镀Ti/Ni膜蓝宝石界面高温预扩散反应及钎焊机理研究

为提高蓝宝石与无氧铜钎焊接头的强度，我们提出一种新的钎焊方法：在蓝宝石连接部位沉积活性Ti膜再包覆Ni膜并高温预扩散，进而用常规AgCu钎料进行钎焊。实际钎焊接头的剪切强度已达到133MPa，在国际上报道的同类数据中居领先水平。目前国际上对此方法的研究尚属空白。为阐明此方法的物理化学过程，拟开展如下研究：设计Ti/Ni复合膜及高温扩散条件，研究镀膜蓝宝石在界面层的物理扩散及化学反应过程，获得界面成分及微结构随高温扩散条件改变而变化的规律；研究AgCu钎料在Ti膜、Ti/Ni膜和高温预扩散Ti/Ni膜表面的润湿规律；分析蓝宝石钎焊接头抗剪强度与预扩散层结构和断口薄弱区之间的关系，研究新方法改善蓝宝石钎焊接头强度的微观机理；提出适合蓝宝石微波输出窗钎焊的工艺方案。本项目研究成果可为提高陶瓷钎焊接头强度提供重要的理论基础，对实现兆瓦级蓝宝石微波输出窗的高质量钎焊具有指导意义和实用价值。

为研究镀Ti/Ni膜蓝宝石界面高温预扩散反应及钎焊机理，依次开展了七方面的研究工作。首先，通过研究不同膜厚镀Ti/Ni蓝宝石在950℃下预扩散在不同时间下的物相结构，获得了蓝宝石的复合镀层及高温预扩散工艺的匹配条件；第二，利用先进的纳米扫描俄歇系统对复合镀膜预扩散试样进行厚度方向的剖析，获得了镀膜层与蓝宝石界面的元素分布规律，证实在预扩散条件下，镀钛层甚至镀镍层都与蓝宝石表面发生强烈的扩散和化学反应，可形成宽达1.4μm的界面反应区；第三，通过深入分析界面反应区的各种物相构成，提出了界面反应模型；第四，通过比较不同镀膜工艺和制定典型工艺曲线，完成了复合镀膜、预扩散处理和钎焊工艺的试验研究；第五，通过开展强度检测方法比较预扩散温度和保温时间对接头强度影响研究，制定出最佳预扩散规范并获得了高强度的蓝宝石钎焊接头，接头抗剪切强度达到145.35MPa；第六，通过综合分析，提出了镀Ti/Ni膜蓝宝石经预扩散获得高强度接头的钎焊机理，该机理的核心在于，通过复合镀Ti/Ni膜层并进行预扩散，可以在镀膜蓝宝石表面产生多重有益的叠加效应。镀Ni膜可对Ti膜起到免遭大气氧化和氮化的保护作用,高温预扩散使得在界面产生大量可用于增强镀层与蓝宝石基体的结合的Ti3Al和Al3Ni等金属间化合物，适当厚度的富Ni层可为钎焊接头提供重要的应力缓冲区。第七，提出了适合蓝宝石微波输能窗钎焊的工艺方案。