[发明专利]低温超声SnBi基钎料及其制备方法，及其超声钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于结构陶瓷及其复合材料的钎焊技术领域，具体涉及一种低温超声SnBi基钎料及其制备方法，以及超声钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的方法。

背景技术

陶瓷的机械强度高、具有较好的耐磨性、耐腐蚀性，并且热稳定性能好。蓝宝石是陶瓷中最常用的一种。

蓝宝石由于其较好的光学性能，被广泛应用于光学器件和窗口材料。然而随着现代光学系统对大孔径光学材料的需求，通过人工生长得到的蓝宝石尺寸已经不能满足需求。目前，获得到大尺寸光学窗口的唯一途径就是通过将小块蓝宝石连接到一起。因此，蓝宝石的连接技术已经成为了学术界议论的热点，具有重要的研究和实用价值。

通过胶接法连接蓝宝石由于接头中的高分子在高温下容易分解而存在一定可靠性问题，且连接强度不高。反应烧结法得到的焊缝中存在孔洞等缺陷，成为蓝宝石断裂过程中的裂缝源。钎焊是实现陶瓷材料连接最常用的方法，目前广泛应用的钎焊蓝宝石的活性钎料主要是Ag-Cu-Ti钎料。通过活性元素Ti与蓝宝石的反应，促进液态钎料与蓝宝石的润湿结合。整个焊接过程需要在真空环境及850℃高温才能实现连接，从高温(850℃)冷却到室温的过程中，由于钎料与蓝宝石的热膨胀系数相差较大，导致焊接接头留有很大的残余应力，成为焊接接头开裂的主要原因。

发明内容

本发明要解决应用现有活性钎料钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料只能在高温(850℃)下钎焊，并且难于形成有效连接、冷却过程中由于残余热应力而造成焊缝开裂的问题；而提供了低温超声SnBi基钎料及其制备方法，及其超声钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的方法。

为解决上述技术问题，本发明中低温超声SnBi基钎料的化学组成以重量百分比计为：41.5～52.5％Bi，0.05～0.15％Cu，0.01～0.1％Al，0.01～0.05％混合稀土，余量为Sn；所述混合稀土按重量百分比是由50％～70％Ce、20％～30％La、10～15％Nd和余量为Pr组成；其制备方法是按下述步骤进行的：将Cu放入到坩埚中，将马弗炉加热到1200℃，并向其中充Ar气，将坩埚放入到马弗炉中，保温直到Cu完全融化，相继加入Al、Sn、Bi以及混合稀土RE，然后保温20～60分钟；冷却后得到低温超声SnBi基钎料。

低温超声SnBi基钎料超声钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的方法是按下述步骤进行的：

步骤一、取两块陶瓷或者一块陶瓷和一块陶瓷基复合材料或者两块陶瓷基复合材料作为待焊接件，置于丙酮中超声清洗；

步骤二、将低温超声SnBi基钎料压片，片的厚度为0.3～0.5mm，剪裁成与待焊接件相对应的尺寸，得到钎料片；

步骤三、将步骤二中钎料片夹与步骤一处理后待焊接件的待焊面之间得到待焊件，然后将待焊件放入卡具中卡紧；

步骤四、施加0.2～1Mpa的压力，将超声工具头直接压在步骤三卡具中的待焊件上，大气环境下，加热到170～200℃，施加振幅为5μm的超声波进行超声辅助钎焊50～1000s。

本发明采用以Al元素作为活性元素SnBi基钎料，实现了在较低的温度下(170～200℃)超声钎焊连接陶瓷(蓝宝石)及含陶瓷基复合材料等，含陶瓷基的复合材料如含有陶瓷颗粒的玻璃、硅、铝合金、镁合金、钛合金等。本发明避免了接头的开裂，实现了陶瓷和/或陶瓷基复合材料的有效连接，特别是蓝宝石的焊接。

相比现有技术本发明的优点在于：

1、本发明以Al为钎焊陶瓷和/或陶瓷基复合材料的活性元素，通过Al向陶瓷和/或陶瓷基复合材料表面扩散反应生成Al₂O₃过度层，实现陶瓷和/或陶瓷基复合材料基底与钎料的有效连接。

2、本发明中Al的含量为微含量(0.01％-0.1％)，Al的熔点为660℃，微量Al可以避免Sn基钎料的熔点显著上升，同时避免Al与钎料中的Cu反应生成CuAl₂、CuAl及Cu₂Al等脆性金属间化合物，从而弱化焊缝。

3、本发明中Cu元素能与钎料中的Sn元素形成Cu₆Sn₅，生成的Cu₆Sn₅作为形核剂，增大了SnBi共晶组织的形核率，促进了β-Sn相和富Bi相晶粒的细化，改善了钎料的脆性。钎料的延展率从不加Cu元素的21％提高到了39％。