真空釬焊的鈦與氧化鋁陶瓷 陶瓷的連接比金屬與金屬的連接更困難，因為陶瓷不會被用于釬焊的填充金屬潤濕。陶瓷的這種不潤濕傾向需要進行表面改性以提高陶瓷對釬料金屬的潤濕。這項工作的重點是使用純金作為填充金屬將氧化鋁 (Al2O3) 陶瓷與 Ti 金屬連接起來。需要使用純金，因為當接頭組件從釬焊溫度冷卻到室溫時，它釋放熱應力（通過使純金釬焊塑性變形），因為它是生物相容的。與使用純金相關的缺點是，金的高熔點高于 Ti 的同素異形轉變，并且鈦和金反應并形成一系列金屬間化合物 (IMC)，其中一些易碎且可能對性能有害的聯(lián)合大會。通過了解金屬間化合物隨溫度和時間的反應和生長動力學，可以避免或最小化這些金屬間化合物的形成，從而提高接頭強度。這是通過電阻加熱要釬焊的部件來實現(xiàn)的?？焖匐娒}沖用于加熱零件，而不是在爐中使用緩慢加熱，為金屬間化合物 (IMC) 的形成和生長提供足夠的時間。 Ta電極用作加熱元件，熱蒸發(fā)器（JEOL JEE-4X）用于真空環(huán)境，大電流數(shù)字電源用于電阻加熱過程中的電流源以釬焊零件。陶瓷與金屬釬焊過程中必須克服的挑戰(zhàn)是 (i) 液體釬焊合金對陶瓷的潤濕傾向差 (ii) 熱膨脹系數(shù) 3 陶瓷和金屬之間的不匹配導致界面處產(chǎn)生應力以及 (iii) ) 釬料和金屬之間的相互作用。

鈦是對空氣、氮氣或氫氣非常活潑的金屬。在目前的工作中，釬焊是在熱蒸發(fā)器內(nèi)的 5 X 10-4 帕斯卡量級的真空中進行的。氧化鋁陶瓷在釬焊前通過濺射對金具有良好潤濕性的難熔金屬薄膜在要制成釬焊接頭的區(qū)域金屬化（初始工作使用 500 nm 厚的 Nb 金屬）。純度為 99.99% 的純金金屬預制棒使用釬焊填充金屬。展示了在氦檢漏儀上泄漏率約為 1.6 X 10-8 atm-cc/sec 的密封接頭。在目前的工作中進行電阻釬焊的優(yōu)點是釬焊可以以更快的升溫速率進行，整個過程不到一分鐘即可完成。這很重要，因為 Ti 與金發(fā)生反應，導致金和 Ti 之間發(fā)生 4 4 種金屬間化合物反應，如圖 1.2 [1] 中的二元相圖所示。其中兩種金屬間化合物可能很脆，因為它們沒有固溶性。脈沖電阻加熱的使用限制了熔融金與鈦相互作用的時間，因此這些金屬間相的生長減少了。形成金屬間化合物的問題無法完全避免，但已大大減少。當使用掃描電子顯微鏡 (SEM) 和掃描透射電子顯微鏡 (STEM) 分析樣品時，觀察到 IMC 的形成。對 Ti 表面上的金進行的潤濕研究顯示了基材材料的反應潤濕和溶解。使用快速加熱工藝的另一個優(yōu)點是，Ti 在 883 o C 時會經(jīng)歷從 α 相到 β 相的同素異形轉變，并且 β 相中的晶粒生長動力學要快一個數(shù)量級 Ti 和 Au 的二元相圖 [ 1] 5 比在 alpha 階段 [2-3]。這會導致最終產(chǎn)品中的晶粒尺寸較大，從而導致鈦金屬較軟，這對器件的性能是不利的。還對不同金屬上的金進行了潤濕研究，以確定陶瓷金屬化的最佳薄膜。 在這兩種情況下都需要較低的潤濕角，因為較低的潤濕角有助于熔融金在要連接的金屬之間的擴散和毛細上升。