錫銅包晶合金凝固的組織調(diào)控及同步輻射成像.pdf

1、包晶反應(yīng)廣泛存在于很多功能和結(jié)構(gòu)合金材料中。不同生長(zhǎng)條件下的包晶反應(yīng)將直接影響兩相的形態(tài)和體積比例，進(jìn)而影響材料的物理及力學(xué)性能。目前，對(duì)包晶合金的研究主要是關(guān)于初生相為固溶體的包晶合金體系，而對(duì)領(lǐng)先相屬于金屬間化合物（IMCs）的包晶合金體系研究少有涉及。因金屬間化合物通常情況下以有較強(qiáng)各向異性的小平面方式生長(zhǎng)，易形成組織粗大、形態(tài)各異的形貌。包晶合金本身存在兩次形核長(zhǎng)大過(guò)程，其凝固過(guò)程極其復(fù)雜。如果能夠原位觀測(cè)和表征小平面包晶合金的

2、凝固過(guò)程，獲得第一手最直接最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將對(duì)小平面包晶合金的凝固機(jī)制的研究帶來(lái)極大的方便。
　　本文以Sn-Cu系小平面包晶合金為研究對(duì)象，基于同步輻射X射線原位實(shí)時(shí)成像技術(shù)，對(duì)電場(chǎng)（直流、脈沖電流和垂直交互的電流）作用下包晶合金凝固過(guò)程IMCs的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同步輻射成像實(shí)驗(yàn)捕獲一系列IMCs的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)行為圖像，同時(shí)借助XRD和SEM檢測(cè)手段，證實(shí)IMCs是Cu3Sn和Cu6Sn5金屬間化合物。本文還借助同步輻射

3、成像實(shí)驗(yàn)，探究了冷卻速率對(duì)Sn-Cu包晶合金凝固組織的影響。
　　本文主要取得了以下研究成果：（1）Sn-10%Cu過(guò)包晶合金凝固過(guò)程被實(shí)時(shí)原位觀察，當(dāng)施加20A/cm2和200A/cm2直流電場(chǎng)時(shí)，包晶相從液相直接析出形核而初生相形核生長(zhǎng)則受到抑制，并實(shí)時(shí)觀察了包晶相二次枝晶臂的生長(zhǎng)和重熔的動(dòng)態(tài)過(guò)程。（2）在脈沖電場(chǎng)的作用下，Sn-10%Cu過(guò)包晶合金的初生相形核生長(zhǎng)受到抑制，包晶相直接形核生長(zhǎng)；脈沖電場(chǎng)與直流電場(chǎng)相比，包晶相明

4、顯被細(xì)化。（3）在垂直交互的電場(chǎng)作用下，Sn-10%Cu初生相的形核受到抑制而包晶相直接從液相中形核生長(zhǎng)，并且X-型和花瓣型包晶相枝晶臂都發(fā)生分叉現(xiàn)象，X-型包晶相通過(guò)分叉有向花瓣型包晶相轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。（4）當(dāng)冷卻速率為3℃/min時(shí)，初生相呈現(xiàn)為粗大板條狀，并且還伴隨有短棒狀的初生相，X-型包晶相生長(zhǎng)取向也會(huì)發(fā)生改變，枝晶臂中間出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象；當(dāng)冷卻速率為1℃/min時(shí)，初生相以塊狀和短棒狀形式存在，長(zhǎng)條狀的初生相消失；在冷卻速率1℃/m

5、in時(shí)，Sn-20%Cu合金的初生相的尺寸非常大，初生相的生長(zhǎng)取向發(fā)生改變并發(fā)生分叉現(xiàn)象，并未出現(xiàn)X-型和花瓣型包晶相Cu6Sn5，而是以樹(shù)枝狀形式存在。
　　本文通過(guò)同步輻射成像技術(shù)實(shí)時(shí)原位地觀察了Sn-Cu包晶合金凝固的過(guò)程，研究直流、脈沖電流和垂直交互的電流對(duì)初生相和包晶相生長(zhǎng)演變影響，及冷卻速率對(duì)初生相和包晶相的影響，并解釋了其機(jī)理。為進(jìn)一步完善小平面包晶合金凝固機(jī)理，獲得的第一手最直接最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將對(duì)包晶合金的凝固