Brasage des céramiques et des métaux

1. Brasabilité

Il est difficile de braser des composants céramiques, céramiques et métalliques. La plupart des brasures forment une boule à la surface de la céramique, avec un mouillage faible, voire nul. Le métal d'apport de brasure, capable de mouiller la céramique, forme facilement divers composés cassants (tels que des carbures, des siliciures et des composés ternaires ou multivariés) à l'interface du joint pendant le brasage. La présence de ces composés affecte les propriétés mécaniques du joint. De plus, en raison de la grande différence de coefficients de dilatation thermique entre la céramique, le métal et la brasure, des contraintes résiduelles subsistent dans le joint après le retour à température ambiante, ce qui peut provoquer des fissures.

La mouillabilité de la soudure sur la surface céramique peut être améliorée en ajoutant des éléments métalliques actifs à la soudure commune ; le brasage à basse température et de courte durée peut réduire l'effet de la réaction d'interface ; la contrainte thermique du joint peut être réduite en concevant une forme de joint appropriée et en utilisant un métal monocouche ou multicouche comme couche intermédiaire.

2. Soudure

La céramique et le métal sont généralement assemblés dans un four à vide ou un four à hydrogène et à argon. Outre les caractéristiques générales, les métaux d'apport de brasure destinés aux composants électroniques sous vide doivent également répondre à des exigences spécifiques. Par exemple, la brasure ne doit pas contenir d'éléments produisant une pression de vapeur élevée, afin d'éviter les fuites diélectriques et l'empoisonnement cathodique des composants. Il est généralement spécifié que, lorsque le composant est en fonctionnement, la pression de vapeur de la brasure ne doit pas dépasser 10-3 Pa et que la teneur en impuretés à pression de vapeur élevée ne doit pas dépasser 0,002 % à 0,005 %. La teneur en eau (en oxygène) de la brasure ne doit pas dépasser 0,001 %, afin d'éviter la formation de vapeur d'eau lors du brasage sous hydrogène, susceptible de provoquer des projections de métal fondu. De plus, la brasure doit être propre et exempte d'oxydes de surface.

Lors du brasage après métallisation céramique, du cuivre, de la base, du cuivre argenté, du cuivre doré et d'autres métaux d'apport de brasage en alliage peuvent être utilisés.

Pour le brasage direct des céramiques et des métaux, il est recommandé de choisir des métaux d'apport contenant des éléments actifs Ti et Zr. Les métaux d'apport binaires sont principalement TiCu et TiNi, utilisables à 1100 °C. Parmi les brasures ternaires, l'AgCuTi(W) (TI) est la plus couramment utilisée et permet le brasage direct de divers métaux et céramiques. Le métal d'apport ternaire peut être utilisé sous forme de feuille, de poudre ou de métal d'apport eutectique AgCu avec de la poudre de Ti. Le métal d'apport B-ti49be2 présente une résistance à la corrosion similaire à celle de l'acier inoxydable et une faible pression de vapeur. Il est particulièrement adapté aux joints d'étanchéité sous vide grâce à sa résistance à l'oxydation et aux fuites. Dans la brasure Ti-V-Cr, la température de fusion est la plus basse (1620 °C) lorsque w(V) est de 30 %, et l'ajout de Cr permet de réduire efficacement la plage de températures de fusion. La soudure B-ti47.5ta5 sans chrome est utilisée pour le brasage direct de l'alumine et de l'oxyde de magnésium, et son assemblage peut fonctionner à une température ambiante de 1 000 °C. Le tableau 14 présente le flux actif pour le brasage direct entre la céramique et le métal.

Tableau 14 métaux d'apport de brasure actifs pour le brasage céramique et métallique

2. Technologie de brasage

Les céramiques pré-métallisées peuvent être brasées sous gaz inerte de haute pureté, sous hydrogène ou sous vide. Le brasage sous vide est généralement utilisé pour le brasage direct des céramiques sans métallisation.

(1) Processus de brasage universel Le processus de brasage universel de la céramique et du métal peut être divisé en sept processus : nettoyage de surface, revêtement de pâte, métallisation de surface en céramique, nickelage, brasage et inspection après soudage.

Le nettoyage de surface vise à éliminer les taches d'huile, de sueur et les films d'oxyde à la surface du métal de base. Les pièces métalliques et la soudure doivent d'abord être dégraissées, puis le film d'oxyde doit être éliminé par lavage acide ou alcalin, rincé à l'eau courante et séché. Les pièces exigeantes doivent être traitées thermiquement dans un four à vide ou à hydrogène (le bombardement ionique peut également être utilisé) à une température et une durée appropriées pour purifier la surface. Les pièces nettoyées ne doivent pas entrer en contact avec des objets gras ni avec les mains nues. Elles doivent être immédiatement placées dans le processus suivant ou dans le séchoir. Elles ne doivent pas être exposées à l'air pendant une longue période. Les pièces en céramique doivent être nettoyées à l'acétone et aux ultrasons, rincées à l'eau courante, puis bouillies deux fois dans de l'eau déionisée pendant 15 minutes à chaque fois.

Le revêtement en pâte est un procédé important de métallisation de la céramique. Il est appliqué sur la surface céramique à métalliser à l'aide d'un pinceau ou d'une machine. L'épaisseur du revêtement est généralement comprise entre 30 et 60 mm. La pâte est généralement préparée à partir de poudre métallique pure (parfois additionnée d'oxyde métallique approprié) dont la granulométrie est d'environ 1 à 5 µm et d'un adhésif organique.

Les pièces céramiques collées sont envoyées dans un four à hydrogène et frittées avec de l'hydrogène humide ou de l'ammoniac craqué à une température de 1 300 à 1 500 °C pendant 30 à 60 minutes. Les pièces céramiques revêtues d'hydrures doivent être chauffées à environ 900 °C pour décomposer les hydrures et réagir avec le métal pur ou le titane (ou le zirconium) restant à la surface de la céramique afin d'obtenir un revêtement métallique.

Pour la couche métallisée MoMn, afin de la rendre imprégnable par la soudure, une couche de nickel de 1,4 à 5 µm doit être électrodéposée ou recouverte d'une couche de poudre de nickel. Si la température de brasage est inférieure à 1000 ℃, la couche de nickel doit être préfrittée dans un four à hydrogène. La température et la durée de frittage sont de 1000 ℃ / 15 à 20 min.

Les céramiques traitées sont des pièces métalliques qui doivent être assemblées dans un ensemble à l'aide de moules en acier inoxydable ou en graphite et en céramique. Les joints doivent être soudés et la pièce doit être maintenue propre tout au long de l'opération ; il est interdit de la toucher à mains nues.

Le brasage doit être réalisé dans un four à argon, à hydrogène ou sous vide. La température de brasage dépend du métal d'apport. Afin d'éviter la fissuration des pièces en céramique, la vitesse de refroidissement ne doit pas être trop rapide. De plus, le brasage peut également exercer une certaine pression (environ 0,49 à 0,98 MPa).

Outre le contrôle de la qualité de surface, les soudures brasées doivent également être soumises à un contrôle des chocs thermiques et des propriétés mécaniques. Les pièces d'étanchéité des dispositifs à vide doivent également être soumises à un essai d'étanchéité conformément à la réglementation en vigueur.

(2) Brasage direct : lors du brasage direct (méthode du métal actif), la surface des soudures céramique et métallique doit être nettoyée avant d'être assemblée. Afin d'éviter les fissures dues aux différents coefficients de dilatation thermique des matériaux constitutifs, une couche tampon (une ou plusieurs couches de tôle) peut être intercalée entre les soudures. Le métal d'apport doit être serré entre les soudures ou placé à l'endroit où l'espace est rempli de métal d'apport, autant que possible. Le brasage doit ensuite être réalisé comme un brasage sous vide classique.

Si une brasure Ag Cu Ti est utilisée pour le brasage direct, la méthode de brasage sous vide doit être utilisée. Lorsque le vide dans le four atteint 2,7 × 10-3 Pa, la température peut alors monter rapidement. Lorsque la température est proche du point de fusion de la brasure, la température doit être augmentée progressivement afin d'uniformiser la température de toutes les pièces soudées. Une fois la brasure fondue, la température doit être rapidement portée à la température de brasage, avec un temps de maintien de 3 à 5 minutes. Lors du refroidissement, la brasure doit être refroidie lentement avant 700 °C, puis refroidie naturellement au four après 700 °C.

Lors du brasage direct de la brasure active Ti-Cu, la brasure peut être composée d'une feuille de Cu et de poudre de Ti, ou de pièces en Cu et d'une feuille de Ti. La surface céramique peut également être revêtue de poudre de Ti et d'une feuille de Cu. Avant le brasage, toutes les pièces métalliques doivent être dégazées sous vide. La température de dégazage du cuivre sans oxygène doit être comprise entre 750 et 800 °C, et celle du Ti, du Nb et du Ta, etc., à 900 °C pendant 15 minutes. À ce stade, le vide ne doit pas être inférieur à 6,7 × 10-3 Pa. Pendant le brasage, assemblez les composants à souder dans le support, chauffez-les au four à vide à 900 ~ 1120 °C et maintenez-les pendant 2 à 5 minutes. Pendant toute la durée du brasage, le vide ne doit pas être inférieur à 6,7 × 10-3 Pa.

Le processus de brasage de la méthode Ti Ni est similaire à celui de la méthode Ti Cu et la température de brasage est de 900 ± 10 ℃.

(3) Méthode de brasage à l'oxyde. Le brasage à l'oxyde permet d'obtenir une connexion fiable en utilisant la phase vitreuse formée par la fusion de la brasure à l'oxyde pour s'infiltrer dans la céramique et mouiller la surface métallique. Il permet d'assembler des céramiques avec des céramiques et des céramiques avec des métaux. Les métaux d'apport pour brasage à l'oxyde sont principalement composés d'Al₂O₃, de CaO₂, de Bao et de MgO. L'ajout de B₂O₃, de Y₂O₃ et de Ta₂O₃ permet d'obtenir des métaux d'apport présentant différents points de fusion et coefficients de dilatation linéaire. De plus, les métaux d'apport pour brasage au fluorure, principalement à base de CaF₂ et de NaF₂, permettent d'assembler des céramiques et des métaux pour obtenir des joints à haute résistance mécanique et thermique.