急冷cu基合金箔快速凝固连接研究

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1、摘要急冷Cu基合金箔快速凝固连接研究学科：材料加工工程作者姓名：翟秋亚导师姓名：郭学锋教授徐锦锋教授摘要答辩日期：2008年06月(签名)：在深入研究急冷Cu基非晶及微晶合金相结构和组织特征的基础上，将急冷快速凝固和储能焊方法相结合，实现了急冷Cu基非晶及微晶合金的快速凝固连接。重点研究了微型熔核的快速形核与生长机制、微观流动特征和亚稳相的稳定性及接头力学性能。取得了以下主要研究结果：揭示了急冷条件下Cu-Sn合金的组织演变规律。在快速凝固条件下，Cu-7％Sn合金形成单相仪一Cu固溶体组织，Cu-13．5％Sn合金由Cul3．7Sn和少量0c-Cu相组成，Cu一20％Sn合金由Cu5

2、．6Sn和少量仅一Cu相组成。随着冷速增大，带材中柱状晶区缩小，亚稳相截留效应显著，位错密度增大，孪晶数量增多；合金组织显著细化、晶界增多，电阻率增大，显微硬度和抗拉强度升高，伸长率减小。实现了厚度约20--60¨m的Cu．Sn合金箔材的快速凝固连接，获得了与急冷箔材组织和性能相一致的快凝连接接头。急冷Cu．Sn合金微型点焊接头的冷却速率高达100K／s。接头由熔核区、半熔化区及热影响区组成。熔核区组织为细小均匀的等轴晶，熔合区宽度2．O一3．0岬，热影响区组织未发生粗化。，研究了微型熔核在快速凝固过程中的液相流动行为及其与气孔缺陷形成之间的相关性，揭示了微型熔核中气孔的分布规律及其形

3、成动力学机制。流动液相从熔核心部出发，以电极为对称轴向结合面四周辐射，并以结合面为对称面，呈弯曲流线状向侧面延伸。在结合面上，流线平直且密度较大；而在侧面方向上，流线密度逐渐变得稀疏。液相流动是气孔沿熔核周边分布的驱动力。Cu-Fe包晶合金微型熔核在快速凝固过程中发生了液相分离现象。富Fe相的小液滴本研究得到陕西省自然科学基金(2006E120)和陕西省教育厅科学研究计划(06JK220)的资助。西安理工大学博士学位论文在温度梯度驱动的Marangoni对流作用下向熔核中心移动，并不断凝并长大，最终形成富Fe相在熔核中心区偏聚的组织结构。熔核外围及周边母材组织细小均匀，具有明显的快速凝

4、固特征。随着温度梯度的增大，富Fe相液滴的运动速度呈线性增大。Cu．Fe包晶合金快速凝固连接接头具有较高的力学性能。揭示了非晶合金中亚稳相在焊接过程中的稳定性及非晶接头形成动力学机制。CuaoZr55A112Ni3合金玻璃转变温度疋=677K，约化温度Tr,=0．61；晶化温度Tx=745K，过冷液相区范围为△Tx=68K；非晶形成趋势参数蜒l=o．19，稳定性参数s=O．60；非晶瘢成临界泠却李R。=6．20刈s。非晶态Cu30Zr55A112Ni3合金的抗拉强度高达1600MPa，伸长率在0．7—3．0％范围，电阻率为120--220pQ·tin。随冷却速率增大，合金抗拉强度增高，

5、伸长率降低，电阻率显著增大。理论计算获得的熔核中心的平均冷却速率高达106K／s，远高于非晶合金的临界冷却速率。快速凝固连接方法获得了均匀致密的非晶态连接接头。非晶相在焊接过程中呈现出良好的稳定性。接头尺寸微小，直径为60一90lam，非晶接头与母材浑然一体，熔合线消失，熔核中未产生气孔、夹杂等焊接缺陷。接头的剪切强度高达1141lV[Pa。高的电阻率特性使非晶焊接所需要的能量明显低于微晶合金。关键词：非晶及微晶合金，快速凝固焊接，微型点焊接头，微结构与性能Ⅱ摘要StudyonrapidsolidificationjoiningofquenchedCu．．basedalloys-＼Su

6、bject：MaterialsProcessingEngineeringDate：Sep．，2008．06Author：QiuyaZHAIAdvisor：Prof．XuefengGUOProf．JinfengXUAbstractSignature：Cu-basedalloyfoilswithamorphousandsubmicro-crystalmicrostmcturewerepreparedusingasinglerollerquenchingmachine．Themicrostructuresofthefoilswerecharacterizedinthispaper．Weldi

7、ngjointsofthefoilswithacharacteristicofrapidsolidificationwererealizedusingcapacitordischargewelding(CDW)method．Competitivenucleationandcrystalgrowthwereanalyzedinconsideringofliquidflowfield，temperaturefield，andmetastableph