cu瓦楞的齿形为矩形，如图5所示。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤三中所述的Cu瓦楞的齿形为三角形，如图3所示。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤三中所述的Cu瓦楞的齿高为0.5mm～2mm。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤五中将步骤四中装配好的待焊工件放入真空加热炉中，抽真空至真空度为6×10-3Pa。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤五中在真空条件下，先以10℃/min将温度从室温升到300℃，在300℃保温30min；随后以10℃/min的升温速率从300℃升温至850℃，在850℃保温10min，然后以5℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，完成陶瓷与金属的钎焊。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：
一、将Invar合金连接环依次用无水乙醇和丙酮进行清洗；
所述的Invar合金连接环1的中心为通孔1-3，Invar合金连接环的上部1-2为空心圆台结构，上端的直径小于下端的直径，圆台的外侧壁与竖直方向的夹角为3°；Invar合金连接环的下部1-1为空心圆柱体结构；Invar合金连接环上部1-2的底端的外径小于Invar合金连接环下部1-1的外径(如图1所示)；
二、将多孔Si3N4陶瓷天线罩用棉花擦拭表面；所述的多孔Si3N4陶瓷天线罩为空心圆环结构，且内壁的形状与Invar合金连接环的上部的外壁形状相同；
三、将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料加工成与Invar合金连接环的上部外壁形状相同的环形结构，然后将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料放入无水乙醇中超声清洗2min，放入烘箱中在40℃烘干；
所述的里层钎料为AgCu钎料箔，具体为Ag-28Cu钎料，厚度为100μm，其中Cu的质量分数为28％，其余为Ag；
所述的软性中间层钎料为泡沫铜，厚度为2mm；
所述的外层钎料为Ag-28Cu-3.5Ti钎料，具体为Ag-28Cu-3.5Ti钎料，厚度为100μm，其中Cu的质量分数为28％，Ti的质量分数为3.5％，其余为Ag；
四、在Invar合金连接环上部的外表面依次套上里层钎料、软性中间层和外层钎料，各个相邻的层之间用502胶粘住，然后在上层钎料的外壁套上多孔Si3N4陶瓷天线罩，各层之间紧密配合；
五、将步骤四中装配好的待焊工件放入真空加热炉中，抽真空至真空度为6×10- 3Pa，先以10℃/min将温度从室温升到300℃，在300℃保温30min；随后以10℃/min的升温速率从300℃升温至850℃，在850℃保温10min，然后以5℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，完成陶瓷与金属的钎焊。
图2为试验一的步骤四待焊工件的装配剖面图，其中是1是Invar合金合金、2是AgCu钎料、3是泡沫铜、4是AgCuTi钎料、5是多孔氮化硅陶瓷。
试验二：本试验为一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：本试验与试验一不同的是：步骤三中所述的软性中间层钎料为Cu瓦楞，齿高为1mm，齿形为梯型和三角形交替布置，如图4所示。其它与试验一相同。
试验三：本试验为一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：本试验与试验一不同的是：步骤三中所述的软性中间层钎料为Cu瓦楞，齿高为2mm，齿形为矩形，如图5所示。其它与试验一相同。
图6为试验三的步骤五所获得的接头组织的照片，图7为图6中方框内的放大图，可以看出尽管里层钎料AgCu钎料层中Ag扩散到Cu瓦楞处，使Cu瓦楞熔点降低，但并未发生坍塌。瓦楞结构转角处可以观察到大块的AgCu共晶组织的存在，但瓦楞支架并未有大片连续的AgCu共晶组织，因此Cu瓦楞仍保持原有的构型。另外，可以发现Invar合金侧的Ag-Cu共晶明显多于Si3N4陶瓷侧，是Ag-Cu钎料层中的Cu向Invar合金表面富集。连接完成后，多孔氮化硅陶瓷/Invar合金天线罩接头无明显微裂纹。
试验四：本试验为一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：本试验与试验一不同的是：步骤三中所述的软性中间层钎料为Cu瓦楞，齿高为2mm，齿形为三角形，如图3所示。其它与试验一相同。
试验五：本试验为一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：本试验与试验一不同的是：步骤三中所述的软性中间层钎料为泡沫镍，厚度为2mm。其它与试验一相同。
图8为试验五的步骤五所获得的接头组织的整体SEM图，图9为图8的第一局部放大图，图10为图8的第二局部放大图，图11为图8的第三局部放大图，可以看出当选用2mm厚度的泡沫镍时，里层钎料AgCu钎料层中Ag扩散到泡沫镍处，泡沫镍仍保持原有的构型。泡沫镍中大部分为A和B区域所对应的两相(图10)，依据已有的文献和能谱分析，A和B分别为Ag-Ni固溶体和Cu-Ni固溶体。Ti元素与多孔Si3N4陶瓷表面的棒状Si3N4发生反应，生成了Ti5Si3和TiN，并未与泡沫镍发生剧烈反应，生成大量金属间化合物，这是有利于接头连接的。连接完成后，多孔氮化硅陶瓷/Invar合金天线罩接头无明显微裂纹。

Claims (6)

1.一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，其特征在于陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法是按以下步骤进行的：
一、将Invar合金连接环依次用无水乙醇和丙酮进行清洗；
所述的Invar合金连接环的中心为通孔，Invar合金连接环的上部为空心圆台结构，上端的直径小于下端的直径；Invar合金连接环的下部为空心圆柱体结构；Invar合金连接环上部的底端的外径小于Invar合金连接环下部的外径；
二、将多孔Si3N4陶瓷天线罩用棉花擦拭表面；所述的多孔Si3N4陶瓷天线罩为空心圆环结构，且内壁的形状与Invar合金连接环的上部的外壁形状相同；
三、将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料加工成与Invar合金连接环的上部外壁形状相同的环形结构，然后将里层钎料、软性中间层钎料和外层钎料放入无水乙醇中超声清洗2min～3min，放入烘箱中烘干；
所述的里层钎料为AgCu钎料箔；
所述的软性中间层钎料为Cu瓦楞或泡沫镍；所述的软性中间层钎料的厚度为0.5mm～5mm；
所述的Cu瓦楞的齿形为梯型和三角形交替布置、矩形或三角形；
所述的Cu瓦楞的齿高为0.5mm～2mm；
所述的外层钎料为AgCuTi钎料箔；
四、在Invar合金连接环上部的外表面依次套上里层钎料、软性中间层和外层钎料，各个相邻的层之间用502胶粘住，然后在上层钎料的外壁套上多孔Si3N4陶瓷天线罩，各层之间紧密配合；
五、将步骤四中装配好的待焊工件放入真空加热炉中，在真空条件下，先以10℃/min～15℃/min将温度从室温升到300℃～350℃，在300℃～350℃保温30min～40min；随后以10℃/min～15/min的升温速率从300℃～350℃升温至850℃～900℃，在850℃～900℃保温10min～15min，然后以5℃/min～10℃/min降温至300℃～350℃，然后自然冷却至室温，完成陶瓷与金属的钎焊。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，其特征在于步骤三中放入烘箱中在40℃进行烘干。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，其特征在于步骤三中所述的里层钎料的厚度为50μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，其特征在于步骤三中所述的外层钎料的厚度为50μm～120μm。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，其特征在于步骤五中将步骤四中装配好的待焊工件放入真空加热炉中，抽真空至真空度为6×10-3Pa。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷天线罩与金属连接环的连接方法，其特征在于步骤五中在真空条件下，先以10℃/min将温度从室温升到300℃，在300℃保温30min；随后以10℃/min的升温速率从300℃升温至850℃，在850℃保温10min，然后以5℃/min降温至300℃，然后自然冷却至室温，完成陶瓷与金属的钎焊。
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