急冷Cu基合金箔快速凝固连接研究

摘要

在深入研究急冷Cu基非晶及微晶合金相结构和组织特征的基础上,将急冷快速凝固和储能焊方法相结合,实现了急冷Cu基非晶及微晶合金的快速凝固连接。重点研究了微型熔核的快速形核与生长机制、微观流动特征和亚稳相的稳定性及接头力学性能。取得了以下主要研究结果： 揭示了急冷条件下Cu-Sn合金的组织演变规律。在快速凝固条件下,Cu-7％Sn合金形成单相α-Cu固溶体组织,Cu-13.5％Sn合金由Cu13.7Sn和少量α-Cu相组成,Cu-20％Sn合金由Cu5.6Sn和少量α-Cu相组成。随着冷速增大,带材中柱状晶区缩小,亚稳相截留效应显著,位错密度增大,孪晶数量增多；合金组织显著细化、晶界增多,电阻率增大,显微硬度和抗拉强度升高,伸长率减小。 实现了厚度约20-60μm的Cu-Sn合金箔材的快速凝固连接,获得了与急冷箔材组织和性能相一致的快凝连接接头。急冷Cu-Sn合金微型点焊接头的冷却速率高达106 K/s。接头由熔核区、半熔化区及热影响区组成。熔核区组织为细小均匀的等轴晶,熔合区宽度2.0-3.0μm,热影响区组织未发生粗化。 研究了微型熔核在快速凝固过程中的液相流动行为及其与气孔缺陷形成之间的相关性,揭示了微型熔核中气孔的分布规律及其形成动力学机制。流动液相从熔核心部出发,以电极为对称轴向结合面四周辐射,并以结合面为对称面,呈弯曲流线状向侧面延伸。在结合面上,流线平直且密度较大；而在侧面方向上,流线密度逐渐变得稀疏。液相流动是气孔沿熔核周边分布的驱动力。 Cu-Fe包晶合金微型熔核在快速凝固过程中发生了液相分离现象。富Fe相的小液滴在温度梯度驱动的Marangoni对流作用下向熔核中心移动,并不断凝并长大,最终形成富Fe相在熔核中心区偏聚的组织结构。熔核外围及周边母材组织细小均匀,具有明显的快速凝固特征。随着温度梯度的增大,富Fe相液滴的运动速度呈线性增大。Cu-Fe包晶合金快速凝固连接接头具有较高的力学性能。揭示了非晶合金中亚稳相在焊接过程中的稳定性及非晶接头形成动力学机制。Cu30Zr55Al12Ni3合金玻璃转变温度Tg=677 K,约化温度Trg=0.61;晶化温度Tx=745 K,过冷液相区范围为ΔTx=68 K;非晶形成趋势参数Kg1=0.19,稳定性参数S=0.60;非晶形成临界泠却率Rc=6.20 K/s。非晶态Cu30Zr55Al12Ni3合金的抗拉强度高达1600 MPa,伸长率在0.7-3.0％范围,电阻率为120-220 μΩ·cm。随冷却速率增大,合金抗拉强度增高,伸长率降低,电阻率显著增大。理论计算获得的熔核中心的平均冷却速率高达106K/s,远高于非晶合金的临界冷却速率。快速凝固连接方法获得了均匀致密的非晶态连接接头。非晶相在焊接过程中呈现出良好的稳定性。接头尺寸微小,直径为60-90 μm,非晶接头与母材浑然一体,熔合线消失,熔核中未产生气孔、夹杂等焊接缺陷。接头的剪切强度高达1141 MPa。高的电阻率特性使非晶焊接所需要的能量明显低于微晶合金。

目录

文摘

英文文摘

声明

1文献综述

1.1引言

1.2快速凝固合金的结构特征

1.2.1偏析程度小

1.2.2固溶度扩展

1.2.3晶粒细化

1.2.4形成亚稳相

1.2.5具有非晶结构

1.2.6晶体缺陷密度增加

1.3快速凝固合金的性能特点

1.3.1力学性能

1.3.2电磁学性能

1.3.3耐腐蚀性能

1.3.4特殊性能

1.4亚稳合金的焊接研究进展

1.4.1液相焊接

1.4.2过冷液相焊接

1.5低维亚稳材料的快速凝固连接

1.5.1微连接技术的发展概况

1.5.2低维亚稳材料的连接方法

1.6本文的研究目标及课题来源

参考文献

2研究方案

2.1快速凝固Cu基合金的制备

2.2快速凝固连接装置

2.3快速凝固连接工艺参数

2.3.1电极尺寸

2.3.2焊接压力

2.3.3焊接能量

2.3.4电容和焊接电压

2.4微型熔核温度场的数值模拟

2.5研究方法

2.5.1总体方案

2.5.2快速凝固连接

2.5.3微观组织及相结构分析

2.5.4接头性能

2.6本章小结

参考文献

3快速凝固Cu-Sn合金的亚稳相结构及组织形态

3.1 Cu-Sn合金平衡凝固过程

3.2冷却速率的理论计算

3.3 Cu-7％Sn合金的快速凝固组织演变

3.4 Cu-13.5％Sn合金的快速凝固特征

3.5柱状晶的快速生长

3.6 Cu-20％Sn亚包晶合金的快速凝固特征

3.6.1冷却速率的理论计算

3.6.2快速凝固合金的相选择

3.6.3快速凝固合金的组织特征

3.6.4快速凝固合金中的晶体缺陷

3.6.5快速凝固组织的形成机制

3.7快速凝固Cu-Sn合金的性能表征

3.7.1快速凝固合金的电阻率

3.7.2快速凝固合金的力学性能

3.8本章小结

参考文献

本章主要内容发表于：

4 Cu-Sn合金急冷箔的快速凝固连接

4.1 Cu-Sn合金急冷箔快速凝固连接接头组织

4.1.1 Cu-7％Sn合金箔接头组织

4.1.2 Cu-13.5％Sn合金箔接头组织

4.1.3 Cu-20％Sn合金箔接头组织

4.2熔核的冷却速率

4.3熔核中的液相流动

4.4熔核中的气孔

4.5接头的力学性能

4.6本章小结

参考文献

本章主要内容发表于：

5 Cu-Fe包晶合金急冷箔的快速凝固连接

5.1合金成分

5.2 Cu-Fe合金的快速凝固组织

5.3 Cu-Fe合金急冷箔的快速凝固连接

5.3.1点焊接头组织

5.3.2熔核温度场

5.3.3分离液相的运动特征

5.3.4熔核组织

5.4接头力学性能

5.4.1工艺因素对接头力学性能的影响

5.4.2接头断口形貌

5.5本章小结

参考文献

本章主要内容发表于：

6 CU30Zr55Al12Ni3合金的玻璃形成能力及性能表征

6.1 Cu30Zr55Al12Ni3合金的微结构

6.2 Cu30Zr55Al12Ni3合金的玻璃形成能力

6.2.1合金的过冷液相区宽度

6.2.2合金的约化玻璃转变温度

6.2.3非晶合金稳定性参数

6.2.4合金的非晶形成趋势参数

6.2.5非晶合金的结晶激活能

6.2.6非晶形成临界冷却速率

6.3非晶合金快速凝固过程中的传热与熔体流动数值模拟

6.3.1急冷液池的温度场

6.3.2急冷非晶合金的冷却曲线

6.3.3急冷液相的流动矢量场

6.4非晶合金的性能表征

6.4.1 Cu30Zr55Al12Ni3非晶合金的力学性能

6.4.2 Cu30Zr55Al12Ni3非晶合金的电阻率

6.5本章小结

参考文献

7 CU30Zr55Al12Ni3非晶合金的快速凝固连接

7.1非晶合金的选择及其快速凝固连接

7.2接头形貌与微观相结构

7.3非晶接头冷却速率

7.4非晶合金的焊接特点

7.4.1非晶合金的焊接性分析

7.4.2非晶合金焊接常见缺陷

7.5非晶接头的力学性能

7.5.1焊接参数对接头性能的影响

7.5.2接头断口形貌

7.6本章小节

参考文献

本章主要内容发表于：

8结论

致 谢

附 表

攻读博士学位期间发表的论文