（材料加工工程专业论文）铝基非晶薄带的扩散连接工艺及机理研究.pdf

硕十。伊论文 摘要 铝基非晶态合金更具有有高强度、高韧性、轻质、廉价、耐蚀性等特点，备 受研究人员关注。但由于其玻璃形成能力较差，难以在实际工程中大量应用。本 文利用扩散连接技术，成功实现了多层a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带、及a 1 8 6 n i g y 5 非晶薄 带与纯铝、纯铜的连接，利用x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、能谱仪( e d s ) 等实验方法对扩散连接界面的显微结构、形貌及元素扩散行为进行了试验研究。 实验结果表明，多层a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带扩散连接的最佳参数为：温度2 6 0 、时间4 5 m i n 、压力1 0 m p a ；a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带和纯铝扩散连接的最佳参数 为：温度2 3 0 、时间4 5 m i n 、压力o 5 m p a ：a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带和纯铜扩散连 接的最佳参数为：温度2 9 0 、时间6 0 m i n 、压力1 5 m p a 。 本文对非晶态合会的扩散连接机制进行了探讨，非晶合金的扩散连接过程分 为两个阶段，即塑性变形阶段和孔洞收缩阶段。第一阶段主要是在压力作用下完 成的，第二阶段主要是原子之间相互扩散的过程。 a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带与纯铝的扩散连接结果表明，压力太大会引起材料的宏 观变形，随着压力的增加，试样的变形量也增大。 在a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带和纯铜的扩散连接过程中，温度和时间对元素的扩散 行为有着重要影响。随温度升高，元素的扩散速度和扩散距离增加；而保温时间 越长，元素扩散越充分，越利于形成成分均匀的接头。 关键词：铝基非晶合金；扩散连接；扩散 锆墓块体1 卜品态合余钓搅拌哮撺! 丌连接r 艺及机理研究 a b s t r a c t a i b a s e da m o r p h o u sa l l o y sh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nd u et oi t ss p e c i a l p e r f o r m a n c es u c ha sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，g o o dd u c t i l i t y ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n d r e a s o n a b l yl o wp r i c e b u tb e c a u s eo fi t sl o wg l a s sf o r m i n ga b i l i t y ， i ti sd i f f i c u l t yt o e x t e n di t sa p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e rt h eb o n d i n g so ft h em u l t i l a y e ra i s 6 n i 9 y 5 a m o r p h o u sr i b b o n s ， a l s 6 n i g y 5a m o r p h o u sr i b b o n a 1 ， a n da 1 8 6 n i 9 y 5a m o r p h o u s r i b b o n c ub yv a c u u md i f f u s i o nw e l d i n gw e r eo b t a i n e d t h em i c r o s t r u c t u r e ， a p p e a r a n c ea n de l e m e n t sd i f f u s i o nb e h a v i o ro ft h ed i f f u s i o ni n t e r f a c e sw e r es t u d i e d b ym e a n so f x r d ， s e m ，a n de d s t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fh e a t i n gt e m p e r a t u r e2 6 0 。c 、 t i m e4 5 m i na n dp r e s s u r e1 o m p a ，t h em u l t i l a y e ra l s 6 n i 9 y 5a m o r p h o u sr i b b o n sw e r e s u c c e s s f u l l yj o i n e d ，a i s 6 n i 9 y 5a m o r p h o u sr i b b o n a 1w e r es u c c e s s f u l l yjo i n e dw h i l e t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ea sf o l l o w s ：h e a t i n gt e m p e r a t u r e2 3 0 c 、t i m e4 5 m i na n d p r e s s u r e0 5 m p a w h i l eh e a t i n gt e m p e r a t u r e2 9 0 、t i m e6 0 r a i na n dp r e s s u r e1 5 m p a ， a l s 6 n i 9 y 5a m o r p h o u sr i b b o n c uw e r es u c c e s s f u l l yj o i n e d i nt h i sp a p e r ，t h ed i f f u s i o nb o n d i n gm e c h a n i s mo fa m o r p h o u sa l l o y sw a sa l s o d i s c u s s e d t h ed i f f u s i o nb o n d i n gp r o c e s s e sc o n s is t so ft w os t a g e s ：o n ei st h ep l a s t i c d e f o r m a t i o ns t a g ea n dt h eo t h e ri st h ev o i ds h r i n k a g es t a g e t h et e s tr e s u l t so ft h ed i f f u s i o nb o n d i n go fa l s 6 n i 9 y 5a m o r p h o u sr i b b o n a 1s h o w t h a tt h ep r e s s u r eh a sa ni m p o r t a n te f f e c to nt h em a c r o s c o p i cd e f o r m a t i o no fm a t e r i a l s t h el a r g e rt h ep r e s s u r ei s ，t h em o r et h ed e f o r m a t i o no fm a t e r i a l si s d u r i n gt h ed i f f u s i o nb o n d i n go fa i s 6 n i 9 y 5a m o r p h o u sr i b b o n c u ，t h et e m p e r a t u r e a n dt h et i m eh a v ei m p o r t a n te f f e c t so nt h ee l e m e n t sd i f f u s i o nb e h a v i o r w h i l et h e t e m p e r a t u r ew a si n c r e a s e d ，t h ed i f f u s i o ns p e e da n dt h ed i f f u s i o nd i s t a n c ew e r e i n c r e a s e d ，t o o a n dp r o l o n g i n gt h et i m ei sg o o df o rf o r m i n gt h eu n i f o r mc o m p o s i t i o n j o i n t k e y w o r d s ：a i b a s e da m o r p h o u sa l l o y s ；d i f f u s i o nb o n d i n g ；d i f f u s i o n i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： h 磐吼加脾汐月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 一 作者虢易、落 刷醛 一，u 日期：励年莎月歹日 日期：年月 日 品t - 硕十学伊论文 第1 章绪论 非晶态合金又称金属玻璃，是目前材料科学中广泛研究的一个新领域，也是 一种发展迅速的重要新型材料。所谓非晶态是相对于晶态而言，是物质的另一种 结构状态，它不像晶态那样呈长程有序排列，而是一种具有长程无序、短程有序 的结构。从某种意义来说，非晶态结构是无缺陷的，不是像晶体材料那样有位错 和晶界等。相反，我们也可以认为非晶态合金所具有的无定形结构是连续的缺陷， 因为其中每处都没有正常晶体材料那样的周期性。 1 1 非晶合金的发展历程 关于非晶态合金的首次报道是在1 9 3 8 年，k r a m e n 【l ，2 】通过蒸发沉积在玻璃 冷基底上发现了非晶态金属薄膜；1 9 5 1 年，b r e n n e r 等【3 】用电沉积法制备出了 n i p 及c o p 非晶合金，主要用于做耐磨和耐腐蚀涂层；1 9 5 8 年，t u m b u l l 等 人通过对氧化物玻璃、陶瓷玻璃和会属玻璃的相似性的分析，确定了液态过冷对 非晶形成的影响，预言了合成非晶的可能性，揭丌了非晶研究的序幕；1 9 6 0 年， 美国加州理工大学的d u w e z 教授领导的研究小组【4 5 】首次采用快速凝固工艺制 备出a u s i 系非晶态合金，开创了采用熔体急冷法制备金属玻璃的历史；1 9 6 9 年，美国人p o n d 和m a d d i n 【6 】在制备非晶薄带的技术方面的研究为非晶态合金的 规模生产奠定了基础，并激发了对非晶合金研究工作的急剧增长。 晶态合金由于其独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔 的应用前景，一直受到材料科学工作者和产业界的特别关注。通过不断改进生产 非品合金的设备条件和工艺条件，开发出了大量具有磁学性能、超导特性、形状 记忆效应等优异性能的非晶合金系统。由于非晶态合金具有这些优异的特性和广 泛的应用潜力，人们一直期望能够在实际的工程中很好的应用它们。然而，由于 工艺条件的限制，2 0 世纪九十年代以前的非晶态合金都是通过单辊薄带技术制 备出来的，厚度约为几十个微米量级。这种薄带显然在许多实际的工程中无法应 用，这样的尺寸条件严重的限制了非晶态合金更广泛的应用。 直到1 9 7 4 年，c h e n 制备出直径达l - - - 3m m 的p d c u s i 、p d - n i p 、p t n i p 非晶棒1 7 j ，金属玻璃的研究才逐渐向大块化方向发展。2 0 世纪8 0 年代，日本东 钒萆1 卜tr 】薄带的扩散连接1 。艺及机理研究 北大学的i n o u e 教授等人【8 】发现了具有玻璃转变能力的l a a 1 n i 和l a a 1 c u 非 晶合金之后，陆续开发出了 z r 基【9 1 、 f e 基 1 0 , 1 1 j 、 p d 基f 1 2 j 、y i 基【1 3 】和m g 基f 】4 】等1 0 多种具有较强非晶形成能力的多组元非晶合 金，并制备出大块非晶合金。1 9 9 3 年，j o h n s o n 等人【1 5 1 发现了迄今为止非晶形成 能力最好的z r t i c u n i b e 合会系。它由常用金属元素组成，其形成能力接近传 统氧化物玻璃，非晶合金直径最大达十多厘米，重达2 0 多公斤，冷却速率在1 k s 左右，大大低于非晶急冷法1 0 6 k s 的冷却速率。尽管b e 不是一种环境友好元素， 但这种合金体系的出现，预示着更大尺寸的金属玻璃的形成是有希望的。1 9 9 6 年，i n o u e 工作组【1 q 对p d - n i p 合金系又做了进一步的研究，通过添加合金元素 获得了直径达4 0 0 m mp d n i c u p 的金属玻璃棒。在i n o u e 和j o h n s o n 的研究基 础上，科学家们又研究出了f e 基、a 1 基、c u 基和t i 基等可形成块体金属玻璃 的合金体系。 我国对非晶合金的研究从1 9 7 6 年开始，国家科委一直将非晶合金的研究、 开发、产业化列入重大科技攻关项目。“九五”期间，组建了“国家非晶微晶合 金工程技术研究中心”，建立了“千吨级非晶带材生产线”，非晶态合金的产业化 进程大大加快，现已初步形成非晶态合金科研开发和应用体系。国内关于大块非 晶合金的研究主要集中于中科院物理所、金属所【1 7 19 1 ，现在各大学也加大了对 非晶的研究力度。 近年来，在非晶的研究领域中，中国科学家已成为该领域的一支重要力量， 国内许多研究组一直在从事非晶以及相关物理问题的研究，在结构、物性、制备、 应用研究等方面有较雄厚的实力。现在已经可以制备出多种有自主知识产权的大 尺寸块体非晶体，并在块体非晶结构、形成规律、力学和物理性能以及应用开发 等方面做出了很多有特色的工作，引起国际同行的广泛关注和重视。 1 2 非晶合金的性能与应用 1 2 1 块体非晶合金的力学性能和应用 非晶态合金具有极高的断裂强度和屈服强度，并兼备良好的塑性，可承受 1 8 0 。弯曲而不发生断裂，因此，是一种理想的塑性材料，可用于制造模具，而 晶态合金很难同时具备这样好的性能。非晶合会的硬度高，可应用于精密光学部 件。其优异的耐磨性可制作磁头，文献 2 0 】中报道，用 2 n 矿卜学伊论文 f e 0 0 6 c 0 0 8 9 ( r u c r ) 0 0 5 1 7 5 ( s i 0 2 8 0 8 ) 2 5 非晶合金制作的录放磁头，运行10 0 0 h 的磨损量为铁硅铝合金磁头( s e n d u s th e a d ) 的2 3 ，为坡莫合金磁头( p e r m a l l o yh e a d ) 的1 3 。非晶态合金还可以通过改变成分和控制制备工艺条件等改善其力学性能， 以获得超高强度的合金。因此，非晶态合金可用于水泥制品、轮胎、传送带、高 压管的加固增强纤维、各种刀具中等。 1 2 2 块体非晶合金的化学性能和应用 由于非晶态的结构是长程无序，没有晶界，所以非晶态合金的化学性能和电 化学性能的均匀性非常高，同时，非晶态合金是由液态合金急冷获得，所以不存 在偏析、夹杂物和第二相，只有原子的短程有序排列，因此非晶态合金具有良好 的抗局部腐蚀能力。实验证明，当块体非晶合金中含有一定量的铬和磷时，具有 更高的抗腐蚀性能。如f e c r - c 、f e c r - n i p 块体非晶合金在酸性和中性氯化物 介质中( 如不同浓度的盐酸和1 0 的f e c l3 水溶液) ，不发生点蚀。当( c r ) 8 时，块体非晶合金经1 6 8h 浸渍实验，腐蚀速率为零，远远高于抗腐蚀性较好的 c r n i 不锈钢【2 l 】。块体非晶合金耐蚀性好的另一个主要原因是能迅速形成致密、 均匀、稳定的高纯度钝化膜。与晶态合金相比，块体非晶合金钝化膜的形成速率 快。由于块体非晶合会组织结构均匀，不存在晶界、位错、成分偏析等腐蚀形核 部位，所以钝化膜非常均匀。用z r 基块体非晶合金制造的手术刀刀口异常锋利， 不易钝化，性能稳定，使用寿命长；在整形外科领域，z r 基块体非晶合金被用 来作为制造耐磨、耐蚀、高强度的人造关节和接骨板等的材料。块体非晶合金优 异的吸放氢性能和抗腐蚀性能也使其成为燃料电池理想的储氢材料和电极支撑 材料。 1 2 3 块体非晶合金的物理性能和应用 由于原子的无序堆砌，没有晶界、位错等晶体缺陷，块体非晶合金磁性材料 具有高磁导率、高磁感、低铁损和低矫顽力等特性，而且无磁各向异性。非晶态 合金可以形成一系列性能优良的软磁材料，如铁基、铁镍基和钴基等块体非晶 合金，广泛应用于电力、电子工业领域，高磁化强度的非晶态合金的磁损耗比其 他已知的晶态合金低。采用铁基非晶合金作为铁心材料的配电变压器，其空载损 耗可比同容量的硅钢心变压器降低6 0 8 0 ；美国通过使用这种变压器每年 可节约将近5 0 1 0 9k w h 的空载损耗，节能产生的经济效益约为3 5 亿美元；同 乍吕蔓1 r 品i 丐带n 勺扩散连 = 芟f 。艺砭 4 l 理硼冗 时，减少电力损耗也就降低了发电的燃料消耗，从而减少诸如c 0 2 、s 0 2 、n o 。 等有害气体的排放量。非晶态合金的电阻率比同类晶态合金高，且电阻率温度系 数较小为负数，故可以大大降低材料的涡流损耗。新近开发的超薄非晶合金带， 其高频性能极佳，在1m h z 高频下，5 5 u m 厚的非晶合金铁心的损耗为高频铁氧 体的2 5 ，仅为超坡莫合金的1 3 2 2 1 。 1 3 非晶合金的形成原理 1 3 1 块体非晶合金的玻璃形成能力 玻璃形成能力( g l a s s f o r m i n ga b i l i t y ，简称g f a ) 对理解大块金属玻璃合金体 系的玻璃态形成本质以及设计和发展新的大块金属玻璃合金体系是至关重要的。 熔体的玻璃态形成能力用临界冷却速度来表征，临界冷却速度是指熔体在 冷却过程中保持非晶态而不发生结晶析出的最小冷却速度，临界冷却速度越 小，体系的玻璃态形成能力就越大。但是，是个很难精确测量的参数。多年 来人们一直在寻找着一种能够表征金属玻璃形成能力的简单可靠的标准，在差热 分析测量的特征温度的基础上，人们提出了许多反映大块金属玻璃非晶形成能力 的判据f 2 3 1 。目前广泛应用的是约化玻璃转变温度t 曜( t 瞎= t g t 1 ) 和过冷液相区 t x ( t 。= t 。t g ) ，随着t r g 和t x 的增大，合金的玻璃形成减小，也就是 合金的非晶形成能力增强。 1 3 2 块体非晶合金的成分设计原则 影响非晶形成能力的因素有：合金中原子的键合特征、电子结构、原子尺寸 的相对大小、各组元的相对含量、合金的热力学性质以及相应的晶态结构等。一 般情况，如果某种物质具有非常致密的随机原子堆垛结构、高的约化玻璃转变温 度( t 堆) 、宽的过冷液体温度区( a t x ) 、大的固液相界面能( o ) 和高的粘度( t 1 ) ， 原子问相互作用大使长程扩散难，从而具有大的玻璃形成能力( g f a ) 。对非晶形 成的可能性i n o u e 总结了3 条实验规律【2 4 2 刀： ( 1 ) 合金系由三个以上组元组成。由热力学可知，增加合金中的组元数可以有 效地提高结晶转变的熵变，从而降低形核的驱动力，合金的非晶形成能力也随 之增强。 ( 2 ) 主要组元原子要有1 2 以上的尺寸差。各组元间具有大的原子尺寸差使过 4 矿十。乎 寺论文 冷液体具有更致密的原子堆垛结构，从而降低液态与晶态之间的焓变。此外致 密的堆垛结构使原子长程扩散变得困难，从而抑制晶态相的形核。 ( 3 ) 各元素间要有大的负混和热。这样可以提高合金的固液相界面能，同样有 利于过冷液体形成致密的无序堆积结构。这种致密的结构使合金在过冷液态有很 大的粘滞性，增大了组元原子长程重组的难度，从而抑制晶态相的形核。从以上 特征可以看到，多组元大块非晶合金是靠成分的调制来抑制晶态相的形核和长 大，从而得到很强的非晶形成能力，这与传统的急冷法制备非晶合金的原理不 同。 1 3 3 大块非晶合金形成的热力学条件 为了制备大块非晶合金，其组成元素及原子百分比必须保证合金具有极低的 玻璃形成临界冷速而获得极高的玻璃形成能力。从热力学观点分析，它对应于液 相转变为晶相时具有极低的g i b b s 自由能差，低的熔化焓h f ，高的过冷度t x 和约化玻璃转变温度t r 。及高的液固相界面能将导致低的化学电位而使g i b b s 自 由能差降低。、 根据热力学原理，当金属或合金熔体发生结晶时，其体系自由能的变化可用 下式表示： g = h r - t a s f ( 1 ) 式中t 为温度，a h f 和a s f 分别表示液相转变为固相的焓变和熵变。对于一合 金体系，若a g 愈大，表明其过冷液体发生结晶转变的驱动力愈大，则体系为弱 非晶体系。相反，则体系为强非晶体系。由( 1 ) 式可知，降低h f 和增a n k s f 均 可降低g ，从而增加体系的非晶形成能力。由于大块非晶体系大都是多组元体 系，且各组元间具有大的原子尺寸差。组元的复杂化一方面提高体系发生结晶转 变的熵变x s f ，另一方面使过冷液体具有更致密的原子堆垛结构，从而降低液态 与晶态之间的焓变h f 。此外，致密的堆垛结构使原子长程扩散变得困难，从而 抑制晶核的长大。由此可见，正是由于大块非晶体系的复杂的成分特点使其具有 强非晶形成能力。 1 3 4 大块非晶合金形成的动力学条件 从液态到固态的快速冷却过程中，如果动力学条件抑制了结晶的形核与长 大，就可以形成非晶态。因此，分析非晶形成动力学与分析结晶动力学所要考虑 锅更1 r 品i 再雨的扩散j 芏接t 艺及机卿i 1 究 的因素是一致的。结晶过程的形核速率i 和长大速率u 可分别用以下2 式【2 8 】表 达： i = 10 3 0 r l e x p 一b a 3b ( t 曙( 卜t r g ) 2 ) 】 ( 2 ) u = 1 0 。蜘 1 - e x p ( 一1 3 a t 唱t 唱) 】 ( 3 ) 式中t 1 为粘度系数，是决定过冷液相中均质形核及长大的动力学参数：f 为 长大界面上核心位置数；o 【为约化表面张力焓，a = ( n v 2 ) 1 乃6 。l h ( 其中n 为 a v o g a d r o 常数，v 为气体克分子体积，6 。l 表示固液界面能) ；b 为约化熔解焓， p = a h ( r t m ) ( 其中r 为气体常数) ；b 为形状因子，球形核心的b = 1 6 7 t 3 ；t 喀 为约化温度，t 曙= t g t m ( 其中t g 为玻璃转变温度，t m 为熔点温度) 。式中t 1 ，q 和 p 为重要参数，合金液相粘度”的增大使组成元素的扩散激活能增大，阻碍结晶 形核与长大，增大过冷液相区的范围，对提高非晶形成能力有利，这与热力学观 点相吻合。q t l b l 3 也是项很重要的参数，反应出过冷液体的稳定性。研究认为 【2 8 】：当0 【p 0 9 时，形核率很低，比较容易形成非晶态；当o 【p 1 7 3 4 0 k ) 。因此，寻找制备大块非晶合金的新方法是非常重要的。 将小尺寸的非晶合会通过焊接方法使其实现冶金结合，从而得到大块非晶成 为制备大块非晶合金的一种新方法。实际上，通过焊接方法既可以实现同质、异 质非晶合金的连接，也可以实现非晶合金和晶态材料之间的连接，这就大大扩展 了非晶合金的应用范围。 本论文拟用单辊熔体旋淬法制备a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带，利用扩散连接技术 对其进行扩散连接，从而扩大铝基非晶的尺寸；同时，对铝基非晶薄带和纯铝、 纯铜进行扩散连接，扩大铝基非晶的实际应用。 本论文的研究内容包括以下几方面： 1 ) 利用单辊旋转熔体快淬法制各a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带，利用差示扫描量热 ( d s c ) 确定焊接参数范围。 2 ) 对多层铝基非晶薄带的扩散连接进行正交试验设计，确定出最佳焊接参 数，对试样进行结构分析、形貌观察，对界面处元素进行能谱分析，并探讨非晶 态合金的扩散连接机理。 3 ) 对铝基非晶薄带与纯铝的扩散连接进行正交试验设计，确定出最佳焊接 参数，对试样进行结构分析、形貌观察，并研究压力对试样宏观变形的影响。 4 ) 对铝基非晶薄带与纯铜的扩散连接进行正交试验设计，确定出最佳焊接 钒萆1 卜品菏带的扩散连接r r 艺及机理研究 参数，对试样进行结构分析、形貌观察，并研究温度和时间对界面处元素扩散行 为的影响。 硕十学伊论文 第2 章实验材料及方法 2 1 实验方案 本试验利用单辊熔体快淬法，使用w km s i 真空甩带机制备a 1 8 6 n i 9 y 5 非晶薄带试样，在v d b f 2 5 0 型多功能真空扩散焊、钎焊机中对试样进行扩散连 接，确定最佳工艺参数，并探讨非晶材料的扩散连接机理及工艺参数的变化对界 面处元素扩散行为的影响。根据上述研究内容和目的，拟采用如下实验方案( 见 图2 1 ) 。 2 2 铝基非晶薄带的制备 2 2 1 熔炼母合金 母合会的微观组织对非晶合金的形成有重要影响【6 8 1 。母合金铸锭的凝固组织 随熔炼次数的增加明显细化，随母合金铸锭凝固组织的细化，非晶合金的玻璃转 变温度t 。提高，约化玻璃转变温度t 曜增大，合金的熔化焓a h ，减小，凝固过程 中的结晶驱动力减小，抑制了形核，有利于非晶的形成。由于结构的遗传性，细 化的铸锭在重熔时，相应的合金熔体的短程序尺寸变小，在随后的快冷过程中保 留到非晶基体中的短程序尺寸减小，非晶晶化时原子的重组变得困难，因而促使 r 提高。 实验用合金的名义化学成分如表2 1 所示，合金原材料为纯度大于9 9 9 的 a 1 、n i 、y 纯金属。合金在氩气保护下通过电弧炉熔炼制得纽扣锭。为了有效保 证母合金铸锭的组织的细化以及成分的均匀性，合金熔炼五遍以上。 表2 1 实验中所用a i - n i - y 合金成分表 1 9 钒蕻1 卜c 昂薄带的扩散适 蔓f 艺及机理研究 原料的配备 上 真空非自耗电弧炉熔炼a i n i y 母合金 上 用真空甩带s j l $ l j 备薄带试样 1 l x r d 验证非晶结构 1 l 确定扩散连接工艺参数及正交试验方案 上 x r d - - 结构分析 上 s e m - - 形貌观察 上 e d s - - 元素扩散分析 上 人 图2 1 实验方案 2 2 2 单辊熔体快淬法制备薄带 2 2 2 1 实验设备及原理 本实验中，我们采用单辊熔体快淬法来制备铝基非晶薄带。单辊熔体快淬法 简称m s 法，如图2 2 所示，是通过感应加热使得石英管中的母合金熔化，然后 2 0 硕十学位论文 喷射到一定转速的水玲铜质单辊上，实现快速凝固的目的，得到非晶或非晶基体 加纳米晶的薄带。该方法使用方便，冷却速度大，易调节，可进行连续生产。在 非品铝台金的研究过程中几乎每一种成分合金的非晶化都是从m s 法开始的， 然后才推广至其他( 如雾化法) 方法。 图22 单辊熔体快漳法的示意图 实验采用的甩带设备是北京物科公司生产的w km s - i 真空甩带机，图23 为设备示意图，该设备工作原理为：真空甩带机是在真空条件下，采用感应加热， 将金属或合会熔化。然后，将熔融状态的金属或合金喷射到高速旋转的铜辊上， 令其快速冷却以得到薄带。由于冷却速率非常快，从而可以在室温凝固时继续保 持其液忐的无序结构，抑制晶化，得到非晶亚稳材料。而通常熔化的金属或台金 冷却到玻璃态转化温度以下时，就会成核和晶化，无法得到亚稳材料。 一 铭；荩1 f 【昂薄带的扩散j ! j = 接t 艺7 乏机王田月究 然后在氩气气流的作用下，合金溶液经过石英管底部的喷嘴喷射到高速旋转的铜 辊表面，借助离心力的作用被抛出辊面，迅速冷却后便形成非晶薄带。 2 2 2 2 参数选择 单辊甩带法制备铝基非晶条带时，影响带材质量的工艺因素有很多，由于铝 合金的流动性差、脆性大，所以甩出来的带因工艺参数的不同而差别很大。其中 最关键的影响因素是加热温度和加热时间，温度太低或加热时间太短时，虽然合 金融化但流动性很差，甩出的带呈粉末状或颗粒状；而温度过高或加热时间过长 时，能够形成薄带，但冷却后粘在一起，无法使用。在实际加热过程中，在合金 刚达到白热化程度时进行吹甩，避免合金过热，这样制得的薄带厚度均匀，表面 光洁。其次还受石英管喷嘴大小的影响，喷嘴太宽导致合金流速太快而形成大的 颗粒。另外，石英管与铜辊之问的距离对薄带的状态也有影响。 1 ) 加热方式 虽然非晶态合余的性能与母合金的加热熔化方式没有直接关系，然而从整个 工艺流程看仍然是有一定影响的。在试验研究或少量制备非晶态合金条带时，母 合金的加热熔化时间所占i ：i 二n 较大，缩小这个比例有利于提高效率、节约能耗。 与此同时，缩短加热这个过程所用的时间对于避免氧化，保证喷射过程的顺利进 行是十分有利的。实验中的母合金都是采用感应的方式进行加热，感应加热具有 较高的热利用率和较快的加热速度。感应加热的关键是在不同的熔化数量下要使 得感应线圈与负荷f 合金量) 有最佳的匹配，以获得最快的加热熔化速度。 2 ) 坩埚和喷嘴 试验研究和少量制备非晶态合金采用坩埚和喷嘴一体的结构，用熔融石英管 制成。石英管因为透明而便于直接观察合金熔化的情况，它有良好的耐急冷急热 的性能，与大多数合金无作用或无明显作用，尺寸小容易灵活加工和制作。所以 在上述使用情况下它是一种比较理想的坩埚和喷嘴材料。非晶态合会带采用圆形 孔喷嘴喷制。喷嘴表面平整光滑，尺寸精确。一般讲，喷嘴狭缝长度等于非晶态 合金带所需要的宽度。狭缝宽度不能过小，否则会因为不易控制熔液流的连续稳 定，造成熔潭的不稳定，从而使得到的非晶态合金带在几何形状和尺寸上出现缺 陷。如果缝宽过大，则往往由于熔液的重力而发生“自流”现象，导致喷制的失 败。这个问题通常在实验室所用的急冷装置上比较突出。合适的缝宽取决于急冷 装置的性能、不同的合金组成和熔化量以及喷嘴形状等因素。 3 1 冷却辊 2 2 碜十学伊论文 作为冷却体的旋转辊是获得高冷却速度的主要条件。选取的材料有纯铜。铜 有高的热传导系数，但它的强度和硬度较低，铜辊的表面极易损伤而引起非晶态 合金带产生孔洞、裂痕等缺陷，因此对于实验室中所用的装置就需要经常进行车 削、精整修磨。冷却辊表面在喷制带的过程中由于余属液会浸蚀辊面，使得辊面 温度升高造成非晶态合金带上无规则的或周期性的孔洞等缺陷，影响薄带的质 量，因此辊的材料、直径、辊面宽以及冷却辊表面的休整、清理等至关重要。 4 ) 工艺参数 利用真空条件或者惰性气体保护气氛下在大气环境中用单辊旋淬制取薄带 存在如下主要工艺参数：坩埚内气氛压力( p e ) 、熔融合余的温度( t m ) 、辊面线速 度( u 。) 、喷嘴狭缝的宽度( ) 、喷嘴口与辊面间的间隙( 6 ) 、薄带的厚度( d ) 等，调 整并控制好这些相互关联的工艺参数才可能获得优质的非晶态合金带。调整和控 制工艺参数的目的是为了获得一个稳定的熔融合金射流，能够在高速旋转的冷却 辊表面和喷嘴之间形成一个稳定的动态平衡的熔潭，也就是由射流进入熔潭的合 金量应该等于高速冷却固化成非晶态合会带所带走的合金量。一个组成确定的合 金，在一定的喷射温度下，它的流动性是一定的。当喷嘴形状和尺寸一定时，通 过喷嘴的合金熔液的截面积也就不变，这个时候如果保持喷射距离不变，则通过 控制喷射压力和冷却辊的转速就可以获得动态平衡的熔潭。薄带厚度的影响因素 如式( 2 1 ) 表示： 薄带厚度的影响因素公式如2 1 表示： d ：k o r ( 一2 p ) 1 2 ( 2 1 ) u sp p 一熔液密度，并假定与带材的密度相同 足一比例常数，它综合了熔掖温度t 、表面张力和粘度的影响 尸一喷嘴压力 从式( 2 1 ) 可以看出，当其它条件都一定时，d 与u s 成反比，即通过控制辊 面线速度，可以控制带的厚度，也就是调整带的冷却速率。一般来说：辊轮速度 越快，带越薄，即带的冷却速度也越快。在实际的操作过程中要求熔融合会具有 良好的流动性，也就意味着具有一定的过热度，一般要求高于熔点1 0 0 左右， 否则熔液温度过低会因为流动性的降低而改变熔潭的形状使带变薄。总的来说， 量董童鸯互互暨王磬誓耋占芎圣墨晋：【虿 首先要考虑的是熔液的温度要能够保证喷制工艺的顺利进行，与此同时适当提高 过热度以有利于增加熔液的流动性，但是也要注意防止温度过高导致的氧化和烧 损现象的发生，上述影响将导致喷制过程的失败。 依据上述的各个因素对非晶条带质量和性能的影响，本实验所采用的工艺参 数主要为： 辊轮直径450rnm 轮宽 1 5 0 m m 水冷辊轮直径4 0 0 m m 喷嘴口至辊面的间隙 1 3 m m 喷嘴口的直径 05 l m m 喷射时石英玻璃管内氩气压力 6 0 k p a 熔池所处气氛氩气 辊轮线速度 3 0 m s 冷却辊径向跳动 r b ， 所以各因素从主到次的顺序为：a ( 温度) 一c ( 时间) 一b ( 压力) 。 优方案是指在所做的试验范围内，各因素较优的水平组合。各因素优水平的 确定与试验指标有关，若指标越大越好，则应选取使指标大的水平，即各列k i 中最大的那个值对应的水平；反之，若指标越小越好，则应选取使指标小的那个 水平。本实验中，试验指标为焊缝质量，转化为数量指标后，指标越大越好，所 以应选取每个因素的k l ，k 2 ，k 3 中最大的值对应的那个水平，由于： a 因素列：k 2 k 3 k 1 b 因素列：k 1 k 2 k 3 c 因素列：k 2 k 3 k 1 所以非晶纯铝扩散焊接的优方案为a 2 b 】c 2 ，即温度2 6 0 。c 、压力1 0 m p a 、时间 4 5 南i n 。 在非晶纯铝和非晶纯铜的扩散焊实验中，分别用上述方法进行正交试验设 计和分析，所得试验方案和试验结果见表3 3 和表3 4 。 硕十学伊论文 表3 3 非晶纯铝试验方案及试验结果分析 因素 试验号abc 空列 实验方案得分 11 22 3 3 12 23 31 l3 21 3 2 2 4 l2 3 8 2 2 0 2 4 1 2 5 52 2 7 3 51 4 a + b c a i b 3 c 2 1 2 3 3 1 2 2 3 1 2 3 9 2 3 9 2 3 8 l 计算过程：a 因素所在的第一列 kl = 8 8 + 8 2 + 9 2 = 2 6 2 k 2 = 8 0 + 7 2 + 8 4 = 2 3 6 k 3 = 7 3 + 6 6 + 7 9 = 2l8 a 1 b l c l a i b 2 c 2 a l b 3 c 3 a 2 b i c 2 a 2 8 2 c 3 a 2 8 3 c 1 a 3 8 1 c 3 a 3 8 2 c 1 a 3 8 3 c 2 r = 2 6 2 218 = 4 4 同理，计算b 因素、c 因素及空列的各项值，并填入表3 3 中。 本试验中，由于r a r b p c ，所以各因素从主到次的顺序为：a ( 温度) 一b ( 压力) 一c ( 时间) 。 由于： a 因素列：k l k 2 k 3 b 因素列：k 3 k 1 k 2 c 因素列：k 2 k l k 3 所以非晶纯铝扩散焊接的优方案为a l b 3 c 2 ，即温度2 3 0 。c 、压力0 5 m p a 、时间 4 5 r a i n 。 3 7 鼹跎昵踟记弘乃酌为 ，2 2 2 3 3 3眈弘媳似 2 2 2 z r 铊案 。2 3 4 5 6 7 8 9勉融雅獬舫 铝基1 r t 昂薄带的扩散近接t 艺及机理研究 表3 4 非晶纯铜试验方案及试验结果分析 11 22 33 12 2 3 31 13 21 32 2 2 32 1 2 2 3 32 1 7 2 1 12 3 8 2 22 6 a c b a 3 8 2 c 3 计算过程：a 因素所在的第一列 k 1 = 5 6 + 6 5 + 6 2 = 18 3 k 2 = 7 4 + 8 3 + 71 = 2 2 8 k 3 = 9 3 + 8 5 + 7 8 = 2 5 6 a 1 8 1 c 1 a 1 8 2 c 2 a 1 8 3 c 3 a 2 8 1 c 2 a 2 8 2 c 3 a 2 8 3 c l a 3 8 1 c 3 a 3 8 2 c l a 3 8 3 c 2 r = 2 5 6 18 3 = 7 3 同理，计算b 因素、c 因素及空列的各项值，并填入表3 4 中 5 6 6 5 6 2 7 4 8 3 7 1 9 3 8 5 7 8 本试验中，由于r a r c r b ，所以各因素从主到次的顺序为：a ( 温度) - c ( 时间) 一b ( 压力) 。 由于： a 因素列：k 3 k 2 k l b 因素列：k 2 k 1 k 3 c 因素列：k 3 k 2 k l 所以非晶纯铝扩散焊接的优方案为a 3 8 2 c 3 ，即温度2 9 0 。c 、压力1 5 m p a 、时间 6 0 m i n 。 根据以上正交试验分析，我们得到扩散连接非晶非晶、非晶纯铝、非晶 纯铜的最优方案分别是a l b 3 c 2 、a 3 8 2 c 3 、a 2 8 1 c 2 ，如表3 5 所示。进一步实验 表明，试样在这三个方案下，均获得了良好焊接接头，成功实现了扩散连接。在 3 8 ，2 3 3 。2 2 3，m鹚姒坦 。，2 2 2 3 3 3懈鹚瓤仍 r 彰案 。2 3 4 5 6 7 8 9日比瞄赃黼舫 硕十学伊论文 第四章中，我们将对最优方案得到的焊接试样进行结构、组织及元素扩散行为分 析，并探讨非晶合金中的扩散机制。 表3 5 扩散连接最优工艺参数 3 4 本章小结 1 ) 运用正交试验法对多层铝基非晶薄带的扩散焊接工艺的分析研究发现：根据 极差的大d , j l 颐序排出因素主次顺序：温度一时间一压力。进一步研究表明，当温 度为2 6 0 。c 、时间为4 5 m i n 、压力为1 o m p a 时，多层铝基非晶薄带成功实现了 扩散连接。 2 ) 运用正交试验法对铝基非晶薄带与纯铝的扩散焊接工艺的分析研究发现：根 据极差的大d , j l 颐序排出因素主次顺序：温度一压力一时间。进一步研究表明，当 温度为2 3 0 、时间为4 5 m i n 、压力为o 5 m p a 时，铝基非晶薄带和纯铝成功实 现了扩散连接。 3 ) 运用正交试验法对铝基非晶薄带与纯铜的扩散焊接工艺的分析研究发现：根 据极差的大小顺序排出因素主次顺序：温度一时间一压力。进一步研究表明，当 温度为2 9 0 。c 、时间为6 0 m i n 、压力为1 5 m p a 时，铝基非晶薄带和纯铜成功实 现了扩散连接。 3 9 翟蓄蜚盆鎏王馨= 磬耋墨王蚤釜銎：坠互 第4 章扩散焊接头组织与性能分析 根据第三章中正交试验分析得出的最优方案，对试样进行扩散连接。本章中 将分别对非晶非晶、非晶纯铝、非晶一纯铜最优扩散连接试样进行检测分析。 4 1 多层铝基非晶薄带的扩散连接 4 1 1 结构分析 图4 1 为温度为2 6 0 ( 2 、时间为4 5 r a i n 、压力为1 0 m p a 时，多层非晶薄带扩 散焊试样焊缝区的x 射线衍射结果，从图中可以看出是一个典型的非晶合金漫 散射峰，没有尖锐的晶化峰出现，表明在多层非晶薄带的扩散焊接过程中，非晶 合金仍保持为非晶态，在焊接过程中没有出现非晶台金的晶化现象，焊接是成功 的。 2 0 2 t l 口m 囱41 非晶一非晶焊缝区x 射线衍射结果 4 1 2 形貌观察 图42 是两组不同焊接工艺参数下焊接试样的扫描照片。从图( a ) 中可以 看出