基于分子动力学的纳米铜_镍扩散焊接模拟研究_孙继鑫

扩散焊是焊接工程普遍应用的一种焊接技术［1］。

它不仅能把同种或异种金属材料焊接到一起，也能把金属材料与非金属材料，如玻璃、陶瓷、石墨焊接到一
起。

而往往性能差异较大的异种材料的焊接，能得到
基于分子动力学的纳米铜-镍扩散焊接模拟研究
孙继鑫，徐建刚，王轶鹏
（西安邮电大学理学院，陕西西安710061）
摘要采用分子动力学方法研究了纳米铜-镍异质金属之间的高温扩散过程，并对退火后得到的扩散模型进行拉伸模拟。

结果表明：在相同升温、加压和退火条件下，保温时间越长，扩散模型的过渡层厚度越大，拉伸强度越小；当保温时间为600ps ，扩散模型的拉伸强度为11.62GPa ，达到理想接触铜-镍模型拉伸强度的76%。

关键词扩散；过渡层；拉伸；应力-应变中图分类号O791
文献标志码Ａ
文章编号1004-244X （2013）06-0068-04
Molecular dynamics simulation of diffusion bonding of nano⁃Cu⁃Ni interface
SUN Jixin ，XU Jiangang ，WANG Yipeng
（School of Science ，Xi ′an University of Post &Telecommunications ，Xi ′an 710061，China ）
Abstract The high⁃temperature diffusion process of nano⁃Cu⁃Ni interface was studied using molecular dynamics simulations ，and diffusion ⁃bonded Cu ⁃Ni model was subjected to tensile loading.The results indicate that the transition layer thickness of the diffusion model increases and its tensile strength decreases with increasing the holding time under the same conditions of heating ，pressure and annealing.When the holding time is up to 600ps ，tensile strength of the diffusion model is 11.62GPa ，reaching 76%of the ideal Cu⁃Ni contact strength.
Key words diffusion ；transition layer ；tensile ；stress⁃strain
收稿日期：2013-07-09；修回日期：2013-08-05
基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-1046)；陕西省青年科技新星计划支持项目(2012KJXX-39)作者简介：孙继鑫，男，在读硕士研究生；主要研究物理计算。

E-mail ：sun_jixin@ 。

兵器材料科学与工程
ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol.36No.6Nov.，2013
第36卷第6期2013年11月工艺研究［J ］.热加工工艺，2011（21）：155-158．
［2］黄钦，陆明，刘鹏，等.铝/钛复合管的爆炸焊接试验［J ］.焊
接技术，2010（9）：21-24．
［3］郑哲敏，杨振声.爆炸加工［M ］.北京：国防工业出版社，1981：472-474．
［4］郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用［M ］.长
沙：中南大学出版社，2002．
［5］张蕾.S41500-Q345C 爆炸焊接界面波试验探讨［J ］.材料发
展与应用，2001（6）：10-14．
［6］Akbari Mousavi S A A ，Farhadi Sartangi P.Experimental in⁃
vestigation of explosive welding of C p ⁃titanium/AISI 304stain⁃less steel ［J ］.Materials and Design ，2009，30（3）：459-468.［7］Bataeva I A ，Bataeva A A ，Malib V I ，et al.Structural and me⁃
chanical properties of metallic⁃intermetallic laminate compos⁃ites produced by explosive welding and annealing ［J ］.Materi⁃als and Design ，2012，35：225-234.
［8］郭训忠，陶杰，袁正，等.爆炸焊接TA1/Al 复合管的界面及
性能研究［J ］.稀有金属材料与工程，2012（1）：143-146.［9］黄钦，陆明，刘鹏，等.复合管爆炸焊接间隙取值数值模拟及
其试验研究［J ］.兵器材料科学与工程，2011，34（1）：78-81.［10］王耀华.金属板材爆炸焊接研究与实践［M ］.北京：国防工
业出版社，2007：38-43．
［11］陆明，王耀华，尤俊，等.工具钢/Q235复合板爆炸焊接试
验及性能研究［J ］.焊接学报，2001（4）：54-57．
［12］刘鹏，陆明，田涛，等.钛/钢复合板爆炸焊接试验及结合界
面研究［J ］.热加工工艺，2010（7）：37-40.
［13］张越举，杨旭升，李晓杰，等.钛/钢复合板爆炸焊接试验
［J ］.爆炸与冲击，2012（1）：103-107.
［14］Nizamettin K ，Behcet G.Microstructure and mechanical prop⁃
erties of Cu⁃Ti plates bonded through explosive welding pro⁃cess ［J ］.Journal of Materials Processing Technology ，2005，169：67-71.
［15］Nizamettin K ，Behcet G ，Fehim Findik.Joining of titanium/
stainless steel by explosive welding and effect on interface
［J ］.Journal of Materials Processing Technology ，2005，169：127-133.
网络出版时间：2013/10/309:13:44网络出版地址：/kcms/detail/33.1331.TJ.20131030.0913.001.html
DOI:10.14024/ki.1004-244x.2013.06.044
第6期一些意想不到的高性能构件，以满足现代医疗、化工、
国防、航天等各方面的需要。

所以近年来扩散焊接技术成为焊接领域的研究热点，并引起人们的极大关注。

人们已经在宏观尺度上对扩散焊接进行了大量的实验研究［2-5］，但是在微观尺度纳米量级条件下，由于小尺寸，表面和宏观量子隧道效应的影响，其物理、化学性质会发生一些反常的变化。

在纳米量级研究扩散焊接的工作就显得更加重要。

分子动力学模拟（MD ）方法在纳米材料的研究中，已经得到相当广泛的应用。

MD 不局限于实验中模型制备和测试的许多不确定性，可以用来分析纳米尺度下，研究模型的力学、热学等需要的一系列问题。

如Chen 等使用分子动力学模拟的方法，研究铜-银金属之间的扩散焊接，分析压力对扩散焊接模型的影响［6］，结果表明：压力越大过渡层的厚度就越大。

后又对铜-铝金属在不同温度和粗糙接触面下的扩散过程进行了模拟研究［7］，发现温度越高原子扩散越剧烈，揭示了粗糙接触面原子的扩散过程。

刘浩等对铜-铝扩散焊接进行了降温速度和扩散模型的拉伸模拟研究［8］，结果表明：过渡层的晶体结构取决于降温速度，降温速度越快过渡层的晶体结构越容易形成非晶。

扩散模型的拉伸强度相当于单晶铝抗拉强度的65%左右。

对于不同金属扩散焊接的研究仍有待进行。

目前尚未见到在原子尺度研究保温时间和过渡层厚度对扩散模型拉伸强度的影响。

采用分子动力学模拟方法，研究纳米铜-镍金属之间的高温扩散过程，讨论保温时间和扩散层对扩散模型力学特性的影响，并与理想接触的纳米铜-镍模型进行了对比。

1模型与方法
1.1模型介绍
初始模型建立，如图1所示。

下层为铜原子，上层为镍原子。

模型体系的总原子数为16000个，铜原子
和镍原子数分别都为8000个。

铜的晶格常数a =0.3615nm ，原胞大小为10a ×10a ×20a 。

镍的晶格常数b =0.3523nm ，原胞大小为10b ×10b ×20b 。

此样本模型为理想接触模型，即铜的上表面和镍的下表面为没有原子缺陷的光滑平面。

坐标x 、y 、z 方向均为两个晶粒的［010］、［001］和［100］晶向。

1.2方法
选取Bonny ［9］等在模拟中验证的和实验结果相一致的多体势。

采用分子动力学lammps ［10］软件进行运算模拟。

固定模型镍原子上表面与铜原子下表面的3层原子。

采用麦克斯韦速率分布给定体系原子的初始速度，用蛙跳法计算原子的运动速度。

时间步长选取为1fs 。

x 、y 方向施加周期边界条件。

选取1600K 为保温温度。

模型的升降温速度为5TK/s ，在z 方向施加20MPa 的压强。

模拟过程大致分为升温、保温、降温和拉伸4个阶段。

首先使模型体系在1K 和一个大气压下进行弛豫平衡，使总能量达到最小化。

在模型两端施加20MPa 的压强，升温到1600K 。

研究100、300、600ps 不同保温时间，模型体系的扩散程度和过渡层厚度，然后降到室温300K 。

最后对3种扩散模型在室温下沿z 方向进行整体均匀应变拉伸。

每次拉伸的应变为0.4%，弛豫4000步。

用此拉伸方法同样模拟了理想接触的铜-镍模型的拉伸过程。

2结果与讨论
2.1扩散
图2为300、1550K 下的铜-镍模型的结构模型。

在300K 时（图2a ），铜原子和镍原子之间未发生相互扩散，晶格结构也未发生明显变化，仍保留其初始的面心立方结构。

当温度升高到1550K 时（图2b ），铜原子和镍原子之间发生相互扩散，在接触面处形成一
图1样本模型
Fig.1Specimen used for simulation
z
x
y
接触面
Ni
Cu
图2不同温度模型的结构示意图
Fig.2Configurations of cross⁃section at different temperatures
a
b
b—1550K a—300K
孙继鑫等：基于分子动力学的纳米铜-镍扩散焊接模拟研究69
兵器材料科学与工程第36卷
个明显的扩散区域。

在此温度下，扩散区域和铜原子一侧的晶格结构表现混乱，形成一种无定形结构状态。

这种现象同Weissmann 等［11］观察高温Co-Zr 系统下类似的无定形态结构一致。

产生此结构的主要原因是由于高温下原子运动更加剧烈、无规则；其次是由于施加了顶端压力，促使这种结构的产生。

由于镍的熔点比铜高很多，在此温度下铜原子比镍原子运动得更加剧烈。

铜原子一侧能显著观察到这种晶格结构的转变，而镍原子一侧晶格结构的变化不明显。

图3为不同保温时间降温后的铜-镍扩散模型的横截面图。

此扩散现象与Chen 等［7］观察的扩散现象一致。

随着温度的不断增加，铜原子和镍原子之间的扩散越来越剧烈。

在高温下，铜原子的晶格结构转变为无定形态，结合键断裂的铜镍原子能更好地相互扩散。

保温时间的不断增加，铜镍原子开始由界面扩散向纵深扩散发展，扩散区域明显变大。

把一个区域内铜原子和镍原子浓度均超过5%的区域厚度定义为过渡层厚度。

当保温时间为100、300、600ps 时扩散模型的过渡层厚为2.8、4.6、6.3nm 。

过渡层厚度随保温时间的增加而不断增大，铜-镍模型之间的原子扩散也越充分。

图2b 中的铜侧原子经过一段时间的降温后，晶格结构由无定形态逐渐向有序转变（图3）。

这种晶格结构的变化由降温速度控制。

刘浩等［8］在铜铝扩散焊接中对降温速度和结构转变做了较详细讨论。

作者主要研究保温时间对过渡层和扩散模型力学特性的影响。

所有模型均设定同样的升降温速度，排除了不同升降温速度对模型结构和扩散模型力学特性的影响。

模拟铜-镍模型扩散结果表明，扩散接合过程大致分为3阶段。

第1阶段是加压、升温阶段，两端施加压力使界面处的铜原子和镍原子紧密接触。

随着温度的不断升高，原子热运动加大，晶格结构出现变化，
接触界面区域的原子开始出现相互扩散。

第2阶段是
保温阶段，铜原子的晶格结构先转变为无定形态，有利于相互扩散形成过渡层。

随着保温时间的增加，原子扩散越充分过渡层越厚。

扩散方式由界面扩散向纵深扩散发展。

最后一个阶段是降温阶段，随着温度的缓慢降低，晶格结构由无定形态向有序结构转变。

相互扩散的原子留在各自扩散的金属中，形成最后的扩散模型。

2.2拉伸
为检查和评估扩散焊接纳米铜-镍模型的力学特性，在室温下对保温时间为100、300、600ps 的扩散模型进行拉伸模拟，并与理想接触的铜-镍模型进行对比。

为便于比较，所有模型均在相同的拉伸应变条件下进行。

图4为铜镍扩散模型和理想接触模型拉伸的应力-应变曲线。

如图4a 所示，保温时间为100ps 、应变为10.08%，扩散模型的最大应力值为13.17GPa ；保温时间为300ps 、应变为10%，扩散模型的最大应力值为12.54GPa ；保温时间为600ps 、应变为9.6%，扩散模型的最大应力值为11.62GPa 。

可以看出，扩散模型的最大应力值和应变量随保温时间的增加而不断减小。

图4b 为室温300K 下理想接触的铜-镍模型和1600K 下保温600ps 扩散焊接模型应力-应变曲线的对比图。

理想接触铜-镍模型在应变达到12.8%时有最大
a—100ps
b—300ps
c—600ps
图3不同保温时间模型的结构示意图
Fig.3Configurations of cross⁃section for different holding time 图4模型的应力-应变曲线Fig.4Tensile stress⁃strain curves
2
4681012140.000.020.04
0.060.080.100.12
应变
应力/G P a
100ps 300ps 600ps
a —扩散焊接
24
6810121416应力/G P a 0.000.020.040.060.080.100.120.12
应变1600K 300K
b —理想接触
70
第6期
的应力值15.18GPa。

扩散焊接铜-镍模型的拉伸强度可以达到理想接触铜镍模型的76%。

应力-应变曲线的对比说明，铜-镍扩散模型由于升降温处理改变了模型的晶格结构和初始组成成分，对模型的力学特性产生不小的影响。

图5a为保温600ps扩散模型拉伸之前的位错示意图。

图中显示出由于高温扩散和压力的影响，扩散模型的位错主要集中出现在过渡层。

铜原子和镍原子一侧也有少量位错的出现。

图5b为保温600ps扩散模型拉伸应变为9.6%时的位错示意图。

图中显示出当应力下降前，位错集中在过渡层和铜原子一侧，镍原子一侧只有少量位错的出现，扩散模型从位错集中的过渡层处断裂。

这是由于过渡层中铜镍原子相互掺杂，晶格结构排列有缺陷，在拉伸变形时易形成位错。

图5c为应变为12.8%时理想接触的铜-镍模型的位错示意图。

图中显示出在理想接触铜-镍模型应力下降前，位错只集中在铜原子一侧，而镍原子一侧没有位错产生，模型在接触面处发生脆性断裂。

模拟铜-镍模型拉伸结果表明，扩散模型的位错主要集中在过渡层处，过渡层厚度越大，位错越多，扩散模型的拉伸强度就越小。

不同保温时间扩散模型的应力-应变曲线趋势相近，其形变机制也相似。

扩散模型在应变为10%左右，应力急剧下降，位错主要集中在过渡层和铜原子在过渡层处发生侧，镍原子一侧有少量的位错出现，模型在过渡层处断裂。

理想接触模型在模型拉断前的应变量大，位错只出现在铜原子一侧，在模型接触面处发生脆性断裂。

3结论
1）低温时，铜-镍模型之间没有发生扩散现象。

随着温度的逐渐升高，铜原子晶格结构开始向无序转变，在接触面区域发生扩散现象并形成过渡层。

随保温时间的增加，过渡层厚不断增大。

2）扩散焊接铜-镍模型的拉伸强度随保温时间和过渡层厚度的增加不断减小。

保温600ps扩散模型的拉伸强度达到理想接触铜镍模型的76%。

扩散焊接铜-镍模型与理想接触铜-镍模型的形变机制不同。

4参考文献
［1］李志远.先进连接方法［M］.北京：机械工业出版社，2000：132.
［2］周媛，熊华平，陈波，等.以铜和Cu-Ti作为中间层的TiAl/ GH3536扩散焊［J］.焊接学报，2012，33（2）：17-20．
［3］Rodin M E，Semenov A N.Investigation of the strength of steel⁃titanium diffusion welded joints［J］.Welding International，2013，27（6）：482-484.
［4］Boiko N V，Khazov I A，Selezneva L V，et al.Diffusion welding of a titanium alloy to an austenitic steel through intermediate coatings［J］.Welding International，2013，27（7）：537-539.［5］Anatolii U，Yury F，Tatyana M，et al.Diffusion welding of alu⁃minium alloy strengthenedby Al2O3particles through an Al/Cu multilayer foil［J］.Journal of Materials Processing Technology，2013，213（4）：543-552.
［6］Chen S D，Soh A K，Ke F J.Molecular dynamics modeling of diffusion bonding［J］.Scripta Materialia，2005，52（11）：1135-1140.
［7］Chen Shangda，Ke Fujiu，Zhou Min，et al.Atomistic investiga⁃tion of the effects of temperature and surface roughness on dif⁃fusion bonding between Cu and Al［J］.Acta Materialia，2007，55（9）：3169-3175.
［8］刘浩，柯孚久，潘晖，等.铜-铝扩散焊及拉伸的分子动力学模拟［J］.物理学报，2007，56（1）：407-412.
［9］Bonny G，Pasianot R C，Castin N，et al.Ternary Fe⁃Cu⁃Ni many ⁃body potential to model reactor pressure vessel steels：First validation by simulated thermal annealing［J］.Philosophical Magazine，2009，89（34/35/36）：3531-3546.
［10］Plimptom S.Fast parallel algorithms for short⁃range molecu⁃lar dynamics［J］.Journal ofComputational Physics，1995，117
（1）：1-19.
［11］Weissmann M，Ramfrez R，Kiwi M，et al.Molecular⁃dynamics model of interface amorphization［J］.Phys Rev B，1992，46
（4）：2577-2583.
图5扩散模型和理想接触模型的位错示意图（图中只显示出
位错原子）
Fig.5Configurations of dislocation for Cu⁃Ni pair with ideal
contact and diffusion⁃bonding（The figure shows only
dislocation atoms）
孙继鑫等：基于分子动力学的纳米铜-镍扩散焊接模拟研究71。