块体金属玻璃与晶态合金材料的纳米结构多层膜自蔓延反应连接机理及动力学研究

The project puts forwad a method, self-propagating reactions in nanolaminate foils method, to join the bulk metallic glasses and crytalline alloy. Ignitation principles and kinetics will be systematically studied according to the design principles, reaction process and joining natures of nanolaminate foils.Based on the combination between numerical simulation and molecular dynamics simulation, the influences of the temperature field evolution on the solid/liquid interface of metallic glasses under thermal cycling will be studied, and non-crystalline characteristic and mechanism of heat affected area will be clarified. Based on clarifying the evolution laws of the joint and interface and building the internal relations of nanolaminate foils, process, microstructure and properties of the joint, the mechanism of big bulk metallic glasses and crystal alloy materials joined by self-propagating reactions in nanolaminate foils will be illatrated, and ideal microstructure and properties of the joint will be obtained.The project plans to invent an effective method for joining metallic glasses and crystalline alloy, obtain technical storages of high reliable joining, encourage the applications of nano technology in the joining field and promote the development of joining between metallic glasses and traditional crystalline alloy.

本项目针对大块金属玻璃与传统晶态合金材料的连接，提出了纳米结构多层膜自蔓延反应连接的方法。从探讨连接金属玻璃与晶态合金的纳米结构多层膜的设计原则、反应动力学过程以及连接的本质入手，深入研究多层膜自蔓延反应的诱发原则及反应动力学过程；采用数值模拟结合分子动力学模拟的方法考察自蔓延放热反应连接过程中温度场的演化对金属玻璃受热、冷却循环中固液界面的相互作用机制，揭示金属玻璃热影响区非晶化特征及原理；揭示自蔓延反应连接中接头及界面的形成演化规律；建立多层膜、连接工艺参量与接头微观组织及性能的内在联系；最终阐明纳米结构多层膜自蔓延反应连接金属玻璃与晶态合金材料的连接机理，对接头组织与性能实现良好控制。本项目旨在开发金属玻璃与晶态合金材料新型高效连接方法，为二者高质量连接提供技术储备，同时推广纳米技术在连接领域的应用，促进金属玻璃与传统合金材料连接技术的发展。

本项目针对Sn基钎料熔点普遍低于Zr基BMGs玻璃转变温度Tg的特点，以Sn与非晶Zr55Cu30Al10Ni5作为相互作用的典型对象，从BMGs材料的结晶，退火及结构弛豫性质入手，揭示了Sn基合金与Zr55Cu30Al10Ni5相互作用中的众多动理学问题。获得了Zr55Cu30Al10Ni5低于玻璃转变温度Tg下的极限热处理及其结晶动理学过程，填补了非晶Zr55Cu30Al10Ni5材料在玻璃转变温度以下的结晶相变的极限时间，补全了非晶合金材料的“TTT”图。获得了Sn基钎料在Zr55Cu30Al10Ni5 BMG表面的润湿铺展及其动理学过程，利用Zr基BMGs表面对含氯离子蚀斑腐蚀的特性，提出采用低于母材玻璃转变温度Tg熔融含氯离子盐处理表面达到改变表面顽固氧化膜的方法，解决了Zr基BMGs与熔融Sn基钎料在200~400℃不发生相互作用的难题，使熔化Sn基合金顺利地在处理过后的Zr基BMGs表面润湿铺展。建立了Sn/ Zr55Cu30Al10Ni5 BMG间扩散层的生长及其动理学方程，获得了Sn/ Zr55Cu30Al10Ni5 BMG中间层生长厚度对时间温度的依赖关系，发现了反常的扩散抑制生长，中间层厚度由生长阶段I的时间指数1/2，被压低到了生长阶段II的时间指数为1/3。采用Fokker-Planck方程的描述方法，对Sn/ Zr55Cu30Al10Ni5 BMG中间层的生长各阶段提供了详细的动理学描述，同时给出了中间层生长整个过程的唯象描述，使得动理学描述过程得到直观的简化。以上研究成果不仅对于揭示非晶金属玻璃与静态钎料合金间界面的相互作用机制，反应层成长行为、动力学特征具有非常重要的理论研究价值，而且研究发明的针对金属玻璃新型的表面处理及连接方法，对于推动非晶金属玻璃在实际工程中的应用，具有非常重要的经济价值。