高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法
专利名称：高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法
技术领域：
本发明涉及高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊方法。
背景技术：
碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其具有高比强度、比刚度、尺寸稳定性、可设计性以及耐磨、耐腐蚀、耐射线等优异性能，特别是原材料来源充分、制造成本低、市场容易接受，是金属基复合材料中应用潜力最广的新型结构材料，可广泛应用于航空航天、汽车制造、仪器仪表、电子信息、精密机械等产业领域。而高体积分数(50% 70% )碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其具有接近于玻璃的低膨胀系数和接近于金刚石的高硬度，在电子封装和航空航天关键零部件中有其独特的用处。例如，对当今我国国防急需发展的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、宇宙飞船、空间站、嫦娥登月等航天器以及卫星、弹道导弹等军事装备来说，其雷达核心部件一T/R信号发射与接收芯片大功率模块的需求量急剧增加，而模 块封装壳体长期使用的是可伐合金(Fe-Ni-Co)以及W/Cu、M0/Cu等传统的封装材料，比重大、制造工艺复杂、成本高，远不能适应航空航天飞行器结构高轻量化的设计要求，迫切需要一种集低膨胀、高导热、轻质三大特性于一身的新型电子封装结构材料。而高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料就是这种理想的替代材料，因为它不但比重是可伐合金的1/3，膨胀系数与封装芯片的陶瓷基体相接近，而且导热性比可伐合金高10倍。因此，在航空航天与电子行业，用高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等传统的封装材料已是大势所趋。因为对当今搭载电子元器件数量急剧膨胀的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、航天器、卫星、弹道导弹等军事装备来说，降低自重就意味着提高了作战的灵活性和生存性，并降低了燃料装载量，增加了有效载荷，可为国家节省大量开支。粗略估算，一架预警机需要4万个这种电子封装模块，一架歼击机需要1500个，一个通讯卫星需要1500 3000个，一个舰载雷达需要15000个，未来的空间站和空间实验室需要的量则更大，如果把我国上述所有武器装备的T/R模块全部换成高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其需要量极其庞大，所带来的军事意义和经济效益难以估量。可以说，用高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等传统的电子封装结构材料，是我国航空航天通信装备领域产品升级换代的一项重大改革，意义十分重大。然而，这种新型的电子封装材料却遇到了一个瓶颈技术难题一电子模块的外壳封装焊接问题。一方面是需要将壳盖板与壳体焊在一起，同时在焊接时又不能把已经事先置于壳体底部的芯片造成过热损伤(芯片允许的工作极限温度只有170°C )，还要保证焊接接头通过严格的气密性和抗冲击振动、抗潮性、抗腐蚀等试验,质量要求极其苛刻,成为目前国内外焊接界公认的技术难题之一。国外研究现状至今未查阅到有关高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接技术的任何报道。国内研究现状哈尔滨工业大学牛济泰于1989年在国家自然科学基金的资助下，率先在国内开展了铝基复合材料焊接性的研究，上世纪90年代末以来，也有不少院校的教师和研究生对低体积分数增强铝基复合材料的焊接性进行了有益尝试，研究结果都表明由于增强相与铝合金基体物理化学性能的巨大差异，用熔化焊方法获得高质量的焊接接头是极其困难的，极易产生气孔、夹渣、疏松、未焊透等缺陷，同时在焊接高温情况下，碳化硅将与铝液发生界面反应，生成C3Al4针状有害化合物，只有采取铝硅焊丝或基体铝合金焊丝稀释熔池才有可能实现连接，但其结果是焊缝中的成分主要是铝合金而不是铝基复合材料，因而接头强度系数很低。之后数年，牛济泰发明了一种焊缝原位自生增强的熔化焊接方法(中国发明专利号ZL200510010266. 5)，可以明显提高接头强度，但这一方法也只适用于低体积分数(< 20% )的颗粒增强铝基复合材料，对高体积分数(50% 70% )仍无能为力。近几年，牛济泰等人针对高体积分数又发明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扩散焊、真空钎焊、炉中钎焊、电阻焊工艺等并获得了多项国家专利，哈工大的闻久春等人发明了有关招基复合材料的振动焊、超声波毛细焊接等工艺，从而对闻体积分数碳化娃颗粒增强铝基复合材料的焊接开辟了新的研究思路，但对于电子封装这种技术条件要求十分苛刻的高端产品，焊接质量尚不够理想，主要是在钎缝密封性以及抗空间环境因素(交 变温度、振动、空间粒子辐照等)的侵害方面，尚存在不足，尤其不能适应大批量、高合格率稳定生产的技术要求。其根本原因是复合材料表面裸露着大量的SiC陶瓷增强相，它含有离子键与共价键，很难被含金属键的钎料所润湿，给钎焊过程带来了极大的难度，因此进一步探讨更为有效的钎焊工艺势在必行。
发明内容
本发明要解决现有的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的焊接需要在较高温度下进行，并且焊接质量较差的问题，而提供一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法。本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料基体被焊表面的纳米化在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体和下层基体的材质均为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；二、制备钎料制备银基、铝基或锌基钎料；其中银基钎料按重量份数由40 50份的Ag、20 25份的Cu、9 12份的In、16 20份的Sn和2 5份的Mg组成；铝基钎料按重量份数由20 25份的Cu、3 8份的Si、l 3份的Mg、0. 5 2份的Ni和65 80份的Al组成；锌基钎料按重量份数由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0. 5 I. 5mm,两个激光光斑中心相距2 5mm,两束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度为IO5w/cm2 lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本发明的创新点是(I)在国内外首次将纳米技术应用于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎接；(2)将双光束激光技术应用于钎焊温度场控制，造成温度梯度和钎料的铺展驱动力，以提高钎料在钎缝中的润湿能力，此技术路线国内外至今未见相关报道；(3)在学术上首次揭示了纳米效应在复合材料钎焊过程中的表现行为，探讨了激光和纳米效应共同作用条件下，复合材料钎接的微观机制和影响规律，充实和发展了复合材料焊接的基础理论； (4)提出纳米效应使碳化硅陶瓷颗粒表面类金属化，从而增强钎料对碳化硅增强相润湿性的观点。目前纳米焊接研究多侧重于微电子连接、焊丝表面涂覆纳米层、纳米烧结焊剂、无铅纳米焊膏等方面，却无人研究纳米钎焊技术，更无人问津高体积分数颗粒增强铝基复合材料的纳米钎接研究。从理论上说，纳米技术用于钎焊的优越性在于①随着纳米微粒粒径的减小，比表面积增大、表面原子数增多，表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键，致使纳米微粒化学活性增强，从而提高钎焊过程润湿性；②由于粒径减小到纳米级，作为原子快速扩散通道的晶界增多，原子在纳米结构内的扩散速率将会大大提高；③由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减少，当振幅达到晶格常数的10% -20%时，结晶体便开始熔化，使纳米晶粒的熔点远低于块状本体，从而可以在较低的温度下实现钎接。因此，将纳米技术引入到钎接高体积分数的颗粒增强铝基复合材料的研究中来，不但可以增强钎料在复合材料表面的润湿性，还可以在降低钎焊温度的同时增加原子的扩散能力，有利于在钎缝中形成互溶、共晶、渗间和适当数量的金属间化合物，从而大大提高钎缝的致密性和接头强度，是钎焊高体积分数颗粒增强铝基复合材料比较理想的焊接方法。这种尝试无疑对解决高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接这一世界性的技术难题，具有重要的理论意义和工程实用价值。本发明中高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化可以通过机械研磨或高速弹丸喷射，使材料表面位错的密度极大增殖并且运动和堆积，空位的密度也将急剧增加，从而使材料被分割碎化成纳米尺度的组织形貌，甚至有的地方的原子排列呈无规则的非晶态；也可以通过脉冲激光冲击，使材料在极短的时间内发生“爆炸性”汽化，原子从表面逸出时形成巨大的冲击波，这一压力远远高于材料的动态屈服极限从而使材料表面产生强烈的微观塑性变形，造成材料中位错密度增加，以致形成纳米组织。众所周知，钎料在接头处的润湿铺展行为很大程度上是由温度在时间和空间上的分布决定的，以激光为热源的钎焊工艺的一个最大优点是激光能量输入的精确可控性。为了更好地利用激光束来控制温度在时间和空间上的分布，发明人采取双光束钎焊工艺，利用两个激光束同时分别辐照被焊材料的不同的区域，来获得接头的温度场梯度和动力学驱动，以提高钎料对母材的润湿性。此外，激光对材料还有着特殊的诱导作用，利用脉冲激光烧蚀法来对被焊母材表面进行预处理，可以实现连接面的纳米化，使材料表面粒径减小，扩散通道增多，形成了凹凸不平的原子台阶特别适用于原子扩散，有利于提高毛细作用形成致密的钎缝。双光束激光可以通过两个独立的激光器组成获得，也可以通过将一束激光进行分光来获得。图I是双光束钎焊分光系统示意图，通过分光镜、反射镜和聚焦镜，将一束激光分为两束。本发明采取双光束前后同步加热方式，两光束之间的距离保持一定，并通过导光系统及光学元件的调控，使得前面激光束能量较低，后面激光束能量较高，由此在前后两个光斑之间形成一定的温度梯度，温度梯度的存在能够增加钎料对母材润湿的驱动力并进一步降低钎焊温度。同时，通过调控激光参数与输出功率，确保从壳体上部的激光钎焊位置传递到壳体底部芯片附近的热量，引起的温升低于芯片的极限工作温度，不对芯片造成伤害。在这种精密光源的诱导加热情况下，在被焊母材表面具有纳米组织，将在钎缝中充分上演纳米效应，发生钎料成分与母材间的扩散、互溶、化合等作用，形成高质量的钎焊接头。在激光焊过程中，采用开放式氩气保护系统，向被钎部位吹送氩气；也可在氩气箱 中进行焊接，用来保护钎接过程中钎料不被氧化。激光器功率和斑点尺寸与距离可调、可控。由于钎料很薄，且置于两被焊试件之间，因此尽管钎料被熔化，其产生的金属蒸汽挥发微乎其微，加上流动氩气的作用，不会对激光器聚焦系统产生不良影响。本发明将复合材料学、纳米技术、激光技术三者交叉融合为一体，利用纳米技术的小尺寸效应、表面与界面效应(提高原子扩散速率)，利用激光这种能产生可控温度场的精密热源以及可以使材料表面纳米化的特殊功能，提升高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊过程的润湿性和钎料的充填能力，以获得高致密性、高结合强度的钎焊接头，满足电子封装的苛刻要求。本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，在焊接过程中不会产生高温，所得的接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。本发明的钎焊方法用于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊。
图I是双光束钎焊分光系统示意图；其中I是激光器、2是激光束、3是光束检测仪、4是反射镜、5是分光镜、6是聚焦镜、7是前面的低功率激光束斑点、8是后面的高功率激光束斑点、9是待焊件，箭头代表激光束行进方向；图2是待焊件的装配图；其中21是上层基体、22是下层基体、23是钎料；图3是钎焊过程中待焊件细节示意图；其中21-1是上层基体的纳米化的被焊表面、22-1是下层基体的纳米化的被焊表面、21是上层基体、22是下层基体、23是钎料、10是前面的低功率激光束焦点、11是后面的高功率激光束焦点；图4是采用机械研磨法或高速弹丸喷射法制备被焊表面的纳米晶粒层的设备示意图；其中31是真空抽气孔、32是弹丸、33是振动发生器、21是上层基体。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式
，还包括各具体实施方式
之间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料基体被焊表面的纳米化在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体和下层基体的材质均为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；二、制备钎料制备银基、铝基或锌基钎料；其中银基钎料按重量份数由40 50份的Ag、20 25份的Cu、9 12份的In、16 20份的Sn和2 5份的Mg组成；铝基钎料按重量份数由20 25份的Cu、3 8份的Si、l 3份的Mg、0. 5 2份的Ni和65 80份的Al组成；锌基钎料按重量份数由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu组成；三、装配待焊件·将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为
0.5 I. 5mm,两个激光光斑中心相距2 5mm,两束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度为IO5w/cm2 lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施方式将复合材料学、纳米技术、激光技术三者交叉融合为一体，利用纳米技术的小尺寸效应、表面与界面效应(提高原子扩散速率)，利用激光这种能产生可控温度场的精密热源以及可以使材料表面纳米化的特殊功能，提升高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊过程的润湿性和钎料的充填能力，以获得高致密性、高结合强度的钎焊接头，满足电子封装的苛刻要求。本实施方式高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，在焊接过程中不会产生高温，所得的接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒增强相的体积分数为50% 70%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层的方法是机械研磨法、高速弹丸喷射法或脉冲激光冲击法。其它与具体实施方式
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一中所制备的纳米晶粒层的厚度为30 200 u m,晶粒尺寸为5 50nm。其它与具体实施方式
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
一至四之一不同的是步骤一中上层基体的厚度为I 2_。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二所制备的钎料是厚度为20 50 的箔片。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤二所制备的钎料是粒径为10 30iim粉体。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是当步骤二中制备的钎料为粉体时，步骤三中上层基体和下层基体的被焊表面之间的钎料粉体的厚度为20 50iim。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤四中，在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0. 8
I.2mm,两个激光光斑中心相距3 4mm,两束激光同步以16mm/s 18mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为I. 5X IOVcm2 I. 5X103w/cm2，后面激光束的功率密度为
I.5X 105w/cm2 I. 5X 106w/cm2,实现高体积分数碳化娃颗粒增强招基复合材料的激光诱导纳米钎焊。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是步骤四中在氩气保护下是指在双光束激光钎焊过程中向被钎部位吹送氩气或者是在氩气箱中进行双光束激光钎焊。其它与具体实施方式
一至九之一相同。采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果实施例一(参考图I、图2、图3、图4理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用机械研磨法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2mm的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；机械研磨所用弹丸的粒径为6mm，弹丸材质是45号钢，在振动频率为50Hz以及真空的条件下，机械研磨60min,在被焊表面获得纳米晶粒层；二、制备钎料制备厚度为40 iim的银基钎料箔片；银基钎料按重量百分比由44. 6 %的Ag、 23. 4%的 Cu、11%的 In、18%的 Sn 和 3%的 Mg 组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的银基钎料箔片置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距3mm，两束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为103w/cm2，后面激光束的功率密度为lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为262MPa。图4是采用机械研磨法制备被焊表面的纳米晶粒层的设备示意图；其中31是真空抽气孔、32是弹丸、33是振动发生器、21是上层基体。通过底部振动发生器的振动，弹丸在容器内高速振动，并以随机的方式与工件表面发生碰撞。实施例二 (参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用高速弹丸喷射法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为10_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；高速弹丸喷射所用弹丸的粒径为3mm，弹丸材质是45号钢，在振动频率为20kHz以 及真空的条件下，机械研磨6min，在被焊表面获得纳米晶粒层；二、制备钎料制备厚度为40 iim的铝基钎料箔片；铝基钎料按重量百分比由23%的Cu、5%的Si、I. 5%的 Mg、0. 5%的 Ni 和 70%的 Al 组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的铝基钎料箔片置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距3mm，两束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为103w/cm2，后面激光束的功率密度为lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为254MPa。本实施例采用高速弹丸喷射法制备纳米晶粒层，高速弹丸喷射法与机械研磨法细化晶粒的机理相同，区别在于工艺参数不同。实施例三(参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用脉冲激光冲击法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；使用脉冲激光束扫射高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面，在被焊表面获得纳米晶粒层；其中，激光的功率密度峰值109W/cm2，每个脉冲作用时间30ns。二、制备钎料制备厚度为40 iim的锌基钎料箔片；锌基钎料按重量百分比由57%的Zn、15%的Cd、12 %的Ag和16 %的Cu组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的锌基钎料箔片置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；
四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距3mm，两束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为103w/cm2，后面激光束的功率密度为lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为258MPa。实施例四(参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按 以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用脉冲激光冲击法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2mm的体积分数为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；使用脉冲激光束扫射高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面，在被焊表面获得纳米晶粒层；其中，激光的功率密度峰值109W/cm2，每个脉冲作用时间30ns。二、制备钎料制备粒径为10 30 iim的锌基钎料粉体；锌基钎料按重量百分比由57%的Zn、15%的Cd、12%的Ag和16%的Cu组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的锌基钎料粉体铺于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；锋基针料粉体的厚度为40 ii m ;四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距2mm，两束激光同步以16mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2，后面激光束的功率密度为105w/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为254MPa。实施例五(参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用脉冲激光冲击法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2mm的体积分数为50%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为50%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；使用激光束扫射高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面，在被焊表面获得纳米晶粒层；其中，激光的功率密度108V/cm2，作用时间30ns。其中，激光的功率密度峰值109W/cm2,每个脉冲作用时间30ns。二、制备钎料制备粒径为10 30 iim的铝基钎料粉体；铝基钎料按重量百分比由23%的Cu、5%的 Si、I. 5%的 Mg、0. 5%的 Ni 和 70%的 Al 组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的铝基钎料粉体铺于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；招基针料粉体的厚度为40 ii m ;四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为I. 5mm,两个激光光斑中心相距5mm，两束激光同步以17mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为104w/cm2，后面激光束的功率密度为107W/Cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为265MPa。
本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，在焊接过程中不会产生高温，所得的接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。
权利要求
1.高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行 一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料基体被焊表面的纳米化 在上层基体和下层基体的 被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体和下层基体的材质均为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料； 二、制备钎料 制备银基、铝基或锌基钎料；其中银基钎料按重量份数由40 50份的Ag、20 25份的Cu、9 12份的In、16 20份的Sn和2 5份的Mg组成；铝基钎料按重量份数由20 25份的Cu、3 8份的Si、l 3份的Mg、0. 5 2份的Ni和65 80份的Al组成；锌基钎料按重量份数由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu组成； 三、装配待焊件 将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件； 四、双光束激光钎焊 在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0.5 I. 5mm,两个激光光斑中心相距2 5mm,两束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度为IO5w/cm2 lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。
2.根据权利要求I所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒增强相的体积分数为50% 70%。
3.根据权利要求I或2所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层的方法是机械研磨法、高速弹丸喷射法或脉冲激光冲击法。
4.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤一中所制备的纳米晶粒层的厚度为30 200 ym，晶粒尺寸为5 50nmo
5.根据权利要求4所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤一中上层基体的厚度为I 2mm。
6.根据权利要求I所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤二所制备的钎料是厚度为20 50 的箔片。
7.根据权利要求I所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤二所制备的钎料是粒径为10 30 粉体。
8.根据权利要求7所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于当步骤二中制备的钎料为粉体时，步骤三中上层基体和下层基体的被焊表面之间的钎料粉体的厚度为20 50 ii m。
9.根据权利要求6、7或8所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤四中，在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0. 8 I. 2mm,两个激光光斑中心相距3 4臟，两束激光同步以16mm/s 18mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为I. 5X 102w/cm2 I.5X 103W/cm2，后面激光束的功率密度为I. 5 X IOVcm2 I. 5X lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。
10.根据权利要求1、4或5所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤四中在氩气保护下是指在双光束激光钎焊过程中向被钎部位吹送氩气或者是在氩气箱中进行双光束激光钎焊。
全文摘要
高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，它涉及高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊方法。方法一、在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；二、制备银基、铝基或锌基钎料；三、装配待焊件将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、在氩气保护下，进行双光束激光钎焊，实现复合材料的激光诱导纳米钎焊。本发明在焊接过程中不会产生高温，所得接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。本发明的钎焊方法用于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊。
文档编号B23K103/16GK102699465SQ201210204398
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者张宝庆, 曾岗, 木二珍, 李强, 牛济泰, 王西涛, 线恒泽, 陈思杰, 高增 申请人:哈尔滨工业大学
技术领域：
本发明涉及高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊方法。
背景技术：
碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其具有高比强度、比刚度、尺寸稳定性、可设计性以及耐磨、耐腐蚀、耐射线等优异性能，特别是原材料来源充分、制造成本低、市场容易接受，是金属基复合材料中应用潜力最广的新型结构材料，可广泛应用于航空航天、汽车制造、仪器仪表、电子信息、精密机械等产业领域。而高体积分数(50% 70% )碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其具有接近于玻璃的低膨胀系数和接近于金刚石的高硬度，在电子封装和航空航天关键零部件中有其独特的用处。例如，对当今我国国防急需发展的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、宇宙飞船、空间站、嫦娥登月等航天器以及卫星、弹道导弹等军事装备来说，其雷达核心部件一T/R信号发射与接收芯片大功率模块的需求量急剧增加，而模 块封装壳体长期使用的是可伐合金(Fe-Ni-Co)以及W/Cu、M0/Cu等传统的封装材料，比重大、制造工艺复杂、成本高，远不能适应航空航天飞行器结构高轻量化的设计要求，迫切需要一种集低膨胀、高导热、轻质三大特性于一身的新型电子封装结构材料。而高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料就是这种理想的替代材料，因为它不但比重是可伐合金的1/3，膨胀系数与封装芯片的陶瓷基体相接近，而且导热性比可伐合金高10倍。因此，在航空航天与电子行业，用高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等传统的封装材料已是大势所趋。因为对当今搭载电子元器件数量急剧膨胀的先进预警机、战斗机、大型相控雷达、航天器、卫星、弹道导弹等军事装备来说，降低自重就意味着提高了作战的灵活性和生存性，并降低了燃料装载量，增加了有效载荷，可为国家节省大量开支。粗略估算，一架预警机需要4万个这种电子封装模块，一架歼击机需要1500个，一个通讯卫星需要1500 3000个，一个舰载雷达需要15000个，未来的空间站和空间实验室需要的量则更大，如果把我国上述所有武器装备的T/R模块全部换成高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料，其需要量极其庞大，所带来的军事意义和经济效益难以估量。可以说，用高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等传统的电子封装结构材料，是我国航空航天通信装备领域产品升级换代的一项重大改革，意义十分重大。然而，这种新型的电子封装材料却遇到了一个瓶颈技术难题一电子模块的外壳封装焊接问题。一方面是需要将壳盖板与壳体焊在一起，同时在焊接时又不能把已经事先置于壳体底部的芯片造成过热损伤(芯片允许的工作极限温度只有170°C )，还要保证焊接接头通过严格的气密性和抗冲击振动、抗潮性、抗腐蚀等试验,质量要求极其苛刻,成为目前国内外焊接界公认的技术难题之一。国外研究现状至今未查阅到有关高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接技术的任何报道。国内研究现状哈尔滨工业大学牛济泰于1989年在国家自然科学基金的资助下，率先在国内开展了铝基复合材料焊接性的研究，上世纪90年代末以来，也有不少院校的教师和研究生对低体积分数增强铝基复合材料的焊接性进行了有益尝试，研究结果都表明由于增强相与铝合金基体物理化学性能的巨大差异，用熔化焊方法获得高质量的焊接接头是极其困难的，极易产生气孔、夹渣、疏松、未焊透等缺陷，同时在焊接高温情况下，碳化硅将与铝液发生界面反应，生成C3Al4针状有害化合物，只有采取铝硅焊丝或基体铝合金焊丝稀释熔池才有可能实现连接，但其结果是焊缝中的成分主要是铝合金而不是铝基复合材料，因而接头强度系数很低。之后数年，牛济泰发明了一种焊缝原位自生增强的熔化焊接方法(中国发明专利号ZL200510010266. 5)，可以明显提高接头强度，但这一方法也只适用于低体积分数(< 20% )的颗粒增强铝基复合材料，对高体积分数(50% 70% )仍无能为力。近几年，牛济泰等人针对高体积分数又发明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的扩散焊、真空钎焊、炉中钎焊、电阻焊工艺等并获得了多项国家专利，哈工大的闻久春等人发明了有关招基复合材料的振动焊、超声波毛细焊接等工艺，从而对闻体积分数碳化娃颗粒增强铝基复合材料的焊接开辟了新的研究思路，但对于电子封装这种技术条件要求十分苛刻的高端产品，焊接质量尚不够理想，主要是在钎缝密封性以及抗空间环境因素(交 变温度、振动、空间粒子辐照等)的侵害方面，尚存在不足，尤其不能适应大批量、高合格率稳定生产的技术要求。其根本原因是复合材料表面裸露着大量的SiC陶瓷增强相，它含有离子键与共价键，很难被含金属键的钎料所润湿，给钎焊过程带来了极大的难度，因此进一步探讨更为有效的钎焊工艺势在必行。
发明内容
本发明要解决现有的高体积分数颗粒增强铝基复合材料的焊接需要在较高温度下进行，并且焊接质量较差的问题，而提供一种高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法。本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料基体被焊表面的纳米化在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体和下层基体的材质均为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；二、制备钎料制备银基、铝基或锌基钎料；其中银基钎料按重量份数由40 50份的Ag、20 25份的Cu、9 12份的In、16 20份的Sn和2 5份的Mg组成；铝基钎料按重量份数由20 25份的Cu、3 8份的Si、l 3份的Mg、0. 5 2份的Ni和65 80份的Al组成；锌基钎料按重量份数由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0. 5 I. 5mm,两个激光光斑中心相距2 5mm,两束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度为IO5w/cm2 lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本发明的创新点是(I)在国内外首次将纳米技术应用于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎接；(2)将双光束激光技术应用于钎焊温度场控制，造成温度梯度和钎料的铺展驱动力，以提高钎料在钎缝中的润湿能力，此技术路线国内外至今未见相关报道；(3)在学术上首次揭示了纳米效应在复合材料钎焊过程中的表现行为，探讨了激光和纳米效应共同作用条件下，复合材料钎接的微观机制和影响规律，充实和发展了复合材料焊接的基础理论； (4)提出纳米效应使碳化硅陶瓷颗粒表面类金属化，从而增强钎料对碳化硅增强相润湿性的观点。目前纳米焊接研究多侧重于微电子连接、焊丝表面涂覆纳米层、纳米烧结焊剂、无铅纳米焊膏等方面，却无人研究纳米钎焊技术，更无人问津高体积分数颗粒增强铝基复合材料的纳米钎接研究。从理论上说，纳米技术用于钎焊的优越性在于①随着纳米微粒粒径的减小，比表面积增大、表面原子数增多，表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键，致使纳米微粒化学活性增强，从而提高钎焊过程润湿性；②由于粒径减小到纳米级，作为原子快速扩散通道的晶界增多，原子在纳米结构内的扩散速率将会大大提高；③由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减少，当振幅达到晶格常数的10% -20%时，结晶体便开始熔化，使纳米晶粒的熔点远低于块状本体，从而可以在较低的温度下实现钎接。因此，将纳米技术引入到钎接高体积分数的颗粒增强铝基复合材料的研究中来，不但可以增强钎料在复合材料表面的润湿性，还可以在降低钎焊温度的同时增加原子的扩散能力，有利于在钎缝中形成互溶、共晶、渗间和适当数量的金属间化合物，从而大大提高钎缝的致密性和接头强度，是钎焊高体积分数颗粒增强铝基复合材料比较理想的焊接方法。这种尝试无疑对解决高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料焊接这一世界性的技术难题，具有重要的理论意义和工程实用价值。本发明中高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化可以通过机械研磨或高速弹丸喷射，使材料表面位错的密度极大增殖并且运动和堆积，空位的密度也将急剧增加，从而使材料被分割碎化成纳米尺度的组织形貌，甚至有的地方的原子排列呈无规则的非晶态；也可以通过脉冲激光冲击，使材料在极短的时间内发生“爆炸性”汽化，原子从表面逸出时形成巨大的冲击波，这一压力远远高于材料的动态屈服极限从而使材料表面产生强烈的微观塑性变形，造成材料中位错密度增加，以致形成纳米组织。众所周知，钎料在接头处的润湿铺展行为很大程度上是由温度在时间和空间上的分布决定的，以激光为热源的钎焊工艺的一个最大优点是激光能量输入的精确可控性。为了更好地利用激光束来控制温度在时间和空间上的分布，发明人采取双光束钎焊工艺，利用两个激光束同时分别辐照被焊材料的不同的区域，来获得接头的温度场梯度和动力学驱动，以提高钎料对母材的润湿性。此外，激光对材料还有着特殊的诱导作用，利用脉冲激光烧蚀法来对被焊母材表面进行预处理，可以实现连接面的纳米化，使材料表面粒径减小，扩散通道增多，形成了凹凸不平的原子台阶特别适用于原子扩散，有利于提高毛细作用形成致密的钎缝。双光束激光可以通过两个独立的激光器组成获得，也可以通过将一束激光进行分光来获得。图I是双光束钎焊分光系统示意图，通过分光镜、反射镜和聚焦镜，将一束激光分为两束。本发明采取双光束前后同步加热方式，两光束之间的距离保持一定，并通过导光系统及光学元件的调控，使得前面激光束能量较低，后面激光束能量较高，由此在前后两个光斑之间形成一定的温度梯度，温度梯度的存在能够增加钎料对母材润湿的驱动力并进一步降低钎焊温度。同时，通过调控激光参数与输出功率，确保从壳体上部的激光钎焊位置传递到壳体底部芯片附近的热量，引起的温升低于芯片的极限工作温度，不对芯片造成伤害。在这种精密光源的诱导加热情况下，在被焊母材表面具有纳米组织，将在钎缝中充分上演纳米效应，发生钎料成分与母材间的扩散、互溶、化合等作用，形成高质量的钎焊接头。在激光焊过程中，采用开放式氩气保护系统，向被钎部位吹送氩气；也可在氩气箱 中进行焊接，用来保护钎接过程中钎料不被氧化。激光器功率和斑点尺寸与距离可调、可控。由于钎料很薄，且置于两被焊试件之间，因此尽管钎料被熔化，其产生的金属蒸汽挥发微乎其微，加上流动氩气的作用，不会对激光器聚焦系统产生不良影响。本发明将复合材料学、纳米技术、激光技术三者交叉融合为一体，利用纳米技术的小尺寸效应、表面与界面效应(提高原子扩散速率)，利用激光这种能产生可控温度场的精密热源以及可以使材料表面纳米化的特殊功能，提升高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊过程的润湿性和钎料的充填能力，以获得高致密性、高结合强度的钎焊接头，满足电子封装的苛刻要求。本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，在焊接过程中不会产生高温，所得的接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。本发明的钎焊方法用于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊。
图I是双光束钎焊分光系统示意图；其中I是激光器、2是激光束、3是光束检测仪、4是反射镜、5是分光镜、6是聚焦镜、7是前面的低功率激光束斑点、8是后面的高功率激光束斑点、9是待焊件，箭头代表激光束行进方向；图2是待焊件的装配图；其中21是上层基体、22是下层基体、23是钎料；图3是钎焊过程中待焊件细节示意图；其中21-1是上层基体的纳米化的被焊表面、22-1是下层基体的纳米化的被焊表面、21是上层基体、22是下层基体、23是钎料、10是前面的低功率激光束焦点、11是后面的高功率激光束焦点；图4是采用机械研磨法或高速弹丸喷射法制备被焊表面的纳米晶粒层的设备示意图；其中31是真空抽气孔、32是弹丸、33是振动发生器、21是上层基体。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式
，还包括各具体实施方式
之间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料基体被焊表面的纳米化在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体和下层基体的材质均为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料；二、制备钎料制备银基、铝基或锌基钎料；其中银基钎料按重量份数由40 50份的Ag、20 25份的Cu、9 12份的In、16 20份的Sn和2 5份的Mg组成；铝基钎料按重量份数由20 25份的Cu、3 8份的Si、l 3份的Mg、0. 5 2份的Ni和65 80份的Al组成；锌基钎料按重量份数由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu组成；三、装配待焊件·将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为
0.5 I. 5mm,两个激光光斑中心相距2 5mm,两束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度为IO5w/cm2 lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施方式将复合材料学、纳米技术、激光技术三者交叉融合为一体，利用纳米技术的小尺寸效应、表面与界面效应(提高原子扩散速率)，利用激光这种能产生可控温度场的精密热源以及可以使材料表面纳米化的特殊功能，提升高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料钎焊过程的润湿性和钎料的充填能力，以获得高致密性、高结合强度的钎焊接头，满足电子封装的苛刻要求。本实施方式高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，在焊接过程中不会产生高温，所得的接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒增强相的体积分数为50% 70%。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层的方法是机械研磨法、高速弹丸喷射法或脉冲激光冲击法。其它与具体实施方式
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一中所制备的纳米晶粒层的厚度为30 200 u m,晶粒尺寸为5 50nm。其它与具体实施方式
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
一至四之一不同的是步骤一中上层基体的厚度为I 2_。其它与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤二所制备的钎料是厚度为20 50 的箔片。其它与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤二所制备的钎料是粒径为10 30iim粉体。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是当步骤二中制备的钎料为粉体时，步骤三中上层基体和下层基体的被焊表面之间的钎料粉体的厚度为20 50iim。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤四中，在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0. 8
I.2mm,两个激光光斑中心相距3 4mm,两束激光同步以16mm/s 18mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为I. 5X IOVcm2 I. 5X103w/cm2，后面激光束的功率密度为
I.5X 105w/cm2 I. 5X 106w/cm2,实现高体积分数碳化娃颗粒增强招基复合材料的激光诱导纳米钎焊。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是步骤四中在氩气保护下是指在双光束激光钎焊过程中向被钎部位吹送氩气或者是在氩气箱中进行双光束激光钎焊。其它与具体实施方式
一至九之一相同。采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果实施例一(参考图I、图2、图3、图4理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用机械研磨法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2mm的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；机械研磨所用弹丸的粒径为6mm，弹丸材质是45号钢，在振动频率为50Hz以及真空的条件下，机械研磨60min,在被焊表面获得纳米晶粒层；二、制备钎料制备厚度为40 iim的银基钎料箔片；银基钎料按重量百分比由44. 6 %的Ag、 23. 4%的 Cu、11%的 In、18%的 Sn 和 3%的 Mg 组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的银基钎料箔片置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距3mm，两束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为103w/cm2，后面激光束的功率密度为lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为262MPa。图4是采用机械研磨法制备被焊表面的纳米晶粒层的设备示意图；其中31是真空抽气孔、32是弹丸、33是振动发生器、21是上层基体。通过底部振动发生器的振动，弹丸在容器内高速振动，并以随机的方式与工件表面发生碰撞。实施例二 (参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用高速弹丸喷射法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为10_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；高速弹丸喷射所用弹丸的粒径为3mm，弹丸材质是45号钢，在振动频率为20kHz以 及真空的条件下，机械研磨6min，在被焊表面获得纳米晶粒层；二、制备钎料制备厚度为40 iim的铝基钎料箔片；铝基钎料按重量百分比由23%的Cu、5%的Si、I. 5%的 Mg、0. 5%的 Ni 和 70%的 Al 组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的铝基钎料箔片置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距3mm，两束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为103w/cm2，后面激光束的功率密度为lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为254MPa。本实施例采用高速弹丸喷射法制备纳米晶粒层，高速弹丸喷射法与机械研磨法细化晶粒的机理相同，区别在于工艺参数不同。实施例三(参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用脉冲激光冲击法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为60%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；使用脉冲激光束扫射高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面，在被焊表面获得纳米晶粒层；其中，激光的功率密度峰值109W/cm2，每个脉冲作用时间30ns。二、制备钎料制备厚度为40 iim的锌基钎料箔片；锌基钎料按重量百分比由57%的Zn、15%的Cd、12 %的Ag和16 %的Cu组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的锌基钎料箔片置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；
四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距3mm，两束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为103w/cm2，后面激光束的功率密度为lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为258MPa。实施例四(参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按 以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用脉冲激光冲击法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2mm的体积分数为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；使用脉冲激光束扫射高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面，在被焊表面获得纳米晶粒层；其中，激光的功率密度峰值109W/cm2，每个脉冲作用时间30ns。二、制备钎料制备粒径为10 30 iim的锌基钎料粉体；锌基钎料按重量百分比由57%的Zn、15%的Cd、12%的Ag和16%的Cu组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的锌基钎料粉体铺于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；锋基针料粉体的厚度为40 ii m ;四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为1mm，两个激光光斑中心相距2mm，两束激光同步以16mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2，后面激光束的功率密度为105w/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为254MPa。实施例五(参考图I、图2、图3理解本实施例)本实施例高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面的纳米化采用脉冲激光冲击法，在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体是厚度为2mm的体积分数为50%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；下层基体是厚度为15_的体积分数为50%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料；使用激光束扫射高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料被焊表面，在被焊表面获得纳米晶粒层；其中，激光的功率密度108V/cm2，作用时间30ns。其中，激光的功率密度峰值109W/cm2,每个脉冲作用时间30ns。二、制备钎料制备粒径为10 30 iim的铝基钎料粉体；铝基钎料按重量百分比由23%的Cu、5%的 Si、I. 5%的 Mg、0. 5%的 Ni 和 70%的 Al 组成；三、装配待焊件将步骤二中制备的铝基钎料粉体铺于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；招基针料粉体的厚度为40 ii m ;四、双光束激光钎焊在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下2mm处，激光光斑直径为I. 5mm,两个激光光斑中心相距5mm，两束激光同步以17mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为104w/cm2，后面激光束的功率密度为107W/Cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。本实施例所得到的接头的剪切强度为265MPa。
本发明高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，在焊接过程中不会产生高温，所得的接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。
权利要求
1.高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法按以下步骤进行 一、高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料基体被焊表面的纳米化 在上层基体和下层基体的 被焊表面制备纳米晶粒层；其中上层基体和下层基体的材质均为高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料； 二、制备钎料 制备银基、铝基或锌基钎料；其中银基钎料按重量份数由40 50份的Ag、20 25份的Cu、9 12份的In、16 20份的Sn和2 5份的Mg组成；铝基钎料按重量份数由20 25份的Cu、3 8份的Si、l 3份的Mg、0. 5 2份的Ni和65 80份的Al组成；锌基钎料按重量份数由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu组成； 三、装配待焊件 将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件； 四、双光束激光钎焊 在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0.5 I. 5mm,两个激光光斑中心相距2 5mm,两束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度为IO5w/cm2 lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。
2.根据权利要求I所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料中碳化硅颗粒增强相的体积分数为50% 70%。
3.根据权利要求I或2所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层的方法是机械研磨法、高速弹丸喷射法或脉冲激光冲击法。
4.根据权利要求3所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤一中所制备的纳米晶粒层的厚度为30 200 ym，晶粒尺寸为5 50nmo
5.根据权利要求4所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤一中上层基体的厚度为I 2mm。
6.根据权利要求I所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤二所制备的钎料是厚度为20 50 的箔片。
7.根据权利要求I所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤二所制备的钎料是粒径为10 30 粉体。
8.根据权利要求7所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于当步骤二中制备的钎料为粉体时，步骤三中上层基体和下层基体的被焊表面之间的钎料粉体的厚度为20 50 ii m。
9.根据权利要求6、7或8所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤四中，在氩气保护下，将两束激光的焦点聚在待焊件表面下I 2mm处，激光光斑直径为0. 8 I. 2mm,两个激光光斑中心相距3 4臟，两束激光同步以16mm/s 18mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度为I. 5X 102w/cm2 I.5X 103W/cm2，后面激光束的功率密度为I. 5 X IOVcm2 I. 5X lOV/cm2，实现高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊。
10.根据权利要求1、4或5所述的高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，其特征在于步骤四中在氩气保护下是指在双光束激光钎焊过程中向被钎部位吹送氩气或者是在氩气箱中进行双光束激光钎焊。
全文摘要
高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的激光诱导纳米钎焊方法，它涉及高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊方法。方法一、在上层基体和下层基体的被焊表面制备纳米晶粒层；二、制备银基、铝基或锌基钎料；三、装配待焊件将步骤二中制备的钎料置于经步骤一处理的上层基体和下层基体的被焊表面之间，组成待焊件；四、在氩气保护下，进行双光束激光钎焊，实现复合材料的激光诱导纳米钎焊。本发明在焊接过程中不会产生高温，所得接头剪切强度可达到260MPa左右，完全满足电子封装，或其他含有大量陶瓷相、同时又不允许焊接温度高的材料及其产品的焊接要求。本发明的钎焊方法用于高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钎焊。
文档编号B23K103/16GK102699465SQ201210204398
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者张宝庆, 曾岗, 木二珍, 李强, 牛济泰, 王西涛, 线恒泽, 陈思杰, 高增 申请人:哈尔滨工业大学
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