兩相分離型Cu基合金的設(shè)計(jì)、制備與性能研究.pdf

1、近年來,隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展,特別是微電子工業(yè)中電子產(chǎn)品的小型化和集成化,對(duì)Cu合金的性能提出了更高的要求。目前,高性能Cu基合金的研究和開發(fā)工作包括核心制備技術(shù)、高品質(zhì)產(chǎn)品和主要效益增長點(diǎn)等已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。相圖作為材料設(shè)計(jì)的“地圖”,對(duì)高性能銅合金材料的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。兩相分離是由相之間的不相容性而導(dǎo)致的客觀現(xiàn)象,是一些Cu基合金體系的基本特性,也廣泛存在于其他金屬、陶瓷和高分子材料體系

2、中,對(duì)材料的組織和性能有著顯著的影響。目前,利用兩相分離的特性,設(shè)計(jì)并開發(fā)新型Cu基合金已顯示出重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　針對(duì)目前兩相分離型Cu-(Co,Cr,Mo,V,Ni)基合金系中相圖信息匱乏以及新型合金開發(fā)工作有限的現(xiàn)狀,本研究主要通過合金法和擴(kuò)散偶法對(duì)兩相分離型Cu-(Co,Cr,Mo,V,Ni)基三元系的相平衡及相變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定,并利用CALPHAD(Calculation of Phase Diagr

3、ams)方法對(duì)上述三元系的相圖進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化與計(jì)算,并建立了兩相分離型Cu基合金相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。在利用該相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行合金設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,開展了兩相分離型Cu基合金的組織控制與性能研究等。本研究的主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過合金法,利用顯微組織觀察、電子探針(EPMA)成分分析及差示掃描量熱分析(DSC)等技術(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了Cu-Co-Nb(800℃、900℃、1000℃、1100℃和1200℃)、Cu-Co-X(X:Si,

4、Zr,Mo,V)(900℃、1000℃、1100℃和1200℃)、Cu-Co-B(1000℃、1200℃和1300℃)、Cu-Cr-X(X:Si,V)(900℃、1000℃、1100℃和1200℃)、Cu-Mo-X(X:Ti,Zr)(800℃、900℃、1000℃、1100℃和1200℃)、Cu-V-Si(900℃、1000℃、1100℃和1200℃)以及Cu-V-X(X:Ti,Zr)(800℃、900℃、1000℃、1100℃和120

5、0℃)共13個(gè)三元系的相平衡。基于本研究得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用CALPHAD技術(shù)對(duì)上述各三元系相圖進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化與計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好。
　　(2)通過合金法和擴(kuò)散偶法,實(shí)驗(yàn)測(cè)定了Cu-Ni-Mo(900℃、1000℃、1100℃、1200℃和1300℃)、Cu-Ni-V(900℃、1000℃和1100℃)、Cu-Ni-W(1100℃和1200℃)以及Cu-Ni-Nb(1000℃、1100℃和12

6、00℃)共4個(gè)三元系的相平衡,首次發(fā)現(xiàn)上述四個(gè)三元系在高溫下存在穩(wěn)定的Fcc相分離。基于本研究得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用CALPHAD技術(shù)對(duì)上述各三元系相圖進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化與計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了良好的一致性。此外,還利用獲得熱力學(xué)參數(shù),對(duì)Cu-Ni-X(X:Mo,V,W,Nb,Cr,Fe,Co)各三元系中高溫下穩(wěn)定的Fcc相分離的形成原因進(jìn)行了熱力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)上述各三元系中穩(wěn)定的Fcc相分離的存在,與Cu-x二元系中Fcc相分離的影

7、響、Ni含量對(duì)Cu-Ni-X三元系中穩(wěn)定Fcc相分離臨界溫度的影響以及X含量對(duì)Cu-Ni-X三元系中Fcc相分離臨界溫度的影響這三種因素存在密切關(guān)系。
　　(3)在利用兩相分離型Cu基合金系相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過氣霧化制粉技術(shù)在Cu-Co-Fe-Si-Zr-B體系中首次制備了一系列液相分離誘發(fā)晶體/非晶復(fù)合粉體,其中晶體相為fcc結(jié)構(gòu)的Cu-rich相,非晶相為Co-rich或Fe-rich或(Co,Fe)-r

8、ich相。上述晶體/非晶復(fù)合粉體的飽和磁化強(qiáng)度值隨著Cu含量的增加而減小,隨著Fe或Zr的添加而增大。此外,該類型晶體/非晶復(fù)合粉體的形成過程是,首先液相分離誘發(fā)生成核/殼組織,并在凝固過程中分別形成非晶與晶體。
　　(4)在利用兩相分離型Cu基合金系相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行成分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過氣霧化制粉技術(shù)制備了Cu25Co50Ni10B15(at.％)、Cu60Co15Ni10B15(at.％)、Cu25Ag20Co50Ni10

9、B15(at.％)以及Cu25Ag20Co50Fe10B15(at.％)合金粉體,上述四種粉體均形成了金屬/硼化物陶瓷的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中在Cu25Ag20Co50Fe10B15(at.％)、Cu25Ag20Co50Fe10B15(at.％)以及Cu5Ag20Co50Fe10B15(at.％)復(fù)合粉體中,均只形成核—?dú)さ膬蓪訌?fù)合組織,核部為體積分?jǐn)?shù)大的相,而殼層是體積分?jǐn)?shù)小且表面能低的相。該類型核—?dú)蓪訌?fù)合組織的形成,主要受分離后兩液相之