CN109273055A - 一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金的方法 - Google Patents

一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金材料的方法，针对特定材料体系，判定合金表面偏析状态并选定合金的元素组成进行制造，针对需要实现材料表面偏析改性的合金，可以筛选计算出合适的元素添加种类并进行制造；针对需要抑制表面偏析的合金体系，可筛选出抑制表面偏析的元素种类组合并进行制造。可以便捷精确的判定合金表面偏析状态并制造出可调控材料表面偏析状态的特定体系合金。

Description

一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金的方法
技术领域
本发明属于材料表面改性工程技术领域，具体涉及一种用于判定及调控材料表面偏析的合金体系的方法。
背景技术
偏析是影响材料成分均匀性的主要原因。材料偏析一般表现为晶界偏析、表面偏析等。材料中偏析现象对其加工制品在使用过程中有利有弊，譬如，严重的晶界偏析现象会导致脆性材料的沿晶界断裂，如果发生在飞机机体、汽车发动机、压力容器、核反应堆等部件，将会造成巨大的危害；但在一些特殊的应用场合，利用材料的偏析现象可以实现对材料的改性，如利用表面偏析改变材料的抗氧化、耐腐蚀特性，利用晶界偏析改善材料的韧性等。如何有效解决表面偏析导致的材料性能降低以及充分利用表面偏析对材料的改善，需要对特定材料的合金体系进行设计优化。
目前，国内外关于通过合金体系的设计来实现对材料表面偏析现象的控制，大部分依靠经验判断，无法通过合金体系设计的精确计算来保证材料表面是否发生偏析现象。仅仅依靠经验判定，对常规钢铁、有色金属等材料具有一定的可预见性，但针对新型材料体系的偏析调控，往往会出现经验判定与实际结果差异大的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种判定合金表面偏析状态的方法以及制造合金材料的方法，针对特定材料体系，判定合金表面偏析状态并选定合金的元素组成进行制造，针对需要实现材料表面偏析改性的合金，可以筛选计算出合适的元素添加种类并进行制造；针对需要抑制表面偏析的合金体系，可筛选出抑制表面偏析的元素种类组合并进行制造。可以便捷精确的判定合金表面偏析状态并制造出可调控材料表面偏析状态的特定体系合金。
作为本发明的其中一方面，本发明提出了一种判定二组分合金表面偏析状态的方法，该方法包括：
s1，设定二组分合金为AB合金，A和B为合金的两种合金金属元素；通过公式W＝E(A-B)-1/2[E(A-A)+E(B-B)]计算W的值，其中E(A-B)为形成A-B键所需的键能，E(A-A)为形成A-A键所需的键能，E(B-B)为形成B-B键所需的键能，在A-A、B-B或A-B键不存在键能时，键能取值为0；
s2，根据W的值判定合金材料的表面偏析状态，当W≥0，二组分合金不发生表面偏析，当W＜0，二组分合金发生表面偏析。
进一步，上述方法还包括，当W＜0，二组分合金发生表面偏析时，进一步判定二组分合金中偏析组元为A组分还是B组分；比较组分A和B的表面张力值FA和FB；当FA＞FB时，组分A为偏析组分；当FA＜FB时，组分B为偏析组分；当|FA-FB|≈1N/m时，比较组分A和B的原子半径rA和rB，当rA＞rB，则A为偏析组分，否则为B为偏析组分。
进一步，上述方法还包括，对合金组分进行调控以满足设计需求；在W≥0，合金不发生表面偏析时，当主组分(本发明中主组分指的是质量含量较多的组分)的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控；当主组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为实现合金组分的表面偏析；在W＜0，合金组分发生表面偏析时，当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为抑制合金组分的表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控。
作为本发明的另外一方面，本发明提出一种根据使用上述的方法判定的合金的表面偏析状态而制造合金材料的方法，该方法包括：
s1，使用上述的方法判定合金的表面偏析状态，并根据合金的表面偏析状态选定合金的元素组成；
当W≥0，AB合金不发生表面偏析；当主组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，AB合金满足设计需求，进行下个步骤；当主组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为实现合金组分的表面偏析，添加第三合金组分C，使得C满足E(X-C)＜1/2[E(C-C)+E(X-X)]，其中X为主组分元素，X为A或B中的一种，E(X-C)为形成X-C键所需键能，E(X-X)为形成X-X键所需键能，E(C-C)为形成C-C键所需键能，当C-C、X-X或X-C键不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；
当W＜0，AB合金发生表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为抑制合金组分的表面偏析，添加第三合金组分C，使得C满足E(X-C)＞1/2[E(C-C)+E(X-X)]，其中X为偏析元素，X为A或B中的一种，E(X-C)为形成X-C键所需键能，E(X-X)为形成X-X键所需键能，E(C-C)为形成C-C键所需键能，当C-C、X-X或X-C不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，AB合金满足设计需求，进行下个步骤；
s2，根据选定的合金的元素选择原材料并进行熔炼。
作为本发明的另外一方面，本发明还提出了一种判定三组分合金表面偏析状态的方法，该方法包括：
s1，设定三组分合金为ABC合金，A为高质量比例合金金属元素，B和C为低质量比例的合金金属元素；通过公式W1＝E(A-B)-1/2[E(A-A)+E(B-B)]，W2＝E(A-C)-1/2[E(A-A)+E(C-C)]，W3＝E(B-C)-1/2[E(C-C)+E(B-B)]计算W1、W2和W3的值，其中E(A-A)为形成A-A键所需的键能，E(B-B)为形成B-B键所需的键能，E(C-C)为形成C-C键所需的键能，E(A-B)为形成A-B键所需的键能，E(A-C)为形成A-C键所需的键能，E(B-C)为形成B-C键所需的键能，在A-A、B-B、C-C、A-B、A-C或B-C键不存在键能时，键能取值为0；
s2，根据W1、W2和W3的值判定合金材料的表面偏析状态，当W1和W2≥0，ABC合金不发生表面偏析；当W1和W2中至少一个小于0，ABC合金发生表面偏析。
进一步，上述方法还包括，在W1和W2中至少一个小于0时，分别比较W1、W2和W3的数值大小，当W1为最小值时，B为偏析组分；当W2为最小值时，C为偏析组分；当W3为最小值时，比较组分B和C的表面张力值FB和FC，表面张力值大的组分为偏析组分，若|FB-FC|≈1N/m，再比较组分B和C的原子半径值rA和rB，原子半径值大的组分为偏析组分。
进一步，上述方法还包括，对合金组分进行调控以满足设计需求；在W1和W2≥0，合金不发生表面偏析时，当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控；当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为实现合金组分的表面偏析；在W1和W2中至少一个小于0，合金组分发生表面偏析时，当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为抑制合金组分的表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控。
作为本发明的另外一方面，本发明提出一种根据使用上述的方法判定的合金的表面偏析状态而制造合金材料的方法，该方法包括：
s1，使用上述的方法判定合金的表面偏析状态，并根据合金的表面偏析状态选定合金的元素组成；
当W1和W2≥0，ABC合金不发生表面偏析；当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，ABC合金满足设计需求，进行下个步骤；当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为实现合金组分的表面偏析，添加第四合金组分D，使得D满足E(D-A)＜1/2[E(D-D)+E(A-A)]，E(D-A)为形成D-A键所需键能，E(D-D)为形成D-D键所需键能，E(A-A)为形成A-A键所需键能，当D-D、A-A或D-A键不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；
当W1和W2中至少一个小于0，ABC合金发生表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为抑制合金组分的表面偏析时，添加第四合金组分D，使得D满足E(D-X)＞1/2[E(D-D)+E(X-X)]，其中X为偏析组分，X为B或C中的一种，E(D-X)为形成D-X键所需键能，E(D-D)为形成D-D键所需键能，E(X-X)为形成X-X键所需键能，当D-D、X-X或D-X键不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，ABC合金满足设计需求，进行下个步骤；
s2，根据选定的合金的元素选择原材料并进行熔炼。
本发明的有益之处在于：
本发明的判定合金的表面偏析状态的方法以及根据偏析状态制造合金材料的方法，可以预先判定及设计调控材料表面偏析状态，因此能够选择出满足不同应用需要的合金的元素组成并进行合金材料的制造。在本发明的判定合金的表面偏析状态的方法以及制造方法中根据偏析状态而选定合金材料的元素组成的步骤，基于密度泛函理论和吉布斯自由能而汇总出，实现了综合影响因素的简易化处理，通过少数的物理量计算可实现对材料表面偏析的快速判定，并提供了如何调控材料表面偏析的方法，计算量小，精准度较大，适合于实际工业应用过程中方便、快捷且精确地进行合金的表面偏析状态的判定、合金材料的元素组成的确定以及合金材料的制备。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为根据本发明的具体实施方式的二组分合金的表面偏析状态判定以及制造合金材料的方法流程图；
附图2为根据本发明的具体实施方式的三组分合金的表面偏析状态判定以及制造合金材料的方法流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种判定不锈钢Fe-Cr系合金的表面偏析状态以及制造不锈钢Fe-Cr系合金材料的方法。首先，如图1所示，判定Fe-Cr合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定Fe-Cr合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：
W＝E(Fe-Cr)-1/2[E(Fe-Fe)+E(Cr-Cr)]，其中，E(Fe-Cr)＝75kJ/mol，E(Fe-Fe)＝118kJ/mol，E(Cr-Cr)＝152kJ/mol，按照公式计算可得：W＝-60kJ/mol，即W＜0，故可判定Fe-Cr合金中会发生元素表面偏析。根据两种元素的表面张力值比较可知：Fe元素表面张力大于Cr元素，故可判定Fe-Cr合金中会发生Fe元素的表面偏析。
为了抑制该合金中Fe元素的表面偏析问题，用于调控Fe-Cr合金中Fe表面偏析的合金体系设计方法如下：
根据计算公式：E(Fe-C)＞1/2[E(C-C)+E(Fe-Fe)]，分别计算筛选满足本计算公式要求的第三组分C，可知第三组分为Si元素时，满足本计算公式要求，其中，E(Fe-Si)＝297kJ/mol，E(Fe-Fe)＝118kJ/mol，E(Si-Si)＝310kJ/mol。因而，为了解决Fe-Cr合金中Fe元素的表面偏析问题，可将其合金体系设计为Fe-Cr-Si合金。
然后根据确定的Fe-Cr-Si合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
实施例2
一种判定硅钢Fe-Si系合金的表面偏析状态以及制造硅钢Fe-Si系合金材料的方法。首先，如图1所示，判定Fe-Si合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定Fe-Si合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：
W＝E(Fe-Si)-1/2[E(Fe-Fe)+E(Si-Si)]，其中，E(Fe-Si)＝297kJ/mol，E(Fe-Fe)＝118kJ/mol，E(Si-Si)＝310kJ/mol，按照公式计算可得：W＝83kJ/mol，即W＞0，故可判定Fe-Si合金不会发生元素表面偏析。
考虑到在Fe-Si硅钢合金中，Fe的表面张力远远大于Si，且在高温时形成的氧化铁薄膜致密性差，容易导致氧化膜脱落的问题，需要添加第三组分实现该组分能够在Fe-Si合金表面偏析，且该组分形成的氧化物致密，用于调控Fe-Si合金中第三组分实现表面偏析的合金体系设计方法如下：
根据计算公式：E(Fe-C)＜1/2[E(C-C)+E(Fe-Fe)]，分别计算筛选满足本计算公式要求的第三组分C，可知第三组分为Ge元素时，满足本计算公式要求，其中，E(Fe-Ge)＝182kJ/mol，E(Fe-Fe)＝118kJ/mol，E(Ge-Ge)＝264.4kJ/mol。且Ge在Fe-Si合金中会发生表面偏析，在凝固过程中，偏析至表面的Ge元素氧化形成的Ge的氧化膜致密性好，有效地保护了Fe-Si合金氧化膜不致密脱落的问题。因而，为了解决Fe-Si合金中氧化膜不致密脱落问题，可将其合金体系设计为Fe-Si-Ge合金。
然后根据确定的Fe-Si-Ge合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
实施例3
一种判定低温软钎焊领域用Sn-Bi-Ag无铅焊料合金的表面偏析状态以及制造Sn-Bi-Ag无铅焊料合金材料的方法。首先，如图2所示，判定Sn-Bi-Ag合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定该合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：分别计算以下参数值：
W1＝E(Sn-Bi)-1/2[E(Sn-Sn)+E(Bi-Bi)]，
W2＝E(Sn-Ag)-1/2[E(Sn-Sn)+E(Ag-Ag)]，
W3＝E(Bi-Ag)-1/2[E(Bi-Bi)+E(Ag-Ag)]，其中，E(Sn-Bi)＝180kJ/mol、E(Sn-Sn)＝187kJ/mol、E(Bi-Bi)＝196.6kJ/mol、E(Sn-Ag)＝157kJ/mol、E(Ag-Ag)＝162.9kJ/mol、E(Bi-Ag)＝192kJ/mol，按照公式计算可得：W1＝-11.8，W2＝-17.95，W3＝12.25。此时W3＞0，W2＜W1＜0，故可判定该合金中Ag元素会发生表面偏析。
为了抑制该合金中Ag元素的表面偏析问题，用于调控该合金中Ag表面偏析的合金体系设计方法如下：
根据计算公式：E(D-Ag)＞1/2[E(D-D)+E(Ag-Ag)]，分别计算筛选满足本计算公式要求的第四组分D，可知第四组分为Cu元素时，满足计算公式要求，其中，E(Cu-Ag)＝180kJ/mol，E(Ag-Ag)＝162.9kJ/mol，E(Cu-Cu)＝182kJ/mol。因而，为了解决该低温无铅软钎料合金中Ag元素的表面偏析问题，可将其合金体系设计为Sn-Bi-Ag-Cu合金。
然后根据确定的Sn-Bi-Ag-Cu合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
实施例4
一种判定高温软钎焊领域用Bi-Sb-Ag无铅焊料合金的表面偏析状态以及制造Bi-Sb-Ag无铅焊料合金材料的方法。首先，如图2所示，判定Bi-Sb-Ag合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定该合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：分别计算以下参数值：
W1＝E(Bi-Sb)-1/2[E(Sb-Sb)+E(Bi-Bi)]，
W2＝E(Bi-Ag)-1/2[E(Bi-Bi)+E(Ag-Ag)]，
W3＝E(Sb-Ag)-1/2[E(Sb-Sb)+E(Ag-Ag)]，其中，E(Bi-Sb)＝252.7kJ/mol、E(Sb-Sb)＝301.7kJ/mol、E(Bi-Bi)＝196.6kJ/mol、E(Bi-Ag)＝192kJ/mol、E(Ag-Ag)＝162.9kJ/mol、E(Sb-Ag)＝156.3kJ/mol，按照公式计算可得：W1＝3.55，W2＝12.25，W3＝-76。此时W1，W2＞0，故可判定该合金中不会发生表面偏析。
Bi-Sb-Ag合金作为高温软钎料，在封装应用过程中，由于Bi作为高比例合金元素，高温过程中形成的铋的氧化膜会导致组装焊接过程中可焊性变差、润湿不好的问题，且其氧化膜稳定性较差。为了解决氧化铋膜存在的问题，需要添加第四组分实现该组分能够在Bi-Sb-Ag合金表面偏析，且该组分形成的氧化物稳定性较好，不会影响焊接过程中润湿能力，用于调控该合金中第四组分实现表面偏析的合金体系设计方法如下：
根据计算公式：E(Bi-D)＜1/2[E(Bi-Bi)+E(D-D)]，分别计算筛选满足本计算公式要求的第四组分D，可知第三组分为P元素时，满足本计算公式要求，其中，E(Bi-P)＝281.7kJ/mol，E(Bi-Bi)＝196.6kJ/mol，E(P-P)＝489.1kJ/mol。P在Bi-Sb-Ag合金中会发生表面偏析，在凝固过程中，偏析至表面的P元素氧化形成的P的氧化膜超薄均匀、致密性好，不影响钎料封装过程中的润湿能力。因而，可将其合金体系设计为Bi-Sb-Ag-P合金。
然后根据确定的Bi-Sb-Ag-P合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
实施例5
一种判定低温软钎焊领域用Sn-Bi无铅焊料合金的表面偏析状态以及制造Sn-Bi无铅焊料合金材料的方法。首先，如图1所示，判定Sn-Bi合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定Sn-Bi合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：
W＝E(Sn-Bi)-1/2[E(Sn-Sn)+E(Bi-Bi)]，其中，E(Sn-Bi)＝180kJ/mol、E(Sn-Sn)＝187kJ/mol、E(Bi-Bi)＝196.6kJ/mol，按照公式计算可得：W＝-11.8，即W＜0，故可判定Sn-Bi合金中会发生元素表面偏析。根据两种元素的熔点时表面张力值比较可知：FSn＜FBi，故可判定Sn-Bi合金中会发生Bi元素的表面偏析。
Sn-Bi合金中当Bi元素发生表面偏析时，由于Bi本身脆性大，在组装后服役过程中会成为脆性开裂风险区域，为了抑制该合金中Bi元素的表面偏析问题，用于调控Sn-Bi合金中Bi表面偏析的合金体系设计方法如下：
根据计算公式：E(Bi-C)＞1/2[E(C-C)+E(Bi-Bi)]，分别计算筛选满足本计算公式要求的第三组分C，可知第三组分为Sb元素时，满足本计算公式要求，其中，E(Bi-Sb)＝252.7kJ/mol，E(Bi-Bi)＝196.6kJ/mol，E(Sb-Sb)＝301.7kJ/mol。因而，为了解决Sn-Bi合金中Bi元素的表面偏析问题，可将其合金体系设计为Sn-Bi-Sb合金。
然后根据确定的Sn-Bi-Sb合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
实施例6
一种判定低温软钎焊领域用Sn-Bi-Ce无铅焊料合金的表面偏析状态以及制造Bi-Sb-Ag无铅焊料合金材料的方法。首先，如图2所示，判定Sn-Bi-Ce合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定该合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：分别计算以下参数值：
W1＝E(Sn-Bi)-1/2[E(Sn-Sn)+E(Bi-Bi)]，
W2＝E(Sn-Ce)-1/2[E(Sn-Sn)+E(Ce-Ce)]，
W3＝E(Bi-Ce)-1/2[E(Bi-Bi)+E(Ce-Ce)]，其中，E(Sn-Bi)＝180kJ/mol、E(Sn-Sn)＝187kJ/mol、E(Bi-Bi)＝196.6kJ/mol、E(Sn-Ce)＝0kJ/mol、E(Ce-Ce)＝251.7kJ/mol、E(Bi-Ce)＝0kJ/mol，按照公式计算可得：W1＝-11.8，W2＝-219.35，W3＝-224.15。此时W3＜W2＜W1＜0，根据两种元素的熔点时表面张力值比较可知：FBi＜FCe，故可判定该合金中Ce元素会发生表面偏析。Ce偏析形成的氧化膜致密性好，偏析元素Ce满足设计要求。
然后根据确定的Sn-Bi-Ce合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
实施例7
一种判定锡青铜Cu-Sn合金的表面偏析状态以及制造锡青铜Cu-Sn合金材料的方法。首先，如图1所示，判定Cu-Sn合金是否发生表面偏析并选定合金的元素组成。
判定该合金是否发生表面偏析的设计计算方法为：分别计算以下参数值：
W＝E(Cu-Sn)-1/2[E(Sn-Sn)+E(Cu-Cu)]，其中，E(Cu-Sn)＝170kJ/mol、E(Sn-Sn)＝187kJ/mol、E(Cu-Cu)＝182kJ/mol，按照公式计算可得：W＝-14.5，即W＜0，故可判定Cu-Sn合金中会发生元素表面偏析。根据两种元素的熔点时表面张力值比较可知：FSn＜FCu，故可判定Cu-Sn合金中会发生Cu元素的表面偏析。
为了抑制该合金中Cu元素的表面偏析问题，用于调控Cu-Sn合金中Cu表面偏析的合金体系设计方法如下：
根据计算公式：E(Cu-C)＞1/2[E(C-C)+E(Cu-Cu)]，分别计算筛选满足本计算公式要求的第三组分C，可知第三组分为Al元素时，满足本计算公式要求，其中，E(Cu-Al)＝227.1kJ/mol，E(Al-Al)＝264.3kJ/mol，E(Cu-Cu)＝182kJ/mol。因而，为了解决Cu-Sn合金中Cu元素的表面偏析问题，可将其合金体系设计为Cu-Sn-Al合金。
然后根据确定的Cu-Sn-Al合金体系选择合适的原材料进行熔炼制造。
需要说明的是，本发明书中所述的一种用于判定及调控材料表面偏析的合金体系设计计算方法，所描述的具体实施例，其各合金类型表述名称等可以不同，凡依据本发明构思所述的特征及原理所做的等效或简单变化(包括三元以上多组元合金的用于判定及调控材料表面偏析的合金体系设计计算方法)，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，只要不偏离本发明的设计思路或者超越不发明权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种判定二组分合金表面偏析状态的方法，其特征在于，该方法包括：
s1，设定二组分合金为AB合金，A和B为合金的两种合金金属元素；通过公式W＝E(A-B)-1/2[E(A-A)+E(B-B)]计算W的值，其中E(A-B)为形成A-B键所需的键能，E(A-A)为形成A-A键所需的键能，E(B-B)为形成B-B键所需的键能，在A-A、B-B或A-B键不存在键能时，键能取值为0；
s2，根据W的值判定合金材料的表面偏析状态，当W≥0，二组分合金不发生表面偏析，当W＜0，二组分合金发生表面偏析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，当W＜0，二组分合金发生表面偏析时，进一步判定二组分合金中偏析组元为A组分还是B组分；比较组分A和B的表面张力值FA和FB；当FA＞FB时，组分A为偏析组分；当FA＜FB时，组分B为偏析组分；当|FA-FB|≈1N/m时，比较组分A和B的原子半径rA和rB，当rA＞rB，则A为偏析组分，否则为B为偏析组分。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，对合金组分进行调控以满足设计需求；在W≥0，合金不发生表面偏析时，当主组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控；当主组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为实现合金组分的表面偏析；在W＜0，合金组分发生表面偏析时，当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为抑制合金组分的表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控。
4.一种根据使用权利要求1-3任一项所述的方法判定的合金的表面偏析状态而制造合金材料的方法，该方法包括：
s1，使用权利要求1-3任一项所述的方法判定合金的表面偏析状态，并根据合金的表面偏析状态选定合金的元素组成；
当W≥0，AB合金不发生表面偏析；当主组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，AB合金满足设计需求，进行下个步骤；当主组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为实现合金组分的表面偏析，添加第三合金组分C，使得C满足E(X-C)＜1/2[E(C-C)+E(X-X)]，其中X为主组分元素，X为A或B中的一种，E(X-C)为形成X-C键所需键能，E(X-X)为形成X-X键所需键能，E(C-C)为形成C-C键所需键能，当C-C、X-X或X-C键不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；
当W＜0，AB合金发生表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为抑制合金组分的表面偏析，添加第三合金组分C，使得C满足E(X-C)＞1/2[E(C-C)+E(X-X)]，其中X为偏析元素，X为A或B中的一种，E(X-C)为形成X-C键所需键能，E(X-X)为形成X-X键所需键能，E(C-C)为形成C-C键所需键能，当C-C、X-X或X-C不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，AB合金满足设计需求，进行下个步骤；
s2，根据选定的合金的元素选择原材料并进行熔炼。
5.一种判定三组分合金表面偏析状态的方法，其特征在于，该方法包括：
s1，设定三组分合金为ABC合金，A为高质量比例合金金属元素，B和C为低质量比例的合金金属元素；通过公式W1＝E(A-B)-1/2[E(A-A)+E(B-B)]，W2＝E(A-C)-1/2[E(A-A)+E(C-C)]，W3＝E(B-C)-1/2[E(C-C)+E(B-B)]计算W1、W2和W3的值，其中E(A-A)为形成A-A键所需的键能，E(B-B)为形成B-B键所需的键能，E(C-C)为形成C-C键所需的键能，E(A-B)为形成A-B键所需的键能，E(A-C)为形成A-C键所需的键能，E(B-C)为形成B-C键所需的键能，在A-A、B-B、C-C、A-B、A-C或B-C键不存在键能时，键能取值为0；
s2，根据W1、W2和W3的值判定合金材料的表面偏析状态，当W1和W2≥0，ABC合金不发生表面偏析；当W1和W2中至少一个小于0，ABC合金发生表面偏析。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，在W1和W2中至少一个小于0时，分别比较W1、W2和W3的数值大小，当W1为最小值时，B为偏析组分；当W2为最小值时，C为偏析组分；当W3为最小值时，比较组分B和C的表面张力值FB和FC，表面张力值大的组分为偏析组分，若|FB-FC|≈1N/m，再比较组分B和C的原子半径值rA和rB，原子半径值大的组分为偏析组分。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述方法还包括，对合金组分进行调控以满足设计需求；在W1和W2≥0，合金不发生表面偏析时，当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控；当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为实现合金组分的表面偏析；在W1和W2中至少一个小于0，合金组分发生表面偏析时，当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，对合金组分进行调控，设计需求为抑制合金组分的表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，合金满足设计需求，不需调控。
8.一种根据使用权利要求5-7中任一项所述的方法判定的合金的表面偏析状态而制造合金材料的方法，该方法包括：
s1，使用权利要求5-7中任一项所述的方法判定合金的表面偏析状态，并根据合金的表面偏析状态选定合金的元素组成；
当W1和W2≥0，ABC合金不发生表面偏析；当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，ABC合金满足设计需求，进行下个步骤；当高质量比例合金金属元素的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为实现合金组分的表面偏析，添加第四合金组分D，使得D满足E(D-A)＜1/2[E(D-D)+E(A-A)]，E(D-A)为形成D-A键所需键能，E(D-D)为形成D-D键所需键能，E(A-A)为形成A-A键所需键能，当D-D、A-A或D-A键不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；
当W1和W2中至少一个小于0，ABC合金发生表面偏析；当偏析组分的氧化膜的性能不满足致密性或稳定性的要求时，设计需求为抑制合金组分的表面偏析时，添加第四合金组分D，使得D满足E(D-X)＞1/2[E(D-D)+E(X-X)]，其中X为偏析组分，X为B或C中的一种，E(D-X)为形成D-X键所需键能，E(D-D)为形成D-D键所需键能，E(X-X)为形成X-X键所需键能，当D-D、X-X或D-X键不存在键能时，键能取值为0，然后进行下个步骤；当偏析组分的氧化膜的性能满足致密性或稳定性的要求时，ABC合金满足设计需求，进行下个步骤；
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113042931A (zh) * 2019-12-26 2021-06-29 有研工程技术研究院有限公司 一种抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法
CN113779807A (zh) * 2021-09-23 2021-12-10 有研工程技术研究院有限公司 一种基于添加合金化元素M对Sn-Bi焊料界面处Bi偏析程度的定量描述方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103842529A (zh) * 2011-03-01 2014-06-04 田中电子工业株式会社 金（Au）合金键合线
US20140330002A1 (en) * 2013-05-01 2014-11-06 New York University Specificity, Flexibility and Valence of DNA Bonds for Guided Emulsion Architecture
CN105463237A (zh) * 2015-12-05 2016-04-06 烟台一诺电子材料有限公司 一种铜银合金键合丝及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103842529A (zh) * 2011-03-01 2014-06-04 田中电子工业株式会社 金（Au）合金键合线
US20140330002A1 (en) * 2013-05-01 2014-11-06 New York University Specificity, Flexibility and Valence of DNA Bonds for Guided Emulsion Architecture
CN105463237A (zh) * 2015-12-05 2016-04-06 烟台一诺电子材料有限公司 一种铜银合金键合丝及其制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113042931A (zh) * 2019-12-26 2021-06-29 有研工程技术研究院有限公司 一种抑制无铅Sn-Bi焊料中Bi相偏析的理论设计方法
CN113779807A (zh) * 2021-09-23 2021-12-10 有研工程技术研究院有限公司 一种基于添加合金化元素M对Sn-Bi焊料界面处Bi偏析程度的定量描述方法
CN113779807B (zh) * 2021-09-23 2023-08-15 有研工程技术研究院有限公司 一种基于添加合金化元素M对Sn-Bi焊料界面处Bi偏析程度的定量描述方法

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