固相复合机理 (solid-state bonding mechanism)

研究两种或两种以上金属在固态下的冶金结合即固相复合的复合材料的结合面在复合前、复合过程中及复合后的宏观形貌、微观结构、力学性能、化学性能和物理性能的变化及形成牢固结合的原理。20世纪50年代以来，固相复合机理的研究日益深入，迄今为止对固相复合机理的了解还不够完善，主要的理论有金属键理论、能量理论、再结晶理论、扩散理论和3阶段理论。此外，还有位错理论、薄膜理论等。

两金属间的固相结合是由于两组元金属接近到原子间量级距离，原子相互吸引，当相邻原子以平衡间距稳定排列时，两种金属原子的外层自由302电子成为共同的电子，形成金属键而实现的。

组元金属相互结合不是靠原子的扩散，而是取决于原子所具有的能量。如果原子不具备结合所需要的最低能量，即使两金属接近到原子间量级距离，也不能结合。

不同组元金属在高温下变形构成的结合是两组元结合面处的再结晶过程，即组元金属变形产生加工硬化，高温条件下结合面的晶格原子很快重新排列，形成同属两组元的共同晶粒，使两组元结合为一体。

两种金属的结合是在一定的压力、温度和时间的条件下，金属原子相互扩散而形成共有的扩散层所致。大多数硼一铝复合材料是在压力为70MPa、温度为450～500℃的真空中压合的，由于铝的扩散，结合面形成致密的扩散层而构成牢固结合。

该理论是在上述理论和固相复合“3步法”工艺的基础上提出的。3步法即金属复合时需经金属表面处理、轧制和扩散热处理(烧结)3个工序。在这一复合过程中，金属相结合的过程有物理接触阶段、化学作用阶段和扩散阶段3个阶段，故称3阶段理论。

(1)物理接触阶段

组元金属在结合面接近到原子能够产生物理作用的距离。这一过程的实现是由于金属在外力作用下产生塑性变形，表面层破裂，新鲜金属从裂缝中挤出、相遇并达到原子间相互作用的距离。金属表面层裂缝的形成和扩展与表面层的性质、厚度及金属的变形程度有关；新鲜金属从裂缝中挤出与作用于金属的正压力有关。

金属表面层由3部分组成，与基体金属相邻层是表面经机械加工或钢刷清理、化学或电化学处理所形成的脆性层，覆盖脆性层的氧化层和氧化层上面的气体或液体吸附层(又称污染层)。脆性层的性质与表面处理方法、工艺条件和组元金属的性能有关。脆性层的作用是保护基体金属在脆性断裂时暴露的新鲜金属表面不被氧化和污染，因为空气无法进入断裂的裂缝同暴露的新鲜金属接触，故称脆性层为覆盖层。金属在复合工艺过程中，氧化层的生成通常是难免的，或者是必然的。氧化层越薄越脆越容易破裂。不同金属的氧化层性质不同。铝的氧化层易破裂，铜的氧化层不易破裂。采用真空或气体保护防止金属表面层氧化有益于复合。污染层是金属表面经溶液或酸液化学处理除去金属表面油脂时残留下来的液体和气体薄膜，它们由清洗液本身和大气环境中的水蒸气等组成并吸附于金属表面的最外层，这种薄膜韧性很好，在基体变形时不易断裂和剥落，但加热到一定温度时，则挥发而变成脆性薄膜。经清刷后的金属表面在复合前长时间暴露于大气环境中，尤其当空气湿度较大时，会明显降低复合强度。若复合时在真空中或保护气氛中加热，使污染层气化挥发形成脆性膜，可明显提高复合强度。污染层的破裂不同于脆性层的脆断，它的厚度随基体变形逐步减薄。

新鲜金属的接触往往是既有从脆性层裂缝中挤出，又有污染层破裂后基体金属的显露，该两种接触机构在金属复合中所占主与次，同金属的性能、表面处理方法及工艺条件、表面处理后到复合前的停留时间及环境、复合方法等有关。

金属从裂缝中挤出，取决于裂缝宽度。宽度过小无法挤出。增加正压力，裂缝宽度增大。均有利于挤出，故可提高结合强度。

(2)化学相互作用阶段

新鲜金属接触达到原子间作用距离，原子获外界赋于能量，产生物理、化学相互作用，形成化学键，实现新鲜金属接触部分的点结合，即初结合。初结合强度应达到在自然状态中和完成下步工序过程中组元间不能分离的程度。形成初结合的最小金属变形量称为临界变形量。变形量可用表面暴露率y=(F₁-F₀)／F₁或用表面扩展率x=(F₁-F₀)/F₀表示，两者关系x=y／(1一y)，(0≤x<∝ ，y=x／(1+x)，0≤y<1)。式中F₀、F₁，分别为交界面初始面积和终了面积mm²。板材轧制复合时的变形量可用压下率r=(h₀-h₁)／h₀表示，该值与表面暴露率y相等；式中h₀,h₁分别为板材初始厚度和轧后厚度，mm。不同的金属、不同的表面处理方法、不同的复合加工方法及复合温度具有不同的临界变形量。在相同的冷轧复合条件下，钢一铝复合和铜一铝复合的临界变形量分别为40％和45％。复合温度升高，临界变形量下降。复合加工方法不同时临界变形量也不同，这是因为作用于金属的正压力不同。不同表面处理方法对临界变形量的影响是因为表面状态不同。金属表面镀脆性层有利于减小临界变形量。金属变形量和复合强度之间关系的一般理论模型是在与之相应的表面处理方法(即结合机理)和复合方法的条件下得出的。

(3)扩散阶段

初结合仅是两组元界面中新鲜金属暴露部分的局部点结合，被污染层、氧化层和硬化层覆盖着的部分只是组元表面层的接触并未形成结合而构成一体。通过结合点和接触面的原子扩散，扩大结合面，增加复合强度，即在一定的温度和时间条件下，结合点原子互相扩散，形成结合区；覆盖着的表面层熔化并扩散到组元金属中，使组元结合面构成连续牢固结合。扩散温度应使阻碍金属结合的表面层熔化并扩散，但不能过高以避免脆性相形成。温度过高时间过长还可能导致互扩散层增厚而改变复合材料的性能。热敏双金属若互扩散层厚度变化。将使电阻率变化，如果互扩散层厚度变化不均，则造成电阻率不稳定。在组元层间增加扩散阻挡层与之相复合，可降低由于退火时间变化而引起的电阻率变化。