一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法技术

本发明专利技术提供了一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，该方法对钎料成分设计、钎焊工艺设计和钎焊夹具的设计制造三个方面均进行了优化，提供了新颖的石墨/铜钎焊工艺方案。首先，本发明专利技术采用低熔点Ag

【技术实现步骤摘要】
一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法


[0001]本专利技术涉及非金属与金属异种材料连接
，特别是指一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法。

技术介绍

[0002]石墨具有高的热电传导性，低的热膨胀系数，很高的化学稳定性，以及较好的耐高温和耐腐蚀性能，是国民经济发展中不可缺少的结构材料、高温材料、导电材料、抗磨材料和功能材料，被广泛应用于冶金、化工、电子、电器、机械以及核能和航空航天工业等领域。但是，石墨的强度较低，加工性能较差。
[0003]铜及其合金具有优异的导电导热性能，较好的强度、延展性和机械加工性能。将石墨与铜连接在一起，可实现两种材料性能上的互补，形成高导电、高导热，又具有一定机械强度的复合材料结构。但由于石墨与铜在熔点、热膨胀系数、晶体结构等物理化学性质上存在较大差异，实现石墨与铜的焊接与连接较为困难。
[0004]以含Ti、Zr等活性元素的合金为钎料的活性钎焊方法，是实现石墨与铜较好连接的工艺方法。活性钎焊过程中钎料活性元素与石墨发生反应，在石墨表面形成TiC、ZrC等化合物层，改善钎料与石墨的润湿，实现石墨与钎料的连接。目前，活性钎料主要有Ag基、Cu基、Ti基和Sn基，其中Ag
‑
Cu
‑
Ti钎料较多用于石墨与铜的连接。
[0005]朱艳等（石墨与铜真空钎焊接头的组织与强度[J]，焊接学报，2011，32(6)：81
‑
84）采用72Ag
‑
28Cu
‑
1.8Ti钎料对石墨与铜进行了真空钎焊连接，在钎焊温度为870℃，保温时间为15min的真空钎焊条件下，接头的抗剪强度达到17MPa的最大值。
[0006]邹贵生等（Ag
‑
Cu
‑
Ti活性钎料真空钎焊钨、石墨与铜的研究[J]，新技术新工艺，2002(6):40
‑
42）采用72Ag
‑
28Cu
‑
3Ti活性钎料，在850
‑
950℃条件下钎焊石墨与铜，接头强度只有石墨母材强度的55%
‑
76%。可见，目前活性钎焊法进行石墨/铜异种材料连接时，接头强度仍较低。
[0007]近年，Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti四元钎料已被研究用于SiO
2f
/SiO2复合材料与铌合金、SiO
2f
/SiO2复合材料与钼合金、碳化硅陶瓷与碳化硅陶瓷、AlN陶瓷与可伐合金、NiTiNb合金与NiTiNb合金的钎焊连接。
[0008]例如，陈波、吴世彪等（采用Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料真空钎焊SiO
2f
/ SiO2复合陶瓷与铌[J]，焊接学报，2016，37(4)：47
‑
51）采用Ag
‑
(15～26) Cu
‑
(13～20) In
‑
( 3.1～6.9) Ti活性钎料，分别在780℃/20min，780℃/40min和800℃/10 min三种参数下实现了SiO
2f
/SiO2复合材料与铌的连接，分析了接头微观组织，测试了接头室温抗剪强度，其中800℃/10 min钎焊参数下的接头平均抗剪强度最高，达到21.6MPa。然而，由于石墨/Cu的热膨胀系数较SiO
2f
/SiO2复合材料与铌膨胀系数差异大的多，此方法并不适用于石墨/铜的连接方法。
[0009]邹文江，陈波等（Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料钎焊SiO
2f
/SiO2复合材料与钼合金的接头组织及机理[J]，焊接学报，2015，36(12)：73
‑
76）设计了3种Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料（其中Cu含量在15
‑
26%或18
‑
29%；In含量在9
‑
16%或13
‑
20%；Ti含量在3.2
‑
4.0或4.1
‑
6.9%；均为质量百分比），
在800℃/10min工艺下实现了SiO
2f
/SiO2复合材料与钼合金的连接，室温下测试了接头的抗剪强度，通过扫描电镜、电子探针、能谱仪和 X 射线衍射仪分析了接头的微观组织和界面产物，结果表明，所得接头平均抗剪强度最高为24.1MPa。石墨/Cu的热膨胀系数差异较SiO
2f
/SiO2复合材料与钼膨胀系数差异大的多，因此无法应用到石墨/铜的连接方法中。
[0010]综上所述，由于Cu与石墨的热膨胀系数差异较大，工艺设计难度较大，我国目前仍未有合适的方法来实现石墨/铜钎焊连接，也没有采用Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料实现石墨/铜钎焊连接的报道。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法。该方法从钎料的选择、钎焊的工艺设计和钎焊夹具的设计制造三个方面进行优化，提供了石墨/铜钎焊工艺方案，实现了石墨/铜的较好钎焊连接。
[0012]本专利技术提供了一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，包括如下步骤：步骤1：取待连接的铜母材和石墨母材，对两种母材的待连接面进行机械加工、预磨、抛光、清洗并干燥；步骤2：选用Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料箔片，所述Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料的成分为Cu：30
‑
32wt%，In：22
‑
24wt%，Ti：2.5
‑
2.8wt%，余量为Ag；对所述Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料箔片进行酸洗、清洗并干燥；步骤3：将步骤1中清洗好的铜母材放入钎焊夹具中，依次放入所述钎料箔片和石墨母材，形成钎焊接头预制件；步骤4：将步骤3中装配好的预制件放入真空炉中，抽真空至2
×
10
‑2Pa时开始加热；步骤5：进行阶梯加热升温步骤，升温至钎焊连接温度，钎焊连接温度为670
‑
720
°
C；步骤6：达到钎焊连接温度时，进行钎焊连接；步骤7：连接完毕后，进行阶梯冷却。
[0013]根据本专利技术所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，所述钎焊夹具由Kovar 4J29合金（科瓦铁镍钴合金）、纯钨及钨合金或纯钼及钼合金制成，优选地，由钼钛或钼钛锆合金制成。
[0014]所述钎焊夹具与所述铜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：取待连接的铜母材和石墨母材，对两种母材的待连接面进行机械加工、预磨、抛光、清洗并干燥；步骤2：选用Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料箔片，所述Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料的成分为Cu：30
‑
32wt%，In：22
‑
24wt%，Ti：2.5
‑
2.8wt%，余量为Ag；对所述Ag
‑
Cu
‑
In
‑
Ti钎料箔片进行酸洗、清洗并干燥；步骤3：将步骤2中清洗好的铜母材放入钎焊夹具中，依次放入所述钎料箔片和所述石墨母材，形成钎焊接头预制件；步骤4：将步骤3中装配好的预制件放入真空炉中，抽真空至2
×
10
‑2Pa时开始加热；步骤5：进行阶梯加热升温步骤，升温至钎焊连接温度，钎焊连接温度为670
‑
720
°
C；步骤6：达到钎焊连接温度时，进行钎焊连接；步骤7：连接完毕后，进行阶梯冷却。2.根据权利要求1所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于，所述钎焊夹具由Kovar 4J29合金、纯钨及钨合金或纯钼及钼合金制成。3.根据权利要求1所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于，所述钎焊夹具与所述铜母材的四周装配间隙为0.03
‑
0.2mm，所述钎焊夹具的深度不小于所述铜母材的厚度。4.根据权利要求1所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于，所述钎料箔片的厚度为40
‑
100μm。5.根据权利要求1所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于，所述步骤5的阶梯加热升温步骤为：从室温至500℃过程中，加热升温速率控制为10
‑
15℃/min；炉温达到500℃时，保温15
‑
45min；500℃至钎焊连接温度过程中，升温速率控制为5
‑
10℃/min。6.根据权利要求1所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于，所述步骤6中达到钎焊连接温度后，保温10
‑
40分钟，进行钎焊连接。7.根据权利要求1所述的改善石墨/铜异种材料接头性能的活性钎焊方法，其特征在于，所述步骤7的阶梯冷却步骤为：从钎焊连接温度至620℃时，冷却速率为1
‑
3℃/min，在620℃保温10
‑
30分钟；从620℃至500℃时，冷却速率为3
‑
5℃/min，在500℃保温10
‑
30分钟；从50...

【专利技术属性】
技术研发人员：羊浩，翟月雯，郝国建，周乐育，宗海宇，张临平，
申请(专利权)人：北京机电研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：