简介概要

Ga-Ag-Sn液态合金与Cu的结合界面分析

来源期刊：稀有金属2006年第3期

论文作者：李晓云颜秀文丘泰张振忠

关键词：Ga95.0Ag0.15Sn合金; 低熔点; 结合界面; 扩散;

摘要：采用真空冶炼法制备了低熔点的Ga-Ag-Sn液态合金,分析了Ga含量与液态合金熔点的关系.利用X射线衍射仪、电子扫描显微镜和能谱等多手段对Ga95.0Ag0.15Sn合金与Cu基体的结合界面进行了分析.结果表明,Ga95.0Ag0.15Sn液态合金能与无氧铜基体发生互扩散,并形成致密且与基体结合良好的Ga-Cu界面层而能起到真空修复作用,界面层的相组成为Cu9Ga4相,Cu41Sn11相和α-(Cu,Sn)相.

稀有金属 2006,(03),310-312 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.03.012

Ga-Ag-Sn液态合金与Cu的结合界面分析

丘泰张振忠李晓云

南京工业大学材料科学与工程学院,南京工业大学材料科学与工程学院,南京工业大学材料科学与工程学院,南京工业大学材料科学与工程学院江苏南京210009,江苏南京210009,江苏南京210009,江苏南京210009

摘要：

采用真空冶炼法制备了低熔点的Ga-Ag-Sn液态合金, 分析了Ga含量与液态合金熔点的关系。利用X射线衍射仪、电子扫描显微镜和能谱等多手段对Ga95.0Ag0.15Sn合金与Cu基体的结合界面进行了分析。结果表明, Ga95.0Ag0.15Sn液态合金能与无氧铜基体发生互扩散, 并形成致密且与基体结合良好的Ga-Cu界面层而能起到真空修复作用, 界面层的相组成为Cu9Ga4相, Cu41Sn11相和α- (Cu, Sn) 相。

关键词：

Ga95.0Ag0.15Sn合金;低熔点;结合界面;扩散;

中图分类号： TG131

收稿日期：2005-10-08

基金：国防科工委基金资助项目 (MKPT-04-237);江苏南京工业大学引进人才科研基金项目 (51303021);

Interface of Ga-Ag-Sn Liquid Alloy and Copper

Abstract：

The low melting point Ga-Ag-Sn liquid state alloy prepared by vacuum melting method was studied.The interface between Ga_95.0Ag_0.15Sn alloy and Cu substrate was characterized by XRD, SEM and EDS.The results indicate that Ga_95.0Ag_0.15Sn liquid state alloy enables mutual diffuse with copper and forms a compacted gallium-copper interphase which is made up of Cu₉Ga₄ phase, Cu₄₁Sn₁₁ phase and α- (Cu, Sn) phase, and has a good combination with copper substrate thus has the vacuum repair function.

Keyword：

Ga_95.0Ag_0.15Sn alloy;low melting point;interface;diffusion;

Received： 2005-10-08

镓的熔点仅为29.78 ℃, 利用镓的低熔点的特性可以制得熔点更低的液态镓合金 ^[1] 。镓基合金常温下呈液态, 有较低的蒸汽压, 且能与铜、珐琅等材料润湿, 因此, 在齿科领域, 镓合金作为医用代汞齐合金而受到国内外的重视 ^[2,3,4] 。铜具有高的电导率、良好的可焊性、优良的塑性和延展性、冷加工性能极好且无磁性, 因而无氧铜作为真空电子管的结构材料得到广泛应用 ^[5] 。目前由于加工技术水平和材料本身存在的问题, 经常会在铜焊缝和铜管壳本身出现漏隙而导致整个器件报废。因此研究一种低熔点的合金解决真空器件的漏气问题, 对于提高器件的性能和可靠性都具有十分重要的实际意义。早在70年代前苏联就进行过多种镓基液态合金扩散方面的研究 ^[6,7,8] , 研究表明液态镓合金能通过互扩散形成耐温性能与气密性能良好的固态合金 ^[9] 。本文就Ga-Ag-Sn液态合金与Cu的结合界面进行了分析。

1 实验原理和方法

1.1 液态合金的制备与测试

实验所用原料为纯度分别是 (%) : 99.99%Ga, 99.999%Sn和99.99%Ag。按照液态合金不同的配比 (见表1) , 将配料在1000 ℃的真空钨丝炉中保温30 min, 熔炼时真空度为5×10^-3 Pa。

用Netzsch DSC204型差示扫描量热仪 (DSC) 在Ar气氛保护下测试合金的熔点, 升温速度为10 K·min^-1。

表1实验用镓基合金的化学成分设计

Table 1Chemical composition of experimental liquid gallium alloys

试样	1^#	2^#	3^#	4^#	5^#
Ga/ (%, 原子分数)	91.5	93.5	95.0	96.5	98.5
Ag/ (%, 原子分数)	0.255	0.195	0.150	0.105	0.045
Sn/ (%, 原子分数)	8.245	6.305	4.850	3.395	1.455

1.2 剪切试样的制备

选用120 mm×21 mm×1 mm的铜片, 待涂覆表面用1000^#刚玉水磨砂纸仔细打磨, 置于乙醇溶液中用超声波清洗。将液态合金均匀涂覆于接头处。试样尺寸及接头形式如图1所示。将剪切试样置于真空电阻炉中, 在550 ℃, 10^-1 Pa真空度的条件下保温10 h, 随炉冷却。焊后, 利用CSS-2205型电子万能试验机测定接头剪切强度, 拉伸速度为5 mm·min^-1; 对断口表面用Dmax/RB型X射线衍射仪分析界面反应后产物的相组成, 实验条件是Cu靶Kα线, 电压为40 kV; 用JSM-5900型扫描电镜加能谱研究Ga₉₅Ag_0.15Sn/Cu的结合界面。

2 结果与讨论

2.1 镓含量对合金熔点的影响

图2为DSC测定的不同Ga添加量的熔点曲线图。从图中可以看出, 随着镓含量的增加, 合金的熔点先下降后升高, 在镓含量为95%时其熔点最低, 为24.6 ℃。因此, 选用配比为Ga₉₅Ag_0.15Sn (3^#) 的Ga基合金与Cu进行界面分析。

图1 剪切试样的尺寸 (a) 及接头形式 (b)

Fig.1 Dimension of shear sample (a) and form of joint (b)

图2 Ga含量对Ga-Ag-Sn合金的熔点的影响

Fig.2 Effect of gallium contents on melting point of Ga-Ag-Sn alloy

2.2 合金的结合界面分析

对Ga₉₅Ag_0.15Sn液态合金与铜基体扩散焊后所制得的剪切试样经剪切强度测试结果显示其平均强度在3.2 MPa。

图3是Ga₉₅Ag_0.15Sn合金与Cu扩散焊后焊缝剖面的背散射电子形貌, 其中A处为表面Ga基合金涂层, C处为Cu基体, B为结合界面。可见, 在结合界面处生成了一层致密的金属间化合物, 并有明显的与Cu基体扩散的趋势, 与Cu基体形成了锯齿状咬合。在图3所示的剖面中, 界面相 (图3中箭头B处) 经能谱分析 (见图4) 主要为Ga-Cu金属间化合物, 还存在少量的Sn。由于Sn原子序数最大, 在锯齿状界面处明亮的薄层说明Sn在靠近Cu的界面处富集。 XRD分析证实化合物为Cu₉Ga₄相、 Cu₄₁Sn₁₁相和α- (Cu, Sn) 相 (见图5) 。