阅读说明：本技术 一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法 (Method for improving wetting and spreading performance of reaction wetting system material ) 是由 杨瑾 刘志杨 陈宗杰 徐佳宜 魏迪 陈捷狮 刘红兵 于治水 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法,采用超快激光加工技术在不锈钢基板表面上扫描加工得到条纹平均宽度为1.2～1.4μm且条纹平均间距为1.4～1.6μm的微纳米条纹织构；相同钎料在扫描加工后的不锈钢基板上的润湿角比未处理的不锈钢基板上的润湿角小0.9°～3.3°。本发明的方法,通过超快激光在反应润湿体系材料的表面进行微织构加工,改变反应润湿体系材料表面形貌,改变表面粗糙度,获得的独特的微纳米条纹织构的形貌,这种独特的微纳米条纹织构的形貌在钎料润湿铺展过程将极大地增强毛细作用,进而提高钎料在反应润湿体系材料的表面上润湿铺展动力,使得钎料与基板反应更充分,极具应用前景。(The invention discloses a method for improving the wetting and spreading performance of a reaction wetting system material, which comprises the steps of scanning and processing on the surface of a stainless steel substrate by adopting an ultrafast laser processing technology to obtain a micro-nano stripe texture with the average width of stripes of 1.2-1.4 mu m and the average interval of the stripes of 1.4-1.6 mu m; the wetting angle of the same solder on the stainless steel substrate after scanning processing is 0.9-3.3 degrees smaller than that on the untreated stainless steel substrate. According to the method, the ultrafast laser is used for carrying out microtexture processing on the surface of the reaction wetting system material, the surface appearance of the reaction wetting system material is changed, the surface roughness is changed, and the obtained unique micro-nano stripe texture appearance greatly enhances the capillary action in the solder wetting and spreading process, so that the wetting and spreading power of the solder on the surface of the reaction wetting system material is improved, the solder and a substrate are enabled to react more fully, and the method has a wide application prospect.)

一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，涉及一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法。

背景技术

316不锈钢是以Fe、Cr、Ni、Mo为主要成分的钢，具有耐腐蚀性强、耐热性高等优点，而且还具有良好的焊接性能，被广泛应用于船舶海洋、航空航天等工业领域。然而，虽然316不锈钢有良好的应用前景，但在实际应用中其多需要与铝及铝合金连接使用(例如航天推进器的导管结构、铝合金与不锈钢的筒体结构以及高压锅中不锈钢与铝合金的锅底结构，发挥异种材料连接的优势)但是无论在热物理性能(熔点、热导率、热膨胀系数等)还是在材料力学性能方面，不锈钢与铝合金差异性巨大，这极大地影响了316不锈钢的进一步应用。

材料表面的润湿性作为连接件之间重要的特性，提高不锈钢与铝合金之间的润湿性能能够保证两者的连接性能。然而，对于316不锈钢与铝合金这两种连接材料而言，由于其材料的特性，在连接两者时往往时通过焊接的形式，在焊接过程中界面必然将发生化学/冶金反应，即这两者的体系为反应润湿体系。

目前本领域技术人员提高反应润湿体系材料的润湿性能的方法如下：1)通过传统长脉冲或者连续激光加工的方法可在材料表面加工不同的微结构，以此改变表面粗糙度来改善润湿性，但加工精度较低，热影响区域大；2)通过物理或化学方法如等离子体涂敷、气相沉积、电化学沉积等方法在基板表面进行表面涂层处理，改善润湿性。但金属涂层材料的制作工艺复杂，可能与基板反应生成脆性化合物，降低界面性能；3)通过化学刻蚀的方法可在基板表面刻蚀形貌各异的微结构，以此来改善润湿性能，但刻蚀线宽难以掌控，无法做到精密刻蚀；4)在材料表面化学镀层实现了钎料对基体的包覆，提高了钎料在材料表面的润湿铺展性能，但化学镀的镀速慢，操作繁琐，维持化学镀的工作温度需耗费大量资源。

因此，开发一种制备速率快、制备工艺简便、加工影响区域小且加工精度高的提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术操作繁琐、制备速率慢、精密性低且易生成脆性化合物的缺陷，提供一种制备速率快、制备工艺简便、加工影响区域小且加工精度高的提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，采用超快激光加工技术在不锈钢基板表面上扫描加工得到条纹平均宽度为1.2～1.4μm且条纹平均间距为1.4～1.6μm的微纳米条纹织构；其中，微纳米条纹紧密并且连续，在条纹之间呈现出分层结构，其分层结构增强了毛细作用力，有效提高了液态钎料的运输，进而提高了润湿性；若条纹的平均宽度或平均间距过大，条纹与条纹之间的紧密性与连续性差，阻碍了液态钎料的运输，降低液态钎料在基板表面的润湿铺展动力，进而降低钎料的润湿性；若条纹的平均宽度或平均间距过小，则与原始表面的粗糙度相比无明显变化，不能明显提高液态钎料在基板表面润湿铺展的动力，润湿性得不到有效改善且给润湿性的变化带来了不确定性；

相同钎料在扫描加工后的不锈钢基板上的润湿角比未处理的不锈钢基板上的润湿角小0.9°～3.3°。

本发明的方法，通过超快激光在反应润湿体系材料的表面进行微织构加工，改变反应润湿体系材料表面形貌，改变表面粗糙度，获得的独特的微纳米条纹织构的形貌，提高钎料在反应润湿体系材料的表面上润湿铺展动力，从而提高钎料润湿铺展能力，同时改善连接界面的微观结构，提高连接性能，能够显著提高不锈钢与铝合金之间连接的稳定性与可靠性，其对于扩大不锈钢与铝合金连接应用范围具有很好的现实意义。本发明相比于其他改变反应润湿体系材料润湿铺展性能的现有技术，为反应润湿体系材料润湿铺展性能的提高提供了一种新的技术思路。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，所述采用超快激光加工技术在不锈钢基板表面上扫描加工的具体操作为：将不锈钢基板置于工作台后，将超快激光器聚焦在不锈钢基板的待加工部位后在不锈钢基板表面扫描加工微织构。

如上所述的一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，所述超快激光器包括激光发射器、反射镜、光圈、衰减器、遮板及扫描振镜；

所述激光发射器用于发射激光；

所述反射镜用于调整激光光路；

所述激光光路依次通过光圈、衰减器、遮板及扫描振镜照射到待加工部位上。本发明的超快激光器的结构并不仅限于此，此处仅给出一种可行的技术方案，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的超快激光器对反应润湿体系材料进行加工。

如上所述的一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，所述不锈钢基板在加工前在无水乙醇溶液中超声清洗10～15min去除表面油污；

所述不锈钢的成分为Fe-17.2Cr-11.6Ni-2.7Mo-0.8Si-1.5Mn。本发明的保护范围并不仅限于此，不锈钢的成分并不仅限于此，此处仅给出一种经验证的可行的技术方案，其他成分的不锈钢也可适用于本发明。

如上所述的一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，所述超快激光器的激光功率为0.9～1.5W，扫描速率为1m/s，重复次数为1～20，脉冲能量为2.1～3.8μJ，能量密度为0.12～0.23J/cm²。激光功率过大，则会形成明显的槽状织构形貌，降低润湿铺展的动力，阻碍液态钎料的润湿铺展；激光功率过小，基板表面织构形貌的变化不明显，润湿性得不到有效改善。脉冲能量与能量密度影响微织构的形貌，因为脉冲能量与能量密度较小，起不到材料明显去除的作用，故微纳米条纹织构是由于激光脉冲与表面等离子体的相互耦合而形成的。

如上所述的一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，在加工时激光束为平行线，平行线间距为1.5μm。本发明的平行线间距并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际情况在一定范围内调整。

有益效果：

本发明的提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，通过超快激光在反应润湿体系材料的表面进行微织构加工，改变反应润湿体系材料表面形貌，改变表面粗糙度，获得的独特的微纳米条纹织构的形貌，这种独特的微纳米条纹织构的形貌在钎料润湿铺展过程将极大地增强毛细作用，进而提高钎料在反应润湿体系材料的表面上润湿铺展动力，使得钎料与基板反应更充分，同时改善连接界面的微观结构，提高连接性能。本发明相比于其他改变反应润湿体系材料润湿铺展性能的现有技术，为反应润湿体系材料润湿铺展性能的提高提供了一种新的技术思路，由于绝大部分反应润湿体系易生成金属间化合物而提高脆性，使用本发明的方法改变反应润湿体系材料的润湿铺展性能，甚至可以控制反应体系金属间化合物的生成，这对反应润湿体系的研究具有重要意义。

附图说明

图1为制备表面微织构的超快激光加工示意图；

图2为进行原位润湿铺展试验的示意图；

图3为参照组和试验组原位润湿试验温度变化曲线；

图4为参照组与试验组原始表面与微织构表面分别在光学显微镜、三维超景深显微镜及扫描电子显微镜下的表面形貌示意图；

图5为参照组和试验组原始表面与微织构表面Al-5Si钎料升温前、铺展前、铺展后及凝固后的状态；

图6为参照组和试验组原始表面与微织构表面润湿铺展后在光学显微镜下的横截面示意图；

图7为参照组和试验组原始表面与微织构表面在扫描电子显微镜下的横截面示意图；

图4中，a1～a3分别为参照组在光学显微镜、三维超景深显微镜及扫描电子显微镜下的原始表面形貌，b1～b3为试验组在光学显微镜、三维超景深显微镜及扫描电子显微镜下的微织构表面形貌；

图6和图7中，a为参照组的示意图，b为试验组的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

实施例1

一种提高反应润湿体系材料润湿铺展性能的方法，具体步骤如下：

(1)将大块的不锈钢板切割成5mm×5mm×1mm的不锈钢基板，分别用600#、800#、1000#、1200#的砂纸打磨，而后将其浸入无水乙醇溶液中超声清洗15min，其中不锈钢的成分为Fe-17.2Cr-11.6Ni-2.7Mo-0.8Si-1.5Mn；

(2)将不锈钢基板置于工作台后，将超快激光器聚焦在不锈钢基板的待加工部位后在不锈钢基板表面扫描加工得到条纹平均宽度为1.3μm且条纹平均间距为1.5μm的微纳米条纹织构(图4的b组为加工后基板在OM、UTM及SEM下的图像)，其中，超快激光器包括激光发射器、反射镜、光圈、衰减器、遮板及扫描振镜，激光发射器用于发射激光，反射镜用于调整激光光路，激光光路依次通过光圈、衰减器、遮板及扫描振镜照射到待加工部位上，加工过程示意图如图1所示，超快激光器的激光功率为1.14W，扫描速率为1m/s，重复次数为1，脉冲能量为3.8μJ，能量密度0.19J/cm²，在加工时激光束为平行线，设定平行线间距为1.5μm(可在合理范围内调整以上参数，对应的，得到的微纳米条纹织构也会发生变化)。

将加工后的不锈钢基板浸入无水乙醇溶液中超声清洗15min后，对其进行如图2所示的原位润湿铺展试验，试验的具体操作如下：

将适量钎剂QJ401与1.6mg的Al-5Si钎料(具体成分为Al-5.0Si-0.37Fe-0.11Mn)分别置于步骤(1)和步骤(2)制得的不锈钢基板的加工部位(其中步骤(1)制得的不锈钢基板组为参照组，步骤(2)制得的不锈钢基板为试验组)，随后整体置于高温热台中，在99.999％的高纯氩气的保护下，初始升温速率为120℃/min。当温度升至400℃时，升温速率降至30℃/min，当温度升至685℃时保温两分钟，随后以150℃/min冷却至室温，温度曲线如图3所示，记录整个过程中钎料熔化、铺展及冷却后的动态过程，如图5所示。

试验完成后，将冷却后的两基板置于温水中洗刷，去除表面残余钎剂后分别对其进行性能测试于SEM和EDS分析，测得钎料在参照组基板表面的润湿角为10.8±0.7°，钎料在试验组基板表面的润湿角为8.7±0.5°，通过图4可以清楚的看到超快激光加工技术前后基板表面表面微织构的形貌的变化。

通过对比各图可以方向，超快激光加工改变了不锈钢基板的表面形貌，形成凹凸不平的表面微织构，促进了钎料在基板表面的溶解与流动性，提高了钎料的润湿铺展性；而由于超快激光加工易在其表面形成微/纳多级结构，更加提高了钎料润湿铺展的润湿驱动力。综合两方面的原因，超快激光加工后的表面更有利于钎料的润湿铺展；

同时，对于反应润湿体系，本发明对反应层成分及反应层厚度进行分析，测得原始表面反应层厚度为14.7±0.3μm，超快激光加工后反应层厚度为15.9±0.3μm，反应层厚度增加，主要是由于超快激光加工后比表面积增加，导致界面扩散越剧烈，因此反应层厚度增加，而界面化合物的成分都为Fe(Al,Si)₃(近钢侧)与Al_7.2Fe_1.8Si(近铝侧)。

经验证，本发明的方法，通过超快激光在反应润湿体系材料的表面进行微织构加工，改变反应润湿体系材料表面形貌，改变表面粗糙度，获得的独特的微纳米条纹织构的形貌，这种独特的微纳米条纹织构的形貌在钎料润湿铺展过程将极大地增强毛细作用，进而提高钎料在反应润湿体系材料的表面上润湿铺展动力，使得钎料与基板反应更充分，同时改善连接界面的微观结构，提高连接性能，极具应用前景。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。