锡铜包晶合金凝固的组织调控及同步辐射成像

摘要

包晶反应广泛存在于很多功能和结构合金材料中。不同生长条件下的包晶反应将直接影响两相的形态和体积比例，进而影响材料的物理及力学性能。目前，对包晶合金的研究主要是关于初生相为固溶体的包晶合金体系，而对领先相属于金属间化合物（IMCs）的包晶合金体系研究少有涉及。因金属间化合物通常情况下以有较强各向异性的小平面方式生长，易形成组织粗大、形态各异的形貌。包晶合金本身存在两次形核长大过程，其凝固过程极其复杂。如果能够原位观测和表征小平面包晶合金的凝固过程，获得第一手最直接最准确的实验数据，将对小平面包晶合金的凝固机制的研究带来极大的方便。
　　本文以Sn-Cu系小平面包晶合金为研究对象，基于同步辐射X射线原位实时成像技术，对电场（直流、脉冲电流和垂直交互的电流）作用下包晶合金凝固过程IMCs的动态生长过程进行实时监测。同步辐射成像实验捕获一系列IMCs的动态生长行为图像，同时借助XRD和SEM检测手段，证实IMCs是Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物。本文还借助同步辐射成像实验，探究了冷却速率对Sn-Cu包晶合金凝固组织的影响。
　　本文主要取得了以下研究成果：（1）Sn-10%Cu过包晶合金凝固过程被实时原位观察，当施加20A/cm2和200A/cm2直流电场时，包晶相从液相直接析出形核而初生相形核生长则受到抑制，并实时观察了包晶相二次枝晶臂的生长和重熔的动态过程。（2）在脉冲电场的作用下，Sn-10%Cu过包晶合金的初生相形核生长受到抑制，包晶相直接形核生长；脉冲电场与直流电场相比，包晶相明显被细化。（3）在垂直交互的电场作用下，Sn-10%Cu初生相的形核受到抑制而包晶相直接从液相中形核生长，并且X-型和花瓣型包晶相枝晶臂都发生分叉现象，X-型包晶相通过分叉有向花瓣型包晶相转变的趋势。（4）当冷却速率为3℃/min时，初生相呈现为粗大板条状，并且还伴随有短棒状的初生相，X-型包晶相生长取向也会发生改变，枝晶臂中间出现弯曲现象；当冷却速率为1℃/min时，初生相以块状和短棒状形式存在，长条状的初生相消失；在冷却速率1℃/min时，Sn-20%Cu合金的初生相的尺寸非常大，初生相的生长取向发生改变并发生分叉现象，并未出现X-型和花瓣型包晶相Cu6Sn5，而是以树枝状形式存在。
　　本文通过同步辐射成像技术实时原位地观察了Sn-Cu包晶合金凝固的过程，研究直流、脉冲电流和垂直交互的电流对初生相和包晶相生长演变影响，及冷却速率对初生相和包晶相的影响，并解释了其机理。为进一步完善小平面包晶合金凝固机理，获得的第一手最直接最准确的实验数据，将对包晶合金的凝固机制的研究带来极大的方便。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 Sn-Cu系焊料的研究进展

1.3 包晶反应的主要研究方法

1.4 同步辐射实时成像技术概述

1.5 电场在凝固过程中的应用

1.6 本文主要研究内容

2 实验方法

2.1 实验材料选取及样品制备

2.2 同步辐射成像实验

2.3 显微结构组织分析

3 直流电场对Sn-10%Cu包晶合金的影响

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 实验结果

3.4 实验结果分析

3.5 本章小结

4 脉冲及垂直交互电场对Sn-10%Cu合金凝固的影响

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 实验结果

4.4 实验结果分析

4.5 本章小结

5 冷却速率对Sn-Cu合金凝固的影响

5.1 引言

5.2 实验过程

5.3 实验结果

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢