稀土金属钇靶材焊接性能研究

江西国材科技有限公司以 La 系稀土金属中的钇为研究对象,采用钎焊和扩散焊接两种绑定方式.开展稀土金属钇靶材的焊接技术研究。

 

为制备大尺寸高性能稀土靶材提供依据。

 

 

1.检测方法：

 

纯度为99.99%的稀土靶铜背板和6061AI 背板为原材料

MUCT-1000S 型超声无损检测设备进行焊合率检测

使用SM-IT500HR型扫描电镜观察稀土靶材与背板间的界面扩散情况

 

2.结果与讨论

 

将焊接试样的稀土靶和背板加工成φ100mm×8mm的尺寸。试验中，采用最常用的高纯铟作为焊料，进行稀土靶材与铜底板的结合试验。

采用高纯稀土钇和背板进行了扩散焊接实验。

 

 

2.1稀土金属钇与铜背板焊接性能研究

 

2.1.1稀土钇靶材的浸润性能

 

图1采用中φ100mm×8mm的稀土靶材测试焊料与靶材的浸润性,如图 1a 所示

 

高纯度In焊料与靶材的润湿性差，不能润湿靶材。为了提高稀土靶材的结合质量，对靶材进行了金属化和镀镍处理，以改善靶材的润湿性。

金属化后，解决了In焊料与靶材之间的不润湿问题。如图1b所示。

 

 

 

2.1.2 焊接温度对钇靶材钎焊性能的影响

 

对稀土钇靶（φ100 mmx 8mm）焊接面进行金属化镀镍，以提高稀土的焊接性能，并在不同焊接温度下对钇靶与铜底板进行结合试验。试验参数及结果见表1。焊接速度图如图2所示。

 

 

 

 

随着焊接温度的升高，稀土钇靶材与铜背板的钎焊率增大。260°C时，焊接温度可达99.95%，最大单次损伤可达0.05%。随着温度的升高，In焊料的流动性增加，提高了靶材的焊接速度，但过高的焊接温度会引起高纯In材料的氧化，增加高纯In的量，增加设备能耗。钎焊靶材的焊接率一般要求达到焊接率≥95%，最大单次损伤≤2%。综合考虑焊接质量和成本，钇靶的最佳焊接温度范围为220～240°C。

 

 

2.1.3 稀土钇与铜背板焊接强度及焊接界面分析

 

采用4号稀土钇靶材，制备了焊接强度试样。样的大小如图3所示。测试了稀土靶材的焊接强度。焊接靶材的焊接强度（≥5兆帕）要求。

 

稀土钇材料具有较高的活性，有必要对焊接界面材料的反应进行分析。焊接试样沿直径方向取样，进行焊接界面分析，如图4所示。EDS能谱分析表明，稀土钇与In焊料之间没有明显的反应污染，这是由于稀土与In焊料之间的金属化Ni层起到了隔离稀土与In焊料的阻挡层的作用。

 

                

 

 

 

 

2.2 稀土钇与背板扩散焊接性能的研究

 

2.21 稀土钇与背板扩散焊接设计

 

稀土靶材的焊接表面进行金属化设计，将稀土钇靶材与背板匹配到封装中，对封装进行电子束真空封焊处理，真空封焊后的样品进行热等静压（HIP）试验。

护套与靶材密封焊接后的截面结构图如图5所示。等静压试验的设计和参数见表3。

 

 

 

2.2.2 稀土与背板焊接强度及焊接界面分析

 

将扩散焊试样拆开包装，测试试样1～4的焊接率，制备焊接强度测试试样进行焊接强度测试。焊接率和煤接头强度数据见表4。

 

扩散焊接后，对试样进行加工，去除护套，将1号和2号高纯稀土靶直接与背板分离，靶与背板不焊接在一起。

 

焊接强度测试样品为3号和4号样品进行处理，样品尺寸如图3所示。并进行焊接强度试验，焊接强度分别为26M Pa和70M Pa。

 

3号没有实现高强度焊接，但焊接强度明显高于钎焊。1号试样焊接温度较低，未发生扩散连接。当温度升高到300°C时，2号试样与背板之间没有扩散连接，而3号试样与背板之间发生了扩散焊接。焊接率为100%，焊接强度为26M Pa。在样品稀土和背板之间添加一层镍膜，提高了界面活性，但焊接温度较低。

 

4号试样中的稀土材料与背板进行了扩散焊接，焊接率为100%，同时获得了较高的焊接强度。

 

 

 

3号和4号扩散焊试样沿直径方向取样作为焊接界面分析试样，3号和4号焊接界面的线扫描成分分析结果如图所示。6和图7用能谱仪。

 

 

 

3号和4号扩散焊试样沿直径方向取样作为焊接界面分析试样，3号和4号焊接界面的线扫描成分分析结果如图所示。6和图7用能谱仪。经热等静压后，焊接界面结合紧密。300C扩散焊3号试样的界面发生扩散，扩散区深度约为3m，扩散深度越小，焊接强度越低。400℃扩散焊4号试样的界面发生了扩散，扩散区深度约为8 um。各组分在焊接界面区形成了渐变的互扩散层，分布曲线上没有平台出现，说明焊接界面区互扩散形成的固溶体不形成金属间化合物，焊接强度高达70MPa。如果温度继续升高，扩散区深度继续增大，扩散区内可能发生固相反应和扩散，形成成分稳定的金属间化合物，导致焊接强度下降。具体的温度临界点需要进一步详细的试验分析。

 

 

3. 结论

 

(1) 稀土金属钇靶钎料性能较差，需要进行金属化处理以提高焊接性能。

(2) 稀土金属钇靶的钎焊速度随焊接温度的升高而增大。钇靶的最佳钎焊温度为220～240℃，焊接质量满足常规钎焊的要求。

(3) 在热等静压温度为400°C、压力为110M Pa时，稀土金属钇靶的扩散焊接强度显著高于钎焊焊接强度。保温3小时后，靶材的焊接强度达到70M Pa，扩散焊可获得高焊接强度的靶材。