浸镀Ni对Al/Cu双金属材料界面显微组织及力学性能的影响(英文)

采用浸镀的方法在纯铝基体上浸镀镍基镀层,然后在450~550℃温度范围内用扩散复合的方法制备Al/Cu双金属材料。用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分别对Al/Cu结合体的界面显微组织以及断裂表面进行表征。用拉伸剪切测试及显微硬度测试对Al/Cu双金属材料的力学性能进行测量。结果表明,Ni中间层可以有效地消除Al—Cu金属间化合物的形成。Al/Ni界面由Al_3Ni和Al_3Ni_2两相组成,而在Ni/Cu界面处则是Ni—Cu固溶体。Ni中间层的加入提高了复层材料的拉伸剪切强度。在500℃制备的添加Ni中间层的试样表现出最大的拉伸剪切值,为34.7 MPa。     

Cu/Al复合材料高温短时退火的组织与性能演变研究

将冷轧法制备的Cu/Al复合材料在475-525℃温度下退火1-8min,采用有限元软件模拟了Cu/Al复合材料在退火过程中的温度场,并采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、电子背散射衍射(ESBD)、显微硬度计等研究了Cu/Al复合材料的显微组织与力学性能。结果表明：在Cu/Al复合材料界面依次生成了CuAl<sub>2</sub>、Cu<sub>9</sub>Al<sub>4</sub>和CuAl等3种金属间化合物,在Cu/Al界面层厚度小于4μm的退火工艺范围内,Cu和Al基体发生完全再结晶形成等轴晶,Cu、Al基体的显微硬度能够迅速的降低至低温长时间(350℃、1h)退火的硬度。另外,提出了金属间化合物初生相的形核机理,分析计算了高温短时退火工艺下的形核动力学,并提出了非等温条件下的金属间化合物生长厚度的经验数值方法。     

Cu/Al异种金属连接的研究现状

异种金属接头由于具有优良的性能,因而在许多领域得到广泛的应用,也使得异种金属连接成为当今研究的热点,但铜铝焊接时脆性相的生成,使得铜铝接头的性能很难保证.概述了近年来国内外铜铝异种金属焊接技术的研究现状,针对钎焊和摩擦焊技术做了重点介绍,分析了当前铜铝连接存在的主要困难,对于推动Cu/Al异种金属接头的研究及应用具有重要意义.     

Cu/Al固液连接界面组织演化的定量分析

采用固-液法快冷成型制备了Cu/Al整体材料。利用SEM,EDS,XRD等分析了Cu/Al界面的微观结构和相组成,基于扩散方程并结合相图定量分析了Cu/Al界面组织演化过程。结果表明：从Cu侧至Al侧,界面依次形成了区域Ⅰ(AlCu+Al2Cu)混合组织,过共晶组织 [Al2Cu+(Al2Cu+α-Al)]的区域Ⅱ和亚共晶组织 [α-Al+(Al2Cu+α-Al)]的区域Ⅲ;随着界面Cu浓度的变化,Al2Cu相具有不同形貌;且各个区域厚度同理论值基本一致。     

Zn-Al钎料成分对Cu/Zn-Al/Al钎焊接头界面结构及性能的影响

分别采用Zn-15Al,Zn-22Al,Zn-28Al,Zn-37Al和Zn-45Al钎料钎焊获得Cu/Al接头.利用SEM,EDS和XRD研究了Zn-Al钎料成分对Cu/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构的影响,并系统阐述了Zn-Al钎料成分-接头界面结构-接头抗剪切强度之间的关系.研究发现,Cu/Zn-15Al/Al接头中Cu母材/钎缝界面结构为Cu/Al4.2Cu3.2Zn0.7,且Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层较薄,其厚度为2~3μm,接头具有较高的抗剪切强度,达66.3 MPa.随着钎料中Al含量的提高,在Cu/Zn-22Al/Al接头界面处Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层的厚度逐渐增大,甚至在Cu/Zn-28Al/Al接头的Al4.2Cu3.2Zn0.7界面层附近出现少量的Cu Al2,接头的抗剪切强度逐渐降低.当采用Al含量较高的Zn-37Al钎料钎焊Cu/Al接头时,Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Al4.2Cu3.2Zn0.7/Cu Al2;脆性Cu Al2层的出现,使接头抗剪切强度大幅下降,为34.5 MPa.当采用Al含量最高的Zn-45Al钎料钎焊Cu/Al接头时,Cu母材/钎缝界面结构转变为Cu/Cu Al2,接头抗剪切强度最低,为31.6 MPa.     

多孔结构阻挡层对CuW/Al界面组织及性能的影响

将CuW假合金表面部分Cu腐蚀掉,预留100-200μm厚度的W骨架,随后通过化学镀在W骨架上形成多孔结构Ni扩散层,最后在700℃下用固-液连接的方法制备出CuW/Al整体材料。比较了不同保温时间下界面扩散区域微观组织结构,分析了界面扩散溶解层金属间化合物析出序列。结果表明,CuW/Al界面间多孔结构Ni中间层可有效抑制柱状Al2Cu相的生成和柯肯达儿孔洞裂纹的产生,界面处生成物主要以Al2Cu和 Al5W化合物为主。添加多孔结构Ni中间层可提高CuW/Al界面结合性能和电导率。     

加压条件下固-液复合法制备Cu/Al复合材料

在加压条件下采用固-液复合法制备了Cu/Al复合材料,并对复合材料界面层的硬度、抗拉强度及微观组织进行了研究。结果表明,在加压条件下固-液复合法可以制备出抗拉强度达38.24 MPa且Cu/Al复合界面结合良好的复合材料;界面层硬度显著高于两侧基体硬度;界面层靠近铜侧区域容易出现断裂现象,生成的脆性相CuAl2是造成复合材料断裂的主要原因之一。     

Cu/Al/Cu层状金属复合材料电子束焊接接头特征

研究了Cu/Al/Cu层状金属复合材料的电子束焊,对焊接接头的表面成形、微观组织、力学性能进行分析。结果表明,采用电子束焊可以实现Cu/Al/Cu层状金属复合材料的有效连接。不同金属层焊缝宽度明显不同,铝层焊缝宽度最大,且铝层金属大量进入顶部和底部的铜层焊缝中。各层母材和焊缝界面均出现了IMCs层,铝层主要是Al2Cu,铜层则主要是AlCu,Al2Cu。在焊缝中心生成大量的块状Al2Cu,均匀分布在α-Al和Al2Cu组成的共晶组织基体中。接头抗拉强度为44 MPa,断口呈现明显的脆性断裂特征,拉伸断裂位置于显微硬度最高的焊缝中心区。创新点： (1)采用Cu/Al/Cu层状金属复合材料代替纯铜在工业领域的应用。(2)采用电子束焊接技术实现Cu/Al/Cu三明治结构层状金属复合材料的焊接。     

扩散连接Al/Cu/0Cr18Ni9Ti复合材料界面生长机理研究

采用真空热压扩散连接法制备出冶金结合的钢铜铝复合材料,采用电解腐蚀法对所制备的复合材料从铜侧进行分层腐蚀,并结合扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)对所腐蚀德连接界面的各个扩散层进行了形貌、成分、相分析.结果表明铜/铝界面,从铜侧到铝侧以次为铝在铜中的固溶体,Cu9Al4和CuAl2;不锈钢/铜界面为铜在不锈钢中的固溶体.研究得到了适用于本实验条件下的铝铜金属间化合物生长方式.     

SiC_f/Ti6Al4V/Cu复合材料的界面行为及力学性能

采用箔-纤维-箔法制备SiC_f/Ti6Al4V/Cu复合材料,研究Ti6Al4V在连续SiC纤维增强Cu基复合材料中作界面改性涂层时的界面反应结合特征.利用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪分析复合材料显微组织、断口形貌以及SiC_f/Ti6Al4V界面和Ti6A14WCu界面的反应扩散特征.结果表明:该复合材料的抗拉强度并没有显著提高;SiC_f/Ti6Al4V界面反应非常微弱;而Ti6Al4V/Cu界面反应非常明显,主要是Ti原子与Cu原子之间的反应,反应层厚度约为20 μm;反应产物主要呈4层分布,分别为CuTi_2、CuTi、Cu_4Ti_3和Cu_4Ti.     

热压条件下 Cu／Al复合带界面扩散反应研究

研究了经冷轧复合的Cu/Al复合带在热压温度为500℃、实际压下率为0％～35％变形条件下的铜铝界面扩散反应。结果表明,在此界面扩散反应的过程中,存在晶界扩散机制。 Cu/Al复合界面扩散反应生成相次序受相变热力学和扩散动力学两方面因素共同控制,不但与各相生成吉布斯自由能有关,而且遵守通量-能量原则。虽然增加压下率对界面扩散层的生长起到一定的促进作用,但温度仍然是其主要影响因素。     

Ti/Al固相扩散反应行为表征及动力学研究

本研究在Ti和Al均过量时,表征了Ti/Al在520℃~630℃范围内不同时间下的固相扩散反应行为。结果发现,当试样退火46小时后,Ti/Al界面的反应产物为单一相TiAl3,而且TiAl3/Al界面上的TiAl3生长速度比Ti/TiAl3界面上的TiAl3生长速度快。此外,本研究建立了TiAl3生长动力学模型,Ti/Al扩散反应激活能为170.1 kJ/mol,动力学指数为n=0.5,TiAl3生长随时间呈抛物线规律增长,利用Ti/Al复合粉末体作为试验材料,证明了所建立的TiAl3生长动力学方程的正确性。     

Fe3Al/18-8不锈钢扩散焊界面附近的元素扩散

对Fe3Al/18-8钢扩散焊界面附近元素的分布进行计算并通过电子探针(EPMA)进行实验测定,结果表明,界面附近靠近18-8钢一侧,其Al,Ni元素的计算值和实测值有所差别,Fe,Cr元素分布的计算值和实测值较为接近.加热温度1333 K时,Cr元素在Fe3Al/18-8钢界面附近扩散距离增加至80μm,Ni元素扩散距离增加至140μm.Fe3Al/18-8钢扩散焊界面过渡区宽度为x2=7.5×102exp(-75.2/RT)(t-t0).在一定加热温度下,保温时间超过60 min以岳界面过渡区宽度不再明显增加.     

Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构

研究了热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料／Cu界面的显微结构，分析了界面金属间化合物的生长行为，并与恒温时效后的Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面进行了对比。结果表明：恒温时效至100h，Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上已形成Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物；而热-剪切循环至720周Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上只存在Cu6Sn5金属间化合物层，无Cu3Sn层生成，在界面近域的钎料内，颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状；在热-剪切循环和恒温时效过程中，界面金属间化合物的形态初始都为扇贝状，随着时效时间的延长逐渐趋于平缓，最终以层状形式生长。     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

热压焊接制备的Cu / Al双金属的界面组织和剪切强度

采用扩散焊（DFW）技术制备了Cu/Al双金属,连接温度范围683-803K,连接时间范围20-80min,连接压力15MPa。Cu/Al双金属界面处的SEM试验结果表明,随着焊接温度的升高和保温时间的延长,界面层厚度逐渐增加,在连接温度为803K,连接时间80min,Cu/Al界面处形成了Al4Cu9,Al3Cu4,AlCu、Al2Cu金属间化合物（从铜侧到铝侧）,根据扩散动力学,金属间化合物(IMCS)的生成顺序为Al2Cu、Al4Cu9、AlCu、Al3Cu4。Cu / Al双金属的剪切试验显示为脆性断裂,并且界面强度随着IMC的减少而增加。在723 K的焊接温度下进行20分钟焊接后,Cu / Al双金属的剪切强度最高为63.8 MPa。     

CNTs/SiC/Cu复合材料制备及性能

以碳纳米管(CNTs)、碳化硅(SiC)粉体、锌(Zn)粉和CuSO_4·5H_2O为主要原料,用化学镀的方法制备CNTs /Cu复合粉体,再采用非均相沉淀法制备CNTs/SiC/Cu复合粉体.在750 ℃、100 MPa的制度下进行真空热压烧结后制得CNTs/SiC/Cu复合材料,其中Cu的含量(体积分数,下同)为70%,CNTs的含量(体积分数, 下同)分别为0,3%,5%,8%,12%.利用XRD、SEM分析样品的物相组成和显微结构;利用阿基米德排水法、显微硬度计、三点弯曲法测试了复合材料的密度、显微硬度和抗弯强度.结果表明,随着碳纳米管含量的增加,CNTs/SiC/Cu复合材料的密度、显微硬度和抗弯强度等性能发生相应变化,其中,抗弯强度呈现逐渐升高趋势.与未添加碳纳米管的30SiC/70Cu复合材料相比,添加12%CNTs的12CNTs/18SiC/70Cu 样品,抗弯强度提高了21.45 MPa.     

轧制复合电缆用Cu/Al复合材料变形规律研究

采用三步法复合工艺制备了电缆用Cu/Al复合板,分析了冷轧复合过程中Cu/Al复合板变形区的特点,研究了Cu层与Al层厚度比为1∶4时各组元压下率与总压下率的关系.将Cu/Al双金属变形区分为3个区,建立了基于原始坯料层厚比条件下的轧制复合Cu/Al复合板厚度模型.     

AZ31B/Cu复合材料的扩散焊制备与界面显微组织分析

采用真空扩散焊工艺,在加热温度500℃、保温时间40 min、压力2.5 MPa、真空度1.0×10-2 Pa下制备了变形镁合金AZ31B/Cu双金属复合材料,并对复合材料界面区的微观结构和力学性能进行分析,探讨了界面反应层的形成机理。结果表明:铜在镁合金一侧富集出现晶界渗透现象。镁合金/Cu界面的组织依次为:α-Mg和沿其晶界析出相Mg17(Cu,Al)12/α-Mg/(α-Mg+Mg2Cu)共晶/Cu2Mg金属间化合物/(α-Mg+Mg2Cu)共晶/Cu(Mg)固溶体。硬度在基体两侧到界面中心区域内呈台阶式增加,最高显微硬度达到3510 MPa。Cu2Mg两侧的共晶液相出现具有先后次序,晶界渗透区与Cu2Mg之间先形成Mg-Cu共晶液相,然后共晶液相中的Mg原子穿越Cu2Mg层扩散至Cu侧,在Cu2Mg与Cu(Mg)固溶体之间形成Mg-Cu共晶液相。复合材料的界面抗剪强度达到61 MPa,剪切断裂发生在界面扩散层内,断口由撕裂棱和撕裂棱两边的大小不一的解理台阶构成。     

Cu和Al箔扩散结合界面相生长行为研究

采用等离子活化烧结方法实现了Cu箔和Al箔的固相扩散结合,考察了673～773K温度范围内界面金属间化合物(IMCs)层的生成过程和生长动力学。结果表明:界面IMCs生成过程主要包括物理接触、IMCs形核、IMCs沿界面相连和IMCs层连续增厚4个阶段;界面主要由Al4Cu9、AlCu和Al2Cu层构成;各层厚度与反应时间的关系均符合抛物线规律,表明IMCs生长动力学由体扩散所控制;各层生长速率常数与反应温度之间满足Arrhenius关系,且整个IMCs界面层以及Al4Cu9、AlCu和Al2Cu各单层的生长激活能分别为80.78、89.79、84.63和71.12kJ/mol。