高纯氧化铝陶瓷与无氧铜的钎焊_李飞宾.docx

第 2 9 卷 第 3 期2 0 0 8 年 3 月焊接学报TRANSACT IONS OF THE CHINA WELDING INST ITUTIONVol. 2 9No. 3March2 0 0 8高纯氧化铝陶瓷与无氧铜的钎焊李飞宾,吴爱萍,邹贵生,任家烈( 清华大学 机械工程系, 北京 1 00084)摘 要: 电真空应用中, 要求高纯氧 化铝与无 氧铜的 连接接 头具有 较高的 强度和气 密 性。采用 Ag Cu Ti 活性钎料直接钎焊高纯氧化铝陶 瓷与无氧 铜, 研 究了钎焊温 度和 保温 时间对接头组成、界面反应以及接头抗剪强度的影响 , 研究了铜基体材料对钎 焊接 头组 织和界面反应的影响。钎焊 温度 850 900 C , 保温时 间 20 60 m in 时, 接头抗 剪 强度接近或达到 90 MPa。钎焊工艺参数偏离上述 范围时, 接头抗 剪强度 较低。接头 由 Cu/Ag( C u) , Cu( Ag, Ti) !Cu3 Ti3 O( T iO2 )/Al2 O3 组成, 反应层以 Cu3 Ti3 O 为主, 个 别工艺条件 下有一定量的 TiO2 生成, 铜 基体视工艺条件的不同对钎焊接头组织有一定影响。 关键词: 高纯氧化铝陶瓷; 无氧铜; 钎焊; 接头抗剪强度; 接头组织中图分类号: TG454文献标识码: A文章编号: 0253 - 36 0X( 2008) 0 3- 0053- 04 李飞宾- 2- 30序言洗约 6 10 min , 钎焊在真空炉中进行, 真空度 1. 0 x10 2. 0 X 10Pa, 加热速度 15 /min, 随炉冷却。高纯度、超细晶粒氧化铝陶瓷具有耐高温、耐腐 蚀、耐磨损以及绝缘强度高、介质损耗低和电性能稳 定等优良的电气性能 1- 3 ; 无氧铜具有优良的导电、 导热性能和良好的机械加工性能 4, 5 。因此, 在电真 空领域, 将两者连接起来, 可以充分发挥各自的特点, 获得优异性能。但是传统的金属化方法已经不适用 于这种陶瓷的表面金属化, 所以实现高纯氧化铝陶瓷 和无氧铜的高气密性直接封接变得十分必要。含 Ti 元素的活性钎焊法已广泛应用于陶瓷和金属的连接 中6 , 由于氧化铝陶瓷与无氧铜的物化参数( 如线膨 胀系数等) 差别较大, 对钎焊工艺提出了较高要求。 作者主要研究钎焊工艺参数对接头强度和组织的影 响以及铜基体对钎焊接头组织的影响。1 试验方法试验所用的陶瓷是纯度高于 9 . 7% 的氧化铝,无氧铜是 1 号无氧铜( 代号 TU1 ) , Cu 元素含量大于99. 97% , 钎料为 Ag Cu T i 合金, Ag Cu 为共晶配 比, T i 元素质量分数为 1. 0% 2. 0% , 高纯氧化铝 陶瓷 和无 氧 铜的 连 接 试 样 均为 10 mm X 5 mm X5 mm。无氧铜块钎焊前经过 20 0 号砂纸打磨。所有待焊试样和钎料连接前均用丙酮和酒精超声波清收稿日期: 2007- 11- 09钎焊温度 825 925 C , 保温时 间 5 90 min。接头 强度用抗剪试验来测定, 每个工艺参数下得到的接 头抗剪强度是 4 个接头强度的平均值。用扫描电镜 来观察和分析接头的组织形貌, 用 X 射线衍射来分 析界面反应产物。2 结果与分析2. 1 钎焊接头强度2. 1. 1 钎焊温度的影响保温时间分别为 20, 60, 90 min 时, 接头抗剪强 度随钎焊温度的变化如图 1 所示。可 以 看 出, 随着图 1 钎焊温度对接头抗剪强度的影响Fig. 1 Eff ect of bonding t emperature on shear st rength of joint s钎焊温度的提高, 接头抗剪强度先增加后减少, 钎焊温度过高或过低不利于接头强度的提高。2. 1 . 2 保温时间的影响钎焊温度分别为 825, 850, 875 C , 接头抗剪强度 随保温时间的变化如图 2 所示。可以看出, 随着保温 时间的延长, 接头抗剪强度先增加后减少, 存在一个 峰值, 保温时间过长、过短均不利于接头强度的提高。图 2 保温时间对接头抗剪强度的影响Fig. 2 Eff ect of holdi ng t ime on shear st rength of joint s2. 2 接头组织与界面反应层钎焊温度 825 C , 保温时间 30 min 时的接头组织 形貌如图 3a 所示, 接头中各点成分的能谱分析结果 如表 1 所示, 接头剪切断口表面 XRD 分析结果如图 4 所示。根据能谱和 XRD 分析结果可以看出, 氧化铝 陶瓷和钎料发生界面反应, 反应层主要由 Cu, T i, O 元 素和少量的 Ag, Al 元素组成, 反应产物以 Cu3Ti3 O 为 主。接头的组织构成为 Cu/Ag( Cu ) , Cu ( Ag, T i)/反应 层 Cu3Ti3O( T iO2 ) /Al2 O3 。其中 Ag( Cu) 表示银基体含 少量的 Cu 元素, Cu ( Ag, Ti) 表示铜基体含少量的 Ag, Ti 元素, Cu3 Ti3 O ( TiO2 ) 表示反应层以 Cu3T i3 O 为主, 在个别钎焊工艺条件下同时有 TiO2 生成。由图 3a 可 以看出, 在 825 C 保温 30 min 时, 反应层厚度约为 2 3 m。而 在钎焊 温度 825 C , 保 温时间 5 min 和60 min 的接头组织分别如图 3b , c 所示。在保温时间5 min 时, 保温时间过短, 钎料与陶瓷之间的反应不充 分, 反应层较薄且断断续续。而在保温时间 60 min 时, 找不到连续致密的反应层, 只有一些离散的灰色 颗粒, 断口表面背散射照片如图 5 所示, 对其 中 的 a, b 两点做 成分能谱分析 结果如表 2 所示, 结合断位置AgCuT iOAl推测相a0. 3735. 2241. 0222. 440. 95Cu3T i3 Ob3. 8696. 20c90. 224. 065. 72表 1 图 3a 中各点成分能谱分析结果( 摩尔分数, % ) Table 1 Results of EDS of spots in Fig. 3a口表面 XRD 分析, 可以断定灰色颗粒为 Cu3T i3 O 和T iO2 。图 3 接头组织( 825 c , 背散射)Fig. 3 Microst urct ures of joint s wit h bonding temperature of825 t ( SEM, BSE)图 4 接 头 剪 切 断 口 铜 侧 表 面 XRD 分 析 结 果 ( 825 C ,30 min)Fig. 4 XRD patterns of fracture s urf ace of Cu side ( 825 C ,30 min)第 3 期李飞宾, 等: 高纯氧化铝陶瓷与无氧铜的钎焊55图 5 铜侧断口背散射( 825 C , 60 min)Fig. 5 SEM micrographs of f racture surface of Cu side( 825 C , 60 mi n, BSE)表 2 图 5 各点成分能谱分析结果( 摩 尔分数, % ) T able 2 Results of EDS of spot s in Fig. 5位置 Ag Cu T i O Al 推测相 a 1. 03 36. 08 40. 80 20. 45 1. 65 Cu3T i3 O b 1. 46 2. 21 29. 35 59. 32 7. 65 TiO22. 3 铜基体对接头组织的影响保温时间 60 min, 随钎焊温度提高, 铜基体向钎 料逐渐溶解, 如图 6a, b, c 所示, 接头抗剪强度随钎焊 温度先增加后减少, 在 875 C 达到最大值, 如图 1 所 示, 同时反应层的形态也有较大变化。在钎焊温度825 t 时, 反应层呈离散颗粒状( 图 7a) , 根据上面的 分析, 可知这些颗粒为 Cu3Ti3O 和 T iO2 , 这种不致密 导致了接头强度较低; 钎焊温度 875 C 时, 得到了致 密和 连续的反 应层( 图 7b ) , 根据接 头能谱 和断口 XRD 分析可断定反应层为 Cu3Ti3O; 钎焊温度 90 C 时, 生成一层很薄的连续的反应层, 如图 7c 所示, 根 据断口的 XRD 分析推知反应层主要由 TiO2 构成。2. 4 简单分析与讨论利用 Ag Cu Ti 连接氧化铝和无氧铜时, 在钎 焊温度 850 900 C , 保温时间 20 60 min 时, 接头 抗剪强度接近或达到 90 MPa, 钎焊温度和保温时间 过长或过短都不能获得良好的接头。接 头组 织 由图 6 接头组织( 60 min, 背散射)Fig. 6 Microsturct ures of joi nts with bonding holding time of 60 mi n( SEM, BSE)图 7 反应层( 60 min, 背散射)Fig. 7 Reaction layers of joints wit h bonding holding time of 60 min( SEM, BSE)Cu/Ag( Cu ) , Cu ( Ag, T i) !Cu3Ti3 O ( TiO2 ) /Al2O3 构成。钎焊温度和保温时间影响反应层的厚度和形态, 从 而也 间 接影 响 了 接头 的 抗剪 强 度。 在钎 焊 温 度825 t , 保温时间 5 min 时, 生成的反应层较薄且不连续, 从剪切断口的表面可以看出, 钎料与氧化铝陶瓷反应不充分, 断裂发生在陶瓷与钎料的界面上, 陶 瓷 侧断 口 基 本 保 留 了 陶 瓷 表 面; 而在 保 温 时 间60 min时, 只能看到一些离散分布的反应层, 也不利 于接头抗剪强度的提高。同时, 在保温时间 60 min, 钎焊温度较低如 825 t 时, 钎料中 T i 元素的活性不够, 反应不充分, 反应层呈离散的颗粒状物质; 钎焊 温度过高如 900 , 引起铜基体向钎料的大量溶解, 消耗一部分的活性 T i 元素, 使得反应也不能充分进 行, 生成的反应层较薄; 而在 875 C 时, 上述两种不 利因素得到抵消, 获得了较为连续和致密的接头, 接 头强度达到最大值。3 结 论( 1) 用 Ag Cu Ti 钎料连接高纯氧化铝陶瓷和 无氧铜时, 在钎焊温度 850 900 C , 保温时间 20 60 min 时, 接头抗剪强度接近或达到 90 MPa, 钎焊温度过高或过低和保温时间过长或过短都不利于获得良好的接头。( 2) 用 Ag Cu Ti 钎料连接高纯氧化铝陶瓷和 无氧 铜时, 接 头由 Cu/Ag ( Cu ) , Cu ( Ag, Ti )!Cu3T i3 O ( TiO2 ) /A l2 O3 组成。反应层以 Cu 3Ti3O 为主, 在个别条件下有一定量的 TiO2 生成。保温时间过短, 陶瓷 与钎料的反应不充分, 反应层较薄。保温时间过长 或钎焊温度过高也不利于形成致密的反应层。( 3) 保温时间 60 min , 随钎焊温度提高, 铜基体向钎料侧逐步渗透, 消耗部分活性 Ti 元素, 对反应 层的厚度和形态有显著影响, 也间接影响了接头的抗剪强度。参考文献: 1 刘联宝, 杨钰平, 柯春和, 等. 陶瓷 金属 封接技术指南 M .北京: 国防工业出版社, 1990. 2 尹衍生, 张景德. 氧化铝陶 瓷及其复合 材料 M . 北 京: 化 学 工业出版社, 2001. 3金志浩, 高积强, 乔冠军. 工程陶 瓷材料 M . 西安: 西安 交通大学出版社, 2000. 4 张 启运, 庄 鸿寿. 钎焊 手 册 M . 北 京: 机 械 工业 出 版 社,1999. 5 刘 征, 高陇桥. 俄罗斯 真空电 子器 件用无 氧铜的 现状和 应 用 J . 真空电子技术, 2005( 1) : 62- 65. 6 任家列, 吴爱萍. 先进材料 的连接 M . 北 京: 机 械工业出 版社, 2000.作者简介: 李飞宾, 男, 1982 年出生, 硕士研究生。研究方向为 先 进材料连接技术。发表论文 1 篇。Email: lfb05 mails. tsing hua . e du. cn2008, Vol. 29, No. 3TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUT IONIIIAnd th e mathemat ic model and diagrams betw een independent var-i ables and fu nct ion s are present ed. Th ey indi cate t hat t he eff ects of m any coating ingredients on t he sl ag det achabilit y are in t he mutual f orm. The mutual ef fect s between C aCO3 & BaCO3 , w ol last on it e & A-l Mg pow der, an d rut ile & iron pow der in crease the slag d etach- abil it y s eparat ely. While t he mut ual eff ects between A-l Mg pow der & f luorit e, and A-l Mg pow der & B aCO3 d ecrease t he slag d et achabilit y s eparat el y.Key words:basic electrode; s lag det achabil it y; uniform designLow temperature toughnes s of ul tra low- carbon 9 Ni steel welded joi nts WANG Guoping, CH EN Xuedong, WANG B ing ( School of Mat erials Scien ce and Engineering , H ef ei Un iversity of Technolo- gy, H efei 230009 , Chin a) . p37 - 40Abstract: This art icl e invest igat es th e low t emp erat ure tough- ness of w el ded joints and s imulated H AZ of u ltral low- carbon 9Ni st eel wh ich d evelop ed by quen ch ing , interm edi at e quench ing and t emp ering processed. The s pecimens w ere investigated by C harpy V- not ch impact t est , opt ical m icroscope, T EM an d SEM. T he res ults s how t hat the m icrost ruct ure of lat h mart ensite is coars ened an d th e low-tem perature toughness is decreased in coars e grained HAZ of s pecimens singl e pass w elding therm al cycl ed . The revers al austenit e on bound aries of lath m artensit e appears in the dis persed dist ribu- t ion , and t he grain w ill be fin ed , and low t emperatu re toughness w ill b e increased in H AZ of sp ecimens mult-i pass weld ing t hermal cy- cled. It is desirable t hat low- heat input , mult-i pass welding and low inter- pas s tem perature shou ld be app lied, wh ich gives high low- tem- perature toughness of welded joint s.Key words: 9% n ick el steel; t hermal s imu lat ion; w eld ed joint ; low t em perature impact t oughn essMi crostructures and mechani cal properti es of joints of m-i croalloy ed EH40 shi p steel pl ate wi th hi gh hea-t i nput weldi ngSUN Zhan1 , HUANG J ih ua1 , ZHANG Hu a1 , ZHAO Xingke1 , LIQuquan2 ( 1. School of Mat erials S cience and Engin eering, Beij ing Univers it y of S ci ence and Technology, Bei jing 100083, Ch ina; 2. Xiangt an Iron an d Steel Corporat ion , Xiangt an 450051 , H unan, Ch ina) . p41- 44Abstract:The w eld ab ility of EH40 sh ip st eel pl at e by s ub-merged- arc welding wit h h igh h ea-t input w as stud ied by the tensil e t est , im pact t est , hardness test and m icrostruct ure. Experim ent re- sult s show that t he im pact absorbing energy valu e w ere 116 J and80 . 5 J in t he coarse grain zones w ith the high h ea-t in put 4 0 kJ/cm and 60 kJ/cm . The strengt h of the w el ded joint w as b ett er t han th e one of th e b ase met al an d there wasn t soft zon e in HAZ. Th e main m acrostru ctures w ere l ath bainite, granular bainite and a few b lock- like ferrit e in t he coarse grain heat aff ect ed zon e w it h 40 kJ/cm, wh ile less l ath bainite and more b lock- l ike ferrit e and a f ew acicular f errite appear in the som e zone w ith 60 k J/cm . Th e toughness in th e coarse grain h eat af fect ed zone is improved for the exist ing carbid es and nitrides of T i and Nb, wh ich prohibit t he original austenite grainf rom coarsening in high hea-t input .Key words: ship st eel pl ate; m icrost ruct ure; s econd phas e parti cl e; high hea-t inputAci cular ferrite mi crostructure of weld metal fo r low- all oy steel HUANG Anguo1 , YU Shengfu 1 , XIE M ingl i1 , LI Zh iyu an1 , ZH ANG Guodong2 ( 1. School of Mat erials S ci ence an d Engineering, Hu azhong Univers it y of S cience an d T echnology, Wuh an 4 30074,C hina; 2 . Coll ege of Power and Mechanical Engineering , Wuh anUnivers it y, Wu han 430072, China) . p45- 48Abstract: For und erstanding t he mi crost ru cture acicular f er- rite( AF) , t he therm al s im ulat ion test of weld metal in X70 pipe- l ine st eel w as carried out w it h GLEE BLE 1500. SEM and TEM w ere us ed t o an alysis t he rel at ions betw een t he inclusions and t he AF, and t he C concent rat ion distribut ion along AF boun dary and t he characteris- t ics of sym pat het ic AF suff erred from s econdary heat cycl ing . The re- sult s show th at t here exits a l ayer of t hin C- riched f ilm along t he AF b ound ary, and bot h t he sh ear m echanism an d t he C d iffus ion were occurred during AF growt h. The symp ath et ic AF nucleated on t he s ite of high dens it y d islocat ion of the prim ary AF and grow n into spe- cif ic siz e rap idly. Bot h t he AF and sym path et ic AF w ere nucleat ed and grown- up in the aust en ite grain, and w ere good to fine- grain ed st rengthening eff ect in the mult-i pass w eld metal and HAZ.Key wo rds:low- alloy steel; w eld metal; acicul ar f errite;m icrostruct ureRevi ew of 9% Ni steel and its weldabil ity YAN Chunyan 1 , LI Wushen1 , XUE Zhenkui2 , BAI Shiwu 2 , FENG B in2 ( 1. School of Mat eri als S cience and Engineering, T ian jin Univers it y, Tianjin30 0072, Ch ina; 2. Petroleum- Gas Pipeline Research Institut e ofC hina, Langf ang 065000 , H ebei, Ch ina) . p49- 52Abstract: Research and developm ent status of 9 % Ni st eel f or cryogen ic l iquef ied n atural gas storage t ank s w ere summarized and review ed . Mi crost ru ctu res, m echanical propert ies and f ield w eld- abil it y w ere pres ent ed . Most commonly used quenched and t empered9 % Ni st eel is com posed of a majority of tem pered mart ens it e an d af ew s catt ered ret ain ed aust enites. Base met al of 9% Ni steel shows h igh strength , good cryogenic t oughn ess , excel lent f ield w eldabilit y and low cold- cracking suscept ivity. Ho-t cracking can be avoided un- der proper w elding parameters . A heat input of 7- 35 kJ/cm and a interp ass tem perature l ower t han 100 C are generally adopt ed for t he w el ding of 9% Ni steel.Key words: l iquef ied nat ural gas storage tanks ; 9% Ni st eel ; mi crost ru cture; w el ding paramet ers ; w eldabilit yBrazing between high puri ty alumina ceramic and oxyg en- free co pper LI Feibin , WU Aip ing, ZOU Guisheng, REN Ji al ie ( Departm ent of Mechanical Engineering , Ts inghu a University, Be-ij ing 10 0084, Ch ina) . p53- 56Abstract: The joint s of h igh purity alumina ceram ic and oxy- gen- free copper w ith h igh st rength and low gas loakage are needed in el ectron t ube. This work investigates th e eff ects of brazing t empura-WMAIN TOPICS , ABSTRACTS & KEY WORDS2008, Vol. 29, No. 3ture, holding t im e and copp er matrix on t he joint microstru ctures, s hear strengt h and int erface react ions . The joints w it h shear strength close t o 90 MPa cou ld be achieved by brazing w ith AgCuTi at th e t emp erat ure of 850 - 900 C and the holding t ime of 20 - 60 m in. Low er or higher t emperatu re an d sh orter or longer hol ding t im e are d etrimental t o joint st rength . The joint is consist ed of Cu/Ag( Cu ) , Cu ( Ag , T i) /Cu 3 Ti3 O ( TiO2 ) /Al2 O3 . Th e main product in t he reac- t ion layer w as Cu3 T i3 O, and TiO2 was obs erved at certain parame- ters . Th e effect s of copper matrix on th e joint m icrost ruct ures were d ifferent based on t he paramet ers .Key words: h igh purit y alumina ceram ic; oxygen- free cop- per; brazing; s hear strengt h; m icrostruct uresWettability of two ki nds of Pd - Ni brazi ng fill er metals on Si3 N4 ceramic Chen Bo, XIONG Hu ap ing , MAO Wei, LI X-i aohong ( Lab. of Welding an d Forging , Beijing Institut e of Aeronau- t ical Mat erials , Beijing 1000 95, Ch ina) . p57- 60Abstract: Th e wett ing behavior of PdNi - ( 15 - 22 ) V andPdNi- ( 16 - 24 ) Cr on Si3 N4 w as st udied by t he sessi le drop met h- od. Resu lts show t hat th ere are diff eren ces in t he melt ing point and t he wettabil it y betw een PdNi - ( 15 - 22 ) V and PdNi - ( 16 - 24 ) Cr , an d small cont act angl e and excell ent interface are obt ain ed us- ing th e latt er. In the int erfacial layer wit h PdNi- ( 16- 24) Cr fi ller m etal, Cr diffus ed to S i3 N4 and result ed in the react ion product s of Cr2 N phase. Diff usion of Cr to the bas e mat eri al improved th e w et ta- bi lity of brazing fil ler metal.Key words: ceram ic; react ion layer; w et tabilit y; braz ing f ill er met alDynamic simul ati on of i sothermal sol idifi cation i n steel/Cu/steel system rolling- diffusion bonding processLI Hong, LI Zhu oxin( Sch ool of Mat eri als Science and Engineering, Beij ing Un iversity ofTechnology, Beij ing 100 022, Ch ina) . p61- 64Abstract: Roll ing- diffus ion bonding experim ent s w ere p er- form ed on st eel/Cu/steel syst em using 50 l1m t hick copper as int er- layer. The effect of plasti c def ormat ion on bonding st rength and in- terlayer thi ckness was investigat ed. Based on experim ent s, t he k-i neti cs of isotherm al solid ificat ion w as systemat ically st udied. An d a num erical m odel of isotherm al s ol idif ication t im e w as developed. Th e results show that th e isot hermal solid ificat ion tim e is obviously re- duced due to the eff ect of p last ic def ormation. A reasonable isoth er- mal solid ificat ion time was obtained when an ef fect ive d iffus ion coef- f ici ent w as us ed , indi cating th e int ercryst al line an d grain boundary d iffus ion of Cu in st eel play an im portant rol e. Th e evolut ion of in- terlayer t hickness ind icates a good agreement between the cal culat ion results an d experiment al measurement .Key wo rds: rolling- d if fusion bond ing ; pl ast ic def ormat ion; isot hermal soli dificat ion; k inet ic simul at ion ; eff ective diff usion coef- f ici entEffect of al loying elements on microstructure and property ofAgCuZnSn brazing allo y LI Zh uoran, JIAO Ning , FENG Jic- ai, LU Chenghong ( St at e Key Laborat ory of Advanced Welding Pro- du ction Technology, H arb in Inst itut e of T echnology, H arbin15 0001, Ch ina) . p65- 68Abstract:The Sn , Ni, P were added int o AgCuZnSn braz ing al loy. And t he effect s of S n, Ni and P on the mi crost ru ctu re and propert y of AgCuZn cadm ium- free brazing alloy system were invest -i gat ed . The results showed t hat t he wett ab ility of th e braz ing alloy w as im proved w ith t he addition of Sn . The addit ion of P could decreas e t he int erfacial t ens ion betw een liqu id brazing alloy and s pecimen, and t he w ett abilit y and f luid it y w ere also improved . The m icrostruc- ture of AgCuZn brazing alloy was consist ed of Cu- rich phase, CuZn interm etall ic com poun d, Cu5 . 6 Sn int erm et al lic compound, Cu4 0. 5 Sn 11 interm etall ic compound an d Ag- rich phase. Dendrite th at form ed in t he al loy mi crost ru ctu re m ake brazing alloy friable aft er t he addit ion of S n. Th e black Ni3 P compound w as generated w hen Ni w as added, and make mi crost ru cture h omogeneous. Th e gray Cu3 P compound w as generated wh en P was added.Key words :braz ing al loy ; m icrostructure; wett abi lityFiber bra gg grating senso r metal lization a nd embedding into42 CrMo steel by solderingLI Yu long , FENG Yan