SiCp/6063Al复合材料真空软钎焊工艺研究

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碳化硅颗粒增强铝基复合材料因其高比强度、高比刚度、密度小、热膨胀系数小等特性成为传统电子封装材料的理想替代品之一。由于SiCP/Al复合材料焊接性较差使其在相控阵雷达T/R模块中的应用受到限制。通过前期对铝基复合材料的性能和焊接性的研究,本文制备了适用于镀镍SiC_p/6063Al复合材料钎焊密封用的Sn-Ag-Cu-Bi新型软钎料。研究了镀镍高体积比与镀镍低体积比SiC_p/6063Al复合材料之间的真空软钎焊工艺,通过DSC、XRD、SEM、EDS等实验方法对钎料、钎焊接头和剪切断口的微观组织和成分进行了分析。研究结果如下:研制出以Sn-Ag-Cu共晶钎料为基础的6组Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi新型无铅钎料。对比6组Sn-3.0Ag-0.5Cu-xBi钎料的各项性能测试结果,发现Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi钎料的综合性能最佳,其固液相线温度分别为214℃和232℃。该钎料在镀镍SiC_p/6063Al复合材料上的润湿性能最好,铺展面积为41.52 mm2/0.1g,润湿角为18°。采用Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi钎料对镀镍高体积比和镀镍低体积比SiC_p/6063Al复合材料之间进行真空钎焊实验。在钎焊过程中,钎料与镍层原子相互扩散在界面发生化学反应生成连续的金属间化合物,使钎料与母材形成良好的冶金结合,获得质量良好的钎焊接头。随着钎焊温度的升高和保温时间的延长,钎缝逐渐变窄,IMC层逐渐变厚,镍层逐渐变薄。在钎焊温度为250℃和270℃时,随着保温时间的延长,接头抗剪强度不断提高。在290℃的钎焊温度下,随着保温时间的延长,接头抗剪强度先上升后下降,保温30min时,钎焊接头抗剪强度达到最大值39.89MPa。通过分析钎焊接头的剪切断口形貌和特征区域能谱可知,钎焊接头的断裂主要发生在钎料层以及钎料与镍层结合处。在钎焊过程中,延长保温时间和升高钎焊温度,界面IMC的扇贝状形貌均不发生变化,只是晶粒尺寸变大;钎料中的Bi元素能够抑制界面IMC生长;界面IMC的生长分为生长速率较快与生长速率较缓慢两个阶段,随着保温时间的延长,界面IMC的生长速率降低;界面IMC生长机制为组元的扩散和界面反应共同作用的混合性生长机制。在化学镀30min时间内,镀镍SiC_p/6063Al复合材料真空钎焊接头的抗剪强度随着镍层厚度的增加,呈现出递增的趋势。化学镀镍20min后复合材料表面的镍层结构致密均匀,没有孔隙,镍层与基体结合良好。对化学镀镍5min复合材料的剪切断口进行特征区域能谱分析可知,断裂位置为钎料与镍层结合处。采用Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi钎料对镀镍SiC_p/6063Al复合材料进行真空钎焊密封,结合接头抗剪强度和气密性测试结果可知:在镀镍30min,钎焊温度290℃,保温时间30min工艺条件下可以获得抗剪强度高、气密性好的钎焊接头。
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