金锡脆性共晶合金塑性加工的组织结构控制和变形机理研究

金锡共晶合金钎料具有电导性热导性好、钎焊强度和热疲劳强度高等优异性能，广泛应用于高可靠微电子器件封装，但金锡共晶合金很脆，合金加工成形困难。本项目提出采用外加形核剂结合机械震动凝固技术细化金锡共晶合金铸态组织、固态热挤压预成形加工和精密轧制－热机械处理相结合的新的金锡共晶合金塑性加工思路。通过对该合金塑性加工技术及所涉及的科学和技术问题的深入研究，主要包括外加形核剂结合机械震动对合金凝固组织细化的作用机理、合金塑性加工过程的组织及结构变化规律和塑性变形机理，探明有效的晶粒细化凝固技术，提出实现对合金加工过程组织及结构合理有效控制的挤压、轧制和热机械处理工艺，从而提高合金（特别是箔材）的冷加工变形能力。探索提高金基脆性共晶合金塑性加工能力的基本规律，提出解决金锡脆性共晶合金难加工问题的有效途径和加工工艺设计思路，为进一步开发该类材料的工业化生产技术提供坚实的理论及实验基础和工艺优化设计原则。

金锡共晶合金具有优良的导电导热性和焊接强度高及抗热疲劳性能好等优点，是广泛用于高可靠微电子和光电子器件封装的关键钎焊材料。但是金锡合金本征脆性大，采用传统工艺加工成形非常困难。本项目研究了金锡合金铸态组织细化及作用机制、金锡合金热加工过程中的组织演变规律和变形行为及其变形机理。对比分析了快速凝固、熔体温度处理、孕育形核处理和熔体混合处理等凝固对合金凝固组织的影响，探明了采用熔体温度处理结合成分微调实现合金铸态组织细化及其作用机制，提出了从根本上显著提高合金铸态组织加工性能的有效途径，获得细小全层片共晶凝固组织（层片间距约为0.07μm）；研究了不同凝固组织在塑性变形过程中的组织演变规律，探明了凝固组织中初生相ζ-Au5Sn（尺寸、形貌和体积分数）、共晶层片间距和共晶层片团尺寸等与合金热变形行为及加工性能的内在关系规律，发现完全消除初生相的细小全层片共晶凝固组织具有非常优良的加工性能；研究探明了合金中各组成相ζ-Au5Sn、ζ’-Au5Sn和δ-AuSn在塑性变形过程中的变形及其断裂机理，发现ζ-Au5Sn相的变形能力优于δ-AuSn相的变形能力，热加工变形过程中微裂纹起源于δ-AuSn相内或ζ-Au5Sn/δ-AuSn相界并沿两相界面扩展，ζ-Au5Sn相起阻碍裂纹扩展的作用，冷加工过程中微裂纹易产生有序的ζ’-Au5Sn相晶内并扩展直至断裂。基于以上所取得的研究结果，本项目研究提出了解决金锡脆性共晶合金难加工问题的有效的组织结构控制方法和加工成形工艺，即采用“熔体过热温度处理结合成分微调”有效细化合金铸态组织，从根本上改善合金的初始加工性能，并采用“等温热轧＋中间热处理”有效控制变形组织结构，从而显著提高了金锡合金的塑性加工成形能力，合金的道次变形量可达20% 以上，经多道次加工可获得厚度50μm以下的合金箔材。该项目研究成果对脆性合金材料的加工成形具有普遍的指导意义，为进一步开发该类材料的工业化生产技术提供了坚实的理论和实验基础。