為實(shí)現(xiàn)電真空器件中的陶瓷與金屬焊接，需要在陶瓷表面制備金屬化層。從環(huán)保及高效生產(chǎn)的角度考慮，需要找到合適的替代電鍍鎳的工藝。燒結(jié)鎳是將鎳粉和有機(jī)粘結(jié)劑混合均勻，通過手涂或者絲網(wǎng)印刷的方式涂覆在Mo-Mn層表面，再通過氫氣氣氛下高溫?zé)Y(jié)，形成穩(wěn)定的Ni層。燒結(jié)鎳工藝可以解決電鍍氣泡問題，以及因玻璃相導(dǎo)致的Ni層起皮問題。并且，燒結(jié)鎳工藝結(jié)合絲網(wǎng)印刷可大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品一致性。

試驗(yàn)

• 樣品制備工藝

  分別采用兩種金屬化粉體配方( 配方1: Mo含量為45% ，配方2: Mo含量為70% ) 。采用絲網(wǎng)印刷方式進(jìn)行一次金屬化涂覆，然后在高溫氫爐中進(jìn)行一次金屬化燒結(jié)。采用X熒光測(cè)厚儀，對(duì)燒結(jié)后的Mo-Mn層厚度進(jìn)行測(cè)量，要求Mo-Mn層厚度為13～25μm。分別采用兩種不同粒度鎳粉(1 #號(hào)鎳粉粒度d0. 5為1. 872μm，2#號(hào)鎳粉粒度d0. 5為0. 675μm) 進(jìn)行試驗(yàn)，采用絲網(wǎng)印刷方式進(jìn)行二次金屬化涂覆，然后在氫爐中進(jìn)行二次金屬化燒結(jié)。采用X熒光測(cè)厚儀，對(duì)燒結(jié)后的Ni層厚度進(jìn)行測(cè)量，要求Ni層厚度為6～12μm。在氫爐中，最高溫度780℃下保溫3min 完成焊接，焊接結(jié)構(gòu)如圖所示。

  
  

• 分析測(cè)試方法
  

  采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)Ni層表面和焊接斷面微觀形貌進(jìn)行觀察。采用能譜儀(EDS) 對(duì)樣品表面和斷面進(jìn)行成分分析。

試驗(yàn)結(jié)果與討論

• 金屬化(Mo-Mn) 配方1

• 微觀形貌分析

1. 焊接前表面形貌分析

   在金屬化配方1的前提下，電鍍鎳和不同粒度鎳粉燒結(jié)鎳樣品的表面微觀形貌如圖1所示。對(duì)比分析得出，燒結(jié)鎳表面存在大量凹坑。對(duì)比1#號(hào)和2#號(hào)的燒結(jié)鎳表面微觀形貌，粒度較細(xì)的2#號(hào)鎳顆粒能夠?qū)o-Mn層表面凹坑進(jìn)行填補(bǔ)改善。

2. 焊接后斷面形貌分析

   在金屬化配方1的前提下，電鍍鎳和不同粒度鎳粉燒結(jié)鎳樣品焊接后斷面形貌如圖2所示。

3. 抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析

   在金屬化配方1的前提下，電鍍鎳和不同粒度鎳粉燒結(jié)鎳樣品的抗拉強(qiáng)度如表1所示。可以得出，2#鎳粉制備的樣品的平均抗拉強(qiáng)度值最大，為113MPa(如表1所示) 。與電鍍鎳工藝的抗拉強(qiáng)度值(109MPa) 相比，在金屬化配方1的基礎(chǔ)上，2#鎳粉燒結(jié)鎳工藝制備產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度大于電鍍鎳的。

• 金屬化( Mo-Mn) 配方 2

• 微觀形貌分析

1. 焊接前表面形貌分析

   在金屬化配方2的前提下，電鍍鎳和不同粒度鎳粉燒結(jié)鎳樣品的表面微觀形貌如圖3所示。

2. 焊接后斷面形貌分析

   在金屬化配方2的前提下，電鍍鎳和不同粒度鎳粉燒結(jié)鎳樣品焊接后斷面形貌如圖4所示。

3. ?抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析

   在金屬化配方2的前提下，電鍍鎳和不同粒度鎳粉燒結(jié)鎳樣品的抗拉強(qiáng)度如表2所示?？梢缘贸?，廠家1#鎳粉制備的樣品的平均抗拉強(qiáng)度值最大，為116MPa( 如表2所示) 。

• 環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試

到目前為止( 試驗(yàn)一直在持續(xù)) ，燒結(jié)鎳工藝制備的陶瓷金屬封接組件能夠達(dá)到以下狀態(tài):

1. 漏氣率≤1. 0×10-10Pa·m3/S;

2. 能承受室溫至700℃之間循環(huán)20次的溫度沖擊;

3. 具有650℃，保溫8h的長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱的能力，循環(huán)4次;

4. 能滿足-55～150℃之間正負(fù)溫度變化五次的要求，循環(huán)4次。

   實(shí)際測(cè)試結(jié)果已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。

結(jié)論

1. 對(duì)于Mo含量低的Mo-Mn金屬化配方體系，燒結(jié)鎳工藝產(chǎn)品的鎳層不連續(xù)，且形成Ni-Cu合金，不利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。

2. 燒結(jié)鎳工藝適用于Mo含量高的Mo-Mn金屬化配方體系。燒結(jié)鎳工藝制備產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度達(dá)到110MPa以上，制備組件能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及使用要求。

3. 二次金屬化燒結(jié)后，Mo與Ni層表面會(huì)形成少量固溶物。