Acta Materialia：Al-Au体系中析出相Al2Au反应性润湿和生长的相场模型

【引言】

钎焊时，液态钎料会在固体表面铺展并润湿母材。钎料对基体的润湿可以理解为在三相线处达到了三相平衡。但焊料有可能会与母材发生化学反应，就在母材和焊料之间产生析出相由于析出相的形成，体系的润湿性可能会增强，也可能会变弱。探究反应性润湿时的析出相对体系的影响就显得十分有意义。

【成果简介】

近日，卡尔斯鲁厄理工学院的Britta Nestler（通讯作者）和Wang Fei （一作兼通讯）（未找到中文名）在Acta Materialia上发表最新研究成果“Phase-field modeling of reactive wetting and growth of the intermetallic Al₂Au phase in the Al-Au system”。在该文中，研究人员介绍了一种包括相转变和流体力学的多相模型，进而研究Al-Au系统中析出相Al₂Au的形成和毛细流动对反应性润湿的影响。为了得到固相-液相-析出相-气相之间的相边界，作者应用Al-Au-X三元系相图和实验数据对相场进行了模拟。研究发现液相-析出相的界面张力增大和毛细流动会抑制析出相的生长。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 Wang Fei 的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

【图文导读】

图1 γ_L-I=0.6J/m²且不考虑流体动力学的二维反应性润湿相场模拟结果

(a) 析出相上表面和下表面的角度随时间变化的曲线。通过垂直的虚线将其分为两个S1和S2两个阶段

(b) S1和S2两个阶段的不同时刻的显微组织。用相场序参数来表示不同的相

图2 γ_L-I=0.6J/m²且不考虑流体动力学，t=9.72ns时Al，Au和X的浓度分布和相场序参数图

(a) Au的浓度分布轮廓线（左图）和相场指数（右图）

(b) 沿图（a）红色虚线处Al，Au和X的分布

图3 不考虑流体动力学，表面张力γ_L-I对析出相生长的影响

(a) γ_L-I=0.1 J/m²，t=15.74ns时的显微组织

(b) γ_L-I=0.6 J/m²，t=15.74ns时的显微组织

(c) γ_L-I=1.0 J/m²，t=15.74ns时的显微组织

(d) γ_L-I=1.4 J/m²，t=15.74ns时的显微组织

(e) 不同表面张力下，接触角θ随时间的变化曲线，PS：方框标志和圆形标志代表模拟结果，曲线只是为了方便观察曲线走势

图4 毛细流动和析出相的形成对显微组织随时间变化的影响

(a) 四种不同情况下的表面接触角ϑ随时间的变化曲线

(b) 无毛细流动，有析出相时，表面接触角ϑ达到稳态时的显微组织

(c) 有毛细流动，有析出相时，表面接触角ϑ达到稳态时的显微组织

(d) 无毛细流动，无析出相时，表面接触角ϑ达到稳态时的显微组织

(e) 有毛细流动，无析出相时，表面接触角ϑ达到稳态时的显微组织

图5 有毛细流动，有析出相时，相场和Au浓度的瞬态变化图

(a) 模拟起始阶段，相场φ_α的瞬态变化情况

(b) 模拟起始阶段，Au溶度的瞬态变化情况

图6 毛细值C=10000时，相场和毛细流动的对流场随时间变化图

从左至右依次是t=0.11ns，0.38ns，2.13ns时的相场和毛细流动的对流场

图7  γ_L-I=0.6 J/m²，无毛细流动时，接触角ϑ在二维和三维情况下的演变行为

(a) 从相场模拟结果得到的接触角ϑ在二维和三维情况下随时间的变化情况。上面的插图是t=1.47ns时的二维组织，下边的图是t=1.47ns时的三维组织

(b) 固-液-汽三相接触处接触角的二维解析解： cosϑ_2D=(γ_SV−γ_LS)/γ_LV，符合杨氏模量

(c) 固-液-汽三相接触处接触角的三维解析解：  cosϑ_3D=(γ_SV−γ_LS−_γe)/γ_LV

(d) γ_e产生的原因

(e) 生成析出相时，出现S-I-V和L-I-V两条三相线的情况

图8 γ_L-I=0.1 J/m²时，包括析出相生长的反应性润湿的三维图

(a) t=1.34 ns时，有毛细流动的显微组织

(b) t=1.34 ns时，无毛细流动的显微组织

(c) t=2.32 ns、有毛细流动（C=1000）时，显微组织的俯视图

(d) t=2.32 ns、有毛细流动（C=1000）时，显微组织的仰视图

(e) 存在毛细流动时，S-I-L和S-L-V三相连接处转变为S-L-I-V四相连接以及S-L-I-V四相接合转变为S-I-V和 L-I-V三相连接的示意图

【小结】

以Al-Au作为典例，应用包括扩散机制的相场法研究了复杂的反应性润湿过程。研究发现析出相的形成会提高润湿性，对相场的研究表明：析出相上表面和下表面的接触角存在非单调增长的特性。通过对二维反应性润湿和三维反应性润湿的比较发现三维情况下的接触角不仅取决于表面张力，而且受线张力和曲率的影响。同时，随着毛细作用的增强，析出相的增长会受到抑制。

文献链接：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)

本文由材料人新人组杨树供稿，陈炳旭审核。

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