[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

本发明目的是为了有效改善焊料与蓝宝石表面的润湿度，通过结构与成分梯度层设计对蓝宝石进行表面加工处理，进而改善蓝宝石/异质材料之间的焊接性能。

本发明提供一种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，为高性能、高可靠性蓝宝石/异质材料焊接结构的设计与制造提供理论支持与实践依据。

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，步骤如下：

一、蓝宝石表面获得结构梯度层

（1）将蓝宝石通过金刚粉机械抛光到表面粗糙度为17-30nm，然后放入超声波中用酒精洗净晾干，为微波等离子体刻蚀表面做准备；

（2）通过微波等离子体工艺，以Ar（纯度为99.99%）和H₂混合气体形成的H⁺、Ar⁺等离子体对蓝宝石表面进行刻蚀加工，刻蚀时间为5-180 min.，蓝宝石表面形成纳米级的结构梯度层。

二、蓝宝石表面获得成分梯度层

（1）对上一步经过微波等离子体刻蚀的已经获得结构梯度层的蓝宝石进行双辉等离子渗金属表面处理，选择金属Nb或Ti元素为溅射靶材；

（2）渗金属工艺为600-900℃、1-30 min；达到保温时间后，关闭电源，等待炉体温度降至室温时，将蓝宝石样品取出，在其表面获得微米级的成分梯度层。

三、经结构、成分梯度层改性后的蓝宝石/异质材料焊接