專利名稱：高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的釬焊方法。
背景技術：
碳化硅顆粒增強鋁基復合材料因其具有高比強度、比剛度、尺寸穩(wěn)定性、可設計性以及耐磨、耐腐蝕、耐射線等優(yōu)異性能，特別是原材料來源充分、制造成本低、市場容易接受，是金屬基復合材料中應用潛力最廣的新型結構材料，可廣泛應用于航空航天、汽車制造、儀器儀表、電子信息、精密機械等產業(yè)領域。而高體積分數(50% 70% )碳化硅顆粒增強鋁基復合材料因其具有接近于玻璃的低膨脹系數和接近于金剛石的高硬度，在電子封裝和航空航天關鍵零部件中有其獨特的用處。例如，對當今我國國防急需發(fā)展的先進預警機、戰(zhàn)斗機、大型相控雷達、宇宙飛船、空間站、嫦娥登月等航天器以及衛(wèi)星、彈道導彈等軍事裝備來說，其雷達核心部件一T/R信號發(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、制造工藝復雜、成本高，遠不能適應航空航天飛行器結構高輕量化的設計要求，迫切需要一種集低膨脹、高導熱、輕質三大特性于一身的新型電子封裝結構材料。而高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料就是這種理想的替代材料，因為它不但比重是可伐合金的1/3，膨脹系數與封裝芯片的陶瓷基體相接近，而且導熱性比可伐合金高10倍。因此，在航空航天與電子行業(yè)，用高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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所趨。因為對當今搭載電子元器件數量急劇膨脹的先進預警機、戰(zhàn)斗機、大型相控雷達、航天器、衛(wèi)星、彈道導彈等軍事裝備來說，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，可為國家節(jié)省大量開支。粗略估算，一架預警機需要4萬個這種電子封裝模塊，一架殲擊機需要1500個，一個通訊衛(wèi)星需要1500 3000個，一個艦載雷達需要15000個，未來的空間站和空間實驗室需要的量則更大，如果把我國上述所有武器裝備的T/R模塊全部換成高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，其需要量極其龐大，所帶來的軍事意義和經濟效益難以估量。可以說，用高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料代替可伐合金和W/Cu、Mo/Cu等傳統(tǒng)的電子封裝結構材料，是我國航空航天通信裝備領域產品升級換代的一項重大改革，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瓶頸技術難題一電子模塊的外殼封裝焊接問題。一方面是需要將殼蓋板與殼體焊在一起，同時在焊接時又不能把已經事先置于殼體底部的芯片造成過熱損傷(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嚴格的氣密性和抗沖擊振動、抗潮性、抗腐蝕等試驗,質量要求極其苛刻,成為目前國內外焊接界公認的技術難題之一。國外研究現狀至今未查閱到有關高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料焊接技術的任何報道。國內研究現狀哈爾濱工業(yè)大學牛濟泰于1989年在國家自然科學基金的資助下，率先在國內開展了鋁基復合材料焊接性的研究，上世紀90年代末以來，也有不少院校的教師和研究生對低體積分數增強鋁基復合材料的焊接性進行了有益嘗試，研究結果都表明由于增強相與鋁合金基體物理化學性能的巨大差異，用熔化焊方法獲得高質量的焊接接頭是極其困難的，極易產生氣孔、夾渣、疏松、未焊透等缺陷，同時在焊接高溫情況下，碳化硅將與鋁液發(fā)生界面反應，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現連接，但其結果是焊縫中的成分主要是鋁合金而不是鋁基復合材料，因而接頭強度系數很低。之后數年，牛濟泰發(fā)明了一種焊縫原位自生增強的熔化焊接方法(中國發(fā)明專利號ZL200510010266. 5)，可以明顯提高接頭強度，但這一方法也只適用于低體積分數(< 20% )的顆粒增強鋁基復合材料，對高體積分數(50% 70% )仍無能為力。近幾年，牛濟泰等人針對高體積分數又發(fā)明了碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的擴散焊、真空釬焊、爐中釬焊、電阻焊工藝等并獲得了多項國家專利，哈工大的聞久春等人發(fā)明了有關招基復合材料的振動焊、超聲波毛細焊接等工藝，從而對聞體積分數碳化娃顆粒增強鋁基復合材料的焊接開辟了新的研究思路，但對于電子封裝這種技術條件要求十分苛刻的高端產品，焊接質量尚不夠理想，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、空間粒子輻照等)的侵害方面，尚存在不足，尤其不能適應大批量、高合格率穩(wěn)定生產的技術要求。其根本原因是復合材料表面裸露著大量的SiC陶瓷增強相，它含有離子鍵與共價鍵，很難被含金屬鍵的釬料所潤濕，給釬焊過程帶來了極大的難度，因此進一步探討更為有效的釬焊工藝勢在必行。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決現有的高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的焊接需要在較高溫度下進行，并且焊接質量較差的問題，而提供一種高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法。本發(fā)明高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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均為高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0. 5 I. 5mm,兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本發(fā)明的創(chuàng)新點是(I)在國內外首次將納米技術應用于高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的釬接；(2)將雙光束激光技術應用于釬焊溫度場控制，造成溫度梯度和釬料的鋪展驅動力，以提高釬料在釬縫中的潤濕能力，此技術路線國內外至今未見相關報道；(3)在學術上首次揭示了納米效應在復合材料釬焊過程中的表現行為，探討了激光和納米效應共同作用條件下，復合材料釬接的微觀機制和影響規(guī)律，充實和發(fā)展了復合材料焊接的基礎理論； (4)提出納米效應使碳化硅陶瓷顆粒表面類金屬化，從而增強釬料對碳化硅增強相潤濕性的觀點。目前納米焊接研究多側重于微電子連接、焊絲表面涂覆納米層、納米燒結焊劑、無鉛納米焊膏等方面，卻無人研究納米釬焊技術，更無人問津高體積分數顆粒增強鋁基復合材料的納米釬接研究。從理論上說，納米技術用于釬焊的優(yōu)越性在于①隨著納米微粒粒徑的減小，比表面積增大、表面原子數增多，表面原子配位不飽和性導致大量的懸鍵和不飽和鍵，致使納米微?；瘜W活性增強，從而提高釬焊過程潤濕性；②由于粒徑減小到納米級，作為原子快速擴散通道的晶界增多，原子在納米結構內的擴散速率將會大大提高；③由于表面原子存在振動弛豫，即振幅增大，頻率減少，當振幅達到晶格常數的10% -20%時，結晶體便開始熔化，使納米晶粒的熔點遠低于塊狀本體，從而可以在較低的溫度下實現釬接。因此，將納米技術引入到釬接高體積分數的顆粒增強鋁基復合材料的研究中來，不但可以增強釬料在復合材料表面的潤濕性，還可以在降低釬焊溫度的同時增加原子的擴散能力，有利于在釬縫中形成互溶、共晶、滲間和適當數量的金屬間化合物，從而大大提高釬縫的致密性和接頭強度，是釬焊高體積分數顆粒增強鋁基復合材料比較理想的焊接方法。這種嘗試無疑對解決高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料焊接這一世界性的技術難題，具有重要的理論意義和工程實用價值。本發(fā)明中高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料被焊表面的納米化可以通過機械研磨或高速彈丸噴射，使材料表面位錯的密度極大增殖并且運動和堆積，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規(guī)則的非晶態(tài)；也可以通過脈沖激光沖擊，使材料在極短的時間內發(fā)生“爆炸性”汽化，原子從表面逸出時形成巨大的沖擊波，這一壓力遠遠高于材料的動態(tài)屈服極限從而使材料表面產生強烈的微觀塑性變形，造成材料中位錯密度增加，以致形成納米組織。眾所周知，釬料在接頭處的潤濕鋪展行為很大程度上是由溫度在時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最大優(yōu)點是激光能量輸入的精確可控性。為了更好地利用激光束來控制溫度在時間和空間上的分布，發(fā)明人采取雙光束釬焊工藝，利用兩個激光束同時分別輻照被焊材料的不同的區(qū)域，來獲得接頭的溫度場梯度和動力學驅動，以提高釬料對母材的潤濕性。此外，激光對材料還有著特殊的誘導作用，利用脈沖激光燒蝕法來對被焊母材表面進行預處理，可以實現連接面的納米化，使材料表面粒徑減小，擴散通道增多，形成了凹凸不平的原子臺階特別適用于原子擴散，有利于提高毛細作用形成致密的釬縫。雙光束激光可以通過兩個獨立的激光器組成獲得，也可以通過將一束激光進行分光來獲得。圖I是雙光束釬焊分光系統(tǒng)示意圖，通過分光鏡、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，并通過導光系統(tǒng)及光學元件的調控，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母材潤濕的驅動力并進一步降低釬焊溫度。同時，通過調控激光參數與輸出功率，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，不對芯片造成傷害。在這種精密光源的誘導加熱情況下，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，發(fā)生釬料成分與母材間的擴散、互溶、化合等作用，形成高質量的釬焊接頭。在激光焊過程中，采用開放式氬氣保護系統(tǒng)，向被釬部位吹送氬氣；也可在氬氣箱 中進行焊接，用來保護釬接過程中釬料不被氧化。激光器功率和斑點尺寸與距離可調、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，其產生的金屬蒸汽揮發(fā)微乎其微，加上流動氬氣的作用，不會對激光器聚焦系統(tǒng)產生不良影響。本發(fā)明將復合材料學、納米技術、激光技術三者交叉融合為一體，利用納米技術的小尺寸效應、表面與界面效應(提高原子擴散速率)，利用激光這種能產生可控溫度場的精密熱源以及可以使材料表面納米化的特殊功能，提升高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料釬焊過程的潤濕性和釬料的充填能力，以獲得高致密性、高結合強度的釬焊接頭，滿足電子封裝的苛刻要求。本發(fā)明高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，在焊接過程中不會產生高溫，所得的接頭剪切強度可達到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時又不允許焊接溫度高的材料及其產品的焊接要求。本發(fā)明的釬焊方法用于高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的釬焊。



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、8是后面的高功率激光束斑點、9是待焊件，箭頭代表激光束行進方向；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是釬焊過程中待焊件細節(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、11是后面的高功率激光束焦點；圖4是采用機械研磨法或高速彈丸噴射法制備被焊表面的納米晶粒層的設備示意圖；其中31是真空抽氣孔、32是彈丸、33是振動發(fā)生器、21是上層基體。
具體實施例方式本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
之間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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均為高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為
0.5 I. 5mm,兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本實施方式將復合材料學、納米技術、激光技術三者交叉融合為一體，利用納米技術的小尺寸效應、表面與界面效應(提高原子擴散速率)，利用激光這種能產生可控溫度場的精密熱源以及可以使材料表面納米化的特殊功能，提升高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料釬焊過程的潤濕性和釬料的充填能力，以獲得高致密性、高結合強度的釬焊接頭，滿足電子封裝的苛刻要求。本實施方式高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，在焊接過程中不會產生高溫，所得的接頭剪切強度可達到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時又不允許焊接溫度高的材料及其產品的焊接要求。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料中碳化硅顆粒增強相的體積分數為50% 70%。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
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械研磨法、高速彈丸噴射法或脈沖激光沖擊法。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
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。其它與具體實施方式
一
至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟一中上層基體的厚度為I 2_。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
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。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
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。其它與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是當步驟二中制備的釬料為粉體時，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。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟四中，在氬氣保護下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0. 8
I.2mm,兩個激光光斑中心相距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,實現高體積分數碳化娃顆粒增強招基復合材料的激光誘導納米釬焊。其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟四中在氬氣保護下是指在雙光束激光釬焊過程中向被釬部位吹送氬氣或者是在氬氣箱中進行雙光束激光釬焊。其它與具體實施方式
一至九之一相同。采用以下實施例和對比實驗驗證本發(fā)明的有益效果實施例一(參考圖I、圖2、圖3、圖4理解本實施例)本實施例高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料被焊表面的納米化采用機械研磨法，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的體積分數為60%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；下層基體是厚度為15_的體積分數為60%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；機械研磨所用彈丸的粒徑為6mm，彈丸材質是45號鋼，在振動頻率為50Hz以及真空的條件下，機械研磨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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本實施例所得到的接頭的剪切強度為262MPa。圖4是采用機械研磨法制備被焊表面的納米晶粒層的設備示意圖；其中31是真空抽氣孔、32是彈丸、33是振動發(fā)生器、21是上層基體。通過底部振動發(fā)生器的振動，彈丸在容器內高速振動，并以隨機的方式與工件表面發(fā)生碰撞。實施例二 (參考圖I、圖2、圖3理解本實施例)本實施例高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料被焊表面的納米化采用高速彈丸噴射法，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_的體積分數為60%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；下層基體是厚度為10_的體積分數為60%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；高速彈丸噴射所用彈丸的粒徑為3mm，彈丸材質是45號鋼，在振動頻率為20kHz以 及真空的條件下，機械研磨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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本實施例所得到的接頭的剪切強度為254MPa。本實施例采用高速彈丸噴射法制備納米晶粒層，高速彈丸噴射法與機械研磨法細化晶粒的機理相同，區(qū)別在于工藝參數不同。實施例三(參考圖I、圖2、圖3理解本實施例)本實施例高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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_的體積分數為60%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；下層基體是厚度為15_的體積分數為60%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；使用脈沖激光束掃射高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料被焊表面，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，每個脈沖作用時間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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本實施例所得到的接頭的剪切強度為258MPa。實施例四(參考圖I、圖2、圖3理解本實施例)本實施例高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按 以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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的體積分數為70%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；下層基體是厚度為15_的體積分數為70%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；使用脈沖激光束掃射高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料被焊表面，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，每個脈沖作用時間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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為1mm，兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本實施例所得到的接頭的剪切強度為254MPa。實施例五(參考圖I、圖2、圖3理解本實施例)本實施例高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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的體積分數為50%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；下層基體是厚度為15_的體積分數為50%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料；使用激光束掃射高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料被焊表面，在被焊表面獲得納米晶粒層；其中，激光的功率密度108V/cm2，作用時間30ns。其中，激光的功率密度峰值109W/cm2,每個脈沖作用時間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下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下2mm處，激光光斑直徑為I. 5mm,兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。本實施例所得到的接頭的剪切強度為265MPa。
本發(fā)明高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，在焊接過程中不會產生高溫，所得的接頭剪切強度可達到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時又不允許焊接溫度高的材料及其產品的焊接要求。
權利要求
1.高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法按以下步驟進行 一、高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復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均為高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料； 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 在氬氣保護下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0.5 I. 5mm,兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。
2.根據權利要求I所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料中碳化硅顆粒增強相的體積分數為50% 70%。
3.根據權利要求I或2所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，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械研磨法、高速彈丸噴射法或脈沖激光沖擊法。
4.根據權利要求3所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，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.根據權利要求4所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于步驟一中上層基體的厚度為I 2mm。
6.根據權利要求I所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于步驟二所制備的釬料是厚度為20 50 的箔片。
7.根據權利要求I所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于步驟二所制備的釬料是粒徑為10 30 粉體。
8.根據權利要求7所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于當步驟二中制備的釬料為粉體時，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.根據權利要求6、7或8所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于步驟四中，在氬氣保護下，將兩束激光的焦點聚在待焊件表面下I 2mm處，激光光斑直徑為0. 8 I. 2mm,兩個激光光斑中心相距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，實現高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊。
10.根據權利要求1、4或5所述的高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，其特征在于步驟四中在氬氣保護下是指在雙光束激光釬焊過程中向被釬部位吹送氬氣或者是在氬氣箱中進行雙光束激光釬焊。
全文摘要
高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的激光誘導納米釬焊方法，它涉及高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的釬焊方法。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、在氬氣保護下，進行雙光束激光釬焊，實現復合材料的激光誘導納米釬焊。本發(fā)明在焊接過程中不會產生高溫，所得接頭剪切強度可達到260MPa左右，完全滿足電子封裝，或其他含有大量陶瓷相、同時又不允許焊接溫度高的材料及其產品的焊接要求。本發(fā)明的釬焊方法用于高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的釬焊。
文檔編號B23K103/16GK102699465SQ201210204398
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2012年6月20日
發(fā)明者張寶慶, 曾崗, 木二珍, 李強, 牛濟泰, 王西濤, 線恒澤, 陳思杰, 高增 申請人:哈爾濱工業(yè)大學