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AgCu合金在TB8基体上的润湿动力学与界面结构研究

一、作者与发表信息

本研究由Xiaoming Huang（第一作者，南昌大学机电工程学院江西省机器人及焊接自动化重点实验室）、Xuewen Li（南昌大学工程训练中心）及Yulong Li（通讯作者，南昌大学）合作完成，发表于Materials Research Express期刊2019年第6卷，文章编号0865e8，出版日期为2019年6月5日。

二、学术背景

研究领域：本研究属于金属材料润湿行为与界面反应领域，聚焦于高温钎焊（brazing）过程中液态合金在钛合金基体上的动力学机制。

研究动机：TB8（Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si）是一种亚稳β型钛合金，因其高强度、低密度及优异的生物相容性广泛应用于航空航天和医疗领域。然而，其钎焊性能受基体表面粗糙度与形貌的显著影响，现有研究对此缺乏系统性探讨。

科学问题：
1. 表面粗糙度（surface roughness）和拓扑结构（topography）如何影响AgCu共晶合金在TB8上的润湿动力学（wetting kinetics）？
2. 界面反应产物的形成机制及其与润湿行为的关联性？

研究目标：
- 揭示表面粗糙度对AgCu/TB8体系润湿动力学的定量影响；
- 解析界面微观结构（interfacial microstructure）的组成与分布规律。

三、研究流程与方法

1. 实验材料与样品制备

• 基体材料：TB8钛合金（成分为Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si），切割为5.5×5.5×0.6 mm³试样。
  
• 钎料：Ag-28Cu（wt%）共晶合金箔（直径0.5 mm，厚度0.05 mm）。
  
• 表面处理：
  
  • 使用不同目数（P360、P800、P1200）碳化硅砂纸进行定向研磨（directional grinding）或随机研磨（random grinding），获得不同粗糙度（Sa=0.131–0.002 μm）的表面；
    
  • 部分样品经0.5 μm金刚石抛光处理（Sa=0.002 μm）。
    

2. 润湿实验设计

• 设备：Linkam TS1500热台配合Olympus BX51M光学显微镜，高纯氩气（99.999%）保护。
  
• 温度程序：
  
  • 升温速率120°C/min至920°C（钎焊温度），保温后以100°C/min冷却；
    
  • 实时记录润湿过程（22帧/秒），通过ImageView软件分析三相线（triple line）运动。
    

3. 表征与分析

• 表面形貌：原子力显微镜（AFM，Agilent 5500）量化粗糙度参数（Sa、Sv、Sq）。
  
• 界面结构：
  
  • 光学显微镜（OM）与扫描电镜（SEM，Quanta 200F）观察截面形貌；
    
  • 能谱仪（EDS）与透射电镜（TEM，JEM-2100）分析元素分布与相组成；
    
  • X射线衍射（XRD，D8 Advance）鉴定反应产物。
    

4. 数据建模

• 润湿动力学采用幂律模型（power-law model）拟合：Rⁿ ~ t，其中R为铺展半径，t为时间，n为动力学指数。
  

四、主要研究结果

1. 表面粗糙度与润湿动力学的关系

• 各向异性表面（定向研磨）：AgCu熔体沿研磨方向（x轴）优先铺展，形成椭圆形三相线（elliptical triple-line pattern），因微沟槽（micro grooves）提供毛细驱动力（capillary driving force）。
  
• 各向同性表面（随机研磨或抛光）：铺展形貌接近完美圆形。
  
• 粗糙度影响：
  
  • 粗糙表面（Sa=0.131 μm）的动力学指数n最低（n=0.35），表明铺展速率更快；
    
  • 光滑表面（Sa=0.002 μm）的n值较高，润湿速度减缓。
    

2. 界面微观结构

• 反应层序列：Ag(ss)/Ti₃Cu₄/Ti₂Cu/Ti(ss)+Ti₂Cu/TB8（ss表示固溶体）。
  
  • 边缘区：富Ag（Ag-based solid solution），因Cu元素向基体扩散耗尽；
    
  • 中心区：Ti-Cu金属间化合物（Ti₃Cu₄、Ti₂Cu）为主，证实Ti与Cu的剧烈反应。
    
• XRD与TEM验证：Ag（111）晶面间距0.235 nm（HR-TEM），与EDS结果一致。
  

3. 润湿机制

• 三阶段模型：
  
  1. 初始阶段：熔融钎料收缩（因氧化层阻碍接触）；
     
  2. 稳定铺展阶段：氧化物分解与Ti/Cu互扩散主导；
     
  3. 渐近阶段：Cu浓度降低导致反应速率下降，铺展终止。
     

五、结论与价值

1. 科学意义：

   • 首次定量揭示了TB8表面粗糙度对AgCu润湿动力学的非线性影响，提出“粗糙度-毛细力-铺展速率”关联模型；
     
   • 阐明了界面反应产物的梯度分布规律，为钎焊接头设计提供理论依据。
     

2. 应用价值：

   • 指导钎焊工艺优化：通过控制基体表面处理（如定向研磨）可改善钎料铺展均匀性；
     
   • 适用于航空航天钛合金构件的高强度连接。
     

六、研究亮点

1. 方法创新：结合AFM形貌量化与高温实时观测，建立了润湿动力学的多参数分析框架。
   
2. 发现新颖性：发现各向异性表面对熔体铺展的定向引导作用，并解析其微观机制。
   
3. 跨学科意义：研究成果可拓展至其他金属/陶瓷钎焊体系（如Cu/SiO₂）。
   

七、其他有价值内容

• 作者指出，后续研究可探索活性元素（如Ti）添加对润湿行为的协同影响，或进一步降低钎焊温度以匹配热敏感基体。