蓝宝石表面结构与成分梯度层设计改善其焊接性能的方法-科创中国●保定云

蓝宝石表面结构与成分梯度层设计改善其焊接性能的方法

成果描述

蓝宝石表面结构与成分梯度层设计改善其焊接性能的方法，属于蓝宝石表面改性、蓝宝石/异质金属材料焊接领域。它是通过采用微波等离子体（H+、Ar+等离子）对蓝宝石表面进行刻蚀加工，使其表面形成结构梯度层；表面合金化技术（Ar+为放电气体）在蓝宝石表面分别制备成分梯度层；在前两步的基础上，采用常用焊料、真空焊接工艺，实现蓝宝石表面结构、成分梯度加工处理后的样品与异质金属材料的焊接。本发明为高性能、高可靠性蓝宝石/异质金属材料焊接结构的设计与制造提供理论支持与实践依据。

应用范围

蓝宝石（高纯度α-Al2O3单晶）由于兼有优异的功能性（光学特性优异、抗辐射性能好、透过波段宽、热传导性好等）与优异的力学性能（如高强度、高硬度、高温稳定性等），在航空航天、国防军事等领域具有广泛的应用。但是，由于蓝宝石与异质材料间的物理化学性能、力学性能、热膨胀系数等差异很大，很难被熔融金属或合金所浸润，导致二者之间的焊接非常复杂及困难。因此，研究蓝宝石/金属材料异质焊接技术中的关键问题，已成为国内外研究的热点。

目前，国内外科研人员主要通过在蓝宝石/异质材料之间采用合适焊料或过渡层，使焊料与连接件表面原子发生扩散、化学反应，实现蓝宝石与异质材料的焊接。这种方法与聚合物黏接法、机械连接法相比，有效提高了连接件的使用温度、结合强度，改善了其真空气密性。但是，需要注意的是，由于蓝宝石的单晶结构中无晶界缺陷，高硬度、高化学惰性，导致其表面加工十分困难。所以，目前相关研究几乎全部是通过焊料成分与组织调控，同时施加温度、压力、超声波等辅助手段的方式提高焊接接头的结合强度。这些方法虽然已取得了一定的研究结果，然而，通过焊料元素扩散与化学反应来焊接蓝宝石与金属材料，无法形成较强的机械咬合作用力，不能有效缓释热膨胀系数差异等因素引起的焊接界面应力，因此，在解决异质材料焊接的界面熔合不良、开裂和强度低等问题方面存在局限。要突破焊接接头界面熔合、微观应力和结合强度调控等关键技术，就需要在传统焊料设计的焊接思路的基础上，考虑对蓝宝石材料进行表面改性、加工，进而降低并解决传统焊接中的界面开裂、低强度等问题。但是，目前，未见有通过在蓝宝石表面设计结构与成分梯度层来改善其焊接性能的研究。

本发明属于蓝宝石表面改性及其焊接领域，是通过在蓝宝石表面设计结构和成分梯度层来提高其焊接质量。

前景分析

本发明是通过微薄等离子体刻蚀在蓝宝石表面形成结构梯度层、通过双辉离子渗金属技术在前一步的基础上设计形成Nb、Ti元素的成分梯度层，通过结构与成分梯度层设计，改善蓝宝石与异质材料的焊接性能。

本发明的优点在于表面通过一定设计获得结构梯度、成分梯度，使蓝宝石表面的结构、成分及性能沿厚度方向呈梯度变化，由于不存在明显的界面，能有效避免异质材料之间由于硬度、弹性模量、热膨胀系数差异引起的界面应力问题。此外，蓝宝石表面结构与成分梯度改性层设计工艺简单、成本低、绿色环保等。

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