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高温环境下液态金属对固体表面的润湿,尤其是反应润湿,是粉末冶金、金属基复合材料和陶瓷连接等工业技术的基础。对反应润湿的认识已积累了大量的成果,并发展出被广泛接受的反应产物控制(reaction product control,RPC)模型。然而,已有的认识主要针对简单的均相基底。本论文通过研究两类非均匀基底,包括复相合金以及表面多孔层上的锡钎料反应润湿,探求在非均匀基底上的反应润湿机理。
研究发现,锡钎料对复相铜铁和铜钴合金的润湿性优异,可以分别优于均相纯组元基底的润湿性。在复相合金上的润湿性不随Cassie公式所描述的各相润湿性的配分机械加和变化,接触角随面积分数变化曲线显现“V”形特点,即润湿性最优的情况出现于合适分数的两相复合。锡铅共晶钎料在纯铁和纯铜上的接触角均小于纯锡,但锡铅共晶钎料在铜铁双相合金上的接触角大于纯锡。在复相组织上,钎料的接触角与相界密度之间存在反向变化关系。于润湿前沿观察到液体沿着相界优先迁移和Cu/Fe相界沟槽的结构特征。锡钎料在复相合金上的优异润湿性,来源于界面冶金反应时两相在液态金属中的溶解速率差,由此造成接触线处相界沟槽并增加了润湿驱动力。
复相合金上钎料的润湿前沿也表现出不均匀的特征。在Sn/CuFe体系的润湿前沿,富铜相网络上覆盖着冶金反应生成的化合物,而富铁相表面也已通过反应生成一层薄化合物。锡主要分布在富铜相网络上,但润湿前沿的形貌表明液态锡同时润湿富铜相和富铁相,而不是优先沿铜网络润湿。作为对润湿前沿形貌形成的模拟,薄镀锡层回流后发生退润湿,其形貌与润湿前沿相似。Sn/Cu和Sn/Fe体系反应活性的差别会造成液体薄膜退润湿,这是润湿前沿形貌的重要形成原因。
在反应润湿体系中,多孔表面上的润湿受界面冶金反应和渗透的控制。液态纯锡在铜微孔层上的润湿性取决于温度、孔径和孔隙率。在一定的温度和多孔体结构参数中,冶金反应产物会导致通孔闭合并阻碍渗透的进行,从而影响润湿。