Fe-Al金属间化合物的第一性原理研究综述

Fe-Al金属间化合物具有密度低、比强度高、抗高温氧化和耐腐蚀性良好等优点,且成本低廉,成为镍基高温合金潜在的替代结构材料。综述了利用第一性原理计算研究元素掺杂/微合金化对Fe-Al金属间化合物及涂层的室温脆性、高温强度、界面结合、抗高温氧化及耐腐蚀性能影响的研究进展,设计了第一性原理研究B2型Fe-Al合金耐氯化盐腐蚀机理的理论计算方案,展望了第一性原理计算应用于Fe-Al合金及涂层材料研究的发展方向。

(Ti_(1/4)Zr_(1/4)V_(1/4)Nb_(1/4))Al_(x)高熵金属间化合物合金的组织结构研究

设计并用真空电弧熔炼法制备了五主元(Ti_(1/4)Zr_(1/4)V_(1/4)Nb_(1/4))Al_(x)高熵金属间化合物合金,研究了铸态及高温退火后合金的晶体结构、显微组织及硬度的变化。结果表明,(Ti_(1/4)Zr_(1/4)V_(1/4)Nb_(1/4))Al_(x)高熵金属间化合物合金以D0_(22)有序化合物结构为基体,夹杂少量的L1_(0)析出相。合金组织为树枝晶组织,由于枝晶相和枝晶间相的元素分布不同,使合金产生了相分离现象。(Ti_(1/4)Zr_(1/4)V_(1/4)Nb_(1/4))Al_(3.5)合金中L1_(0)相含量最少,并且在1300℃热处理后基本消失,合金转变为完全由有序的D0_(22)相组成。此合金在1400℃高温下仍能保持铸态的基体结构,没有析出其他相,表明此合金具有极好的高温热稳定性。

AlSc15中间合金中Al_(3)Sc金属间化合物的电化学行为及对局部腐蚀的影响

将过共晶AlSc15合金加热至液态,以10℃/h速率冷却得到毫米级尺寸的Al_(3)Sc金属间化合物。利用微区电化学和扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)研究了Al_(3)Sc金属间化合物在不同pH值的0.1 mol/L NaCl溶液中的电化学特征及对局部腐蚀敏感性的影响。结果表明,Al_(3)Sc金属间化合物存在自钝化现象,且在碱性环境中有明显的维钝区域;随着pH值的增加,Al_(3)Sc腐蚀电位逐渐降低,在中性和碱性条件下的腐蚀速率明显低于酸性条件下的;Al_(3)Sc金属间化合物与周围铝基体之间的伏打电位差约为40 mV,在铝合金中可能作为较弱的局部阴极,对电偶腐蚀的影响不大。

铸造中熵金属间化合物FeCoNi_(2)Al组织、力学性能及工艺性

为进一步推动中/高熵金属间化合物的工程化应用,以FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物为研究对象,制备了16 kg级大尺寸合金铸锭,细致研究和分析了铸态合金显微组织和力学性能,并采用熔模精密铸造技术浇注了特征结构元件,评价了合金的铸造工艺性能。结果表明,大尺寸FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物铸锭具有良好的成分均匀性,铸态合金由具有树枝状形貌的B2初生相和枝晶间具有片层结构的L1_(2)+B2相共晶组织构成,室温下铸态合金抗拉强度达1115 MPa,伸长率为4.6%,650℃下合金抗拉强度为434 MPa,伸长率可达14.6%,FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物熔体的流动性低于TC4合金,优于TiAl-4822合金。当特征结构元件壁厚为2 mm时,板状试样出现欠铸且内部存在大量缩松型铸造缺陷,熔体以端部固相质点聚集堵塞为主的方式停止流动。相关研究结果为中/高熵金属间化合物熔模精铸成形工艺优化和工程化应用奠定一定技术基础。

Laves相稀土-过渡族金属间化合物Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)的磁学性质及相变研究

主要研究了Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)稀土-过渡族金属间化合物体系的磁学性质及相变性质。利用X射线衍射表征物相,利用磁学测量系统对材料的磁学性能及磁性相变的种类和温度进行测定,利用热机械分析仪(TMA)测试得到了材料的热膨胀曲线。结果表明:随着体系中Dy元素含量的增加,材料的晶格常数和居里温度均呈现降低趋势。Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)体系在测试温度范围内发生了一级的铁磁相变,这弥补了相关领域的研究空白。除此之外,Tb1-xDyxCo1.95体系在发生磁性相变时的能量变化补偿了正常热胀冷缩,导致Tb_(1-x)Dy_(x)Co_(1.95)体系在一定温度范围内存在较小的热膨胀效应。

金属间化合物Al_(3)Ti多晶型性质的DFT理论研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究方法,考察了在DO_(22)、DO_(23)、DO_(19)和L1_(2)四种晶体结构下,Al_(3)Ti金属间化合物的热力学稳定性和力学性能。计算结果表明,四种结构的Al_(3)Ti生成焓均为负值,表明四者在热力学上均可以稳定存在。其中,DO_(23)-Al_(3)Ti的生成焓最负,热力学稳定性最高,其后依次是DO_(22)、L1_(2)、DO_(19)三种结构。力学性能计算表明,DO_(23)结构具有最高的杨氏模量E和体模量B。根据体模量B和剪切模量G的比值B/G,可知四种结构的Al_(3)Ti均呈脆性。各向异性指数A^(U)的排序为DO_(22)>DO_(23)>L1_(2)>DO_(19)。

N06200镍基合金与S32168不锈钢界面金属间化合物的生长行为

研究了N06200镍基合金与S32168不锈钢TIG焊接接头经焊后热处理后界面金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)的演变过程,并从热力学和动力学的角度分析界面IMCs的生成种类、先后顺序及生长动力学模型.结果表明,随着热处理温度的升高,接头的抗拉强度呈现先升高后降低的趋势;随着保温时间的增加,接头的抗拉强度随之增加.随着热处理温度的升高和保温时间的延长,界面IMCs的厚度增加.镍基合金与不锈钢界面IMCs主要由NiFe相、Ni2Cr相、FeCr相和Ni3Fe相组成,形成IMCs的顺序为NiFe→FeCr→Ni2Cr→Ni3Fe.界面IMCs的增长符合抛物线规律,经线性回归方法计算得出界面IMCs的生长动力学模型为W=1.725×10^(-13)·e[-45.98/(RT)]·t^(1/2).

钛铝金属间化合物的制备技术概述

钛铝金属间化合物具有密度小、熔点高、比强度高、高温抗氧化和耐腐蚀的特点,作为新一代航空航天、飞机叶片和汽车涡轮材料,近年来引起了广泛关注。本文介绍了钛铝金属间化合物的性质及应用,总结了粉末冶金法、铸锭冶金法、铝热还原法和熔盐法的研究进展,分析对比了每种方法的优缺点,并展望了未来钛铝金属间化合物的发展方向。

Al-Ca-Cu三元合金体系中与铝平衡的金属间化合物

对三元Al-Ca-Cu合金体系中与铝固溶体平衡的(Al,Cu)_(4)Ca、Al_(27)Ca_(3)Cu_(7)和Al_(8)CaCu_(4)金属间化合物的结构和性能进行全面分析。基于Al4Ca相中部分Al原子被Cu取代,将(Al,Cu)_(4)Ca金属间化合物视为线性化合物。化合物中铜的溶解度达到10 at.%(19 wt.%),导致化合物的晶格结构、物理和力学性能发生显著变化。例如,化合物的密度从2.22 g/cm^(3)增加到2.79 g/cm^(3),显微硬度从HV 180增加到HV 250。将Al_(27)Ca_(3)Cu_(7)相视为具有严格化学计量比和BaHg11型初始晶体结构的三元化合物,其空间群为Pm3m,晶格参数为8.514Å,密度为3.45 g/cm^(3)。Al_(8)CaCu_(4)相也是严格化学计量比的三元化合物,具有Mn_(12)Th型晶格结构,最高的显微硬度(HV 505)和密度(4.57 g/cm^(3))。属于二元(Al)+(Al,Cu)_(4)Ca相场和准二元(Al)+Al_(27)Ca_(3)Cu_(7)截面的合金,有前景作为新型天然铝基复合材料的基材。

金属间化合物CuBe和CuBe_(2)的力学和电子结构性质研究

目的 探究金属间化合物CuBe和CuBe_(2)的弹性力学行为和电子结构特征,以期对Cu-Be二元合金的力学强化机制有直观和深刻的理解。方法 采用基于密度泛函理论的第一性原理和基于“应变-应力”的计算方法。结果 CuBe和CuBe_(2)晶格参数的理论计算值与实验结果一致,单晶弹性常数结果表明这2种材料均满足弹性力学稳定判据;由Be-Be强共价键构成的Be三棱锥是CuBe_(2)具有优异力学性能的主要原因;CuBe和CuBe_(2)这2种金属间化合物中同时存在金属键、离子键和共价键的复杂成键特征。结论 Be原子含量的增加可以有效提升Cu-Be合金中金属间化合物的拉伸和剪切强度,但是会减弱合金的韧性和延展性。

Mg颗粒强化对Sn58Bi/Cu焊点金属间化合物生长及机械性能的影响机理研究

采用机械混合的方法将Mg颗粒成功添加到Sn58Bi无铅钎料中,制备了一种新型复合钎料Sn58Bi-xMg(x=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)。针对该复合钎料在Cu衬底上形成焊点的显微组织和界面金属间化合物(IMC)的生长情况进行了深入观察与研究。试验结果表明,加入Mg颗粒起到了细化组织的作用,同时基体中均匀分散的Mg颗粒还抑制了Bi相的析出,有助于提高焊点的细化度和整体强度。随着Mg颗粒含量的增加,IMC层厚度逐渐减小,当Mg颗粒的添加量为0.4 wt.%时达到最低值,仅为3.03μm。值得注意的是,当Mg颗粒含量超过0.4 wt.%时,由于大粒径的Mg颗粒易发生团聚并容易氧化,导致强化效果不太理想。通过对IMC晶粒生长情况的观察,验证了Mg颗粒的引入能够成功细化IMC晶粒,从而实现细晶强化,提高焊点的整体强度。另外,与未添加Mg颗粒的焊点相比,Sn58Bi-0.4Mg焊点的抗剪强度提高了36.87%。此外,断口处出现韧窝也表明焊点的延展性得到明显提升。

Au-Al键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究

引线键合工艺是半导体封装过程中十分重要的一道工序,键合质量的提高基于键合可靠性的提升,而键合界面对键合的可靠性,乃至对电子元器件的服役性能和使用寿命都有着极大的影响。但是,在键合完成初期,由于会形成少量的金属间化合物(IMC)。而且,随着时间的增加和温度的升高,金属间化合物会增加。金属间化合物过多时易导致键合强度降低、变脆,以及接触电阻变大等问题,应该看到,脆性的金属间化合物会使键合点在受周期性应力作用时引发疲劳破坏,最终可导致器件开路或器件的电性能退化。其中,金属间化合物的形成和可肯达尔(Kirkendall)空洞是金铝(Au-Al)键合失效的主要失效机理。本文结合充分的实验测试数据及相关文献,综述键合界面上金属间化合物的形成以及演变机理,并且从不同种类的金线、芯片焊盘的铝层厚度、不同焊线的模式、不同类型的封装树脂,四个方面探讨键合界面金属间化合物对可靠性的影响。

多次回流焊后金属间化合物及焊点强度分析

以BGA基板焊接为研究对象,分析了无铅焊料(SAC305)与NiPdAu镀层经过多次回流焊后金属间化合物(IMC)厚度与焊点强度的变化趋势。试验结果表明,通过优化SAC305锡球与Ni层焊盘的回流焊接温度曲线,IMC层的厚度可控制在2μm左右。同时,镀层中Pd的存在降低了(Cu,Ni,Pd)_(6)Sn_(5)生长的活化能,抑制了不良IMC的形成。经过多次回流焊后,SAC305锡球与NiPdAu镀层的微观界面和剪切强度仍然保持着较好的水平。经过回流焊3次后的焊点仍具有较高的可靠性。

V-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的制备工艺及其研究发展现状和发展趋势及应用现状

V-Si金属间化合物材料具有很多优秀的性能,例如较高的力学性能、优秀的耐磨损性能和耐腐蚀性能以及抗高温氧化性能等。V-Si金属间化合物主要包括V3Si、V5Si3和VSi2。陶瓷材料也具有很多优秀的性能,如较高的力学性能、良好的耐磨损性能和抗高温氧化性能以及耐腐蚀性能。可以将V-Si金属间化合物与陶瓷材料相复合制备V-Si金属间化合物/陶瓷复合材料,其具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能、抗高温氧化性能以及耐腐蚀性能等。笔者主要叙述V-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的制备工艺、物相组成、显微结构、力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能和抗高温氧化性能以及其他性能等,并叙述V-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的研究发展现状和发展趋势,并对V-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的未来研究发展趋势和发展方向进行分析和预测。

Ni-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势

Ni-Si金属间化合物具有很多优秀的性能,例如具有较高的力学性能、优秀的耐磨损性能和抗高温氧化性能等。Ni-Si金属间化合物包括Ni3Si、Ni2Si和NiSi,陶瓷材料也具有很多优秀的性能。陶瓷材料具有较高的力学性能,良好的耐磨损性能和抗高温氧化性能,可以将Ni-Si金属间化合物与陶瓷相复合制备Ni-Si金属间化合物/陶瓷复合材料。Ni-Si金属间化合物/陶瓷复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能和抗高温氧化性能等。笔者首先叙述了Ni-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术、物相组成、显微结构、力学性能、耐磨损性能和抗高温氧化性能等,并叙述了Ni-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的研究发展现状和发展趋势,并对Ni-Si金属间化合物/陶瓷复合材料的未来研究发展趋势和发展方向进行分析和预测。

快速热冲击下SAC305/Cu焊点氧化行为与金属间化合物生长动力学

通过电磁感应加热装置,研究SAC305/Cu焊点氧化行为和界面金属间化合物(IMC)生长动力学。结果表明,快速热冲击下焊点自身氧化行为是主要因素,内部的Cu6Sn5IMC会加剧焊点的氧化。Cu_(6)Sn_(5)层的生长由晶界扩散控制,Cu_(3)Sn层的生长则由体扩散控制。基底溶解的Cu原子主要扩散到界面IMC和焊料的内部。在快速热冲击下,焊点剪切强度大幅度降低,72 h后下降49.2%。断裂机制由韧性断裂向韧脆性混合断裂转变,最终转变为脆性断裂。

低压冷喷涂热处理复合处理制备Ni_(2)Al_(3)金属间化合物涂层及其滑动磨损特性研究

为制备出以Ni_(2)Al_(3)为主相的金属间化合物涂层,将Ni粉、Al粉和Al_(2)O_(3)粉按质量比20∶6∶5混合均匀,利用低压冷喷涂方法将混合粉体喷涂到45钢基体表面,制备Ni-Al预涂层,再将预涂层在520℃氩气环境下保温12 h,采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对涂层组织和物相进行了分析与表征,测试了涂层的结合力和滑动摩擦磨损特性。结果表明:预涂层经热处理转变为Ni_(2)Al_(3)金属间化合物涂层后,表现出良好的减摩、耐磨性能。涂层中Ni和Al固相转变为金属间化合物的驱动力是热处理提供的热能和粉体强烈塑性变形后的形变能的共同作用。

纳米银线对焊料金属间化合物形貌及厚度的影响

通过添加不同长径比纳米银线制备SAC3005-xAgNWs复合焊膏,印刷到铜基板上的焊膏回流后多余的助焊剂挥发得到复合焊点。使用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)观察焊点金属间化合物(IMCs)的形貌以及厚度,分析纳米银线对焊料可靠性的影响。实验结果表明:在150℃条件下时效处理,IMCs由不规则的棱柱型变为扇贝型,最后趋于平面型;添加纳米银线可以抑制IMCs生长,提高复合焊料可靠性;添加质量分数0.18%,直径分别为30,50,90 nm的纳米银线对IMCs生长均有明显的抑制作用。

镀Ni层对MnCuAl合金/430SS钎焊接头中金属间化合物的影响研究

母材与钎缝界面处的金属间化合物会降低MnCuAl阻尼合金与430不锈钢钎焊接头的结合强度,进而降低焊接结构的使用性能。采用在430不锈钢表面电镀Ni层后再进行钎焊的方法对有害的金属间化合物进行抑制,同时探究不同厚度Ni层对接头组织、金属间化合物的影响规律和机理。结果表明,镀Ni层与基体界面处无明显缺陷,镀Ni层能够与430SS母材良好结合。对于钎焊接头,未镀Ni时,在430SS侧界面处分布着γ-(Fe,Mn)固溶体层,在两侧的反应层与钎缝中心区之间均存在连续分布的IMC,且伴随着钎剂残留;电镀8μm Ni层时,焊后镀Ni层完全溶解,在430SS侧界面处仍分布着γ-(Fe,Mn)固溶体层,但接头中金属间化合物消失,且只有极少数钎剂残留;镀层为20μm时,焊后在430SS侧有一层残余镀Ni层,未发现γ-(Fe,Mn)固溶体层,金属间化合物消失,且未见钎剂残留。分析认为,当镀层厚度分别为8μm、20μm时,Ni层分别是通过合金化作用、阻隔作用抑制了金属间化合物的生成。

Ni-Al金属间化合物显微组织形成与液态结构演化

与普通金属和合金材料相比,Ni-Al金属间化合物合金具有密度更低、强度和硬度更高、耐腐蚀等优点,在航空航天、汽车和能源领域具有广泛应用。然而,与合金性能密切相关的液态结构与金属间化合物之间的结构“遗传性”的理解仍然不够清晰。在此,本文采用同步辐射原位X射线成像和高能X射线衍射技术,观测Ni_(19.47)Al_(80.53)金属间化合物合金的凝固过程,采用微元法获得溶质分布及液态结构演化的可视化信息。结果表明:Ni_(19.47)Al_(80.53)合金的凝固过程存在溶质定向移动,金属间化合物微观组织的生长与液体中的团簇结构演化密切相关。类二十面体型团簇在富Al液相中偏聚,主导α(Al)相的生长;而类晶体型团簇在Al_(3)Ni金属间化合物附近偏聚,主导Al_(3)Ni相的生长。此工作拓展了对金属间化合物微观组织演化过程原子机理的理解,为控制和预测凝固组织提供理论指导。