專利名稱：高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬焊方法。
背景技術(shù)：
碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、比剛度、尺寸穩(wěn)定性、可設(shè)計(jì)性以及耐磨、耐腐蝕、耐射線等優(yōu)異性能，特別是原材料來(lái)源充分、制造成本低、市場(chǎng)容易接受，是金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用潛力最廣的新型結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、儀器儀表、電子信息、精密機(jī)械等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。而高體積分?jǐn)?shù)(50% 70% )碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其具有接近于玻璃的低膨脹系數(shù)和接近于金剛石的高硬度，在電子封裝和航空航天關(guān)鍵零部件中有其獨(dú)特的用處。例如，對(duì)當(dāng)今我國(guó)國(guó)防急需發(fā)展的先進(jìn)預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、大型相控雷達(dá)、宇宙飛船、空間站、嫦娥登月等航天器以及衛(wèi)星、彈道導(dǎo)彈等軍事裝備來(lái)說(shuō)，其雷達(dá)核心部件一T/R信號(hào)發(fā)射與接收芯片大功率模塊的需求量急劇增加，而模 塊封裝殼體長(zhǎng)期使用的是可伐合金(Fe-Ni-Co)以及W/Cu、M0/Cu等傳統(tǒng)的封裝材料，比重大、制造工藝復(fù)雜、成本高，遠(yuǎn)不能適應(yīng)航空航天飛行器結(jié)構(gòu)高輕量化的設(shè)計(jì)要求，迫切需要一種集低膨脹、高導(dǎo)熱、輕質(zhì)三大特性于一身的新型電子封裝結(jié)構(gòu)材料。而高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料就是這種理想的替代材料，因?yàn)樗坏戎厥强煞ズ辖鸬?/3，膨脹系數(shù)與封裝芯片的陶瓷基體相接近，而且導(dǎo)熱性比可伐合金高10倍。因此，在航空航天與電子行業(yè)，用高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等傳統(tǒng)的封裝材料已是大勢(shì)所趨。因?yàn)閷?duì)當(dāng)今搭載電子元器件數(shù)量急劇膨脹的先進(jìn)預(yù)警機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、大型相控雷達(dá)、航天器、衛(wèi)星、彈道導(dǎo)彈等軍事裝備來(lái)說(shuō)，降低自重就意味著提高了作戰(zhàn)的靈活性和生存性，并降低了燃料裝載量，增加了有效載荷，可為國(guó)家節(jié)省大量開支。粗略估算，一架預(yù)警機(jī)需要4萬(wàn)個(gè)這種電子封裝模塊，一架殲擊機(jī)需要1500個(gè)，一個(gè)通訊衛(wèi)星需要1500 3000個(gè)，一個(gè)艦載雷達(dá)需要15000個(gè)，未來(lái)的空間站和空間實(shí)驗(yàn)室需要的量則更大，如果把我國(guó)上述所有武器裝備的T/R模塊全部換成高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其需要量極其龐大，所帶來(lái)的軍事意義和經(jīng)濟(jì)效益難以估量。可以說(shuō)，用高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等傳統(tǒng)的電子封裝結(jié)構(gòu)材料，是我國(guó)航空航天通信裝備領(lǐng)域產(chǎn)品升級(jí)換代的一項(xiàng)重大改革，意義十分重大。然而，這種新型的電子封裝材料卻遇到了一個(gè)瓶頸技術(shù)難題一電子模塊的外殼封裝焊接問(wèn)題。一方面是需要將殼蓋板與殼體焊在一起，同時(shí)在焊接時(shí)又不能把已經(jīng)事先置于殼體底部的芯片造成過(guò)熱損傷(芯片允許的工作極限溫度只有170°C )，還要保證焊接接頭通過(guò)嚴(yán)格的氣密性和抗沖擊振動(dòng)、抗潮性、抗腐蝕等試驗(yàn),質(zhì)量要求極其苛刻,成為目前國(guó)內(nèi)外焊接界公認(rèn)的技術(shù)難題之一。國(guó)外研究現(xiàn)狀至今未查閱到有關(guān)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊接技術(shù)的任何報(bào)道。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀哈爾濱工業(yè)大學(xué)牛濟(jì)泰于1989年在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，率先在國(guó)內(nèi)開展了鋁基復(fù)合材料焊接性的研究，上世紀(jì)90年代末以來(lái)，也有不少院校的教師和研究生對(duì)低體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接性進(jìn)行了有益嘗試，研究結(jié)果都表明由于增強(qiáng)相與鋁合金基體物理化學(xué)性能的巨大差異，用熔化焊方法獲得高質(zhì)量的焊接接頭是極其困難的，極易產(chǎn)生氣孔、夾渣、疏松、未焊透等缺陷，同時(shí)在焊接高溫情況下，碳化硅將與鋁液發(fā)生界面反應(yīng)，生成C3Al4針狀有害化合物，只有采取鋁硅焊絲或基體鋁合金焊絲稀釋熔池才有可能實(shí)現(xiàn)連接，但其結(jié)果是焊縫中的成分主要是鋁合金而不是鋁基復(fù)合材料，因而接頭強(qiáng)度系數(shù)很低。之后數(shù)年，牛濟(jì)泰發(fā)明了一種焊縫原位自生增強(qiáng)的熔化焊接方法(中國(guó)發(fā)明專利號(hào)ZL200510010266. 5)，可以明顯提高接頭強(qiáng)度，但這一方法也只適用于低體積分?jǐn)?shù)(< 20% )的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，對(duì)高體積分?jǐn)?shù)(50% 70% )仍無(wú)能為力。近幾年，牛濟(jì)泰等人針對(duì)高體積分?jǐn)?shù)又發(fā)明了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的擴(kuò)散焊、真空釬焊、爐中釬焊、電阻焊工藝等并獲得了多項(xiàng)國(guó)家專利，哈工大的聞久春等人發(fā)明了有關(guān)招基復(fù)合材料的振動(dòng)焊、超聲波毛細(xì)焊接等工藝，從而對(duì)聞體積分?jǐn)?shù)碳化娃顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接開辟了新的研究思路，但對(duì)于電子封裝這種技術(shù)條件要求十分苛刻的高端產(chǎn)品，焊接質(zhì)量尚不夠理想，主要是在釬縫密封性以及抗空間環(huán)境因素(交 變溫度、振動(dòng)、空間粒子輻照等)的侵害方面，尚存在不足，尤其不能適應(yīng)大批量、高合格率穩(wěn)定生產(chǎn)的技術(shù)要求。其根本原因是復(fù)合材料表面裸露著大量的SiC陶瓷增強(qiáng)相，它含有離子鍵與共價(jià)鍵，很難被含金屬鍵的釬料所潤(rùn)濕，給釬焊過(guò)程帶來(lái)了極大的難度，因此進(jìn)一步探討更為有效的釬焊工藝勢(shì)在必行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有的高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接需要在較高溫度下進(jìn)行，并且焊接質(zhì)量較差的問(wèn)題，而提供一種高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法。本發(fā)明高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基體被焊表面的納米化在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體和下層基體的材質(zhì)均為高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；二、制備釬料制備銀基、鋁基或鋅基釬料；其中銀基釬料按重量份數(shù)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組成；鋁基釬料按重量份數(shù)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組成；鋅基釬料按重量份數(shù)由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu組成；三、裝配待焊件將步驟二中制備的釬料置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0. 5 I. 5mm,兩個(gè)激光光斑中心相距2 5mm,兩束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度為IO5w/cm2 lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是(I)在國(guó)內(nèi)外首次將納米技術(shù)應(yīng)用于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬接；(2)將雙光束激光技術(shù)應(yīng)用于釬焊溫度場(chǎng)控制，造成溫度梯度和釬料的鋪展驅(qū)動(dòng)力，以提高釬料在釬縫中的潤(rùn)濕能力，此技術(shù)路線國(guó)內(nèi)外至今未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道；(3)在學(xué)術(shù)上首次揭示了納米效應(yīng)在復(fù)合材料釬焊過(guò)程中的表現(xiàn)行為，探討了激光和納米效應(yīng)共同作用條件下，復(fù)合材料釬接的微觀機(jī)制和影響規(guī)律，充實(shí)和發(fā)展了復(fù)合材料焊接的基礎(chǔ)理論； (4)提出納米效應(yīng)使碳化硅陶瓷顆粒表面類金屬化，從而增強(qiáng)釬料對(duì)碳化硅增強(qiáng)相潤(rùn)濕性的觀點(diǎn)。目前納米焊接研究多側(cè)重于微電子連接、焊絲表面涂覆納米層、納米燒結(jié)焊劑、無(wú)鉛納米焊膏等方面，卻無(wú)人研究納米釬焊技術(shù)，更無(wú)人問(wèn)津高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的納米釬接研究。從理論上說(shuō)，納米技術(shù)用于釬焊的優(yōu)越性在于①隨著納米微粒粒徑的減小，比表面積增大、表面原子數(shù)增多，表面原子配位不飽和性導(dǎo)致大量的懸鍵和不飽和鍵，致使納米微?；瘜W(xué)活性增強(qiáng)，從而提高釬焊過(guò)程潤(rùn)濕性；②由于粒徑減小到納米級(jí)，作為原子快速擴(kuò)散通道的晶界增多，原子在納米結(jié)構(gòu)內(nèi)的擴(kuò)散速率將會(huì)大大提高；③由于表面原子存在振動(dòng)弛豫，即振幅增大，頻率減少，當(dāng)振幅達(dá)到晶格常數(shù)的10% -20%時(shí)，結(jié)晶體便開始熔化，使納米晶粒的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于塊狀本體，從而可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)釬接。因此，將納米技術(shù)引入到釬接高體積分?jǐn)?shù)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究中來(lái)，不但可以增強(qiáng)釬料在復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕性，還可以在降低釬焊溫度的同時(shí)增加原子的擴(kuò)散能力，有利于在釬縫中形成互溶、共晶、滲間和適當(dāng)數(shù)量的金屬間化合物，從而大大提高釬縫的致密性和接頭強(qiáng)度，是釬焊高體積分?jǐn)?shù)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料比較理想的焊接方法。這種嘗試無(wú)疑對(duì)解決高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料焊接這一世界性的技術(shù)難題，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明中高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面的納米化可以通過(guò)機(jī)械研磨或高速?gòu)椡鑷娚?，使材料表面位錯(cuò)的密度極大增殖并且運(yùn)動(dòng)和堆積，空位的密度也將急劇增加，從而使材料被分割碎化成納米尺度的組織形貌，甚至有的地方的原子排列呈無(wú)規(guī)則的非晶態(tài)；也可以通過(guò)脈沖激光沖擊，使材料在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生“爆炸性”汽化，原子從表面逸出時(shí)形成巨大的沖擊波，這一壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的動(dòng)態(tài)屈服極限從而使材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的微觀塑性變形，造成材料中位錯(cuò)密度增加，以致形成納米組織。眾所周知，釬料在接頭處的潤(rùn)濕鋪展行為很大程度上是由溫度在時(shí)間和空間上的分布決定的，以激光為熱源的釬焊工藝的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是激光能量輸入的精確可控性。為了更好地利用激光束來(lái)控制溫度在時(shí)間和空間上的分布，發(fā)明人采取雙光束釬焊工藝，利用兩個(gè)激光束同時(shí)分別輻照被焊材料的不同的區(qū)域，來(lái)獲得接頭的溫度場(chǎng)梯度和動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)，以提高釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性。此外，激光對(duì)材料還有著特殊的誘導(dǎo)作用，利用脈沖激光燒蝕法來(lái)對(duì)被焊母材表面進(jìn)行預(yù)處理，可以實(shí)現(xiàn)連接面的納米化，使材料表面粒徑減小，擴(kuò)散通道增多，形成了凹凸不平的原子臺(tái)階特別適用于原子擴(kuò)散，有利于提高毛細(xì)作用形成致密的釬縫。雙光束激光可以通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的激光器組成獲得，也可以通過(guò)將一束激光進(jìn)行分光來(lái)獲得。圖I是雙光束釬焊分光系統(tǒng)示意圖，通過(guò)分光鏡、反射鏡和聚焦鏡，將一束激光分為兩束。本發(fā)明采取雙光束前后同步加熱方式，兩光束之間的距離保持一定，并通過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)及光學(xué)元件的調(diào)控，使得前面激光束能量較低，后面激光束能量較高，由此在前后兩個(gè)光斑之間形成一定的溫度梯度，溫度梯度的存在能夠增加釬料對(duì)母材潤(rùn)濕的驅(qū)動(dòng)力并進(jìn)一步降低釬焊溫度。同時(shí)，通過(guò)調(diào)控激光參數(shù)與輸出功率，確保從殼體上部的激光釬焊位置傳遞到殼體底部芯片附近的熱量，引起的溫升低于芯片的極限工作溫度，不對(duì)芯片造成傷害。在這種精密光源的誘導(dǎo)加熱情況下，在被焊母材表面具有納米組織，將在釬縫中充分上演納米效應(yīng)，發(fā)生釬料成分與母材間的擴(kuò)散、互溶、化合等作用，形成高質(zhì)量的釬焊接頭。在激光焊過(guò)程中，采用開放式氬氣保護(hù)系統(tǒng)，向被釬部位吹送氬氣；也可在氬氣箱 中進(jìn)行焊接，用來(lái)保護(hù)釬接過(guò)程中釬料不被氧化。激光器功率和斑點(diǎn)尺寸與距離可調(diào)、可控。由于釬料很薄，且置于兩被焊試件之間，因此盡管釬料被熔化，其產(chǎn)生的金屬蒸汽揮發(fā)微乎其微，加上流動(dòng)氬氣的作用，不會(huì)對(duì)激光器聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。本發(fā)明將復(fù)合材料學(xué)、納米技術(shù)、激光技術(shù)三者交叉融合為一體，利用納米技術(shù)的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)(提高原子擴(kuò)散速率)，利用激光這種能產(chǎn)生可控溫度場(chǎng)的精密熱源以及可以使材料表面納米化的特殊功能，提升高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊過(guò)程的潤(rùn)濕性和釬料的充填能力，以獲得高致密性、高結(jié)合強(qiáng)度的釬焊接頭，滿足電子封裝的苛刻要求。本發(fā)明高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生高溫，所得的接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時(shí)又不允許焊接溫度高的材料及其產(chǎn)品的焊接要求。本發(fā)明的釬焊方法用于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬焊。
圖I是雙光束釬焊分光系統(tǒng)示意圖；其中I是激光器、2是激光束、3是光束檢測(cè)儀、4是反射鏡、5是分光鏡、6是聚焦鏡、7是前面的低功率激光束斑點(diǎn)、8是后面的高功率激光束斑點(diǎn)、9是待焊件，箭頭代表激光束行進(jìn)方向；圖2是待焊件的裝配圖；其中21是上層基體、22是下層基體、23是釬料；圖3是釬焊過(guò)程中待焊件細(xì)節(jié)示意圖；其中21-1是上層基體的納米化的被焊表面、22-1是下層基體的納米化的被焊表面、21是上層基體、22是下層基體、23是釬料、10是前面的低功率激光束焦點(diǎn)、11是后面的高功率激光束焦點(diǎn)；圖4是采用機(jī)械研磨法或高速?gòu)椡鑷娚浞ㄖ苽浔缓副砻娴募{米晶粒層的設(shè)備示意圖；其中31是真空抽氣孔、32是彈丸、33是振動(dòng)發(fā)生器、21是上層基體。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
之間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基體被焊表面的納米化在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體和下層基體的材質(zhì)均為高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；二、制備釬料制備銀基、鋁基或鋅基釬料；其中銀基釬料按重量份數(shù)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組成；鋁基釬料按重量份數(shù)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組成；鋅基釬料按重量份數(shù)由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu組成；三、裝配待焊件·將步驟二中制備的釬料置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為
0.5 I. 5mm,兩個(gè)激光光斑中心相距2 5mm,兩束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度為IO5w/cm2 lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本實(shí)施方式將復(fù)合材料學(xué)、納米技術(shù)、激光技術(shù)三者交叉融合為一體，利用納米技術(shù)的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)(提高原子擴(kuò)散速率)，利用激光這種能產(chǎn)生可控溫度場(chǎng)的精密熱源以及可以使材料表面納米化的特殊功能，提升高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料釬焊過(guò)程的潤(rùn)濕性和釬料的充填能力，以獲得高致密性、高結(jié)合強(qiáng)度的釬焊接頭，滿足電子封裝的苛刻要求。本實(shí)施方式高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生高溫，所得的接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時(shí)又不允許焊接溫度高的材料及其產(chǎn)品的焊接要求。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中碳化硅顆粒增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)為50% 70%。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層的方法是機(jī)械研磨法、高速?gòu)椡鑷娚浞ɑ蛎}沖激光沖擊法。其它與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟一中所制備的納米晶粒層的厚度為30 200 u m,晶粒尺寸為5 50nm。其它與具體實(shí)施方式
一
至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟一中上層基體的厚度為I 2_。其它與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟二所制備的釬料是厚度為20 50 的箔片。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是步驟二所制備的釬料是粒徑為10 30iim粉體。其它與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同的是當(dāng)步驟二中制備的釬料為粉體時(shí)，步驟三中上層基體和下層基體的被焊表面之間的釬料粉體的厚度為20 50iim。其它與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是步驟四中，在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0. 8
I.2mm,兩個(gè)激光光斑中心相距3 4mm,兩束激光同步以16mm/s 18mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為I. 5X IOVcm2 I. 5X103w/cm2，后面激光束的功率密度為
I.5X 105w/cm2 I. 5X 106w/cm2,實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化娃顆粒增強(qiáng)招基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。其它與具體實(shí)施方式
一至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同的是步驟四中在氬氣保護(hù)下是指在雙光束激光釬焊過(guò)程中向被釬部位吹送氬氣或者是在氬氣箱中進(jìn)行雙光束激光釬焊。其它與具體實(shí)施方式
一至九之一相同。采用以下實(shí)施例和對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果實(shí)施例一(參考圖I、圖2、圖3、圖4理解本實(shí)施例)本實(shí)施例高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面的納米化采用機(jī)械研磨法，在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體是厚度為2mm的體積分?jǐn)?shù)為60%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；下層基體是厚度為15_的體積分?jǐn)?shù)為60%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；機(jī)械研磨所用彈丸的粒徑為6mm，彈丸材質(zhì)是45號(hào)鋼，在振動(dòng)頻率為50Hz以及真空的條件下，機(jī)械研磨60min,在被焊表面獲得納米晶粒層；二、制備釬料制備厚度為40 iim的銀基釬料箔片；銀基釬料按重量百分比由44. 6 %的Ag、 23. 4%的 Cu、11%的 In、18%的 Sn 和 3%的 Mg 組成；三、裝配待焊件將步驟二中制備的銀基釬料箔片置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個(gè)激光光斑中心相距3mm，兩束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為103w/cm2，后面激光束的功率密度為lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本實(shí)施例所得到的接頭的剪切強(qiáng)度為262MPa。圖4是采用機(jī)械研磨法制備被焊表面的納米晶粒層的設(shè)備示意圖；其中31是真空抽氣孔、32是彈丸、33是振動(dòng)發(fā)生器、21是上層基體。通過(guò)底部振動(dòng)發(fā)生器的振動(dòng)，彈丸在容器內(nèi)高速振動(dòng)，并以隨機(jī)的方式與工件表面發(fā)生碰撞。實(shí)施例二 (參考圖I、圖2、圖3理解本實(shí)施例)本實(shí)施例高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面的納米化采用高速?gòu)椡鑷娚浞?，在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體是厚度為2_的體積分?jǐn)?shù)為60%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；下層基體是厚度為10_的體積分?jǐn)?shù)為60%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；高速?gòu)椡鑷娚渌脧椡璧牧綖?mm，彈丸材質(zhì)是45號(hào)鋼，在振動(dòng)頻率為20kHz以 及真空的條件下，機(jī)械研磨6min，在被焊表面獲得納米晶粒層；二、制備釬料制備厚度為40 iim的鋁基釬料箔片；鋁基釬料按重量百分比由23%的Cu、5%的Si、I. 5%的 Mg、0. 5%的 Ni 和 70%的 Al 組成；三、裝配待焊件將步驟二中制備的鋁基釬料箔片置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個(gè)激光光斑中心相距3mm，兩束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為103w/cm2，后面激光束的功率密度為lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本實(shí)施例所得到的接頭的剪切強(qiáng)度為254MPa。本實(shí)施例采用高速?gòu)椡鑷娚浞ㄖ苽浼{米晶粒層，高速?gòu)椡鑷娚浞ㄅc機(jī)械研磨法細(xì)化晶粒的機(jī)理相同，區(qū)別在于工藝參數(shù)不同。實(shí)施例三(參考圖I、圖2、圖3理解本實(shí)施例)本實(shí)施例高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面的納米化采用脈沖激光沖擊法，在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體是厚度為2_的體積分?jǐn)?shù)為60%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；下層基體是厚度為15_的體積分?jǐn)?shù)為60%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；使用脈沖激光束掃射高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面，在被焊表面獲得納米晶粒層；其中，激光的功率密度峰值109W/cm2，每個(gè)脈沖作用時(shí)間30ns。二、制備釬料制備厚度為40 iim的鋅基釬料箔片；鋅基釬料按重量百分比由57%的Zn、15%的Cd、12 %的Ag和16 %的Cu組成；三、裝配待焊件將步驟二中制備的鋅基釬料箔片置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；
四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個(gè)激光光斑中心相距3mm，兩束激光同步以15mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為103w/cm2，后面激光束的功率密度為lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本實(shí)施例所得到的接頭的剪切強(qiáng)度為258MPa。實(shí)施例四(參考圖I、圖2、圖3理解本實(shí)施例)本實(shí)施例高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按 以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面的納米化采用脈沖激光沖擊法，在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體是厚度為2mm的體積分?jǐn)?shù)為70%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；下層基體是厚度為15_的體積分?jǐn)?shù)為70%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；使用脈沖激光束掃射高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面，在被焊表面獲得納米晶粒層；其中，激光的功率密度峰值109W/cm2，每個(gè)脈沖作用時(shí)間30ns。二、制備釬料制備粒徑為10 30 iim的鋅基釬料粉體；鋅基釬料按重量百分比由57%的Zn、15%的Cd、12%的Ag和16%的Cu組成；三、裝配待焊件將步驟二中制備的鋅基釬料粉體鋪于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；鋒基針料粉體的厚度為40 ii m ;四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個(gè)激光光斑中心相距2mm，兩束激光同步以16mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為102w/cm2，后面激光束的功率密度為105w/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本實(shí)施例所得到的接頭的剪切強(qiáng)度為254MPa。實(shí)施例五(參考圖I、圖2、圖3理解本實(shí)施例)本實(shí)施例高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面的納米化采用脈沖激光沖擊法，在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體是厚度為2mm的體積分?jǐn)?shù)為50%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；下層基體是厚度為15_的體積分?jǐn)?shù)為50%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；使用激光束掃射高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料被焊表面，在被焊表面獲得納米晶粒層；其中，激光的功率密度108V/cm2，作用時(shí)間30ns。其中，激光的功率密度峰值109W/cm2,每個(gè)脈沖作用時(shí)間30ns。二、制備釬料制備粒徑為10 30 iim的鋁基釬料粉體；鋁基釬料按重量百分比由23%的Cu、5%的 Si、I. 5%的 Mg、0. 5%的 Ni 和 70%的 Al 組成；三、裝配待焊件將步驟二中制備的鋁基釬料粉體鋪于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；招基針料粉體的厚度為40 ii m ;四、雙光束激光釬焊在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為I. 5mm,兩個(gè)激光光斑中心相距5mm，兩束激光同步以17mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為104w/cm2，后面激光束的功率密度為107W/Cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本實(shí)施例所得到的接頭的剪切強(qiáng)度為265MPa。
本發(fā)明高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生高溫，所得的接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時(shí)又不允許焊接溫度高的材料及其產(chǎn)品的焊接要求。
權(quán)利要求
1.高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法按以下步驟進(jìn)行 一、高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基體被焊表面的納米化 在上層基體和下層基體的 被焊表面制備納米晶粒層；其中上層基體和下層基體的材質(zhì)均為高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料； 二、制備釬料 制備銀基、鋁基或鋅基釬料；其中銀基釬料按重量份數(shù)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組成；鋁基釬料按重量份數(shù)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組成；鋅基釬料按重量份數(shù)由55 60份的Zn、12 18份的Cd、10 15份的Ag和13 18份的Cu組成； 三、裝配待焊件 將步驟二中制備的釬料置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件； 四、雙光束激光釬焊 在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0.5 I. 5mm,兩個(gè)激光光斑中心相距2 5mm,兩束激光同步以15mm/s 20mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為102w/cm2 lOV/cm2，后面激光束的功率密度為IO5w/cm2 lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中碳化硅顆粒增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)為50% 70%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層的方法是機(jī)械研磨法、高速?gòu)椡鑷娚浞ɑ蛎}沖激光沖擊法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于步驟一中所制備的納米晶粒層的厚度為30 200 ym，晶粒尺寸為5 50nmo
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于步驟一中上層基體的厚度為I 2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于步驟二所制備的釬料是厚度為20 50 的箔片。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于步驟二所制備的釬料是粒徑為10 30 粉體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于當(dāng)步驟二中制備的釬料為粉體時(shí)，步驟三中上層基體和下層基體的被焊表面之間的釬料粉體的厚度為20 50 ii m。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于步驟四中，在氬氣保護(hù)下，將兩束激光的焦點(diǎn)聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0. 8 I. 2mm,兩個(gè)激光光斑中心相距3 4臟，兩束激光同步以16mm/s 18mm/s焊接速度焊接，其中前面激光束的功率密度為I. 5X 102w/cm2 I.5X 103W/cm2，后面激光束的功率密度為I. 5 X IOVcm2 I. 5X lOV/cm2，實(shí)現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、4或5所述的高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，其特征在于步驟四中在氬氣保護(hù)下是指在雙光束激光釬焊過(guò)程中向被釬部位吹送氬氣或者是在氬氣箱中進(jìn)行雙光束激光釬焊。
全文摘要
高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊方法，它涉及高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬焊方法。方法一、在上層基體和下層基體的被焊表面制備納米晶粒層；二、制備銀基、鋁基或鋅基釬料；三、裝配待焊件將步驟二中制備的釬料置于經(jīng)步驟一處理的上層基體和下層基體的被焊表面之間，組成待焊件；四、在氬氣保護(hù)下，進(jìn)行雙光束激光釬焊，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的激光誘導(dǎo)納米釬焊。本發(fā)明在焊接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生高溫，所得接頭剪切強(qiáng)度可達(dá)到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時(shí)又不允許焊接溫度高的材料及其產(chǎn)品的焊接要求。本發(fā)明的釬焊方法用于高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的釬焊。
文檔編號(hào)B23K103/16GK102699465SQ201210204398
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者張寶慶, 曾崗, 木二珍, 李強(qiáng), 牛濟(jì)泰, 王西濤, 線恒澤, 陳思杰, 高增 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)