高溫釬料的研究進(jìn)展及展望

趙月 章強(qiáng) 王丹 劉金鑫 孫曉林 魏景傲

【摘 要】著重講述了貴金屬基釬料、Cu基釬料、 Ti基釬料及 Ni基釬料四類高溫釬料，概述了這四類釬料的最新研究成果及發(fā)展?fàn)顩r，并分析了每種釬料的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，同時為了提高高溫釬料的應(yīng)用范圍及突破創(chuàng)新，對高溫釬料的研究方向進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】高溫釬料;貴金屬基釬料;Cu基釬料;Ti基釬料;Ni基釬料

中圖分類號： TG454 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）07-0097-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.040

【Abstract】In this paper， four kinds of high-temperature solders，including precious metal based solder， Cu based solder， Ti based solder and Ni based solder， are emphatically described， summarizes the latest research achievements and development status of these four kinds of solders， and analyzes the advantages， disadvantages and application scope of each kind of solder.

【Key words】High-temperature solder;Precious metal based solder;Cu based solder;Ti based solder;Ni based solder

0 前言

釬焊是人類最早使用的材料連接方法之一，在人類尚未開始使用鐵器時，就已經(jīng)發(fā)明用釬焊來連接金屬。釬焊不僅對母材的物理化學(xué)性能影響小，而且對焊接應(yīng)力和變形影響也較小，可焊接性能差別較大的異種金屬，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電機(jī)、無線電等部門，微波波導(dǎo)、電子管和電子真空器件的制造也同樣需要釬焊技術(shù)。釬焊釬料按熔化溫度可以分為軟釬料和硬釬料。SnPb合金軟釬料的熔點(diǎn)低、潤濕性較好、性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于電子表面封裝SMT的電路板及電子元器件的釬焊封裝中[1]，同時為了減少鉛對環(huán)境的污染，一些研究者對含鉛釬料進(jìn)行改性，如溫榮等人[1]以BiSbCuSn無鉛釬料為基體，加入Er來改善其力學(xué)性能。張鑫等人[2]制備了Ni含量不同的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE-xNi釬料來提高釬料合金的性能。而軟釬料主要用于食品和電子工業(yè)中導(dǎo)電、氣密器件的焊接。

目前對于軟釬料體系已比較成熟，但航空航天、電子元器件等領(lǐng)域應(yīng)用的高溫釬料的研究還不夠完善，因此本文對四種常見高溫釬料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并對高溫釬料未來的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 貴金屬基釬料

貴金屬基釬料使用歷史悠久，品種較多，大致可分為銀基焊料、金基焊料、鈀基焊料和鉑基焊料四大類，多應(yīng)用于電子工業(yè)、微電子封裝、真空多級釬焊、高溫技術(shù)、飾品制造業(yè)及航空航天等領(lǐng)域;但也存在著加工性能差、經(jīng)濟(jì)成本高、含致毒污染元素等缺點(diǎn)。

江蘇科技大學(xué)吳銘方等人[3]在1043～1393K、3～60min條件下，采用（Ag72Cu28）97Ti3對Al2O3/Nb進(jìn)行釬焊，實(shí)驗(yàn)測得當(dāng)釬焊溫度為1093K、釬焊時間為15min時，接頭剪切強(qiáng)度最高，達(dá)223MPa。利用（Ag72Cu28）97Ti3使得Al2O3陶瓷與金屬Nb更好地結(jié)合，可應(yīng)用于微型核反應(yīng)堆工程。

西北有色金屬研究院貴研所柏文超等[4]利用新型PdNiAgCrMo高溫釬料釬焊連接GH625合金，Pd與合金中的Ni形成固溶體，使得釬焊接頭的高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到368.4MPa，提高了釬焊接頭的耐高溫、抗腐蝕的性能。

Ren-Kae Shiue等[5]采用填充金屬Au-22Ni-8Pd（BAu-6） 對Ti50Ni50和316LSS進(jìn)行焊接，研究測得在1050℃下釬焊180～300s，釬焊接頭抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化，釬焊時間為300s時抗剪強(qiáng)度可達(dá)204MPa。

郭菲菲等[6]對Ag-Cu-Pd釬料中Pd含量進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)測得當(dāng)Pd含量為10%和20%時釬料可以獲得良好鋪展性，而Pd含量繼續(xù)增加時釬料合金鋪展性有所降低。

廖行等[7]利用電磁壓制和粉末冶金技術(shù)相結(jié)合的新工藝制備了Ag40Cu23Zn31In4Ni2銀基釬料箔片，并通過實(shí)驗(yàn)對其潤濕性進(jìn)行檢驗(yàn)，測得在1300V電壓下壓制的壓坯在650℃下燒結(jié)得到的釬料箔片其鋪展面積可以達(dá)到298.5mm2，潤濕性良好，可以滿足Ag40Cu23Zn31In4Ni2銀基釬料的使用要求。

2 Cu基釬料

Cu基釬料作為一種高溫釬料，一方面具有適中的熔化溫度，可有效減少釬焊過程對合金母材的影響;另一方面加工性能較好，易制備成箔帶狀，能滿足大多數(shù)釬焊場合的使用。

西北工業(yè)大學(xué)王忠平等[8]在Cu-Zn-Mn合金中加入不同含量（0-2 wt.%）的鈷來細(xì)化釬料中的疏松組織，發(fā)現(xiàn)加入 1.5-2.0wt.%的鈷時，即圖1中的4號和5號樣，在自然冷卻條件下，釬料晶粒度可達(dá)到8-9級，從而提高釬料耐熱性，抑制釬料低溫脆性。

北京有色金屬總院呂宏等人[9]研究了一種組成為CuSiAlTi的銅基釬料，釬焊溫度可以在1020-1100℃之間，并且使用這種釬料釬焊SiC陶瓷和鈮合金時，在500℃時接頭三點(diǎn)彎曲平均強(qiáng)度最高達(dá)到290MPa。

鄒家生等人[10]采用Ti40Zr25Ni15Cu20非晶釬料對Si3N4陶瓷進(jìn)行了真空釬焊連接，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得，在釬焊溫度為1223K時，接頭強(qiáng)度為79MPa;在1323K，保溫120min時，接頭強(qiáng)度達(dá)到160MPa。非晶態(tài)的Cu釬料可以加快高溫釬焊過程中原子的擴(kuò)散和界面反應(yīng)，減小接頭的殘余應(yīng)力，并且可以提高接頭強(qiáng)度，從而利于陶瓷間的連接。

李小強(qiáng)等人[11]采用自制的CuMnNiCo釬料釬焊MGH956合金，經(jīng)過試驗(yàn)測得釬焊溫度為1050℃時，釬焊接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到557.8Mpa，約為母材的75%，極大地改善了釬焊接頭的強(qiáng)度。

中南大學(xué)瞿智明等[12]用Sn含量不同的Cu基釬料焊接紫銅時測得Sn含量的不同會影響釬焊接頭的拉伸強(qiáng)度及耐高溫性能。當(dāng)Sn含量為6%時，拉伸強(qiáng)度最大為210.32MPa;同時實(shí)驗(yàn)測得溫度對拉伸強(qiáng)度也有影響，650℃時也可以獲得較高的拉伸強(qiáng)度。

BoFang Zhou等人[13]采用80Zr-20Cu（Wt%）釬料在1200℃高溫下釬焊SiC陶瓷，釬料合金仍具有良好的濕潤性和釬焊性能。

3 Ti基釬料

Ti具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，含有Ti、Zr等活性元素的釬料可以提高立方氮化硼等材料對金屬的濕潤性[27]，同時鈦合金具有高強(qiáng)度、抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)[26]，可以廣泛的應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域。國內(nèi)外材料工作者也對Ti及Ti合金釬焊進(jìn)行了大量研究，開發(fā)出很多具有較高實(shí)用價值的釬料。

江蘇科技大學(xué)鄒家生等[14]將釬料的組分和含量按質(zhì)量百分?jǐn)?shù)配比為：Zr：12.0～28.0%;Ni：12.0～28.0%;Cu：12.0～28.0%;B：0.05～0.5%;其余為Ti。實(shí)驗(yàn)測得該釬料的融化溫度范圍為1150～1250K，釬焊溫度為1273～1250K。

淮軍鋒等人[15-16]通過實(shí)驗(yàn)測得Ti-13Zr-21Cu-9Ni非晶箔帶作為中間層合金釬焊高溫鈦合金TG6接頭，室溫下接頭的抗拉強(qiáng)度為1030MPa與基體材料的抗拉強(qiáng)度基本等強(qiáng)，在600℃高溫下抗拉強(qiáng)度為630MPa;使用Ti-21 Cu-13Zr-9Ni釬料對TA15合金進(jìn)行真空釬焊時，接頭室溫和高溫拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到母材的98%和94%。

中南大學(xué)的吳浩波[17]采用高溫電弧熔煉方法制備Ti-25%Cu-15%Ni、Ti-30%Cu-10%Si、Ni-18%Cr-9%Ti-8%Si和Ti-50%Cu-5%Nb等四種鈦基釬料。通過DSC曲線得到四種釬料的熔化溫度皆在950℃以上，并通過座滴法測得Ti-Cu-Si釬料和C/C復(fù)合材料在1150℃時，潤濕角為20°，Ni-Cr-Ti-Si在1600℃下和C/C材料完全潤濕，潤濕角為5°。

宋曉國等人[18]采用TiZrNiCu釬料將Ti53311S高溫鈦合金進(jìn)行釬焊連接，實(shí)驗(yàn)測得接頭抗拉強(qiáng)度隨釬焊溫度升高逐漸增加，然后趨于穩(wěn)定。在1010℃/10 min條件下釬焊時，接頭平均抗拉強(qiáng)度最大為912.8MPa。

4 Ni基釬料

鎳基高溫釬料作為一種耐高溫硬釬料，它的熔點(diǎn)，潤濕性等性能對釬焊質(zhì)量的好壞有直接影響，所以如何提高其性能是該釬料研發(fā)工作中的重點(diǎn)。

劉偉平等[19]在原有的Ni-Cr-B-Si鎳基高溫釬料的基礎(chǔ)上，將對鎳基高溫合金有害的元素Si排除，添加一定量有利于釬焊接頭綜合性能的元素Co，研制出一種更適合高溫合金釬焊的Ni-Cr-Co-B釬料。研究發(fā)現(xiàn)，上述操作可以提高接頭的高溫持久強(qiáng)度和沖擊韌性，新釬料釬焊接頭的最大釬焊間隙（MBC）與疲勞強(qiáng)度都較原先有了提高。

梁海等[20]通過實(shí)驗(yàn)研究了B、C等合金元素對Al、Ti鎳基高溫釬料的表面氧化反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，通過添加B和C元素，釬料表現(xiàn)了良好的鋪展和潤濕性，并且鎳基高溫釬料的表面脫氧能力也大幅提高。

張勇等[21]根據(jù)活性元素Cr及B元素的含量變化，煉制Ni-Cr-B-Si和Ni-Cr-Si兩類鎳基高溫釬料，研究Cr、B元素對鎳基高溫釬料在3D-Cf/SiC陶瓷復(fù)合材料上的潤濕性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他條件保持不變，只改變釬料中B元素的含量，釬料在陶瓷上的潤濕角逐漸增大，表明釬料中的B元素可降低釬料在陶瓷上的潤濕性。

Haichuan Shi等[22]采用BNi7+9%Cu混合填充金屬在不同釬焊溫度下對Cr18-Ni8鋼進(jìn)行真空釬焊，隨著釬焊溫度的升高，釬縫兩側(cè)Ni和Cu逐漸聚集，而P和Cr集中在中間，在980°C，30min條件下，抗剪強(qiáng)度高達(dá)144 MPa。

結(jié)論：綜上所述，可知高溫釬料對于提高釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)材料之間的濕潤性有著重要影響，可廣泛應(yīng)用于陶瓷、合金、航空航天等領(lǐng)域;但有些高溫釬料也存在著價格昂貴、含有毒元素等缺點(diǎn)，所以新型高溫釬料仍在不斷的研究之中，需要大量數(shù)據(jù)積累使新型高溫釬料的研發(fā)應(yīng)與具體的使用環(huán)境和工業(yè)產(chǎn)品相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)新型高溫釬料的應(yīng)用和推廣。相信隨著研究水平的不斷提高，新型高溫釬料的綜合性能將不斷完善，將會有更多的新型高溫釬料面世。

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