一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備和使用方法與流程

本發明為一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備和使用方法，屬于新材料應用技術領域。

背景技術：

高體積分數（60%~75%）SiC顆粒增強鋁基復合材料（SiCp/Al MMCs）集高比強度、高比模量、高比剛度、高導熱、低密度和低膨脹系數等優良特性于一身在航空航天、武器裝備和汽車制造等領域具有廣闊的應用前景，相控陣雷達T/R模塊電子封裝就是其重要應用方向之一。然而，由于該復合材料中SiC陶瓷相與基體金屬間物化性能存在較大差異，導致其焊接性較差。大量研究表明通過填加中間層輔助真空硬釬焊的方法可實現該復合材料的有效連接，其連接界面中基體/金屬釬料為強連接界面，可保證接頭的高強度結合；SiC/金屬釬料為弱連接界面，則會造成釬縫局部位置形成氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷。對于電子封裝產品使用性能的指標之一，氣密性必須滿足漏氣率小于1×10^-8Pa·m3/s的使用要求。然而，在實際生產中，漏氣率處于9.9×10^-5~1×10^-7 Pa·m3/s的釬焊構件占全部構件的15%~20%，但是其他性能指標均滿足，若廢棄該部分構件，則造成較高的生產成本和資源浪費，所以本發明旨在提供一種用于提高SiCp/Al復合材料釬縫氣密性的鋁銅鎂鎳釬料及其制備方法和使用方法，對達不到氣密性要求的焊接構件進行二次釬焊處理，以期望二次釬焊件的氣密性能夠達到電子封裝產品的使用要求，因此針對上訴問題，迫切需要開發一種全新的釬縫氣密性釬料生產及使用方法，以滿足實際使用的需要。

技術實現要素：

本發明的目的是要提供一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備和使用方法。

為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：

一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備方法，包括以下步驟：

第一步，混料，將配比好的純Al、Cu和Ni單質置于高真空感應熔煉爐的石墨坩堝中，并把Al-50Mg中間合金置于的不銹鋼模具中，并將不銹鋼模具抽高真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa，然后充入高純氬氣至不銹鋼模具內氣壓為0MPa；

第二步，制備毛坯，打開感應加熱電源，預熱石墨坩堝，至石墨坩堝顯示為暗紅色，然后在5min~10min時間內將石墨坩堝加熱至1500°C~1600°C，令石墨坩堝內的金屬原料熔化完全，并保溫10min~0min，然后把合金溶液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔Al-50Mg中間合金，并使得合金溶液與Al-50Mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

第三步，二次鑄造，將第二步制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后重新置于感應熔煉爐的石墨坩堝中，然后將感應熔煉爐的石墨坩堝不銹鋼模具抽高真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa后，充入氬氣至感應熔煉爐的石墨坩堝內氣壓為0MPa，然后打開感應加熱電源，預熱石墨坩堝，至石墨坩堝顯示為暗紅色，然后在5min~10min時間內將石墨坩堝加熱至700°C~800°C，并保溫10min~20min，使鋁銅鎂鎳液態釬料混合均勻，然后停止加熱，并待合金液呈現暗紅色時，搖動坩堝使合金液沖破表面氧化膜外殼束縛而順利倒入不銹鋼模具中，同時將氧化膜外殼留存在石墨坩堝內；

第四步，精煉釬料，根據需要，將第三步的操作步驟再次重復操作至少一次，并得到的精煉毛坯；

第五步，預處理精煉毛坯，將第四步制備得到的釬料精煉毛坯合金清洗干凈后置于石英管中，然后將石英管固定在真空甩帶機爐腔內的感應線圈中，并通過位置調節裝置調整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.5mm~1.7mm；

第六步，制備釬料箔片，完成第五步操作后，對甩帶機腔體抽真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa后通入氬氣，然后啟動銅輥旋轉控制開關，調節銅輥轉速至1500r/min~1600r/min，打開感應加熱電源，調節電流至11~12A，加熱3min~10min，石英管內的釬料合金完全熔化，然后對石英管內通入1×10^-3Pa~3×10^-3Pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉的銅輥上，然后經過冷卻制備得到釬料箔片；

第七步，制備釬料粉，把箔狀釬料用剪刀剪碎，碎片的面積不大于8mm²，然后以100g~120g箔狀釬料的碎片作為一份，分別將每份箔狀釬料的碎片置于若干瑪瑙球磨罐中，并在每個瑪瑙球磨罐中加入120g~300g，直徑為Φ5mm~Φ15mm的瑪瑙研磨球，然后分別將各瑪瑙球磨罐抽真空至1×10^-3Pa~3×10^-3Pa，隨后向各瑪瑙球磨罐充入氬氣并是各瑪瑙球磨罐內氣壓至一個大氣壓，最后將各瑪瑙球磨罐對稱裝入行星式球磨機中，并罩上保護殼進行研磨，在進行研磨作業時，使用液氮對瑪瑙球磨罐進行冷卻降溫作業，其中研磨轉速為500 r/min ~1000r/min，研磨時間為20h~21h，研磨結束后即可獲得釬料粉，且釬料粉粉體粒徑在20nm~1μm。

進一步的，所述的第一步中的各原料組份按照質量比為：Cu：32.5%~33.8%，Mg：5.8%~6.4%，Ni：0.8%~1.5%，余量為Al。

進一步的，所述的純Al、Cu和Ni單質的純度均不低于99%。

一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備和使用方法，包括如下步驟：

步驟1，制備混合液，將10g~12g焊縫氣密性所用釬料放入酒精與丙三醇按照體積比1:1~3比例混合的50~60ml混合液中，并施加超聲波攪拌25~30min使焊縫氣密性所用釬料與混合液充分混合，并制備得到密封混合液；

步驟2，混合液浸泡，將SiCp/Al復合材料焊接后，且氣密性處于9.9×10^-5Pa·m³/s~1×10^-7Pa·m³/s范圍內焊接件浸泡到第一步制備的密封混合液中的，然后進行超聲波振動15min~20min，使密封混合液合金粉因振動作用而遷移至釬縫孔隙缺陷中；

步驟3，焊件靜置，停止超聲波振動，把焊件繼續留置在混合液中15min~20min，依據毛細作用微小釬料粉運動至釬縫孔隙中，從而填充在孔隙中；

步驟4，焊件清潔，用酒精棉把表面殘留混合液擦拭干凈，并用吹風機冷風吹干焊件表面，尤其是釬縫位置；

步驟5，焊件熱處理，把吹干的釬焊試件，置于釬焊爐中加熱，將焊件溫度升到300℃~00°C，并保溫時間20min，然后使焊件隨爐冷卻至100°C后取出即可。

進一步的，所述步驟2中，在進行超聲波震蕩時，各超聲波源均環繞焊件軸線均布。

進一步的，所述步驟5中，在對焊件進行熱處理時，釬焊爐內為真空環境或惰性氣體包覆環境。

本發明的積極效果：

1）本發明通過制定一次粗煉兩次精練的熔煉工藝，即第一次熔煉高熔點單質Cu、Ni和Al，繼而沖熔相應配重的Al-50Mg中間合金，解決了Al-50Mg熔點低、易燒損，易揮發的缺點；隨后兩次精練工藝，目的是進一步凈化合金液，提高釬料合金的純度和均勻性，同時采用惰性氣體為保護氣氛，降低了釬料合金燒損率，也避免了雜質的引入，減少了影響因素，提高了實驗研究的精度；

2）針對釬料合金的特性，設計專門的惰性氣體保護下的甩帶工藝，制備具有一定尺寸規格并且脆性較大的箔狀釬料，脆性大有助于球磨制粉的進行；

3）采用瑪瑙罐對釬料合金箔帶碎片進行球磨，球磨過程在高純氬氣保護和液氮輔助低溫下運行，減少了合金粉體在球磨過程的氧化，提高了釬料合金粉體的純度；

4）把釬料合金粉摻入酒精和丙三醇（增加粘度作用）的混合液中，超聲波輔助分散均勻。同時，把達不到氣密性要求的焊件釬縫浸入混合液中，通過超聲波輔助和毛細作用把合金粉體遷移至釬縫孔隙中，增強了釬料顆粒進入釬縫孔隙的幾率；

5）對已浸入合金粉的焊件進行二次釬焊，其釬焊溫度低于第一次釬焊溫度，僅有合金粉體熔化，保證了釬縫的完整。同時，二次釬焊加熱起到對釬縫去應力退火得作用，增強了釬縫的可靠性。

6）經氦質譜檢漏儀對二次釬焊件進行氣密性檢測，二次釬焊件的氣密性合格率達到80%，即漏氣率小于1×10^-8Pa·m³/s。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式來詳細說明本發明

圖1：為本發明制備方法流程圖；

圖2：為本發明使用方法流程圖。

具體實施方式

為使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。

實施例1

如圖1和2所示一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備方法，包括以下步驟：

第一步，混料，將配比好的純Al、Cu和Ni單質置于高真空感應熔煉爐的石墨坩堝中，并把Al-50Mg中間合金置于的不銹鋼模具中，并將不銹鋼模具抽高真空至1×10^-3Pa，然后充入高純氬氣至不銹鋼模具內氣壓為0MPa；

第二步，制備毛坯，打開感應加熱電源，預熱石墨坩堝，至石墨坩堝顯示為暗紅色，然后在5分鐘—10分鐘時間內將石墨坩堝加熱至1500°C，令石墨坩堝內的金屬原料熔化完全，并保溫25min，然后把合金溶液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔Al-50Mg中間合金，并使得合金溶液與Al-50Mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

第三步，二次鑄造，將第二步制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后重新置于感應熔煉爐的石墨坩堝中，然后將感應熔煉爐的石墨坩堝不銹鋼模具抽高真空至2×10^-3Pa后，充入氬氣至感應熔煉爐的石墨坩堝內氣壓為0MPa，然后打開感應加熱電源，預熱石墨坩堝，至石墨坩堝顯示為暗紅色，然后在6分鐘時間內將石墨坩堝加熱至750°C，并保溫10分鐘，使鋁銅鎂鎳液態釬料混合均勻，然后停止加熱，并待合金液呈現暗紅色時，搖動坩堝使合金液沖破表面氧化膜外殼束縛而順利倒入不銹鋼模具中，同時將氧化膜外殼留存在石墨坩堝內；

第四步，精煉釬料，根據需要，將第三步的操作步驟再次重復操作至少一次，并得到的精煉毛坯；

第五步，預處理精煉毛坯，將第四步制備得到的釬料精煉毛坯合金清洗干凈后置于石英管中，然后將石英管固定在真空甩帶機爐腔內的感應線圈中，并通過位置調節裝置調整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.5mm；

第六步，制備釬料箔片，完成第五步操作后，對甩帶機腔體抽真空至1×10^-3Pa后通入氬氣，然后啟動銅輥旋轉控制開關，調節銅輥轉速至1500r/min，打開感應加熱電源，調節電流至11A，加熱3分鐘，石英管內的釬料合金完全熔化，然后對石英管內通入1×10^-3Pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉的銅輥上，然后經過冷卻制備得到釬料箔片；

第七步，制備釬料粉，把箔狀釬料用剪刀剪碎，碎片的面積不大于于8mm²，然后以100g箔狀釬料的碎片作為一份，分別將每份箔狀釬料的碎片置于若干瑪瑙球磨罐中，并在每個瑪瑙球磨罐中加入120g，直徑為Φ6mm的瑪瑙研磨球，然后分別將各瑪瑙球磨罐抽真空至1×10^-3Pa，隨后向各瑪瑙球磨罐充入氬氣并是各瑪瑙球磨罐內氣壓至一個大氣壓，最后將各瑪瑙球磨罐對稱裝入行星式球磨機中，并罩上保護殼進行研磨，在進行研磨作業時，使用液氮對瑪瑙球磨罐進行冷卻降溫作業，其中研磨轉速為500r/min，研磨時間為20h，研磨結束后即可獲得釬料粉，且釬料粉粉體粒徑在20nm。

本實施例中，所述的第一步中的各原料組份按照質量比為：Cu：32.5%~33.8%，Mg：5.8%~6.4%，Ni：0.8%~1.5%，余量為Al。

本實施例中，所述的純Al、Cu和Ni單質的純度均不低于99%。

一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備和使用方法，包括如下步驟：

步驟1，制備混合液，將10g焊縫氣密性所用釬料放入酒精與丙三醇按照體積比1:1比例混合的50ml混合液中，并施加超聲波攪拌25min使焊縫氣密性所用釬料與混合液充分混合，并制備得到密封混合液；

步驟2，混合液浸泡，將SiCp/Al復合材料焊接后，且氣密性處于9.9×10^-5 Pa·m³/s范圍內焊接件浸泡到第一步制備的密封混合液中的，然后進行超聲波振動15min，使密封混合液合金粉因振動作用而遷移至釬縫孔隙缺陷中；

步驟3，焊件靜置，停止超聲波振動，把焊件繼續留置在混合液中15min，依據毛細作用微小釬料粉運動至釬縫孔隙中，從而填充在孔隙中；

步驟4，焊件清潔，用酒精棉把表面殘留混合液擦拭干凈，并用吹風機冷風吹干焊件表面，尤其是釬縫位置；

步驟5，焊件熱處理，把吹干的釬焊試件，置于釬焊爐中加熱，將焊件溫度升到300℃，并保溫時間20min，然后使焊件隨爐冷卻至100°C后取出即可。

本實施例中，所述步驟2中，在進行超聲波震蕩時，各超聲波源均環繞焊件軸線均布。

本實施例中，所述步驟5中，在對焊件進行熱處理時，釬焊爐內為真空環境或惰性氣體包覆環境。

實施例2

如圖1和2所示一種SiCp/Al復合材料粉狀釬料制備方法，包括以下步驟：

第一步，混料，將配比好的純Al、Cu和Ni單質置于高真空感應熔煉爐的石墨坩堝中，并把Al-50Mg中間合金置于的不銹鋼模具中，并將不銹鋼模具抽高真空至3×10^-3Pa，然后充入高純氬氣至不銹鋼模具內氣壓為0MPa；

第二步，打開感應加熱電源，預熱石墨坩堝，至石墨坩堝顯示為暗紅色，然后在5分鐘時間內將石墨坩堝加熱至1600°C，令石墨坩堝內的金屬原料熔化完全，并保溫25min，然后把合金溶液迅速倒入不銹鋼模具中，從而沖熔Al-50Mg中間合金，并使得合金溶液與Al-50Mg中間合金充分混合，然后自然冷卻到常溫塑形，制備成釬料毛坯；

第三步，二次鑄造，將第二步制備的釬料毛坯從不銹鋼模具取出，去除表面氧化皮后重新置于感應熔煉爐的石墨坩堝中，然后將感應熔煉爐的石墨坩堝不銹鋼模具抽高真空至3×10^-3Pa后，充入氬氣至感應熔煉爐的石墨坩堝內氣壓為0MPa，然后打開感應加熱電源，預熱石墨坩堝，至石墨坩堝顯示為暗紅色，然后在10分鐘時間內將石墨坩堝加熱至800°C，并保溫18分鐘，使鋁銅鎂鎳液態釬料混合均勻，然后停止加熱，并待合金液呈現暗紅色時，搖動坩堝使合金液沖破表面氧化膜外殼束縛而順利倒入不銹鋼模具中，同時將氧化膜外殼留存在石墨坩堝內；

第四步，精煉釬料，根據需要，將第三步的操作步驟再次重復操作至少一次，并得到的精煉毛坯；

第五步，預處理精煉毛坯，將第四步制備得到的釬料精煉毛坯合金清洗干凈后置于石英管中，然后將石英管固定在真空甩帶機爐腔內的感應線圈中，并通過位置調節裝置調整石英管下端噴嘴至銅輥的間距為1.6mm；

第六步，制備釬料箔片，完成第五步操作后，對甩帶機腔體抽真空至2.5×10^-3Pa后通入氬氣，然后啟動銅輥旋轉控制開關，調節銅輥轉速至1600r/min，打開感應加熱電源，調節電流至12A，加熱10分鐘，石英管內的釬料合金完全熔化，然后對石英管內通入1.1×10^-3Pa氬氣，并將熔融釬料在氣體壓力差作用下，從石英管下端的噴嘴處噴至高速旋轉的銅輥上，然后經過冷卻制備得到釬料箔片；

第七步，制備釬料粉，把箔狀釬料用剪刀剪碎，碎片的面積不大于于8mm²，然后以120g箔狀釬料的碎片作為一份，分別將每份箔狀釬料的碎片置于若干瑪瑙球磨罐中，并在每個瑪瑙球磨罐中加入300g，直徑為Φ5mm的瑪瑙研磨球，然后分別將各瑪瑙球磨罐抽真空至1.5×10^-3Pa，隨后向各瑪瑙球磨罐充入氬氣并是各瑪瑙球磨罐內氣壓至一個大氣壓，最后將各瑪瑙球磨罐對稱裝入行星式球磨機中，并罩上保護殼進行研磨，在進行研磨作業時，使用液氮對瑪瑙球磨罐進行冷卻降溫作業，其中研磨轉速為550r/min，研磨時間為20h，研磨結束后即可獲得釬料粉，且釬料粉粉體粒徑在20nm。

本實施例中，所述的第一步中的各原料組份按照質量比為：Cu：32.5%~33.8%，Mg：5.8%~6.4%，Ni：0.8%~1.5%，余量為Al。

本實施例中，所述的純Al、Cu和Ni單質的純度均不低于99%。

SiCp/Al復合材料粉狀釬料的使用方法，包括如下步驟：

步驟1，制備混合液，將10g~12g焊縫氣密性所用釬料放入酒精與丙三醇按照體積比1:1.5比例混合的60ml混合液中，并施加超聲波攪拌25min使焊縫氣密性所用釬料與混合液充分混合，并制備得到密封混合液；

步驟2，混合液浸泡，將SiCp/Al復合材料焊接后，且氣密性處于9.9×10^-5m3/s范圍內焊接件浸泡到第一步制備的密封混合液中的，然后進行超聲波振動15min，使密封混合液合金粉因振動作用而遷移至釬縫孔隙缺陷中；

步驟3，焊件靜置，停止超聲波振動，把焊件繼續留置在混合液中15min，依據毛細作用微小釬料粉運動至釬縫孔隙中，從而填充在孔隙中；

步驟4，焊件清潔，用酒精棉把表面殘留混合液擦拭干凈，并用吹風機冷風吹干焊件表面，尤其是釬縫位置；

步驟5，焊件熱處理，把吹干的釬焊試件，置于釬焊爐中加熱，將焊件溫度升到600°C，并保溫時間20min，然后使焊件隨爐冷卻至100°C后取出即可。

本實施例中，所述步驟2中，在進行超聲波震蕩時，各超聲波源均環繞焊件軸線均布。

本實施例中，所述步驟5中，在對焊件進行熱處理時，釬焊爐內為真空環境或惰性氣體包覆環境。

本發明的積極效果：

1）本發明通過制定一次粗煉兩次精練的熔煉工藝，即第一次熔煉高熔點單質Cu、Ni和Al，繼而沖熔相應配重的Al-50Mg中間合金，解決了Al-50Mg熔點低、易燒損，易揮發的缺點；隨后兩次精練工藝，目的是進一步凈化合金液，提高釬料合金的純度和均勻性，同時采用惰性氣體為保護氣氛，降低了釬料合金燒損率，也避免了雜質的引入，減少了影響因素，提高了實驗研究的精度；

2）針對釬料合金的特性，設計專門的惰性氣體保護下的甩帶工藝，制備具有一定尺寸規格并且脆性較大的箔狀釬料，脆性大有助于球磨制粉的進行；

3）采用瑪瑙罐對釬料合金箔帶碎片進行球磨，球磨過程在高純氬氣保護和液氮輔助低溫下運行，減少了合金粉體在球磨過程的氧化，提高了釬料合金粉體的純度；

4）把釬料合金粉摻入酒精和丙三醇（增加粘度作用）的混合液中，超聲波輔助分散均勻。同時，把達不到氣密性要求的焊件釬縫浸入混合液中，通過超聲波輔助和毛細作用把合金粉體遷移至釬縫孔隙中，增強了釬料顆粒進入釬縫孔隙的幾率；

5）對已浸入合金粉的焊件進行二次釬焊，其釬焊溫度低于第一次釬焊溫度，僅有合金粉體熔化，保證了釬縫的完整。同時，二次釬焊加熱起到對釬縫去應力退火得作用，增強了釬縫的可靠性。

6）經氦質譜檢漏儀對二次釬焊件進行氣密性檢測，二次釬焊件的氣密性合格率達到80%，即漏氣率小于1×10^-8Pa·m3/s。

本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。