固液界面反应润湿动力学的表征与计算

目的 获得在反应润湿过程中固液界面能与时间变化的关系,掌握反应润湿动力学的核心问题。 方法 基于反应润湿过程中反应界面处的三相能量处于动态平衡状态,以反应界面新相覆盖率a和界面活性元素占位浓度分数Fs为变量,结合Young方程带入边界条件进行数学推导,并且进一步采用Dezellus推出的cosθ-t关系的动力学方程进行理论推导。通过真空熔炼炉炼制NiSi合金,采用改良座滴法,在高温真空润湿仪中的石墨基板上进行润湿实验,用高分辨率的CCD相机拍摄反应润湿过程中接触角的变化,获取接触角数据,结合公式计算,验证动力学方程。结果 理论推导出了固液界面能与时间关系的动力学方程。该方程与文献中将固液界面能在反应过程的瞬时差值作为驱动力所推方程相同,也与Dezellus推出的cosθ-t关系经推导后的动力学方程完全相同。该动力学方程中固液界面能与时间呈指数规律降低的关系。Ni-Si/C体系润湿实验的结果表明,在界面反应控制阶段,固液界面能随反应时间呈指数规律降低,与理论推导的动力学方程中固液界面能随反应时间的变化规律一致,结合动力学方程与Arrhenius方程计算出Ni-45%Si/C体系的界面反应激活能为239 kJ/mol,与文献中所报道的数值接近。结论 反应润湿过程中,该反应动力学方程切实可靠,固液界面能随时间呈指数规律降低的关系,能够为材料表面改性与涂层中的润湿性问题提供理论参考。     

4043/6061铝合金-Q235钢的反应润湿行为与前驱膜形成机制

铝在钢表面的润湿行为及润湿性直接关系到热浸铝工艺所制备涂层的质量。采用座滴法在高真空条件下研究了熔融4043和6061铝合金分别在Q235钢表面的润湿行为及界面结构。结果表明:4043/6061铝-Q235钢为典型的反应润湿体系,且润湿性随着温度的升高而改善。反应过程中生成的金属间化合物替代基板表面的氧化膜,形成洁净的界面进而促进熔滴铺展。铝合金化学成分不同导致界面结构不同,进一步导致铺展动力学规律不同,其中6061和4043铝合金在Q235钢表面润湿的活化能分别为86 k J/mol和8 k J/mol。6061铝合金中Mg的挥发可以还原钢表面的氧化膜,使铝熔滴更容易润湿钢板并形成前驱膜,其形成机制为"皮下渗透机制"。4043铝合金中的Si在固-液界面有较高的亲和力,因此在反应层出现了明显的Si富集。     

渗透检测中渗透液的润湿现象与接触角

作为渗透检测中的润湿现象有三种方式：即粘湿、浸湿和铺展。若渗透液在固体受检试件表面上的接触角θ≤180°,则可发生粘湿;若接触角θ≤90°,则可发生浸湿;若接触角θ≈0°,则可发生铺展。凡能铺展者,必要浸湿,更能沾湿。渗透检测要求铺展。接触角臼的大小是由在气、液、固三种界面张力的大小所决定的。从接触角口数值大小可看出液体对固体润湿的程度。这些讨论有助于对渗透检测中实际问题的认识。     

界面反应对铝熔体与Si3N4多孔陶瓷界面的润湿作用

应用界面润湿理论从热力学角度计算了铝熔体和Si3N4陶瓷存在界面反应时的润湿角;通过测量不同浸渗时间下浸渗厚度,结合浸渗动力学模型,获得实际浸渗过程中铝合金熔体与Si3N4多孔预制体之间润湿角,并将该试验结果与上述理论计算结果相比较.研究表明:Al/Si3N4界面反应过程对熔体与预制体的润湿起到重要作用;应用界面润湿理论计算得到T=1223 K(950℃)时,Al/Si3N4界面实际接触角θ值为60.2°,界面反应对界面接触角的贡献达到47.6°,计算结果与浸渗动力学试验吻合.     

液铝和铜-硅合金的石墨反应润湿动力学（英文）

为了揭示反应润湿扩散过程的物理本质,提出一种解释其驱动力和润湿机理的能量模型。在真空条件下采用通管滴落法,研究熔融的Al及Cu-Si合金在石墨基板上的反应润湿铺展过程,由轴对称形状分析软件(ADSA)测量摄入图像的接触角。研究典型反应润湿的热力学和动力学过程,推导能量关系的热力学方程,计算石墨表面能和三相线处固-液界面能相对于时间的变化值,并建立关于界面能的动力学模型。借助实验验证该模型的合理性,表明在反应过程中固液界面能随时间呈指数关系下降。从能量角度可为反应润湿过程提供一种新的解释方法。     

SnAgCu-xTi在单晶硅表面的润湿行为

采用改良座滴法在高真空条件下研究了熔融Sn0.3Ag0.7Cu(SAC)-xTi(x为质量分数,%)在800 ~ 900 ℃与单晶硅表面的润湿行为. 结果表明,SAC-xTi/Si体系属于惰性润湿体系,钛的添加显著改善了润湿性. 在不添加钛时,SAC钎料在800 ℃与单晶硅润湿1 800 s后达到平衡,平衡接触角为63°;SAC-1Ti钎料在900 ℃润湿1 800 s后获得最小平衡接触角41°;SAC-3Ti钎料在900 ℃时达到平衡润湿的时间最短,仅为50 s,平衡接触角为48°. 润湿机制为钛加速了单晶硅表面氧化膜的去除. 在熔融钎料的铺展过程中,通过溶解?再析出机制和微掩膜机制,在固/液界面处形成了温度依赖的“金字塔”结构,温度越高,“金字塔”结构越稀疏且形貌越大. “金字塔”结构的出现并未改善体系的润湿性,由于其对三相线的钉扎作用,进而使得体系的润湿性变差.     

Inconel 625合金TIG-CMT复合堆焊温度场与流场数值模拟

针对Inconel 625镍基合金TIG(钨极氩弧焊)-CMT(冷金属过渡)复合热源堆焊,建立了堆焊过程的数值分析模型,研究了焊接温度场与流场对镍基合金堆敷层润湿性和稀释率的影响规律。结果表明：CMT堆焊时,基材温度梯度大,送丝速度由7.5 m/min提高到9 m/min时,热输入的变化主要影响熔池中心附近3 mm内区域的温度,3 mm外区域温度的升高幅度在50 K以内,熔池边缘及基材温度较低,从而使得镍基合金较难在基材上有效润湿铺展;TIG-CMT复合热源堆焊时,TIG热源预热的主要作用是提高熔池边缘及基材的温度,其中焊缝中心温度基本保持不变,而距焊缝中心3 mm处温度约升高200～300 K,基材温度升高,镍基合金的流动铺展性提高,基材上表面附近的熔池面积明显增大,从而改善堆敷层的润湿性。CMT堆焊时,堆敷层的接触角均>90°,不利于多道堆焊的成形;复合热源堆焊时,堆敷层的接触角<90°,TIG电流为120 A和160 A时,稀释率在5%左右,可以在改善润湿的同时保持较低的稀释率。     

Zr41．25Ti13．75Ni10Cu12．5Be22．5熔体与W的润湿及复合

用座滴法研究了高真空下Zr41.25Tin13.75Ni10Cu12.5Be22.5（原子百分数，下同）熔体在W上的润湿行为及界面相互作用，并用浸渗法制备了W丝增强的Zr41．25Ti13．75Ni10Cu12.5Be22.5块状非晶复合材料。结果表明：在1053K～1173K之间，Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5熔体与W具有较好的润湿性。润湿温度升高会显著降低平衡接触角，并加速熔体的铺展，但也会增大W的溶解量。继续升高温度对平衡接触角和达到平衡接触角所需时间的影响很小。好的润湿性和快的铺展速率为制备W丝增强的Zr41.25Ti13.75Ni10Cu12.5Be22.5块状非晶复合材料选择合理的工艺参数提供了较大的自由空间。     

钛熔体与氧化锆陶瓷铸型润湿性研究

借助自主设计的高活性合金熔体落滴法润湿角测量装置,对纯钛熔体与ZrO2(CaO)陶瓷铸型材料之间的润湿性和界面相互作用进行了研究,并借助SEM和EPMA等分析测试手段,对界面处垂直于界面方向的液/固截面的组织形貌和元素分布进行了分析。结果表明,钛熔体与ZrO2(CaO)在界面处发生了一定程度的化学反应,但界面化学反应不剧烈,钛熔体在ZrO2(CaO)陶瓷材料上不润湿,润湿角为103°,利用液/固界面处化学反应引起的体系总的自由能变化解释了界面化学反应对界面润湿性的影响。     

控制气氛下的AgCuTi/TiAl润湿铺展动力学

采用热台原位加热法系统研究了不同保护气体流量对润湿铺展过程、润湿铺展最大半径、润湿铺展动力学以及界面组织结构的影响.保护气体为氩气,保护气体流量分别为5,10,15 mL/s;加热曲线设定最高温度为1273 K,保温时间120 s;采用扫描电镜、能谱分析、光学显微镜等分析了界面组织结构.结果表明,保护气体流量为15 mL/s时,润湿铺展等效半径最大,原始半径0.9 mm的钎料铺展半径达到约1.4 mm.各种保护条件下,AgCuTi/TiAl体系的润湿铺展动力学过程相似,铺展半径与时间之间呈n次幂关系,即rn~kt;润湿铺展中钎料熔敷/TiAl的界面结构为:残余钎料的富银相/AlCuTi三元相层(AlCu₂Ti, AlCuTi, Ti₃Al)/TiAl母材,保护条件对其影响不大.     

CuSn预合金粉芯复合银钎料的润湿铺展机理

研究了添加质量分数为30%～70%CuSn预合金粉复合银钎料在T2紫铜基体上的润湿铺展过程,并讨论了CuSn预合金粉复合银钎料在紫铜基体上的润湿铺展机理.结果表明,在与紫铜基体的润湿铺展过程中,初始接触角由30%CuSn的119°降低到70%CuSn的94°.最终接触角由30%CuSn的15°下降到70%CuSn的7°.当粉芯中CuSn合金粉含量为60%时,钎料在铜板上的润湿面积达到530.04 mm²,相比于未添加CuSn合金粉时提高了约66%.由于低熔点CuSn预合金粉的前驱润湿作用使复合银钎料表面张力降低,初始接触角和最终接触角随着CuSn预合金粉含量的增加而减小. CuSn预合金粉在钎焊过程中先于BAg30CuZnSn钎料外皮熔化,形成熔融的铜锡液态合金薄层,降低了固液界面张力.随后,熔化的BAg30CuZnSn箔带在先期熔化的铜锡液态薄层上铺展,并与其发生溶质原子的扩散反应,最终形成液态复合钎料.低熔点CuSn预合金粉的加入,使复合银钎料在铜上的润湿性能显著改善.添加40%CuSn预合金粉复合银钎料与铜基体的反应润湿界面均匀致密,其中白色富Ag相互连接,...     

Fe-Cr合金在TiO陶瓷上的润湿及其机理

Fe Cr合金对一氧化钛的润湿性能较差 ,在熔点温度下各成分的Fe Cr合金在一氧化钛上的润湿角都在 90°左右。当铬含量≤ 5 0 %时 ,Fe与TiO间存在界面反应 ,生成Fe2 Ti和Ti3 O2 。但界面反应的产生 ,并不能有效改善其润湿性。随着润湿温度的升高 ,合金的润湿性略有改善。在Fe Cr合金中添加少量的表面活性物质Si,可改善Fe Cr合金在一氧化钛上的润湿性。因为在润湿过程中Si在界面的富集 ,不仅降低了界面能和液相表面张力 ,有效改善了合金的润湿性 ,而且阻止了Fe与TiO间的界面反应 ,使反应型润湿转变为非反应型润湿。添加合金元素Si1.5 %以上 ,可使润湿角降至 2 5°左右。     

铝熔体与镀铬氧化铝的润湿行为

为了探究镀层对金属熔体与陶瓷基底润湿行为的作用机理,采用座滴法测试了700~800℃高真空条件下铝熔体与氧化铝、镀铬氧化铝基底及铬块的润湿性,研究了镀铬层厚度及润湿温度对润湿行为的影响。结果表明,铬镀层能够明显改善铝熔体与氧化铝基底的润湿性,随着镀层厚度的增加（260~1200 nm）,终态接触角逐渐减小,铺展速率明显增大,且铝熔体在1200 nm镀铬层上比在铬块上具有更好的润湿性。800℃下铝熔体在镀铬氧化铝基底上会形成明显的前驱膜。铝熔体与镀铬层在界面反应形成了非连续反应产物颗粒,700℃时为Al₇Cr,800℃时为Al₁₁Cr₂,而铝熔体与铬块在界面形成了连续的反应层。结合润湿界面反应及铺展前沿组态变化对上述结果进行了分析。     

55%SiCp/6061Al复合材料与PbO-ZnO-B2O3玻璃封接机理研究

主要研究了55%SiCp/Al复合材料与PbO-ZnO-B_2O_3玻璃封接过程中的润湿性和界面结合机理。研究结果显示:随温度升高,玻璃在4种母材上的铺展面积逐渐变大,润湿角减小,润湿能力提高,Al_2O_3陶瓷和SiC陶瓷与玻璃封接的铺展面积较大,润湿角较小,润湿性要优于复合材料。在450~490℃范围内将玻璃与55%SiCp/6061Al进行封接时,当封接温度高于470℃,在封接界面出现气泡,且随着温度升高气泡数量增多,尺寸变大;在460℃下封接时,玻璃与55%SiC/Al复合材料封接界面存在约为12μm的元素互渗区域,490℃时玻璃与Al_2O_3陶瓷的界面分界线清晰,与SiC陶瓷封接界面处,偏向玻璃侧存在SiC颗粒的渗入。     

铝硅熔体与镀覆Q235钢的润湿行为

目的 探究锡锌合金镀层对铝硅熔体与Q235钢润湿行为的影响。方法 通过磁控溅射法和热浸镀法在Q235钢基底表面镀覆不同厚度(190~5 500 nm)的锡锌合金镀层。采用改良座滴法测试700 ℃下铝硅熔体与不同表面处理的Q235钢基底的润湿行为。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)对凝固润湿试样截面和表面组织及成分进行表征分析。结果 700 ℃时铝硅熔体与未镀覆基底为部分润湿,初始接触角和终态接触角分别为88°和66°。施加190 nm锡锌合金镀层后,初始铺展速率明显增大,终态接触角约为13°,并在铺展前沿形成前驱膜;随着镀层厚度的增加,终态接触角减小,熔体铺展速率及前驱膜宽度增大,1 680 nm时趋于完全润湿(终态接触角约为2°)。铝硅熔体与未镀覆钢基底界面反应产物为Fe2Al5相和Al8Fe2Si相,反应层垂直界面向熔体侧快速生长而隔离熔体铺展前沿与基底的接触。施加镀层会促进反应层(Fe2Al5相和Al8Fe2Si相)沿铺展前沿快速生长,前驱膜表层主要为Al8Fe2Si相。镀层过厚(5 500 nm)的凝固润湿试样界面附近存在分离的低熔点锡相。结论 锡锌合金镀层主要通过改变界面反应层生长及润湿三相线组态而影响铝硅熔体与Q235钢的润湿行为。锡锌合金镀层能有效改善铝硅熔体与Q235钢的润湿性,有助于铺展前沿前驱膜的形成。随着镀层厚度的增加,熔体铺展速率增大,终态接触角减小。趋于完全润湿(1 680 nm镀层)后继续增大镀层厚度对润湿行为无明显影响,但过厚的镀层会促进低熔点锡相在凝固界面附近形成,这会弱化界面结合。     

Interfacial Reaction Kinetics between Liquid Sn-Ag-Cu Alloys and Cu Substrate

利用静滴法研究了Sn-Cu-Ag/Cu体系熔融焊料的润湿机理,结果发现,700 K是合金焊料铺展机理的转折点。利用DTA分析方法研究了界面反应,采用Kissinger方法计算了界面反应热动力学参数,另外,还研究了元素Cu对提高Sn-Ag-Cu/Cu体系界面反应活化能的影响及对界面反应速率的抑制作用。     

锡在Cu6Sn5金属间化合物表面的润湿行为

利用改良座滴法研究了高真空条件下熔融纯Sn在350 ~ 450 ℃下分别与Cu₆Sn₅和T2纯铜的润湿行为. 结果表明,表面镀金的金属间化合物基板在各试验温度下的润湿性均优于纯铜基板;金属基板表面氧化膜对润湿性的影响不容忽视;离子溅射后表面形成的金膜可以作为一种改善润湿性及控制界面IMC厚度的有效方法;润湿性改善的机制为Sn与氧化膜的化学反应,界面析出IMC或者IMC的溶解过程并非限制铺展的主要因素;铺展过程表现出线性铺展规律,可用反应产物控制模型对其进行描述,计算得到Sn/Cu₆Sn₅和Sn/Cu两体系的铺展激活能分别为20.469 kJ/mol和22.270 kJ/mol.     

熔融6061/4043铝合金在TC4钛合金表面的反应润湿

利用改良座滴法研究了高真空条件下熔融6061和4043铝合金在600~700℃分别与TC4钛合金的润湿行为。研究表明,Al/Ti体系属于典型的反应润湿,且铺展动力学可由反应产物控制模型描述,整个润湿过程分为先非线性铺展和后线性铺展2个阶段,即:铝合金中微量的Si元素在界面上产生了明显的富集并在界面上形成了富Si的Ti_7Al_5Si_(12);铺展过程中Ti_7Al_5Si_(12)的分解对应于非线性铺展阶段,Ti_7Al_5Si_(12)分解的同时伴随Al_3Ti形成,对应于线性铺展阶段;润湿过程中出现了明显的前驱膜并伴随着较好的最终润湿性。     

粗糙度对金属/陶瓷反应润湿体系高温润湿性的影响

采用真空座滴法研究了基体表面粗糙度(R_a)对AgCu-4.3 at%Ti/Al_2O_3和AgCu-4.3 at%Ti/石墨两个体系润湿性能的影响,其中Al_2O_3的R_a为256~636 nm,石墨的R_a为265~1898 nm。结果表明,基体粗糙度对界面反应层厚度及其侧向生长、润湿动力学和最终润湿角(θ_f)均有很大影响。在1200 K的润湿温度下,随着基体R_a的增加,两个润湿体系的最终润湿角均呈上升趋势;高温反应性润湿体系润湿性的好坏取决于界面反应产物的侧向生长,当基体表面粗糙度增加时,增加了金属液体中活性元素向产物侧向生长前沿扩散的距离,同时粗糙表面的轮廓峰会对三相线的移动产生钉扎作用,因此界面反应产物侧向生长受到抑制;活性元素更易于向界面处扩散,生成更厚的界面反应产物层;当活性金属液体在粗糙表面润湿时,具有相对缓慢的润湿速度,达到润湿平衡的时间也较短,最终导致较大的润湿角。     

SiO2-BN复相陶瓷润湿性及其接头微观组织

采用座滴法开展Ag-21Cu-4.5Ti合金钎料对SiO₂-BN复相陶瓷润湿与铺展行为研究. 利用SEM、XRD分析润湿界面微观组织以及形成机理. 通过调控SiO₂-BN复相陶瓷中BN含量,研究Ag-21Cu-4.5Ti/SiO₂-BN复相陶瓷润湿体系的润湿模型. 结果表明,Ag-21Cu-4.5Ti/SiO₂-BN复相陶瓷润湿体系的典型界面反应产物为TiN和TiB₂,随着体系BN含量的增加,润湿性逐渐变好. 对SiO₂-BN复相陶瓷与Nb进行钎焊试验,典型界面组织为SiO₂-BN复相陶瓷/TiN + TiB₂/Ti₂Cu + (Ag,Cu)/(βTi,Nb)/Nb. 接头抗剪强度随着钎焊时间升高先增大后减小,当钎焊温度为880 ℃,保温时间10 min时,钎焊接头抗剪强度最高,到达39 MPa.