Acta Materialia：Al-Au體系中析出相Al2Au反應性潤濕和生長的相場模型

【引言】

釬焊時，液態釬料會在固體表面鋪展并潤濕母材。釬料對基體的潤濕可以理解為在三相線處達到了三相平衡。但焊料有可能會與母材發生化學反應，就在母材和焊料之間產生析出相由于析出相的形成，體系的潤濕性可能會增強，也可能會變弱。探究反應性潤濕時的析出相對體系的影響就顯得十分有意義。

【成果簡介】

近日，卡爾斯魯厄理工學院的Britta Nestler（通訊作者）和Wang?Fei （一作兼通訊）（未找到中文名）在Acta Materialia上發表最新研究成果“Phase-field modeling of reactive wetting and growth of the intermetallic Al₂Au phase in the Al-Au system”。在該文中，研究人員介紹了一種包括相轉變和流體力學的多相模型，進而研究Al-Au系統中析出相Al₂Au的形成和毛細流動對反應性潤濕的影響。為了得到固相-液相-析出相-氣相之間的相邊界，作者應用Al-Au-X三元系相圖和實驗數據對相場進行了模擬。研究發現液相-析出相的界面張力增大和毛細流動會抑制析出相的生長。

【致歉：很抱歉，未能找到通訊作者 Wang?Fei 的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！】

【圖文導讀】

圖1 γ_L-I=0.6J/m²且不考慮流體動力學的二維反應性潤濕相場模擬結果

(a) 析出相上表面和下表面的角度隨時間變化的曲線。通過垂直的虛線將其分為兩個S1和S2兩個階段

(b) S1和S2兩個階段的不同時刻的顯微組織。用相場序參數來表示不同的相

圖2 γ_L-I=0.6J/m²且不考慮流體動力學，t=9.72ns時Al，Au和X的濃度分布和相場序參數圖

(a) Au的濃度分布輪廓線（左圖）和相場指數（右圖）

(b) 沿圖（a）紅色虛線處Al，Au和X的分布

圖3 不考慮流體動力學，表面張力γ_L-I對析出相生長的影響

(a) γ_L-I=0.1?J/m²，t=15.74ns時的顯微組織

(b) γ_L-I=0.6?J/m²，t=15.74ns時的顯微組織

(c) γ_L-I=1.0?J/m²，t=15.74ns時的顯微組織

(d) γ_L-I=1.4?J/m²，t=15.74ns時的顯微組織

(e) 不同表面張力下，接觸角θ隨時間的變化曲線，PS：方框標志和圓形標志代表模擬結果，曲線只是為了方便觀察曲線走勢

圖4 毛細流動和析出相的形成對顯微組織隨時間變化的影響

(a) 四種不同情況下的表面接觸角?隨時間的變化曲線

(b) 無毛細流動，有析出相時，表面接觸角?達到穩態時的顯微組織

(c) 有毛細流動，有析出相時，表面接觸角?達到穩態時的顯微組織

(d) 無毛細流動，無析出相時，表面接觸角?達到穩態時的顯微組織

(e) 有毛細流動，無析出相時，表面接觸角?達到穩態時的顯微組織

圖5 有毛細流動，有析出相時，相場和Au濃度的瞬態變化圖

(a) 模擬起始階段，相場φ_α的瞬態變化情況

(b) 模擬起始階段，Au溶度的瞬態變化情況

圖6 毛細值C=10000時，相場和毛細流動的對流場隨時間變化圖

從左至右依次是t=0.11ns，0.38ns，2.13ns時的相場和毛細流動的對流場

圖7 ?γ_L-I=0.6?J/m²，無毛細流動時，接觸角?在二維和三維情況下的演變行為

(a) 從相場模擬結果得到的接觸角?在二維和三維情況下隨時間的變化情況。上面的插圖是t=1.47ns時的二維組織，下邊的圖是t=1.47ns時的三維組織

(b) 固-液-汽三相接觸處接觸角的二維解析解：?cos?_2D=(γ_SV?γ_LS)/γ_LV，符合楊氏模量

(c) 固-液-汽三相接觸處接觸角的三維解析解：??cos?_3D=(γ_SV?γ_LS?_γe)/γ_LV

(d) γ_e產生的原因

(e) 生成析出相時，出現S-I-V和L-I-V兩條三相線的情況

圖8 γ_L-I=0.1?J/m²時，包括析出相生長的反應性潤濕的三維圖

(a) t=1.34 ns時，有毛細流動的顯微組織

(b) t=1.34 ns時，無毛細流動的顯微組織

(c) t=2.32 ns、有毛細流動（C=1000）時，顯微組織的俯視圖

(d) t=2.32 ns、有毛細流動（C=1000）時，顯微組織的仰視圖

(e) 存在毛細流動時，S-I-L和S-L-V三相連接處轉變為S-L-I-V四相連接以及S-L-I-V四相接合轉變為S-I-V和 L-I-V三相連接的示意圖

【小結】

以Al-Au作為典例，應用包括擴散機制的相場法研究了復雜的反應性潤濕過程。研究發現析出相的形成會提高潤濕性，對相場的研究表明：析出相上表面和下表面的接觸角存在非單調增長的特性。通過對二維反應性潤濕和三維反應性潤濕的比較發現三維情況下的接觸角不僅取決于表面張力，而且受線張力和曲率的影響。同時，隨著毛細作用的增強，析出相的增長會受到抑制。

文獻鏈接：Phase-field modeling of reactive wetting and growth of the intermetallic Al₂Au phase in the Al-Au system(Acta Materialia, 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.12.015)

本文由材料人新人組楊樹供稿，陳炳旭審核。

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