Si3N4陶瓷钎焊工艺研究

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氮化硅陶瓷是一种高温性能优异的材料,实现氮化硅陶瓷的可靠连接具有重要的实用价值。本文采用急冷方式成功制备了不同含量的CuNiTi非晶箔带钎料。研究了晶态和非晶态的CuNiTi在Si3N4上的润湿性能和Cu55Ni15Ti30非晶态钎料钎焊Si3N4的界面组织结构和钎缝中各元素的分布以及存在的相。分析了钎焊工艺参数对钎料润湿性的影响和接头强度的影响和陶瓷钎焊接头的连接机理。通过在 S i上沉积 Ti膜研究PVD(磁控溅射气相沉积)沉积工艺;研究通过PVD沉积Ti-Cu膜对接头质量的影响;研究在Ti-Cu二元复合过渡层中渗入B、Pt、Mo等元素形成三元复合过渡层。研究复合过渡层对钎焊接头的性能的影响;分析渗入 Mo在接头的界面相分布和接头组织的影响。  (1)在相同的钎焊工艺条件下,非晶态钎料对陶瓷的润湿性要优于同成分的晶态钎料。晶态和非晶态钎料分别润湿陶瓷后,非晶态钎料的活性元素在界面分布更多;表明非晶态钎料的活性元素扩散能力要优于晶态钎料。对比不同润湿温度下的润湿角和不同保温时间下的铺展面积,得出在Si3N4上的润湿性最好的钎料为Cu50Ni15Ti35非晶钎料。  (2)采用Cu55Ni15Ti30非晶钎料钎焊Si3N4陶瓷,一定工艺参数下钎焊接头连接强度达到最大值301.7MPa;润湿性能最好的Cu50Ni15Ti35获得的最高接头连接强度为284.3MPa。分析 Cu50Ni15Ti35非晶钎料钎焊 Si3N4陶瓷的接头组成:靠近陶瓷的TiN反应层、反应层与钎料之间的TiN和Ti5Si3组成的连接层、Cu成分为主的钎缝中心区。在界面反应层中有TiN、TiSi、TiSi2、Ti5Si3、Ni3Si、NiTiSi和CuTi等化合物;其中界面反应层I和界面反应层II交界处Ti元素浓度达到最高,界面反应层为硬质的TiN和硅化物交错形态。在钎缝中心区Ni、Ti、Si元素组成的NiTiSi相形成聚集,并主要聚集相Cu相间隔分布。  (3)在Si3N4表面镀Ti和Ti-Cu金属膜可以改善钎料的润湿性,但在陶瓷表面形成的TiN反应层阻碍了钎料与陶瓷的进一步反应,反而降低接头强度;镀Ti-Cu金属复合膜对接头强度没有太大影响。B复合膜渗入可以提高钎焊时接头的抗氧化性。Pd复合膜的可以改善钎焊接头高温强度。Si3N4表面镀渗Mo复合膜,接头的常温弯曲强度得到较大的改善;当复合膜中Mo沉积60min时,接头强度达到374.9MPa;钎缝中心区的Ni和Cu基固溶体组织变得均匀、细小,界面反应层的总厚度降至2μm。断裂均发生在陶瓷近缝区,断囗表面光滑,未有钎料残留;表明钎料对陶瓷形成了有效的连接。表明在复合过渡层中渗入Mo元素达到了强化接头的作用。
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