cusnti体系扩散偶界面反应的研究

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1、摘要在材料研究的过程中，相图扮演着极其重要的角色，因为它提供了所研究体系中多种可能的亚稳相变的背景及分配系数。虽然现在已经可以利用计算得到很多复杂的相图，短期内实测相图仍然具有不可被替代的重要性。人们采用了很多方法来实际测量相图，其中最重要，也是最有效的方法之一就是扩散偶法。扩散偶就是将两块或几块材料(主要是金属)紧密接触在一起，在一定温度下使其相互扩散并发生反应。保温一段时间后淬火急冷，保持其高温下的组织并进行分析的一种实验方法。基于局部平衡的假设，并利用扩散过程中，在一个扩散偶样品中便可覆盖一个二元系或三元系中所有成分的特性，就可以利用一个

2、样品得到一个等温截面。和传统的合金法测相图相比，扩散偶法可以大幅度提高相图研究的效率。活化焊接(activebraze)是目前被广泛采用的连接陶瓷与金属的工艺，在焊料中添加Ti等表面活性元素，可使其润湿性得到明显改善。Ti，Zr,Hf,Pd等过渡族或稀有金属元素具有较强的化学活性，加至焊料中后在高温下对氧化物、硅酸盐具有亲和性，可和Cu，Ni，Ag，Au，等一同制成陶瓷．金属焊接活性焊料。活性焊料在二界面处可以产生机械或化学结合。机械结合可以认为是焊料质粒嵌入或渗入陶瓷表层微孔区，而化学结合强度归结于焊料和基体间的物质转移和反应。陶瓷界面上的反

3、应会大大促进润湿性。AgCuTi三元焊料系列，对大多数工程陶瓷表面有润湿性，在高温下伴随着液固界面的化学反应和传质扩散，从而在界面形成固溶体相和新化合物相，可提高表面强度。CentmlSouthUniversityMaster’sDegreeThesisAbstract虽然AgCuTi三元系焊料被广泛采用，但是它们的强度及剪切强度还是比较低，并不适用连接铁基的金刚石工具(主要是刀具)。所以有人加入Ni、Fe、Cr等元素来提高焊料合金的强度，但这些元素又会在高温下促使金刚石向石墨转变，反而降低了金刚石的强度。还有人采用增加焊料中沉淀强化相数量，如

4、si3N4、TiC、SiC、WC等的办法来改良焊料的性能，取得了一定的效果。但这种做法又带来了新的问题，就是强化相的数量不可以过多，以便在焊接过程中保持足够多的液相剩余，保证焊接质量。目前为止，Cu—Sn-Ti焊料是在这个方面Cu—Ag—Ti焊料的最佳替代者，可以使金刚石刀具的切削速度及使用寿命均得到提高。这主要是由于Sn的存在，造成焊料中Ti的活性降低，使活化焊接时表面生成强化相的同时在液相中仍可保持较高的Ti浓度，在液相中生成Ti．Sn的强化相，提高工具性能。不仅Cu．Sn—Ti三元系具有重要的实际应用价值，而且它的三个边际二元系也都具有广

5、阔的实际应用领域。Cu．Sn二元系由于其在电子工业的广泛应用已经被多次研究。金属Ti由于其具有良好的物理性能和化学性能而作为电子封装中的焊点下金属(UBM)层电镀在待焊接的电子器件上。在高强高导铜合金的制备过程中加入Ti可以使其在保持良好的导电性的同时获得较高的强度。本文首先制备了cu—Sn．Ti三元系相关的边际二元系的扩散偶，其中Ti．Sn及Cu．Sn两个二元系为固．液扩散偶，Cu—Ti二元系为固态扩散偶，在不同温度下退火不同的时间，利用扫描电镜和电子探针分析了其扩散层组织。Ti／Sn固．液扩散偶在873K下退火30～160mins时，只有S

6、n3Ti2相生成。Cu／Sn固一液扩散偶在808K下退火10mins时，CentralSouthUniversityMaster’sDegreeThesis只有Cu3Sn相生成。当退火时间延长至30mins后在Cu与Cu3Sn的界面上生成了Cu4lSnll。退火60mins后在Cu与Cu4lSnll的界面上又生成了Bcca2。Cu／Ti二元固相扩散偶在1023K下退火1000h后，生成了CuTi2，CuTi，Cu4Ti3，CuaTi4个化合物，而Cu3Ti2相并未在扩散偶中出现。对于Cu—Sn—Ti相关二元系的界面反应产物及相的生成序列采用Th

7、ermocalc软件，依据最大驱动力模型对其相形成序列及形貌进行了预测。预测结果和实验结果吻合得很好。值得注意的是，在Lee等人提出最大驱动力模型的文章中，只提到了最大驱动力模型可以用来预测界面反应中第一个生成的相。而在本文中除Sn．Ti二元系只有一个中间化合物生成外，Cu—Sn二元系在808K下依次生成了该温度下所有的三个化合物，而Cu．Ti二元系则是在退火1000小时后生成了4个化合物，只有一个Cu3Ti2一个化合物没有在扩散偶中出现。本文利用扩散偶试样中，一旦生成了中间化合物，则出现新的亚稳平衡的特点，反复使用最大驱动力模型，成功解释了所

8、出现的实验现象。将1023K下退火1000小时得到的Cu／Ti二元扩散偶与含cu量为20wt．％的Cu．Sn溶液在823K下做成固．固／液三元扩散偶，