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Cu-Sn-Ti边界二进制系统的界面反应

*通信:

Guojun周
机械工程系
湖南科技学院
湖南,岳阳,中国
电话:123456789
电子邮件:87973108 @qq.com

文摘

Cu-Sn-Ti三元系统及其三个边界双星系统在实践中是至关重要的。Ti / Sn和铜/ Sn固体/液体扩散夫妇和铜/ Ti扩散夫妇和检查。只有Sn₃“透明国际”₂如果Ti / Sn固体/液体形式扩散夫妇在873 K退火30 ~ 160分钟。当退火在808 K 10分钟,只有铜₃Sn形式在铜/ Sn固体/液体扩散夫妇。随着退火时间的增加,铜₄₁Sn₁₁铜和铜层形式₃在30分钟然后Bcc_a Sn₂铜和铜层形式₄₁Sn₁₁在60分钟。在1023 K 1000小时,退火后四个化合物,CuTi₂、CuTi Cu4Ti₃和铜₄在铜/ Ti Ti形式扩散夫妇在铜₃“透明国际”₂不在。界面反应过程和阶段形成序列预测了最大的驱动力模型使用热calc软件。

关键字

扩散;金属间化合物;相图;固液反应;扩散

介绍

钎焊金刚石磨粒钢衬底上一层配置的形式已经被视为一个有效的途径制造高性能金刚石磨料工具(1]。当与电镀金刚石工具相比,它是可能的暴露更高的金刚石磨粒突出高度高于钎料的水平,但仍达到更强的粘附强度和金刚石磨粒之间的钎焊合金。这样一个独特的特征能产生金刚石磨料工具表现出更高的材料去除率以及更长的生命的工具。成功的钎焊金刚石磨粒在钢基体之间的粘附强度取决于金刚石磨粒和钎焊合金,通常增强公司的活跃的元素,如钛、铬、V和Zr的钎焊合金(2,3]。这些积极的元素可以很容易地开发跨种族化合物在钎焊金刚石磨粒的操作,从而缓解界面压力造成不同的晶体晶格和金刚石磨粒之间的热膨胀系数和钎矩阵。在各种系统、Ag)组成的合金,铜和低浓度的活跃Ti(少于5 wt pct)是常用的作为金刚石的钎焊合金和其他陶瓷材料(4- - - - - -8]。

事实上,隔离钛原子的界面区域被广泛公认的在几个报告之前,不仅在金刚石的钎焊,而且在各种氧化物的钎焊硬质合金和氮化硅陶瓷材料。这样的界面层被公认是有利于钎矩阵之间的粘附强度和陶瓷材料。然而,界面反应层的过度开发可能导致缺陷的形成,这不可避免地传授削弱债券(9,10]。

基于Cu-Sn-Ti合金有效替代Cu-Ag-Ti合金加工单分层钎焊的金刚石工具和金属结合金刚石工具(11]。刀具寿命和切削速度增加。到目前为止Cu-Sn-Ti填充金属的最佳组合属性,特别是因其相对较高的强度和耐腐蚀性如果Ag-Cu合金相比,其较低的熔点如果Ni-base相比的12]。浓度范围的定义,Ti在Cu-Ag-Sn-Ti合金溶解的浓度随Ag浓度增加而降低,但随着Sn浓度的增加而增加。Sn的加入不仅可以降低这些合金的熔化温度,而且还将促进更高浓度的Ti的溶解进入液相。高浓度的Sn的共存和Ti的液相可能导致降水加强Sn-Ti钎矩阵在冷却金属间化合物阶段。基于前面的分析,在钎料合金钛的浓度可以增加和钎矩阵的硬度可以增强的替换Sn Ag)。

为了预测哪些化合物会形成第一,成核的激活能源为每个化合物应该比较。成核的激活能源取决于驱动力和界面的能量,但信息界面能源是缺乏的。此外,界面的能量,这是实验确定基于宏观概念,往往被修改为一个更小的集群等关键的核。出于实用目的,可以是一个近似的驱动力判据预测第一形成化合物。

材料和方法

制备Sn / Ti液体/固体扩散夫妻:钛板(99.9 wt %)和锡锭(99.999 wt %),作为开始,材料。小块的Sn和Ti被切断,每一块的表面抛光显微和超声波清洗。每一对Sn和Ti被密封在一个疏散石英管充满氩气(为了避免浮动的Ti熔融锡、钛片固定在与莫电线管)。

垂直管进入退火炉,随后上升温度873 K,使锡块不毛之地。动摇管使钛块合并成熔融锡和Sn /钛液体/固体扩散夫妇。管是保持在873 K 30和160分钟。

制备铜/ Sn固体/液体扩散夫妻:铜盘(99.97 wt %)和锡锭(99.999 wt %),被用作起始原料。的扩散夫妻是用类似的进步使Sn / Ti扩散夫妇。退火温度为808 K和退火时间是10个,分别为30和60分钟。

制备铜/ Ti扩散几个:铜和钛片5毫米×8毫米被切断扩散焊接在1023 K, 15分钟4 MPa压力,密封在一个疏散石英管充满氩和退火1000 h的1023 K。

管是在水中淬火和破碎。取出样本安装、接地和抛光显微。则被分析的样品用扫描电子显微镜(SEM)和电子探针(JEOL jxa - 8800 r),为了确定形成金属间化合物的化合物。

结果与讨论

第一阶段在Ti / Sn形式扩散几个:基于前文学,库珀发现了一个新的二进制相位Sn₃“透明国际”₂。基于工作刘Chunlei工作组成员的工作,作者希望Ti-Sn二元相图,如图所示图2。从Ti-Sn二元相图,有五个二元化合物,SnTi₃,SnTi₂、锡₃“透明国际”₅、锡₅“透明国际”₆和Sn₃“透明国际”₂,存在稳定在873 K。图1显示了背散射电子(BSE)的图像Ti / Sn扩散在873 K夫妇退火。电子探针结果显示只有Sn₃“透明国际”₂一种形式的接口(图2和表1)。

表1。金属间化合物的形成动力化合物的亚稳平衡下hcp (Ti) +液体(Sn)在873 K。

金属间化合物的形成动力化合物的亚稳平衡下hcp (Ti) +液体(Sn) 873 K中列出表1。表可以看出,在873 K, hcp (Ti)的亚稳平衡态下和液体,最高的阶段形成的驱动力是Sn₃“透明国际”₂。根据最大驱动力标准,第一个形成阶段应该Sn₃“透明国际”₂与理论计算结果吻合较好实验结果(图3)。

铜/锡的地层序列扩散夫妻

从图3可以看出,退火后10分钟,只有铜₃Sn形式的夫妇。随着退火时间增加到30分钟,铜₄₁Sn₁₁出现在扩散层铜和铜之间₃Sn。退火后60分钟,bcc a2铜和铜之间的另一个阶段₃Sn能被探测到。

疯牛病铜/锡的形象扩散在808 K夫妇退火。阶段的类型与电子探针检测到。铜之间的接口₄₁Sn₁₁和铜₃Sn所示虚线(a) -10分钟(b) -30分钟(c) -60分钟。

在这部作品中,热力学参数估计计算应用的垫片。计算Cu-Sn二元相图所示图4。从Cu-Sn二元相图,各个阶段存在稳定在808 K是铜的₃锡、铜₄₁Sn₁₁和Bcc_a₂。列出形成的驱动力表2。

表2。金属间化合物的形成动力化合物在808 K Cu-Sn系统。

在这个表中,可以看出亚稳平衡状态下的液体和fcc-Cu,最高的阶段形成的驱动力是铜₃Sn。根据最大驱动力标准,第一个格式阶段应该是铜₃Sn中可以看到图3。根据热力学的基本规则扩散几个方法,形成的任何阶段都必须结合吉布斯能量的降低,这意味着不能形成阶段与负面驱动力。然而,在铜₃Sn出现,扩散由铜和铜₃Sn。根据其他阶段的推动力下亚稳平衡铜+铜₃Sn,表中列出,形成铜的驱动力₄₁Sn₁₁和Bcc_a₂是积极的,铜₄₁Sn₁₁比较大。因此,在铜₃Sn,第二阶段形式扩散夫妻应该是铜₄₁Sn₁₁应该Bcc_a最后阶段出现₂。见图3,理论计算结果与实验结果吻合较好(图5和图6)。

图6显示了Cu-Ti Kumar二元相图计算。从相图,可以看到有5个稳定的二元化合物在这个系统在1023 K。然而,图5显示了铜/ Ti的形态扩散退火对1023 K 1000 h, CuTi有四个化合物₂、CuTi Cu4Ti₃、铜₄“透明国际”₃,出现在示例,而铜₃“透明国际”₂不在。

铜来解释原因₃“透明国际”₂没有出现在所有其他稳定的阶段存在,金属间化合物化合物的形成动力计算和上市表3。与此同时,亚稳没有关系这实验结果不是。

表3。金属间化合物的形成动力化合物在1023 K Cu-Ti系统。

这个阶段在铜/ Ti缺席扩散夫妇

结合Cu-Ti二元相图和表,我们可以推断出铜/ Ti的反应过程扩散夫妻是这样的。在1023 K下的亚稳平衡fcc(铜)+ hcp (Ti), CuTi阶段₂以最大的形式首先形成动力。根据二元相图,钛和铜之间的平衡₃“透明国际”₂是稳定的(它们之间没有其他稳定的阶段),所以平衡将不再考虑。下一步应考虑亚稳平衡铜+铜₃“透明国际”₂和金属间化合物阶段最大的驱动力是铜₄“透明国际”₃。一旦铜₄“透明国际”₃铜和铜之间的形式₄“透明国际”₃,其他两个亚稳平衡出现。因为铜的成分₃“透明国际”₂铜及其之间的定位₄“透明国际”₃和复合,铜₃“透明国际”₂CuTi之间₂和铜₄“透明国际”₃形成了在示例中,只有一个亚稳态平衡,铜+铜₄“透明国际”₃需要进一步的研究。这个表显示,铜及其之间的两个阶段₄“透明国际”₃是铜₃“透明国际”₂和铜₄Ti和他们积极的推动力量。然而,铜的形成动力₄Ti大于铜₃“透明国际”₂。到目前为止,理论上解释铜₃“透明国际”₂的最后阶段形式Cu-Ti双星系统。此外,它是铜的缺席的原因₃“透明国际”₂当所有的CuTi₂、CuTi、铜₄“透明国际”₃和CuTi出现。

结论

只有Sn₃“透明国际”₂如果Ti / Sn固体/液体形式扩散夫妇在873 K退火30 ~ 160分钟。当退火在808 K 10分钟,只有Cu3Sn形式在铜/ Sn固体/液体扩散夫妇。随着退火时间的增加,铜₄₁Sn₁₁铜和铜层形式₃在30分钟然后bcc-a Sn₂铜和铜层形式₄₁Sn₁₁在60分钟。在1023 K 1000小时,退火后四个化合物,CuTi₂、CuTi、铜₄“透明国际”₃和铜₄“透明国际”₃在铜/ Ti形式扩散夫妇在铜₃“透明国际”₂不在。

界面反应过程和阶段形成序列预测了最大的驱动力模型使用热calc软件。

确认

这项工作得到了湖南省自然科学基金(批准号2020 jj4335)。

引用

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