陳 亞，戴 華，賴文發(fā)，楊麗娟，牛海東，萬吉高，劉 毅，武海軍

復合絲材制備技術進展

陳 亞，戴 華，賴文發(fā)，楊麗娟，牛海東，萬吉高，劉 毅，武海軍*

(昆明貴金屬研究所，貴研鉑業(yè)股份有限公司 稀貴金屬綜合利用新技術國家重點實驗室，昆明 650106)

在復合絲材的制備過程中，界面附近原子互擴散形成具有一定寬度的擴散層，擴散層由金屬間化合物和固溶體組成，金屬間化合物的種類和數(shù)量由熱處理溫度和時間決定。適當?shù)幕U散對提高復合絲材界面結合強度是有利的，但過多金屬間化合物會導致復合絲電導率、延伸率下降，甚至引起超細復合絲覆層脫落，嚴重影響復合絲材的可加工性。因此，界面問題是復合絲材制備過程中的關鍵問題。系統(tǒng)介紹了復合線材的種類、成型方法及研究現(xiàn)狀，重點論述了擴散層界面物相及其對復合線材性能的影響，對開發(fā)新型復合線材的成型工藝及性能研究提供參考。

復合線材；界面擴散；金屬間化合物；多道次拉拔

金屬復合絲是由芯材和覆層組成，其制備工藝是在芯材表面包覆或鍍覆一定厚度的覆層材料，經擠壓、多道次拉拔、熱處理等成型工藝制備出一定尺寸的絲狀材料。與純金屬絲材相比，復合絲具有更優(yōu)越的性能。例如，復合線材可以綜合利用芯材的高強度或低密度和包覆層良好的導電性、導熱性及抗腐蝕性，還可以減少貴金屬的用量，達到減輕單位線材重量、降低生產成本和擴大應用范圍的目的[1]。另外，導體在傳輸交變電流時存在的“集膚效應”現(xiàn)象也是人們研發(fā)復合線材的一大動力。因此，復合絲在微電子封裝、信號傳輸、微傳感器等行業(yè)中得到廣泛應用，在航空航天領域作為飛行器控制系統(tǒng)中重要的組成部分使用量相對較大。

目前復合絲材的應用實例主要是在鋁等輕質材料表面覆上一層金、銀、鉑、鈀及其合金等抗氧化性能及綜合性能較好的稀貴金屬材料。大多數(shù)復合絲是純金屬包覆純金屬。事實上為了優(yōu)化復合絲材的性能，復合絲材還可以設計為合金包覆純金屬、合金包覆合金、甚至多層材料包覆，充分體現(xiàn)了復合材料的可設計性，然而在實際的生產過程中，由界面結合問題導致的超細絲包覆層脫落一直困擾著人們。因此要想制備出綜合性能良好的復合絲材，界面控制是制備工藝中的關鍵問題。本文綜述介紹了各種復合絲材的性能、界面問題、成型方法及研究現(xiàn)狀。

1 復合線材的成型方法

金屬復合絲材的制備方法主要分為兩步，第一步是制備復合棒材，目前復合棒材的制備方法主要有電鍍法、熱浸鍍法、噴涂法、靜液擠壓、連續(xù)擠壓包覆技術、填芯連鑄、套管包覆等，除了這些傳統(tǒng)的復合方法以外，還有激光熔覆、氣相沉積、噴涂等方法。第二步是多道次拉拔和退火處理，制備復合線材的目的是獲得包覆層均勻且界面具有高結合強度的復合線材，保證復合線材拉拔至較小直徑以及使用過程中覆層材料不脫落。因此不僅需要一定的加工率使試樣達到特定尺寸，還需熱處理工藝使界面處的原子發(fā)生相互擴散，進一步提高界面的結合強度，同時還要避免生成過多金屬間化合物，因為過多的金屬間化合物對復合絲材的性能有不利的影響。

1.1 復合棒材的制備方法

1) 電鍍法。利用電解原理在芯材表面鍍上一層覆層材料。之前人們采用鋁線鍍銅法生產銅包鋁復合棒材，該工藝一個重要難題在于如何解決鋁氧化膜對銅和鋁結合的阻礙問題[2]。由于在鋅表面鍍銅比在鋁表面鍍銅容易得多，因此在鋁線鍍銅的工藝中會先預鍍鋅層以增強界面間的結合力。電鍍法與其他工藝相比，具有工藝簡單且穩(wěn)定、生產成本低、產品成材率高、生產效率高、能源消耗低、操作方便等優(yōu)點[3]。但存在鍍層性能較差，鍍層較薄且不均勻等不足，在后續(xù)的拉拔過程中容易導致表層裂紋的產生或者變形不均勻，造成最后產品同心度較差。此外，電鍍產生的廢液會對環(huán)境造成一定的污染，因此這種生產復合棒材的方法現(xiàn)在很少使用。

2) 熱浸鍍法。將預鍍件通過覆層材料的熔融液形成金屬合金鍍層，相比電鍍工藝和化學鍍工藝，熱浸鍍可以獲得較厚的覆層，熱浸鍍工藝是在覆層材料的熔融態(tài)下實現(xiàn)的，因此熱浸鍍只適用于覆層材料熔點比芯材熔點低的復合線材的生產。常見的主要有熱浸鍍鋁技術和熱浸鍍鋅技術。在熱浸鍍工藝中，鍍層厚度主要取決于提拉速度、浸鍍溫度和浸鍍時間[4]。為增強熱浸鍍件的界面結合力，一般需要對基體材料進行清洗和助鍍處理。

3) 噴涂技術：冷噴涂和熱噴涂。熱噴涂是利用特定熱源將噴涂材料加熱至融化或軟化，然后借助其自身動力或外加氣流將熔滴加速至一定速度，進而噴射到表面已經過凈化或粗化的工件上形成附著牢固的表面層的一種成型方法[5]。冷噴涂工藝的成型溫度介于-100℃~100℃之間，遠低于噴涂材料的熔點。粉末粒子在與基體碰撞前處于固體狀態(tài)，對基體熱影響較小。在整個噴涂過程中，材料發(fā)生氧化、相變、晶粒長大的程度低，噴涂材料的組織結構與性能能夠保留在涂層中[6]。在冷噴過程中，一個關鍵因素就是臨界速度，臨界速度是指能讓單個給定的粉末粒子與基體碰撞后附著(沉積)在基體上而必須達到的速度[7]。

4) 連續(xù)擠壓包覆工藝。是在連續(xù)擠壓技術上發(fā)展起來的一種復合絲材的包覆工藝。其工作原理為：通過壓實輪將兩根坯料壓入擠壓輪的輪槽，由擠壓輪的旋轉將胚料送至擋料塊處，兩根坯料在擋料塊的作用下沿垂直方向進入模腔，在模腔內的高溫高壓環(huán)境下及摩擦力作用下達到塑性流動極限時，覆層材料與從模腔中穿過的芯線形成冶金結合[8]。連續(xù)擠壓包覆適用于銅包鋼線、鋁包鋼線的生產與制備。連續(xù)擠壓包覆具有產品質量好，材料利用率高、生產效率高等優(yōu)點。

5) 靜液擠壓。相對于普通的擠壓工藝來說，其特點在于胚料在擠壓時周圍充滿介質，在擠壓過程中，胚料幾乎不與模具接觸，材料在擠壓過程中受力狀態(tài)為三向壓應力，而材料的塑性是隨著壓應力的增加而提高的[9]，因此靜液擠壓適用于難變形金屬的成型。使用靜液擠壓的成型方法制備銅包鎂、銅包鋁復合線材，擠壓過程中摩擦阻力小、變形均勻，可以實現(xiàn)較大的擠壓比。

6) 填芯連鑄?；驹頌椋翰捎眠B續(xù)鑄造方式形成外層金屬管狀坯殼，然后將芯部金屬液充填至管狀坯殼中，使兩種金屬通過相互擴散或中間反應結合為一體，形成復合線胚[10]，填芯連鑄工藝不用進行預處理，而且能實現(xiàn)界面的無氧化結合。界面質量穩(wěn)定。

7) 套管工藝。將芯材與管狀的覆層材料套合在一起，工藝簡單，常溫下加工不易產生金屬間化合物，但是由于芯材和覆層材料結合不緊密，因此在多道次拉拔之前還需進行擠壓和旋鍛工藝。使用套管工藝制備的復合絲材包覆層均勻，但是難以實現(xiàn)界面的無氧化結合。

1.2 后續(xù)加工工藝

在制備出復合棒材后，還需要多道次拉拔工藝制備出合適尺寸的復合線材。拉拔是一種金屬大塑性變形過程，其機制就是不斷地將材料通過一系列不同直徑的圓錐形的模具從而減小材料的橫截面積。拉拔引起的變形主要取決于幾個關鍵的因素，例如：材料的拉拔性能、單道次變形率、模具的幾何尺寸、拉拔速度和材料與模具表面的摩擦力[11]。在拉拔的過程中為了消除加工硬化，同時增加界面原子間的相互擴散，還需對拉拔試樣進行熱處理。

2 成型工藝對界面的影響

2.1 界面反應機理及影響因素

在成型初期，復合線材中只包含芯材和包覆層材料，在加工過程中產生的變形熱、熱處理過程中的高溫環(huán)境均能引起界面反應，界面反應的本質是界面原子的互擴散，影響擴散的因素有外在因素和內在因素，其中外在因素包括溫度、時間、第三組元、應力等，內在因素包括擴散物質性質和擴散介質結構。界面反應的結果就是產生具有一定寬度的擴散層。作為芯材和覆層材料的連接樞紐，擴散層對復合線材的性能具有重要的影響。適當?shù)臄U散會增加芯材和覆層材料在界面結合處的結合強度，但由于擴散生成的金屬間化合和固溶體相對于基體具有更高的硬度，在多道次拉拔過程中易產生裂紋，復合絲材直徑較小時容易導致覆層脫落，嚴重影響復合線材的加工和使用。

2.2 成型工藝的選擇

上述復合棒材的成型工藝各有優(yōu)缺點，從復合的方式可以將其分為兩大類：固-固復合和固-液復合(本質上即高溫復合與低溫復合)，其中，填芯連鑄和熱浸鍍屬于典型的固-液復合，其特點在于復合棒材的成型過程中芯材或覆層材料為液態(tài)。一般來說，在固-液復合法制備復合棒材時，在液態(tài)金屬的高溫環(huán)境下，界面處原子大量擴散會產生相對較厚的金屬間化合物層，對后續(xù)加工及復合棒材的性能造成不利的影響。固-固復合沒有液相的參與，原子的擴散由大變形產生的變形熱及熱處理決定，因此其金屬間化合物的生成是一個相對可控的過程。但是固-固復合過程中存在難以獲得芯材與覆層材料無氧化界面結合的難題。例如使用套管工藝制備的銀包鋁復合棒材，由于鋁棒表面存在氧化層，在后續(xù)拉拔及退火過程中，界面處原子的互擴散受阻，無法形成良好的結合。因此復合棒材成型工藝的選擇需要考慮至少兩個問題：一是金屬間化合物的生成數(shù)量，二是原始復合棒材界面結合強度。當然上述兩個問題還需要結合復合絲材的使用尺寸來考慮才有實際意義，換言之，若復合絲材使用尺寸足夠大到可以忽略擴散層的影響，則在制備復合棒材時可不用過多考慮金屬間化合物的生成數(shù)量，此外若復合絲材最終尺寸設計為包覆比較大，也不存在覆層脫落問題，因此也不用考慮界面金屬間化合物的生成數(shù)量。若復合絲材的使用尺寸達微米級且包覆比較小，則在每一個制備環(huán)節(jié)中都要嚴格控制金屬間化合物的生成量。

3 復合絲的種類及其研究現(xiàn)狀

3.1 金包銅復合絲材

金包銅復合絲材不僅能利用覆層金的抗氧化性能、抗腐蝕性能和良好的焊接性能，還可以利用芯材銅優(yōu)良的導電性和力學性能，同時也可降低生產成本，提高經濟效益。

姜雁斌等[12]率先采用旋鍛-拉拔-擴散退火-拉拔的方法制備了直徑為60 μm的金包銅復合微絲。并分析了復合絲材顯微組織、力學性能和電學性能在拉拔的過程中隨著變形量的增加的變化情況，同時也分析了退火工藝對復合絲材組織和性能的影響。他們在拉拔前進行擴散退火使得金和銅的界面產生了良好的冶金結合，發(fā)現(xiàn)后續(xù)的加工過程中金層的包覆比變化較小，這說明良好的界面結合是提高兩種材料協(xié)同變形程度的關鍵。這些研究結果對以后金包銅復合線材的工藝選擇和結構設計提供了重要的參考依據(jù)。其研究內容對界面結構少有涉及，然而研究復合絲材，界面問題是繞不開的話題。

在過去的幾十年里，Cu-Au二元系一直是研究有序、無序固相轉變的典型材料，Kim等[13]研究了銅絲鍵合在金基上在經過不同熱處理工藝下的金屬間化合物的微觀結構評估，由金和銅的二元相圖可知，金和銅在固態(tài)下可完全互溶形成面心立方結構的固溶體，在金-銅的界面擴散中，由于銅的擴散速度比金的擴散速度快，因此在銅側可以觀察到柯肯達爾空洞，金銅IMCS的生成順序為(Au,Cu)，Cu3Au和(Cu,Au)在擴散過程中生成的有序相會通過溶質原子的周期性排列，導致電子波的相干散射提高電導率，同時保持了良好的鍵合性能。

溫馨等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高度有序的金銅陣列合金可以增強拉曼散射，且不同的電解液濃度比對散射結果有明顯影響，當氯金酸與氯化銅比例為1.5:1時，散射結果最強，盡管文中沒有提及有序相的種類，但不同的電解液濃度比例可能導致形成中間相種類不同，所以對散射結果有明顯的影響。想要制備超細Au包Cu復合絲，了解界面結構是有必要的。因此，期待相關研究幫助我們更加了解Au包Cu復合絲材。

3.2 金包銀復合絲材

從Au-Ag二元相圖中可以看出，金銀是可以無限互溶的。銀是所有單質金屬中最好的電、熱導體，因此銀絲在鍵合材料中也有廣泛的應用，但是銀在潮濕的環(huán)境下容易被腐蝕，銀線焊接必須在具有保護氣體環(huán)境下進行，在很大程度上增加了生產成本，因此純銀絲的應用仍然具有很多挑戰(zhàn)[15]。金包銀復合絲的研究結合了金和銀的優(yōu)點，覆層金給銀提供了保護層，增加了材料的抗腐蝕性和抗氧化性，而且降低了材料的成本，減少了單位體積上的質量。

Tseng等[16]在金包銀復合絲中發(fā)現(xiàn)，在溫度為25℃時，純銀絲和金包銀復合絲的熔斷電流幾乎是相同的，這說明金層對絲材的導電率是沒有影響的，而且金包銀在高溫下也有較好的導電率，而純銀線在高溫下電導率有所下降。他們在電位拉伸實驗中發(fā)現(xiàn)，金包銀復合絲的拉伸性能優(yōu)于Ag絲，這表明涂層能提高純Ag線的機械性能，這是因為原子互擴散生成固溶體，增加了Au-Ag銀界面的結合強度，從而增加了材料的抗拉強度。

康菲菲等[17]采用固相復合和多道次拉拔技術制備出直徑為0.020 mm的金包銀復合線材，通過對比純金絲和純銀絲的力學性能測試結果發(fā)現(xiàn)，在相同的溫度下，金包銀復合絲具有較高的抗拉強度，這與Tseng等的研究結果相同。但是對于電導率的研究結果表明，金包銀復合絲的電導率三者中是最低的，此外金包銀復合絲具有較好的鍵合性能。

3.3 金包鋁復合絲材

金包鋁復合絲材在某些領域已經有了應用且其使用尺寸達微米級，然其成型工藝和性能研究卻鮮有報道。不過人們對金-鋁鍵合界面的演變行為進行了廣泛的研究。從Au-Al二元相圖中可知，金-鋁擴散系可能存在的金屬間化合物有AuAl2、AuAl、Au2Al、Au8Al3和Au4Al。鍵合系統(tǒng)中的金屬間化合物主要是焊接鍵合過程中產生的，其生成會使界面電阻急劇上升，鍵合強度下降，且鍵合壽命受溫度影響較大[18]。此外，在鍵合過程中產生的部分液相在凝固過程中由于體積收縮會產生“空洞線”[19]。

Xu等[20]研究了采用熱超聲焊的金-鋁焊合界面在不同熱處理條件下界面的演變情況。發(fā)現(xiàn)最初形成的金屬間化合物是Au4Al和AuAl2，隨著退火時間的增加，發(fā)生如下轉變：

Au+2Al→AuAl2(1)

3AuAl2+13Au→2Au8Al3(2)

Au8Al3+4Au→3Au4Al (3)

最終金屬間化合物為富金相Au4Al占主導。在Xu等[21]的另一篇文獻中也提及在金屬間化合物形成時，靠近金側為Au4Al，靠近鋁側是AuAl2。

3.4 銀包鋁復合絲材

從Ag-Al二元合金相圖中可知，銀、鋁原子互擴散產生的金屬間化合物主要有Ag2Al和Ag3Al。Fu等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在200℃下長時間保溫后銀和鋁界面處生成的金屬間化合物是Ag2Al和Ag3Al，并通過納米壓痕研究這兩種金屬間化合物的變形和裂紋的生成，發(fā)現(xiàn)Ag3Al在300 g和500 g負荷作用下壓痕周圍出現(xiàn)明顯裂紋，相比之下，Ag2Al在1000 g負荷作用下壓痕周圍沒有出現(xiàn)裂紋，而是出現(xiàn)明顯的滑移帶。該結果表明Ag3Al較Ag2Al表現(xiàn)出更高的硬度和更低的斷裂韌性，Ag3Al屬于脆性材料，是銀鋁鍵合中比較脆弱的環(huán)節(jié)，銀鋁鍵合的失效是由于Ag3Al層被化學腐蝕后產生裂紋引起的。

為了減少甚至消除銀鋁鍵合中Ag3Al的形成，Wu等[23]在銀中添加銦抑制銀和鋁界面處Ag3Al的形成。在該研究中發(fā)現(xiàn)，當銀中銦的含量達到12%時，Al/Ag-12In在退火過程中幾乎沒有Ag3Al的形成。這是因為鋁原子和銀原子的尺寸相近，界面處原子間的相互擴散主要依靠空位機制進行，Ag-12In一側，由于銦原子尺寸比銀原子要大16%，因此銦原子附近畸變嚴重，應力狀態(tài)較高，對周圍的空位有一定的捕獲作用，因此可供鋁原子擴散的空位大大減少，導致無法形成Ag3Al。但是這個機制并不能解釋為什么隨著銦濃度增加。銀往鋁中的擴散速率減小。

Cheng等[24]的研究中驗證了Ag-Au-Pd作為鍵合絲鍵合在鋁基上的可靠性，主要歸結于金和鈀抗氧化性可以保證鍵合系統(tǒng)良好的導電性和機械附著力；其次，多種金屬間化合物的共存可以抑制界面腐蝕，且鈀的存在可降低金屬間化合物的生成速率。

在Liu等[25]的研究中，從鋁側到銀側之間，金屬間化合物的分布依次為Ag2Al和Ag3Al。但是在一些實驗中發(fā)現(xiàn)，當對銀鋁復合絲材進行高溫長時間退火時，擴散層的成分發(fā)生了明顯的變化，整個擴散層的銀原子和鋁原子比接近1:1，原來的銀原子和鋁原子比為2:1和3:1的區(qū)域消失了，這可能是因為某些金屬間化合物在高溫下不穩(wěn)定，繼續(xù)轉變成更穩(wěn)定的結構所致。

3.5 銅包鋁復合絲材

銅鋁復合材料是近年來在電力和電器行業(yè)中發(fā)展起來的一種新型層狀復合材料，是一種高性能的復合導體，銅包鋁復合線材具有密度低、彈性模量低、比熱容大、成本低以及導電性好等優(yōu)點，主要應用于高頻信號傳輸、電力傳輸及其他領域導體材料中。人們廣泛研究了熱處理對Cu-Al界面演變行為的影響，根據(jù)銅鋁二元相圖，在300℃下，存在5種金屬間化合物即CuAl2、CuAl、Cu4Al3、Cu3Al2、Cu9Al4。然而在實際情況中存在同質多晶現(xiàn)象，最終產物是由熱處理條件和反應物的數(shù)量決定的，例如在Xu等[26]的研究中，最初生成的金屬間化合物為CuAl2和Cu9Al4，在鋁基被消耗完之前，CuAl2的生長占主導地位，鋁基被消耗完以后，隨著擴散的進行，CuAl2向Cu9Al4轉變，因此Cu9Al4為最終產物。

楊振[27]在其研究中發(fā)現(xiàn)，250℃退火時，界面只生成一種金屬間化合物為Al2Cu相；在300~450℃退火時，界面上生成的3種金屬間化合物分別為Al4Cu9、AlCu、Al2Cu；而在500℃退火時，界面上生成4種金屬間化合物，分別為Al4Cu9、AlCu、Al2Cu和Al2Cu3相。

Chen等[28]研究退火對Cu-Al界面結構的影響發(fā)現(xiàn)，在熱處理過程中界面處共有4種金屬間化合物生成，分別是Al4Cu9、AlCu、Al2Cu和Al3Cu4。在上述幾種銅和鋁的金屬間化合物中，發(fā)現(xiàn)所有的金屬間化合物的硬度都高于基體材料的硬度，而其中又屬AlCu和Al3Cu4的硬度最高，在斷裂形貌中也發(fā)現(xiàn)裂紋都是從硬度較高的區(qū)域開始擴展的。同樣，在Hug等[29]的研究中也得到了類似的結論，從鋁側開始，界面處鋁的含量隨著距鋁側的距離增大而減小，且形成的金屬間化合物的種類依次是：Al2Cu、AlCu+Al3Cu4、Al4Cu9，其中硬度測試表明AlCu+Al3Cu4層具有最高的硬度。而先形成哪一種金屬間化合物則取決于該物質的形成能的大小。之前的研究[30]表明Al4Cu9和Al2Cu的形成能分別為0.83和0.78 eV，在熱處理過程中會先形成Al2Cu然后再形成Al4Cu9，AlCu和Al3Cu4最后形成。

在銅鋁界面處由于銅原子和鋁原子的擴散速度不同，Cu在Al中的擴散速率比Al在Cu基體的擴散速率大2個以上數(shù)量級，導致Cu擴散進Al中的通量遠大于Al擴散進Cu中的通量，因此柯肯達爾空洞主要出現(xiàn)在銅側[31]。

3.6 銅包鎂復合線材

在銅包鎂復合線材中，銅可以給鎂提供保護層，通過用鎂作為核心在外面包覆銅可以制造出質量輕、強度重量比高的導體材料。除此之外，銅可以提供抗腐蝕性能，制造銅包鎂復合絲的一個挑戰(zhàn)就是鎂的加工性能不好，另一個挑戰(zhàn)就是如何促進核心和套管的同步流動。Kyalo[32]通過套管-共擠-多道次拉拔的方法制備出直徑為0.4 mm的銅包鎂復合線材。在擠壓過程中，作者期望將直徑為55 mm的復合棒材直接擠壓至7 mm，但是沒有成功，這是因為變形量太大會使銅與模具之間的摩擦力過高，使覆層材料沾在模具表面。因此如果要實現(xiàn)大的減小比，可以通多次擠壓實現(xiàn)。在他的研究中還發(fā)現(xiàn)一個比較重要的現(xiàn)象，銅覆層厚度的降低與總的胚料直徑的降低是成比例的。這是因為在前面的擠壓中的界面生了強烈的結合。這種結合力能促進流動的穩(wěn)定性，而流動的穩(wěn)定性在絲的拉拔中是很關鍵的。在對銅包鎂復合絲的力學性能的研究中發(fā)現(xiàn)，拉拔過程會使絲產生加工硬化現(xiàn)象。而退火能緩解這種現(xiàn)象，在退火過程中發(fā)生了晶粒的細化和再結晶。而研究結果表明變形量對于復合絲材的電導率影響較小，退火處理可以使復合線材的電導率有所增加，電導率受覆層厚度的影響較大。

3.7 鈀包銅復合絲材

由于作為鍵合材料的金絲價格不斷上升，這就迫切需要選擇一種低成本的替代材料。前文已經提到，將銅絲替代金絲作為鍵合材料具有諸如成本低、金屬間化合物生長速率低、足夠的強度阻止絲材晃動等優(yōu)點[33]。但是銅鍵合線易氧化，且在潮濕和高溫環(huán)境下，銅絲鍵合的邊緣容易產生裂紋，裂紋向中心擴展進而引起失效，于是人們在銅絲的表面鍍上鈀作為純銅線的替代品[34]。鈀是一種不活潑金屬，具有較強的抗氧化性能，鍍鈀銅可以解決銅線的易氧化問題。且有望為那些需要成本效益(仍比黃金節(jié)省大量成本)和可靠的粘接性能(更接近黃金)的應用提供了一種有前途的解決方案[35]。鈀包銅絲兼具芯材的高導電性和覆層材料良好的粘接性能。鈀包銅復合絲材有望解決銅絲在鍵合領域面臨的問題。Park等[33]在研究鈀包銅絲、Au-Pd包銅絲和純銅絲在鋁板上的焊接可靠性時發(fā)現(xiàn)，在150℃下保溫1000 h，純銅的焊接中出現(xiàn)了Cu9Al4和CuAl2的金屬間化合物，并且在Cu9Al4和銅層之間發(fā)現(xiàn)了尺度比較小的裂紋，這些裂紋會向鍵球中心擴展，最終引起鍵合失效。而在鈀包銅絲、Au-Pd包銅絲的鍵合中發(fā)現(xiàn)，雖然也有Cu9Al4生成，但是其生長速率相對于純銅絲來說比較慢，由于Cu9Al4金屬間化合物層上有均勻的貴金屬分布，沒有檢測到裂紋的存在。且貴金屬和銅形成固溶體阻止了裂紋的擴展從而提高包覆絲材的鍵合可靠性。Cao等[36]在其關于鈀的厚度對鈀包銅復合線材焊接性能的影響的研究中發(fā)現(xiàn)，在高溫高濕的條件下，鈀的厚度越厚可以形成有效的保護層，提高鍵合線的粘接強度。

4 結語與展望

無論是從提高材料的綜合性能還是從節(jié)約稀貴金屬資源、降低生產成本等方面考慮，復合絲材的研發(fā)都是替代傳統(tǒng)純金屬絲材的最佳選擇。然而，由于芯材與覆層材料存在性質的差異，如何設計拉拔工藝、熱處理工藝，提高兩者的協(xié)同變形率、如何控制界面反應防止金屬間化合物的生成引起材料性能下降，對于固-固結合制備復合棒材怎么獲得無氧化界面仍然是目前復合絲的研發(fā)階段存在的難題。但是相信在科研工作者們的不懈努力下，這些問題都會得到解決。而且，有理由相信，復合絲材相對于單一絲材而言存在的各種優(yōu)點將會使其在各個領域得到廣泛的應用。

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Progress in Preparation Technology of Clad Wire

CHEN Ya, DAI Hua, LAI Wen-fa, YANG Li-juan, NIU Hai-dong, WAN Ji-gao, LIU Yi, WU Hai-jun*

(Kunming Institute of Precious Metals, State Key Laboratory of Advance Technologies for Comprehensive Utilization of Platinum Metals, Sino-Platinum Metals Co. Ltd., Kunming 650106, China)

In the preparation process of clad wire, the atoms near the interface inter-diffused to form a diffusion layer with a certain width. The diffusion layer consists of intermetallic compounds and solid solution, and the types and quantities of intermetallic compounds are determined by heat treatment temperature and time. Appropriate interdiffusion is beneficial to improve the bonding strength of clad wires, but too many intermetallic compounds will lead to a decrease in the conductivity and elongation of the clad, and even cause the coating peeling off of the superfine clad wire, which seriously affects the machinability of the clad wire. The types, forming methods and research status of clad wires are systematically introduced, and the interfacial phase of diffusion layer and its influence on the properties of clad wires are emphatically discussed, providing a reference for the development of forming technology and performance research of a novel clad wire.

clad wire; interface diffusion; intermetallic compound; multi-pass drawing

TG146.3

A

1004-0676(2020)02-0075-07

2019-07-16

云南省重大科技項目(202002AB080001-1)，兩機專項重大項目(2017-V-0003-0053)

陳 亞，女，碩士研究生，研究方向：貴金屬復合材料。E-mail：1799195206@qq.com

武海軍，正高級工程師，研究方向：貴金屬精密合金材料。E-mail：whj@ipm.com.cn