Brasage des céramiques et des métaux : Explication

1. Caractéristiques du brasage

Le brasage de céramiques sur des céramiques ou de céramiques sur des composants métalliques peut s'avérer assez difficile. La plupart des métaux d'apport pour le brasage forment des sphères sur la surface de la céramique, ce qui entraîne un mouillage insuffisant ou inexistant.

Les métaux d'apport qui peuvent mouiller les céramiques ont tendance à former divers composés fragiles à l'interface du joint (tels que des carbures, des siliciures et des composés ternaires ou multicomposants), ce qui affecte les propriétés mécaniques du joint.

En outre, en raison des différences significatives entre les coefficients de dilatation thermique des céramiques, des métaux et des métaux d'apport pour le brasage, contrainte résiduelle peut exister dans le joint après le refroidissement de la température de brasage à la température ambiante, ce qui peut entraîner une fissuration du joint.

L'utilisation de métaux d'apport actifs créés par l'ajout d'éléments métalliques réactifs aux métaux d'apport conventionnels peut améliorer le mouillage des surfaces céramiques. L'utilisation d'un brasage à basse température et de courte durée peut réduire l'impact des réactions d'interface.

La conception de configurations de joints appropriées et l'utilisation de couches métalliques simples ou multiples comme couches intermédiaires peuvent contribuer à minimiser les contraintes thermiques dans le joint.

Métaux d'apport pour le brasage Le brasage des céramiques sur les métaux est généralement réalisé dans un four sous vide, dans une atmosphère d'hydrogène ou d'argon. Les métaux d'apport pour le brasage de dispositifs électroniques sous vide ont des exigences spécifiques supplémentaires en plus des caractéristiques générales.

Par exemple, le métal d'apport ne doit pas contenir d'éléments qui génèrent des pressions de vapeur élevées afin d'éviter les problèmes tels que les fuites diélectriques et l'empoisonnement de la cathode dans les appareils. Il est généralement spécifié que la pression de vapeur du métal d'apport pendant le fonctionnement de l'appareil ne doit pas dépasser 10-3Pa et que la teneur en impuretés à haute pression de vapeur doit être comprise entre 0,002% et 0,005%.

La teneur en oxygène du métal d'apport (W(o)) ne doit pas dépasser 0,001% afin d'éviter la production de vapeur d'eau pendant le brasage dans une atmosphère d'hydrogène, ce qui pourrait provoquer des éclaboussures du métal d'apport en fusion. En outre, le métal d'apport doit être propre et ne doit pas présenter d'oxydes de surface.

Pour le brasage des céramiques après métallisation, il est possible d'utiliser des métaux d'apport en alliage tels que le cuivre (Cu), le nickel (Ni), l'argent-cuivre (Ag-Cu) et l'or-cuivre (Au-Cu). Lors du brasage direct de céramiques sur des métaux, il convient d'utiliser des métaux d'apport contenant des éléments réactifs tels que titane (Ti) et le zirconium (Zr).

Parmi les métaux d'apport binaires, Ti-Cu et Ti-Ni sont couramment utilisés et peuvent être employés dans la plage de 1100℃. Dans les métaux d'apport ternaires, Ag-Cu-Ti (avec une teneur en (W)Ti inférieure à 5%) est fréquemment utilisé pour le brasage direct de diverses céramiques sur des métaux.

Ce système ternaire peut être utilisé avec une feuille, une poudre ou un métal d'apport eutectique Ag-Cu combiné à de la poudre de Ti. Le métal d'apport pour brasage B-Ti49Be2 présente une résistance à la corrosion similaire à celle de l'acier inoxydable et a une pression de vapeur plus faible, ce qui en fait un choix préférable pour les joints scellés sous vide qui nécessitent une prévention de l'oxydation et des fuites.

Dans le système Ti-V-Cr, l'ajout de Cr réduit efficacement la plage de température de fusion, la température de fusion la plus basse étant atteinte à 30% W(V). Le métal d'apport de brasage B-Ti47,5Ta5, sans Cr, a été utilisé pour le brasage direct de l'alumine et de la magnésie, permettant au joint de fonctionner à une température ambiante de 1000℃. Les charges de brasage actives pour le collage direct des céramiques aux métaux sont indiquées dans le tableau 14.

Tableau 14. Charges de brasage actives pour le brasage des céramiques sur les métaux

2. Technologie du brasage

Les céramiques pré-métallisées peuvent être brasées dans des environnements de gaz inerte de haute pureté, d'hydrogène ou de vide. Pour le brasage direct de céramiques non métallisées, le brasage sous vide est généralement recommandé.

(1) Généralités Processus de brasage pour la céramique et les métaux

(1) Le processus général de brasage pour les céramiques et les métaux peut être divisé en sept étapes : nettoyage de la surface, application de la pâte, métallisation des surfaces céramiques, nickelage, brasage et inspection après brasage.

Le nettoyage de la surface consiste à éliminer les taches d'huile, les traces de sueur et les films d'oxyde de la surface du matériau de base. Les pièces métalliques et le matériel de brasage doivent être dégraissés, puis traités à l'acide ou à l'alcali pour éliminer les films d'oxyde, suivis d'un rinçage à l'eau courante et d'un séchage.

Les pièces de haute qualité doivent subir un traitement thermique à une température et une durée appropriées dans un four sous vide ou un four à hydrogène (le bombardement ionique peut également être utilisé) afin de purifier la surface de la pièce.

Les pièces nettoyées ne doivent pas entrer en contact avec des objets huileux ou les mains nues et doivent immédiatement passer au processus suivant ou être placées dans un dispositif de séchage, en évitant une exposition prolongée à l'air.

Les pièces en céramique doivent être nettoyées à l'acétone par ultrasons, rincées à l'eau courante et enfin bouillies deux fois dans de l'eau déminéralisée pendant 15 minutes à chaque fois.

L'application de la pâte est une étape cruciale de la métallisation des céramiques. Elle consiste à appliquer la pâte sur la surface céramique à métalliser à l'aide d'un pinceau ou d'un applicateur de pâte.

L'épaisseur du revêtement est généralement comprise entre 30 et 60 micromètres, et la pâte est généralement composée d'une poudre de métal pur dont la taille des particules est d'environ 1 à 5 micromètres (parfois avec l'ajout d'oxydes métalliques appropriés) et d'un liant organique.

Les pièces céramiques avec la pâte appliquée sont ensuite placées dans un four à hydrogène et frittées à une température de 1300-1500°C pendant 30-60 minutes en utilisant de l'hydrogène humide ou de l'ammoniac craqué. Les céramiques contenant des hydrures appliqués doivent être chauffées à environ 900°C pour décomposer l'hydrure et réagir avec le métal pur ou le titane (ou le zirconium) résiduel sur la surface de la céramique afin d'obtenir un revêtement métallique.

Dans le cas de la couche de métallisation Mo-Mn, afin de favoriser le mouillage avec le matériau de brasage, une couche de nickel de 1,4 à 5 micromètres d'épaisseur est déposée par électrolyse ou revêtue de poudre de nickel. Si la couche de température de brasage est inférieure à 1000°C, la couche de nickel doit également subir un pré-frittage dans un four à hydrogène à une température et une durée de 1000°C/15-20 minutes.

Les céramiques traitées sont traitées comme des pièces métalliques et assemblées avec des moules en acier inoxydable, en graphite ou en céramique pour former un tout. Le matériau de brasage est appliqué au niveau du joint et la pièce doit être maintenue propre pendant toute l'opération, en évitant de la toucher à mains nues.

Le brasage est effectué dans un four à argon, à hydrogène ou sous vide. La température de brasage dépend du matériau de brasage et, pour éviter la fissuration de la céramique, la vitesse de refroidissement ne doit pas être trop rapide. En outre, une certaine pression peut être appliquée pendant le brasage (environ 0,49-0,98MPa).

Après le brasage, les pièces soudées doivent subir une inspection de la qualité de la surface, ainsi que des tests de choc thermique et de performance mécanique. Les composants d'étanchéité utilisés dans les appareils à vide doivent également subir des tests d'étanchéité conformément aux réglementations en vigueur.

(2) Brasage direct

Lors du brasage direct (méthode du métal actif), les pièces céramiques et métalliques à braser sont d'abord soumises à un nettoyage de surface, puis assemblées.

Pour éviter les fissures dues aux différents coefficients de dilatation thermique, une couche tampon rotative (un ou plusieurs feuilles de métal) peut être placé entre les joints. Dans la mesure du possible, le matériau de brasage doit être placé entre les deux pièces ou dans les espaces remplis de matériau de brasage, puis brasé de la même manière que le brasage sous vide conventionnel.

Lors de l'utilisation du matériau de brasage Ag-Cu-Ti pour le brasage direct, la méthode de brasage sous vide doit être utilisée. Le chauffage doit commencer lorsque le degré de vide dans le four atteint 2,7×10-3Pa.

À ce stade, un chauffage rapide peut être appliqué ; toutefois, lorsque la température approche le point de fusion du matériau de brasage, il doit être chauffé lentement pour assurer une distribution uniforme de la température dans toutes les parties du joint.

Une fois que le matériau de brasage a fondu, la température doit être rapidement augmentée jusqu'à la température de brasage, avec un temps de maintien de 3 à 5 minutes. Pendant le refroidissement, il convient de procéder à un refroidissement lent avant d'atteindre 700°C, tandis qu'après 700°C, un refroidissement naturel peut être autorisé.

Pour le brasage direct avec un matériau de brasage actif Ti-Cu, le matériau de brasage peut prendre la forme d'une feuille de Cu avec de la poudre de Ti ou d'un composant de Cu avec une feuille de Ti, ou encore de la poudre de Ti peut être appliquée sur la surface de la céramique, suivie de l'ajout d'une feuille de Cu.

Toutes les pièces métalliques doivent être dégazées sous vide, la température de dégazage pour le cuivre exempt d'oxygène étant de 750-800°C, et pour le Ti, le Nb, le Ta, etc., la température de dégazage doit être de 900°C pendant 15 minutes. Le degré de vide à ce stade ne doit pas être inférieur à 6,7×10^-3Pa.

Pendant le brasage, les composants à braser doivent être assemblés dans un dispositif et chauffés dans un four à vide à une température comprise entre 900 et 120 °C, avec un temps de maintien de 2 à 5 minutes. Pendant toute la durée du processus de brasage, la pression du vide ne doit pas être inférieure à 6,7×10^-3Pa.

Le processus de brasage utilisant la méthode Ti-Ni est similaire à la méthode Ti-Cu, la température de brasage étant de 900±10°C.

(3) Méthode de brasage à l'oxyde

La méthode de brasage à l'oxyde utilise un matériau de brasage à l'oxyde qui forme une phase vitreuse lorsqu'il est fondu, ce qui lui permet de s'infiltrer dans la céramique et de mouiller la surface du métal, réalisant ainsi des connexions fiables. Cette méthode peut être utilisée pour assembler des céramiques entre elles ou des céramiques avec des métaux.

Les principaux composants des matériaux de brasage à l'oxyde sont l'Al₂O₃CaO, BaO, MgO, et l'ajout de B₂O₃Y2O3, Ta₂O₃etc. peuvent donner des matériaux de brasage ayant des points de fusion et des coefficients de dilatation linéaire différents.

En outre, les matériaux de brasage à base de fluorure, principalement composés de CaF₂ et NaF peuvent également être utilisés pour assembler des céramiques et des métaux, ce qui permet d'obtenir des joints très solides et résistants à la chaleur.