高峰、邢秀宽、王国强、钟志宏*（*通讯作者）来自合肥工业大学材料科学与工程学院的研究团队，在《electric welding machine》期刊2024年2月第54卷第2期发表了题为《ag-cu-sn-cr真空钎焊金刚石/铜合金接头微观组织与剪切强度》的研究论文。该研究针对高功率微波窗制造中金刚石膜片与铜合金的连接难题，开发了一种新型ag-cu-sn-cr活性钎料，系统探究了钎焊温度对界面反应机制及力学性能的影响。
学术背景
金刚石光学窗口元件是极端环境下使用的关键器件，其与金属（如铜合金）的可靠连接直接影响高功率微波窗的真空密封和能量传输性能。传统钎焊方法需高温（>800℃），易导致金刚石石墨化；而现有ag-cu-ti等钎料虽能实现连接，但熔点高且活性元素（如ti）易氧化。本研究基于ag-cu共晶体系，通过添加sn降低熔点，并引入cr（铬）作为活性元素，利用其与金刚石反应生成碳化物的特性改善界面结合，同时cr的抗氧化性优于ti、zr等元素。研究目标是通过优化钎焊工艺，实现金刚石与铜合金的高强度连接，并为硬脆材料与金属的连接提供新思路。
研究流程与方法
材料制备
- 钎料成分设计：采用96(ag-28cu-10sn)-4cr（wt.%）合金，通过真空电弧熔炼炉（wk-11）熔炼银铜合金、铜铬合金及锡颗粒，翻转重熔5次以确保均匀性，最终加工成250 μm薄片。
- 母材处理：cvd金刚石膜片（3 mm×3 mm×0.3 mm）与铜合金（含cr、zr等元素）经抛光、丙酮超声清洗后备用。
钎焊工艺
- 使用高温真空接触角测量仪（sdc-1500），在真空度×10⁻³ pa下，以10℃/min升温至720℃，再以5℃/min升至目标温度（780℃、800℃、820℃、840℃），保温15分钟。
表征与测试
- 微观组织分析：场发射扫描电镜（sem，gemini 500）观察界面形貌；能谱（eds）分析元素分布；x射线衍射（xrd）鉴定物相。
- 热力学分析：差示扫描量热仪（dsc）测定钎料熔点（631℃开始熔化，682℃完全熔化）。
- 力学性能测试：电子万能试验机（ags-x10kn）进行剪切实验（加载速率0.2 mm/min），评估接头强度。
主要结果
界面反应机制
- 钎料与金刚石界面形成约1 μm厚的cr₇c₃碳化物层（图2b），由cr与c反应生成。热力学计算表明，820℃下反应δgₘ为-160.61 kJ/mol，可自发进行。
- 钎缝中心由cu基固溶体、ag基固溶体、cu₃sn金属间化合物及cr单质组成（图1a, 表1）。
温度对组织与性能的影响
- 温度升高（780→840℃）导致界面反应层增厚（0.5→1.5 μm），但过高温度（840℃）引发钎料流失，ag基固溶体减少（图5）。
- 剪切强度呈先升后降趋势：780℃时仅45 mpa（脆性断裂）；820℃达峰值147 mpa（韧性-脆性混合断裂）；840℃降至111 mpa（过量脆性相导致性能劣化）（图6, 7）。
结论与价值
科学价值
- 揭示了ag-cu-sn-cr钎料中cr与金刚石的界面反应机制，证实cr₇c₃的形成可缓解热膨胀系数失配（金刚石1×10⁻⁶ k⁻¹ vs. 铜合金17×10⁻⁶ k⁻¹）。
- 提出“低温钎焊（820℃）+短时保温（15 min）”的优化工艺，为硬脆材料/金属连接提供新方案。
应用价值
- 147 mpa的剪切强度满足高功率微波窗的力学要求，且工艺温度较传统方法（如ag-cu-ti钎焊950℃）显著降低，避免金刚石石墨化风险。
研究亮点
- 创新钎料设计：首次在ag-cu-sn体系中引入4 wt.% cr，兼顾低温熔化（682℃）与高界面活性。
- 多尺度表征：结合eds面扫描（图3）、xrd断口分析（图4）及热力学计算，阐明cr₇c₃的优先形成规律。
- 工艺-性能关联：明确钎焊温度→反应层厚度→剪切强度的非线性关系，为类似体系提供调控依据。
其他发现
钎料组织分析显示，cr以单质颗粒弥散分布于ag(s,s)+cu₄₁sn₁₁共晶基体中（图1a），未改变ag-cu-sn的共晶特性，但cr的添加使润湿角显著降低（cr=4%时最佳）。这一发现为后续钎料成分优化提供了实验基础。