Ti基非晶合金熔体与Ti合金的润湿行为研究

摘要

近些年来，随着高性能焊接技术、复合材料制备和电子封装工业的发展，研究液/固相之间的润湿行为及其界面相互作用越来越显示出其科学上的理论意义和技术应用上的重要价值。润湿行为和界面交互作用是材料制备和加工过程中的一种常见的物理化学现象，它在很大程度上决定了材料制备的可能性和材料最终的使用性能。连接(钎焊，熔焊以及过渡液相扩散连接(Transient Liquid PhaseBonding,(TLP))是材料制造成零部件时的一种必不可少的加工手段。在这些涉及液相的连接过程中，液相与固相之间的润湿性及界面交互作用决定了材料结合处的相容性，从而在很大程度上决定了其连接的可行性和使用性能。因此，液-固相间的润湿行为对于选择合适的中间结合材料和合理的焊接工艺具有重要的理论意义和实际应用指导价值。本工作选择了Ti基非晶合金熔体和Ti55合金作为研究对象，具体开展以下工作。
　　一、实验材料的选择和成分的优化与表征。确定了1#原始成分为Ti50.8Zr267Be22.5，然后用2at％的Si替代Zr，2at％的Sn分别替代Ti和Zr，设计了三个新型的Ti基非晶合金熔体，编号为2#、3#和4#。制备和表征了4种合金直径为2毫米的棒材和薄带试样。结果显示，1#合金的薄带试样玻璃形成能力(GFA)很有限，含有大量的晶体相，2#改进型相对于1#的GFA有了很大的提高，薄带试样主要是非晶成分。3#和4#合金的GFA有了显著的提高，2mm棒材里面也有部分非晶相。对Ti55合金基片的热处理方式和组织演变规律进行了表征。随热处理制度变化有五个主要的组织形貌特征区域:在1173K以下保温的细长晶粒区-原始的拉拔棒材的微观组织;在1173K到1223K保温的细长晶粒与等轴晶粒的混合区域，随着保温时间延长温度升高，由细长晶粒向等轴晶粒演变;1223K到1263K的细长的等轴晶粒区间;在Ti55合金的相变点附近保温的魏氏组织区间;在Ti55合金相变点以上保温的严重粗化的微观组织特征区间。
　　二、Ti基非晶合金熔体与Ti55合金润湿动力学。研究连续升温和保温过程中的润湿动力学。测出了在不同实验条件下的润湿动力学曲线。重点表征了润湿接触角和润湿接触半径随时间和温度等的变化规律。结果显示，四种非晶合金熔体与Ti55合金之间的润湿性非常好，随着保温时间的延长和加热温度的升高，润湿角减小，润湿半径增大。在1253K到1373K保温半小时的过程中，接触角主要分布在35°到18°的范围，显示了几种改进型的合金体系与原始合金一样在Ti55合金上的润湿性良好。
　　三、液/固界面的交互作用。研究不同条件下润湿过程中液/固界面反应和元素扩散规律。表征了界面形貌和界面反应层的生长规律。结果表明，1#原始合金成分的界面层最厚，生长最快。2#合金具有略微低点的界面层的厚度和界面的生长速度。3#和4#合金熔体具有更低的界面层生长速度和更薄的界面反应层。同时表征出了四种界面层生长的表观激活能Q。1#、2#、3#和4#四种合金在Ti55合金基片上润湿的界面反应层生长的表观激活能分别为113.28kJ/mol、122.8kJ/mol、67.429kJ/mol和78.406kJ/mol。在Ti55合金的相变点以下，界面界面反应层的生长呈现出线性生长的规律，说明了其生长是由扩散诱发相变机制控制的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 材料科学中的润湿行为的研究进展

1．2．1 润湿性

1．2．2 润湿分类

1．2．3 润湿角的类型

1．2．4 润湿性的影响因素

1．2．5 润湿的热力学

1．2．6 润湿的动力学

1．2．7 润湿铺展行为的建模

1．3 金属熔体润湿行为的研究方法

1．4 金属熔体的润湿行为的研究进展

1．4．1 金属基复合材料制备过程中的润湿行为

1．4．2 材料连接中的润湿行为

1．5 非晶合金的发展及其在材料连接中的应用

1．5．1 非晶合金的定义

1．5．2 非晶合金的发展

1．5．3 非晶合金在钎焊材料方面的应用

1．6 本工作的内容和意义

第2章 实验材料、实验设备及实验方法

2．1 实验材料及其制备方法

2．1．1 熔滴合金的成分设计与制备

2．1．2 润湿基片的制备

2．1．3 非晶合金薄带的制备

2．1．4 非晶合金棒材的制备

2．2 润湿性实验

2．3 扫描电子显微镜分析(SEM)和能谱分析(EDS)

2．3．1 Fei公司的Quanta600扫描电镜成像

2．3．2 CARL ZEISS公司的Supra 55扫描电镜

2．3．3 扫描电镜附带的能谱分析(EDS)

2．4 X射线衍射分析(XRD)

2．5 热分析(DSC)

第3章 实验材料的选择设计与表征

3．1 引言

3．2 拉拔的Ti55合金棒材的热处理与组织演变

3．2．1 在1173K以下热处理的Ti55合金的细长晶粒组织

3．2．2 在1198K到1263K热处理的细小的等轴晶粒组织

3．2．3 在1273K的Ti55合金相变点附近保温的魏氏组织

3．2．4 在1283K以上保温的粗大组织

3．2．5 Ti55合金基片的X射线衍射分析

3．3 四种成分Ti基非晶合金的设计与表征

3．3．1 四种非晶合金薄带试样的热分析

3．3．2 四种成分合金2mm棒材的DSC分析

3．4 四种成分合金薄带试样的XRD分析

3．5 两种成分直径为2mm棒材的X射线衍射分析

3．6 本章小结

第4章 Ti基非晶合金熔体与Ti55之间的润湿动力学

4．1 引言

4．2 Ti50．8Zr26．7Be22．5合金熔体与Ti55合金的润湿动力学

4．3 Ti50．8Zr24．7Be22．5Si2合金熔体与Ti55合金之间的润湿动力学

4．4 Ti48．8Zr26．7Be22．5Sn2合金熔体与Ti55合金之间的润湿动力学

4．5 Ti50．8Zr24．7Be22．5Sn2合金熔体与Ti55合金之间的润湿动力学

4．6 本章小结

第5章 Ti基非晶合金熔体与Ti55合金之间的界面特征

5．1 引言

5．2 Ti50．8Zr26．7Be22．5合金熔体与Ti55合金的界面特征

5．2．1 Ti50．8Zr26．7Be22．5／Ti55润湿体系的界面形貌

5．2．2 Ti50．8Zr26．7Be22．5／Ti55润湿体系的界面反应层的生长规律

5．3 Ti50．8Zr24．7Be22．5Si2／Ti55润湿体系的界面特征

5．3．1 Ti50．8Zr24．7Be22．5Si2／Ti55润湿体系的界面形

5．3．2 Ti50．8Zr26．7Be22．5Si2／Ti55润湿体系的界面反应层的生长规律

5．4 Ti48．8Zr26．7Be22．5Sn2／Ti55润湿体系的界面特征

5．4．1 Ti48．8Zr26．7Be22．5Sn2／Ti55润湿体系的界面形貌

5．4．2 Ti48．8Zr26．7Be22．5Sn2／Ti55润湿体系的界面反应层的生长规律

5．5 Ti50．8Zr24．7Be22．5Sn2／Ti55润湿体系的界面特征

5．5．1 Ti50．8Zr24．7Be22．5Sn2／Ti55润湿体系的界面形貌

5．5．2 Ti50．8Zr24．7Be22．5Sn2／Ti55润湿体系的界面反应层的生长规律

5．6 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表文章及申请专利目录

作者简历