论文摘要
固液界面间的润湿行为和基板的表面结构密切相关，在很大程度上决定了材料加工和使用性能。非晶合金结构长程无序，短程有序，没有任何晶粒和晶界的存在。但是非晶处于热力学亚稳状态，在一定的热处理条件下将要发生结构弛豫、初晶化、多晶化转变和晶粒的长大等复杂的变化。在此过程中基板的表面结构和能量状态也发生了较大的改变，而润湿性和基板的表面结构密切相关，因此熔体在不同温度退火基板上的润湿性将呈现出不同的规律。本文采用先进的真空挤压座滴法研究了Sn/Sn-Bi熔体在不同温度退火的亚稳态Co65Fe4Ni2Si15B14、Ni80P20和Fe40Ni38Mo4B18合金薄带上的润湿行为及铺展动力学，利用XRD，micro-XRD，TEM，SEM，EDS等检测手段考察了样品的界面微观结构，从基板结构，表/界面能量，固液原子扩散，界面反应，IMCs的形成及生长和三相线前沿的前驱膜等角度探讨了不同状态的基板润湿性差异的根源。获得的实验结果如下所示：1.不同温度退火改变了亚稳基板的能量状态和表面结构，而界面反应与基板的表面结构和组成相密切相关，因此退火改变了体系固液原子间的结合方式和结合强度。当基板处于非晶态时，表面原子活性较高，有利于润湿和铺展的进行。2.界面反应加强了固液原子间的结合力，导致固液界面自由能迅速减小，从而驱动了润湿和铺展的进行。强烈的界面化学作用使得IMCs过度生长，能够在一定程度上阻碍熔体的铺展(如Sn/Co65Fe4Ni2Si15B14)。晶化增强了基板原子的内聚力，削弱了固/液间原子的亲和力，从而恶化了体系的润湿。3.发现了前驱膜的形成有助于润湿的共性规律。基板大范围晶化析出纳米晶会导致其表面的晶界和相界增多，熔体能够沿着晶界沟槽快速扩散形成液体薄膜（即前驱膜），从而不同程度地改善体系的润湿。三相线前沿的前驱膜宽度越大，润湿性往往越好。前驱膜宽度和基板表面晶界/相界数量密切相关。随着基板表面晶界/相界数量减少，前驱膜逐渐变窄甚至消失。4.熔体Sn向基板内部扩散形成扩散层，削弱了熔体原子向三相线前沿的铺展。扩散层越厚越不利于润湿。基板的结构状态和固－液界面原子间的亲和力是决定体系润湿性和熔体原子在基板内扩散的主要因素。当基板处于非晶态时，固液界面反应促使邻近区域产生晶化转变析出晶化相，接着熔体Sn原子能够沿着晶界向基板内部进行扩散；随着基板发生多晶化和析出相的转变，Sn原子与基板原子之间的亲和力减弱，润湿性变差，扩散层逐渐消失。5.在一定退火温度范围内所产生的结构转变对熔体在三种亚稳基板表面的初始接触角均影响不大；而当退火温度超过一定值后，随着退火温度的升高，初始接触角逐渐减小。6.对于Sn/Co65Fe4Ni2Si15B14体系，非晶的结构弛豫和初晶化使得固液原子间从微弱的化学结合转变为物理结合，恶化了熔体在基板上的铺展性和润湿性；而基板多晶化转变析出纳米晶后，固液原子间又转变为化学结合，改善了体系的润湿。而对Sn/Fe40Ni38Mo4B18体系，由于固液界面反应强度变化不大，因此非晶的结构弛豫和初晶化对体系的润湿性影响不大。总之，通过本文上述三个典型体系的研究结果可以为利用软钎焊技术实现非晶、纳米晶材料的连接提供重要的指导。