Cu-Sn-Ti體系擴散偶界面反應(yīng)的研究.pdf

1、在材料研究的過程中，相圖扮演著極其重要的角色，因為它提供了所研究體系中多種可能的亞穩(wěn)相變的背景及分配系數(shù)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)可以利用計算得到很多復雜的相圖，短期內(nèi)實測相圖仍然具有不可被替代的重要性。人們采用了很多方法來實際測量相圖，其中最重要，也是最有效的方法之一就是擴散偶法。 擴散偶就是將兩塊或幾塊材料(主要是金屬)緊密接觸在一起，在一定溫度下使其相互擴散并發(fā)生反應(yīng)。保溫一段時間后淬火急冷，保持其高溫下的組織并進行分析的一種實驗方法

2、?；诰植科胶獾募僭O(shè)，并利用擴散過程中，在一個擴散偶樣品中便可覆蓋一個二元系或三元系中所有成分的特性，就可以利用一個樣品得到一個等溫截面。和傳統(tǒng)的合金法測相圖相比，擴散偶法可以大幅度提高相圖研究的效率。 活化焊接(active braze)是目前被廣泛采用的連接陶瓷與金屬的工藝，在焊料中添加Ti等表面活性元素，可使其潤濕性得到明顯改善。Ti，zr，Hf, Pd等過渡族或稀有金屬元素具有較強的化學活性，加至焊料中后在高溫下對氧化物

3、、硅酸鹽具有親和性，可和Cu，Ni，Ag，Au，等一同制成陶瓷一金屬焊接活性焊料。活性焊料在二界面處可以產(chǎn)生機械或化學結(jié)合。機械結(jié)合可以認為是焊料質(zhì)粒嵌入或滲入陶瓷表層微孔區(qū)，而化學結(jié)合強度歸結(jié)于焊料和基體間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移和反應(yīng)。陶瓷界面上的反應(yīng)會大大促進潤濕性。AgCuTi三元焊料系列，對大多數(shù)工程陶瓷表面有潤濕性，在高溫下伴隨著液固界面的化學反應(yīng)和傳質(zhì)擴散，從而在界面形成固溶體相和新化合物相，可提高表面強度。 雖然AgCuTi三

4、元系焊料被廣泛采用，但是它們的強度及剪切強度還是比較低，并不適用連接鐵基的金剛石工具(主要是刀具)。所以有人加入Ni、Fe、Cr等元素來提高焊料合金的強度，但這些元素又會在高溫下促使金剛石向石墨轉(zhuǎn)變，反而降低了金剛石的強度。還有人采用增加焊料中沉淀強化相數(shù)量，如Si<,3>N<,4>、TiC、SiC、WC等的辦法來改良焊料的性能，取得了一定的效果。但這種做法又帶來了新的問題，就是強化相的數(shù)量不可以過多，以便在焊接過程中保持足夠多的液相剩

5、余，保證焊接質(zhì)量。 目前為止，Cu-Sn-Ti焊料是在這個方面Cu-Ag-Ti焊料的最佳替代者，可以使金剛石刀具的切削速度及使用壽命均得到提高。這主要是由于Sn的存在，造成焊料中Ti的活性降低，使活化焊接時表面生成強化相的同時在液相中仍可保持較高的Ti濃度，在液相中生成Ti-Sn的強化相，提高工具性能。 不僅Cu-Sn-Ti三元系具有重要的實際應(yīng)用價值，而且它的三個邊際二元系也都具有廣闊的實際應(yīng)用領(lǐng)域。Cu-Sn二元系由

6、于其在電子工業(yè)的廣泛應(yīng)用已經(jīng)被多次研究。金屬Ti由于其具有良好的物理性能和化學性能而作為電子封裝中的焊點下金屬(UBM)層電鍍在待焊接的電子器件上。在高強高導銅合金的制備過程中加入Ti可以使其在保持良好的導電性的同時獲得較高的強度。 本文首先制備了Cu-Sn-Ti三元系相關(guān)的邊際二元系的擴散偶，其中Ti-Sn及Cu-Sn兩個二元系為固．液擴散偶，Cu-Ti二元系為固態(tài)擴散偶，在不同溫度下退火不同的時間，利用掃描電鏡和電子探針分析

7、了其擴散層組織。Ti／Sn固-液擴散偶在873K下退火30～160mins時，只有Sn<,3>Ti<,2>相生成。Cu／Sn固-液擴散偶在808K下退火10mins時，Central South LJniversity Master’s Degree Thesis只有Cu<,3>Sn相生成。當退火時間延長至30mins后在Cu與Cu<,3>Sn的界面上生成了Cu4lSnll。退火60mins后在Cu與Cu4lSnll的界面上又生成了Bc

8、c_a<,2>。Cu／Ti二元固相擴散偶在1023K下退火1000h后，生成了CuTi<,2>，CuTi，Cu<,4>Zi<,3>，Cu<,4>Ti<,4>個化合物，而Cu<,3>Ti<,2>相并未在擴散偶中出現(xiàn)。 對于Cu-Sn-Ti相關(guān)二元系的界面反應(yīng)產(chǎn)物及相的生成序列采用Thermocalc軟件，依據(jù)最大驅(qū)動力模型對其相形成序列及形貌進行了預測。預測結(jié)果和實驗結(jié)果吻合得很好。 值得注意的是，在Lee等人提出最大驅(qū)動

9、力模型的文章中，只提到了最大驅(qū)動力模型可以用來預測界面反應(yīng)中第一個生成的相。而在本文中除Sn-Ti二元系只有一個中間化合物生成外，Cu-Sn二元系在808K下依次生成了該溫度下所有的三個化合物，而Cu-Ti二元系則是在退火1000小時后生成了4個化合物，只有一個Cu3Ti2一個化合物沒有在擴散偶中出現(xiàn)。本文利用擴散偶試樣中，一旦生成了中間化合物，則出現(xiàn)新的亞穩(wěn)平衡的特點，反復使用最大驅(qū)動力模型，成功解釋了所出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象。 將1

10、023K下退火1000小時得到的Cu／Ti二元擴散偶與含Cu量為20wt.％的Cu-Sn溶液在823K下做成固一固／液三元擴散偶，退火30～480mins，利用掃描電鏡及電子探針分析得到該三元系在823K時的相關(guān)系。 在對退火不同時間得到的擴散偶樣品進行分析時，發(fā)現(xiàn)不同退火時間的擴散偶中所出現(xiàn)的相及其相關(guān)系都是相同的。只有Sn<,3>Ti<,2>、Cu<,3>Sn、CuSnTi和．liquid相的平衡關(guān)系比較模糊，經(jīng)過對這四個相

11、的數(shù)量、形貌、分布位置及在不同的擴散偶中的相對變化，確定了其相關(guān)系為liquid+Sn<,3>Ti<,2>+CuSnTi和liquid+CuSnTi+Cu<,3>Sng兩個三相平衡。 由于CuSnTi三元相與Cu-Sn化合物接觸部分的形貌非常復雜，即使采用電子探針技術(shù)也無法確定其精確的截線。本文采用CuSnTi三元相為計量比化合物及Cu-Sn二元化合物中Ti的溶解度可忽略不計的假設(shè)，將CuSnTi的成分從得到的成分數(shù)據(jù)中去除，與