Sn基釬料在Zr55Cu30Al10Ni5金屬玻璃表面的潤濕鋪展和擴(kuò)散動力學(xué).pdf

1、上世紀(jì)80年代末得了第二代非晶合金，在尺寸上的顯著進(jìn)步又被稱作塊體金屬玻璃（BMGs）。常用元素Zr-Cu-Al-Ni系的Zr55Cu30Al10Ni5 BMG展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，在機(jī)械制造、航空航天、醫(yī)療器械乃至國防軍事等諸多工程領(lǐng)域都體現(xiàn)出了重要的潛在應(yīng)用價值。對于實際應(yīng)用來說，大塊非晶合金Zr55Cu30Al10Ni5除了必須兼顧制備本身快速凝固的工藝要求，還要面臨通過連接方法來實現(xiàn)一些同質(zhì)或異質(zhì)非晶合金構(gòu)件的大尺寸化和復(fù)雜化的應(yīng)

2、用。作為一種低溫連接手段，本文針對Sn基釬料熔點普遍低于Zr基BMGs玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg的特點，并以Sn與非晶Zr55Cu30Al10Ni5 BMG間的相互作用為研究核心問題，給出Sn與Zr55Cu30Al10Ni5 BMG相互作用中動力學(xué)問題的相關(guān)闡述。
　　試驗表明，Sn基釬料與Zr55Cu30Al10Ni5 BMG相互作用的動力學(xué)過程包括全過程中的潤濕鋪展及界面反應(yīng)層的擴(kuò)散生長過程皆屬于緩慢過程。在結(jié)構(gòu)弛豫的影響下，確定非晶母

3、材本身低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的熱處理時間，需要有效的給出時間—溫度—晶化轉(zhuǎn)變的T-T-T圖，用來確定滿足低溫連接作用時間的上確界。本文研究結(jié)果表明，Zr55Cu30Al10Ni5的表觀激活能為325±7kJ/mol，這個值略高于過冷液相區(qū)的情形。發(fā)生晶化前后的試件表面硬度由納米壓痕測試給出，發(fā)生晶化的球形晶相造成BMG表面納米壓痕硬度標(biāo)準(zhǔn)差變大。表面的球狀結(jié)晶形貌意味著結(jié)晶動力學(xué)對應(yīng)的Avrami指數(shù)為4，基于不同結(jié)晶形貌動力學(xué)對應(yīng)的Avra

4、mi指數(shù)的數(shù)學(xué)表述，從4到3，給出了由球形結(jié)晶到枝晶結(jié)晶的不同形貌。四維時間依賴的獨立變量在各自方向上的抑制與否，與最終的結(jié)晶形貌有關(guān)，可以看成對稱破缺的直接結(jié)果。
　　低溫Sn基釬料包括Sn-In共晶釬料在真空座滴實驗中對非晶Zr55Cu30Al10Ni5 BMG潤濕失敗的結(jié)果表明，企圖采用調(diào)節(jié) Sn基釬料成分比例來調(diào)整釬料熔點和液相表面張力來實現(xiàn)潤濕Zr55Cu30Al10Ni5 BMG的嘗試都得到不潤濕的結(jié)果。而利用Zr基金

5、屬玻璃表面對氯離子的蝕斑敏感特性，在Zr55Cu30Al10Ni5 BMG被熔融ZnCl2處理過后的表面上，熔融Sn展現(xiàn)了緩慢的潤濕鋪展過程。相同的試驗條件下，Sn在6塊熔融ZnCl2工藝處理的Zr55Cu30Al10Ni5 BMG表面潤濕后得到的最終鋪展角均不相同。這個結(jié)果是熔融ZnCl2處理產(chǎn)生不同的表面粗糙度的表面形貌造成的，熔融Sn在不同粗糙表面的接觸形核提供了潤濕鋪展的最終驅(qū)動力。通過形核鋪展動力學(xué)的描述，解釋了不同粗糙度下的

6、最終鋪展角大小及達(dá)到最終平衡態(tài)的時間長短的問題。
　　通過理論分析，主要是基于Fokker-Planck方程的處理，允許直接得到穩(wěn)態(tài)厚度漲落的分布概率。數(shù)學(xué)處理的解析結(jié)果指出，由于BMG結(jié)構(gòu)弛豫的存在，構(gòu)成Sn與Zr55Cu30Al10Ni5 BMG的界面擴(kuò)散層作為亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，其生長的過程將分為兩個階段。首先是生長時間指數(shù)為1/2的擴(kuò)散控制型生長階段I，進(jìn)而在界面附近發(fā)生形核，結(jié)聚的相變過程，進(jìn)入生長時間指數(shù)被抑制為1/3的生長階