基于固态非晶化反应的互不固溶金属复合/连接方法及机制的研究

In this research, the solid state amorphization reactions (SSAR)are used to compound or join the immiscible alloy such as Mo/Cu, including the SSAR occurred in the multi-step folded and cold rolled metal nano-powder film, which is suitable for block metal, and the SSAR occurred in the direct bimetallic bonding, which is suitable for foil metal. The characteristics of those methods are: good metallurgical bonding formed directily in the composite or joint interfaces,no intermediate layer made of third-party metal, no changes in total components and no unwanted properties being obtained. The main scientific problems are as following: ①The SSAR mechanism of the multi-step folded and cold rolled metal nano-powder film;②The SSAR mechanism under external pressure during the process of the direct bimetallic bonding;③The characterization and analysis of the microstructure related with the SSARs;④The diffusion mechanisms during the SSAR, including the diffusion mechanism in the multi-step folded and cold rolled metal nano-powder film and the diffusion mechanism in the direct bimetallic bonding;⑤The phase separation and the nano-crystallization of the amorphous phases in the composite or joint interfaces. Through the studies on the above scientific problems, the composite/joint theories and the corresponding technology route characterized with the use of the SSAR directly and without the use of the intermediate layer made of third-party metal for the joining or compounding of the immiscible alloy such as Mo/Cu will be obtained, which will be used to fabricate the key composites and supply the joint technology for the National key project.

本项目将固态非晶化反应用于复合/连接互不固溶金属，包括多道折叠冷轧金属纳米粉膜固态非晶化反应复合/连接互不固溶金属（适用块体金属）和直接键合固态非晶化反应复合/连接互不固溶金属（适用箔片金属）。其特点为在互不固溶金属界面上直接形成冶金结合，摒弃了目前常用的第三方金属中间层，不改变材料复合/连接后的总体成分，不产生附加的、影响材料特定环境使用的性能。 主要涉及的科学问题有：①多道折叠冷轧金属纳米粉膜的固态非晶化反应机制；②互不固溶金属直接键合中的外压固态非晶化反应机制；③固态非晶化相关显微结构的表征与分析；④固态非晶化反应复合/连接互不固溶金属中的扩散机制；⑤复合/连接界面处非晶相的相分离和纳米晶化。 通过对上述科学问题的研究，本项目将建立起不使用第三方金属中间层、直接利用固态非晶化反应对互不固溶金属进行高强度复合/连接的理论、方法及技术路线，为国家重大工程提供关键复合材料和连接方法。

本项目对基于固态非晶化反应（Solid State Amorphization Reaction-SSAR）的互不固溶金属复合/连接方法进行了研究。所研究的对象包括Mo/Ag、Mo/Zn、W/Cu和Nb/Cu等二元互不固溶金属体系，涉及的复合/连接方法包括了粉末冶金烧结、棒（片）直接键合等，其特点是在互不固溶金属界面上直接形成冶金结合，摒弃了目前常用的第三方金属中间层，不改变材料复合/连接后的总体成分，不产生附加的、影响材料特定环境使用的性能。本项目所用的研究方法主要包括材料界面的显微结构表征、界面力学性能表征、分子动力学模拟等。本项目取得的成果主要有：.（1）发现在接近低熔点金属熔点的临界温度范围内，二元互不固溶金属体系的互不固溶性可以得到克服，金属之间能够发生一定距离的扩散，形成冶金结合界面；.（2）在互不固溶金属体系中成功诱发了固态非晶化反应；.（3）建立起了互不固溶金属合金化的热力学模型，明确了互不固溶金属直接合金化是可行的，其合金化驱动力来自于金属表面能（Esurf）和变形加工导致的储藏能（Estor）。这其中，对于片状或棒状金属，储藏能（Estor）为合金化的主要驱动力，而对于粉末金属，金属表面能（Esurf）为合金化的主要驱动力；.（4）通过对所建立的热力学模型的计算和界面结构表征，互不固溶金属合金化过程得到了明确：①当合金化体系初始能量大于互不固溶金属合金化所需要的能量时，合金化启动；②界面上先发生固态非晶化反应形成非晶相；③非晶相随后向能量较低的晶态合金相转变；④由于冷却速度往往较快，转变不完全，界面最终形成非晶相+纳米晶的显微结构；.（5）基于上述合金化理论开发出了互不固溶金属复合/连接工艺，制备出了性能良好、具有冶金结合界面的互不固溶金属基层状复合材料及连接件，其中W/Cu连接件的平均拉伸强度约为175MPa，为母材铜拉伸强度的97%，符合国家标准；.（6）研以致用，利用上述复合/连接工艺为中国科学院合肥物质研究院等离子所制备了磁约束受控核聚变堆面向等离子体的部件，包括W/Cu复合板和Monoblock两种部件。