镓（Ga）对1Cr18Ni9/TU1异种接头润湿性、机械性能及界面反应的影响——该接头采用银铜基钎料进行钎焊

《Vacuum》：Effect of Ga on the wettability, mechanical properties and interfacial reaction in 1Cr18Ni9/TU1 dissimilar joints brazed by Ag-Cu based brazing alloy

低银Ag-Cu-Ni-Ga钎料在真空环境下实现1Cr18Ni9不锈钢与TU1铜的高效连接，通过添加铟元素降低钎料熔点并提升润湿性，接触角从85°降至33-50°，抑制晶间腐蚀并提高接头剪切强度达302.34MPa，解决传统钎料需镍镀层和易腐蚀的问题。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的低银Ag-Cu-Ni-Ga钎焊合金，用于在真空条件下将1Cr18Ni9不锈钢与TU1铜材料进行连接。连接温度设定为870°C，持续时间为5至10分钟。通过系统分析所形成的接头的微观结构演变和机械性能，研究人员发现该合金在连接性能方面表现出显著的优势，尤其是在提升润湿性、抑制晶间腐蚀以及增强接头强度方面。这项研究为传统Ag-28Cu和Ag-Cu-0.75Ni钎焊合金在实际应用中的局限性提供了有效的解决方案。

在真空电子设备中，如高功率klystron（行波管）的应用，需要具备极高的真空度（UHV，<10?? Pa）和精密的结构设计。这些设备通常由多种金属和非金属部件组成，其中TU1铜作为主要结构材料，因其优越的导电性和导热性以及极低的氧含量而被广泛采用。同时，不锈钢则提供必要的机械强度和耐腐蚀性。将这两种材料结合使用，能够实现电性能、热性能和结构稳定性的协同提升。然而，由于铜和不锈钢在物理化学性质上的显著差异，传统的钎焊技术在连接过程中面临诸多挑战。

首先，钎焊合金在不同基材上的润湿行为和钎焊性能存在差异。其次，由于两种材料导热性不同，可能导致接界面产生热应力梯度。此外，不锈钢表面的顽固氧化层也会影响钎焊合金的润湿能力。这些因素共同导致了在连接1Cr18Ni9不锈钢与TU1铜时，出现接头质量不稳定的问题。为了解决这一问题，研究团队开发了一种新的低银Ag-Cu-Ni-Ga钎焊合金，其银含量低于传统Ag-Cu-0.75Ni合金，同时通过优化Ga的添加比例，显著提升了接头性能。

在实验过程中，研究人员采用真空感应熔炼的方法制备了两种Ag-Cu-Ni-Ga钎焊合金，并将其冷轧成0.1毫米厚的箔片。此外，还使用了市售的Ag-Cu-0.75Ni合金箔片作为对照。实验结果显示，Ag-Cu-Ni-9Ga和Ag-Cu-Ni-10Ga合金在不锈钢表面的接触角分别为33°和50°，显著优于Ag-Cu-0.75Ni合金（约85°）。这一结果表明，Ga的加入显著改善了钎焊合金在不锈钢表面的润湿性，从而提升了连接质量。

进一步分析发现，Ga的引入不仅提高了钎焊合金的润湿能力，还增强了其与不锈钢基材之间的界面反应，促进了更牢固的界面结合。这一特性使得接头的失效模式从脆性的界面脱粘转变为韧性较强的基材断裂，从而提升了接头的整体可靠性。此外，Ga的加入还有效抑制了TU1铜基材在钎焊过程中的晶间腐蚀现象，这一问题在传统Ag-Cu-0.75Ni合金连接过程中较为常见，可能影响接头的密封性和尺寸稳定性。

在接头的微观结构方面，Ag-Cu-Ni-Ga合金主要由块状铜固溶体（s,s）相和共晶结构组成。具体结构为1Cr18Ni9/Cu（s,s）层/共晶/Cu（s,s）层/TU1。这种结构不仅提升了接头的机械性能，还确保了其在高温环境下的稳定性。实验还表明，在优化的钎焊条件下，Ag-Cu-Ni-9Ga和Ag-Cu-Ni-10Ga合金接头的剪切强度分别达到了231.68 MPa和302.34 MPa，比Ag-Cu-0.75Ni合金接头分别提高了21.80%和58.95%。这一结果表明，Ga的加入不仅提升了接头的润湿性，还显著增强了其机械性能。

此外，研究团队还关注了Ga在钎焊合金中的作用机制。Ga的引入能够改善界面反应，促进更均匀的界面结合，从而提升接头的韧性。同时，Ga的加入还有效降低了钎焊合金的熔点，使其在高温环境下仍能保持良好的钎焊性能。相比之下，传统Ag-Cu-0.75Ni合金在高温下表现出强度迅速下降的问题，而Ag-Cu-Ni-Ga合金则在保持高温性能的同时，实现了更低的熔点，从而降低了生产成本和工艺难度。

从经济角度来看，银的高昂价格对Ag-Cu基钎焊合金的广泛应用构成了限制。因此，研究团队致力于开发成本更低的低银Cu-Ag系统，同时确保其在关键性能指标上的表现。实验表明，降低银含量至45%以下的Cu-Ag系统在多种材料组合中仍能实现良好的接头性能。例如，Tatsuya的研究表明，低银含量的接头在拉伸强度方面与传统的Ag-Cu共晶填充材料相当。而另一项研究则使用了一种新型的Cu-Ag-Mn-Ni钎焊合金，成功连接了1Cr17Ni2不锈钢和QAl7铝青铜，接头的室温剪切强度达到了272 MPa。

另一项研究显示，CuAg25ZnSn填充材料通过感应钎焊，在黄铜/不锈钢组合中实现了445 MPa的拉伸强度。而在马氏体/AISI 321不锈钢接头中，使用CuAgMnZn填充材料也表现出213 MPa的搭接剪切强度，这一结果优于使用CuAgZnMnNi填充材料的纯铜/304不锈钢接头（210 MPa）。这些实验结果表明，低银Cu-Ag系统在多种材料组合中均能实现优异的接头性能，尤其是在需要高密封性和机械稳定性的应用中。

然而，提高铜含量可能会导致熔点升高，因此需要通过添加低熔点元素如Ga来调整熔点。在本研究中，Ag-Cu-Ni-Ga合金通过优化Ga的添加比例，实现了较低的熔点，同时保持了必要的高温性能。这种优化不仅降低了银的使用量，还提升了接头的整体性能，为未来真空钎焊技术的发展提供了新的思路。

从技术角度来看，Ag-Cu-Ni-Ga合金的开发涉及多个关键因素。首先，润湿性的提升是确保接头质量的重要前提。Ga的加入显著改善了这一性能，使得钎焊合金能够更好地润湿不锈钢表面。其次，抑制晶间腐蚀是提升接头密封性和尺寸稳定性的关键。实验表明，Ga的加入能够有效减少TU1铜基材在钎焊过程中的晶间腐蚀现象，从而延长接头的使用寿命。

此外，Ga的引入还提升了接头的机械性能。实验结果显示，在优化的钎焊条件下，Ag-Cu-Ni-9Ga和Ag-Cu-Ni-10Ga合金接头的剪切强度分别达到了231.68 MPa和302.34 MPa，远高于传统Ag-Cu-0.75Ni合金接头的剪切强度。这一结果表明，Ga不仅提升了接头的润湿性，还增强了其机械性能，使得接头在高温和复杂应力环境下仍能保持良好的稳定性。

在实际应用中，这种新型的Ag-Cu-Ni-Ga钎焊合金具有显著的优势。首先，它能够实现更高效的润湿，使得接头在高温下仍能保持良好的连接质量。其次，它能够有效抑制晶间腐蚀，从而提升接头的密封性和尺寸稳定性。此外，它还能够提升接头的机械性能，使得接头在复杂应力环境下仍能保持良好的强度和韧性。这些优势使得该合金在真空电子设备中具有广阔的应用前景。

总的来说，这项研究为真空钎焊技术提供了一种新的解决方案，特别是在连接1Cr18Ni9不锈钢与TU1铜材料方面。通过优化Ga的添加比例，研究人员成功开发了一种低银、高性能的Ag-Cu-Ni-Ga钎焊合金，其在润湿性、晶间腐蚀抑制和机械性能方面均表现出显著的优势。这一成果不仅解决了传统Ag-Cu基钎焊合金在实际应用中的局限性，还为未来真空电子设备的连接技术提供了新的思路。