Cu/Al復(fù)合帶固-液鑄軋熱-流耦合數(shù)值模擬及界面復(fù)合機理

黃華貴，季　策，董伊康，杜鳳山（燕山大學(xué) 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島 066004）

Cu/Al復(fù)合帶固-液鑄軋熱-流耦合數(shù)值模擬及界面復(fù)合機理

黃華貴，季策，董伊康，杜鳳山
（燕山大學(xué) 國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島 066004）

雙金屬層狀復(fù)合帶固-液鑄軋成形是集快速凝固與軋制復(fù)合為一體的短流程新工藝，為揭示固相覆層金屬帶材與基體熔體在雙輥鑄軋區(qū)內(nèi)的復(fù)合機理，以d160 mm×150 mm雙輥實驗鑄軋機為對象，利用Fluent商用軟件建立Cu/Al固-液鑄軋復(fù)合過程二維熱-流耦合計算模型，研究鑄軋速度、澆注溫度、銅帶厚度和預(yù)熱溫度對熔池流場、KISS點位置與復(fù)合界面溫度分布的影響規(guī)律。Cu/Al固-液鑄軋復(fù)合實驗結(jié)果表明，鑄軋區(qū)內(nèi)固-液接觸區(qū)、固-半固態(tài)粘連區(qū)、固-固軋制復(fù)合區(qū)界面結(jié)合效果呈現(xiàn)遞進式強化規(guī)律，顯示出溫度和軋制壓力對界面復(fù)合的重要作用，對成形工藝制定具有重要的指導(dǎo)意義。

固-液鑄軋復(fù)合；Cu/Al復(fù)合帶；雙輥鑄軋；熱-流耦合；復(fù)合界面

Cu/Al復(fù)合帶兼具有銅的導(dǎo)電率高、導(dǎo)熱性好、接觸電阻低和鋁質(zhì)輕、耐蝕和經(jīng)濟等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于建筑裝飾、電力電子、裝備散熱、化工、軍工等領(lǐng)域［1-4］。針對我國銅資源匱乏而鋁產(chǎn)能嚴重過剩的現(xiàn)狀，“以鋁代銅”已成為化解鋁過剩產(chǎn)能、節(jié)約貴金屬的有效途徑之一。

固-液鑄軋復(fù)合成形技術(shù)［5］是近年來發(fā)展起來的一種短流程新工藝，它將固相覆層金屬帶材與液態(tài)基體金屬同時喂入雙輥鑄軋機的兩個結(jié)晶輥間，快速凝固后，在高溫和壓力作用下直接鑄軋復(fù)合成形。與傳統(tǒng)的靜液擠壓法、軋制復(fù)合法、包覆焊接法等［6-8］相比，該工藝更具高效節(jié)能優(yōu)勢，因而受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。韓國學(xué)者BAE等［9］利用該方法進行了鎂合金和純鋁的復(fù)合實驗，得到鋁-鎂-鋁三明治夾層復(fù)合板，獲得良好的耐腐蝕性；GRYDIN等［10］制備了擴散層厚度為3 μm的鋼/鋁復(fù)合板，研究了其復(fù)合界面的成分及厚度影響，并對試件進行了沖壓、拉伸以及包覆軋制實驗，充分說明了固-液鑄軋復(fù)合生產(chǎn)雙金屬復(fù)合板的優(yōu)越性；池慧［11］在固液復(fù)合基礎(chǔ)上，提出了一種雙金屬板帶柔性連續(xù)鑄軋復(fù)合工藝，運用Marc軟件及其二次開發(fā)，建立了Cu/Al軋制的熱力耦合模型，并且成功試制出長為400 mm的純鋁/鋁合金復(fù)合板坯。

目前，圍繞鎂合金、鋁合金或鋼的雙輥鑄軋流場-溫度場耦合研究已有大量文獻報道。BAE等［12］采用有限元與有限差分法結(jié)合的數(shù)值方法，研究了鎂合金鑄軋過程中不同鑄速、熔池高度對熔池流場和溫度場的影響。SAHOO等［13］在考慮凝固以及標準湍流模型的前提下，研究了鋁合金高速鑄軋過程中不同鑄速、過熱度對坯殼凝固速度的影響，并通過二次枝晶間距的實驗驗證了其數(shù)學(xué)模型的正確性。然而，由于固-液鑄軋復(fù)合工藝中引入了固相覆層金屬帶材，將金屬熔體與鑄軋結(jié)晶輥隔離開來，導(dǎo)致金屬熔體兩側(cè)傳熱邊界不一致，亟待弄清非對稱傳熱邊界條件下鑄軋區(qū)熔池流場和溫度場的變化規(guī)律，以及雙金屬結(jié)合界面溫度分布規(guī)律。

為此，本文作者以二輥d160 mm×150 mm鑄軋機為研究對象，開展Cu/Al復(fù)合帶固-液鑄軋熱-流耦合數(shù)值模擬研究，分析不同鑄軋速度、銅帶預(yù)熱溫度、銅帶厚度和澆注溫度對KISS點高度、偏移及結(jié)合界面溫度影響的宏觀規(guī)律，并將其作為理論指導(dǎo)開展固-液鑄軋復(fù)合實驗，分析復(fù)合機理。

1　固-液鑄軋復(fù)合多場耦合數(shù)值模擬

1.1固-液鑄軋復(fù)合工藝概述

如圖1所示，將銅帶和鋁液同時喂入雙輥鑄軋機的輥縫內(nèi)，在鑄軋區(qū)高溫固-液接觸和固相軋制共同作用下實現(xiàn)復(fù)合界面的冶金結(jié)合，完成層狀雙金屬復(fù)合帶材的高效連續(xù)生產(chǎn)。其中，開卷機主要用于銅帶的喂入接觸角和入口張力控制，前箱、中間包和布流器用于將鋁液向鑄軋輥縫內(nèi)均勻布流。

圖1　層狀金屬復(fù)合帶固-液鑄軋復(fù)合工藝示意圖Fig.1　Schematic diagram of laminated strip solid-liquid cast-rolling bonding：1—Copper strip decoiler；2—Ladle；3—Tundish；4—Delivery device；5—Twin-roll caster；6—Spray system；7—Shearing machine；8—Coiler

1.2基本假設(shè)及基本控制方程

本研究中數(shù)值模擬的對象為穩(wěn)態(tài)鑄軋復(fù)合過程溫度場和流場，為簡化數(shù)學(xué)模型、參數(shù)和邊界條件，作出如下假設(shè)：1）鑄軋輥視為剛體，不發(fā)生塑性變形，且鑄軋輥做勻速轉(zhuǎn)動；2）鋁液、半固態(tài)鋁液視為不可壓縮的牛頓流體；3）忽略銅帶在鑄軋過程中的變形，且與熔池內(nèi)金屬接觸良好；4）耦合接觸面間無滑移；5）液面受鑄嘴限制，保持水平固定，熔池內(nèi)液流動為強制湍流為主；6）只考慮對流傳熱和熱傳導(dǎo)，忽略輻射換熱對鑄軋中流場、溫度場的影響。

模擬計算區(qū)域中時均化的質(zhì)量、動量、能量方程可寫成如式（1）所示的通用形式［13］。

式中：ψ代表各獨立變量；x和y方向的速度分量u和v；湍動能k；湍流耗散率ε及熱焓h。Γ及S代表各變量的擴散率及源項。

1.3材料參數(shù)

采用工業(yè)純鋁（L2）和紫銅帶作為研究對象，鑄軋輥輥套材質(zhì)為合金鋼，相關(guān)材料熱物性參數(shù)［14］如表1所列。

表1 材料熱物性參數(shù)Table 1　Thermophysical parameters of the materials

此外，工業(yè)純鋁（L2）的凝固區(qū)間為887～933 K，凝固潛熱為393.56 kJ/kg，液態(tài)時黏度為1.18×10-3kg/（m·s）。

1.4幾何模型

如圖2所示，由于鑄軋區(qū)不具有對稱性，最終得到的簡化模型包含左鑄軋輥套、鋁液熔池、預(yù)熱銅帶、右鑄軋輥套4個計算域。

圖2　網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖Fig.2　Schematic diagram of meshing results

模擬涉及的參數(shù)包括：軋輥直徑160 mm，輥套厚30 mm，熔池入口寬度為3 mm，熔池高度30 mm，出口復(fù)合帶中組元鋁的厚度為2 mm。鑄軋速度v分別為2.4 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，銅帶預(yù)熱溫度TCu分別為300 K、673 K、1073 K，銅帶入口厚度HCu分別為0.2 mm、1 mm、2 mm，澆注溫度TAl分別為953 K、963 K、973 K。

為提高計算精度與收斂速度，對熔池和固態(tài)板坯計算域內(nèi)網(wǎng)格加密，且計算域間耦合邊界網(wǎng)格節(jié)點相對應(yīng)。

1.5邊界條件

如圖2所示，模型邊界條件包括：

1）熔池入口邊界（BC），設(shè)為速度入口邊界，沿入口方向，按式（2）計算：

式中：vin為鋁液注入速度（m/s）；Tin為鋁液澆注溫度。入口速度的大小根據(jù)質(zhì)量守恒由入口流量和出口流量一致得出。

2）熔池出口邊界（KH），設(shè)為速度出口邊界，沿出口方向，由鑄軋速度確定。

3）板坯入口邊界（EF），設(shè)置壁面溫度，由銅板坯預(yù)熱溫度決定。

4）鑄軋輥的內(nèi)表面，和冷卻水發(fā)生對流換熱，設(shè)為對流換熱邊界，按式（3）計算。

式中：Tw為冷卻水溫度；kd為鑄軋輥的導(dǎo)熱系數(shù)；hw為鑄軋輥輥套內(nèi)表面與冷卻水間的對流換熱系數(shù)，取8 kW/（m2·K）。

5）由無相對滑移的假設(shè)，左鑄軋輥與熔池接觸面、銅帶與右鑄軋輥外表面切向速度相同。

6）牽引速度只有當(dāng)液體的體積參數(shù)小于1時才使用，故可對整個鋁液熔池計算域設(shè)置連續(xù)鑄軋的牽引速度。

7）設(shè)置左鑄軋輥套、右鑄軋輥套、預(yù)熱銅帶的旋轉(zhuǎn)角速度，由鑄軋速度確定。

8）計算域間的交界面設(shè)為耦合壁面。由于鑄軋區(qū)內(nèi)金屬液與鑄軋輥表面間屬于非理想接觸，接觸熱阻可等效為微觀量級的氣隙熱阻，本實驗中氣隙厚度為2 μm。

9）其余邊界均設(shè)置為絕熱壁面邊界條件。

2　模擬結(jié)果分析

穩(wěn)態(tài)固-液鑄軋復(fù)合過程典型溫度分布模擬結(jié)果如圖3所示。由于有銅側(cè)和無銅側(cè)與鑄軋輥接觸換熱效果不同，引起鑄軋輥溫度場不同和KISS點位置偏移。下面根據(jù)圖4～圖7的模擬結(jié)果，分析鑄軋速度v、銅帶預(yù)熱溫度TCu、銅帶厚度HCu、鋁液澆注溫度TAl的影響。

圖3　整體溫度分布云圖Fig.3　Overall distribution of temperature contours

2.1鑄軋速度對流場、溫度場影響

銅帶預(yù)熱溫度673 K，銅帶厚1 mm，鋁液澆注溫度973 K，鑄軋速度為變量時，鑄軋區(qū)溫度場、流場及復(fù)合界面溫度曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，鑄軋速度提高，縮短了鑄軋區(qū)內(nèi)接觸時間，KISS點位置顯著下降，偏移量減少（見圖4（a）），且熔池內(nèi)環(huán)流數(shù)量增多，范圍擴大，具有良好流動性，DH末段界面溫度顯著提高（見圖4（b））。

2.2銅帶預(yù)熱溫度對流場、溫度場影響

鑄軋速度2.4 m/min，銅帶厚1 mm，鋁液澆注溫度973 K，銅帶預(yù)熱溫度為變量時，鑄軋區(qū)溫度場、流場及復(fù)合界面溫度曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，銅帶預(yù)熱溫度逐漸提高，觸輥階段ED和與鋁液接觸階段DH逐漸由冷卻作用轉(zhuǎn)為加熱作用，因此KISS點位置降低并且逐漸偏向銅帶側(cè)，甚至出現(xiàn)軋漏現(xiàn)象（見圖5（a）），熔池內(nèi)環(huán)流數(shù)量增多，范圍擴大，金屬流動性增強，ED和DH溫度均整體顯著提高（見圖5（b））。

圖4　鑄軋速度v對流場、溫度場的影響（TCu=673 K，HCu=1 mm，TAl=973 K）Fig.4　Influence of cast-rolling speed v on flow and temperature field（TCu=673 K，HCu=1 mm，TAl=973 K）：（a）Contour plot of flow and temperature field；（b）Temperature curve of interface EH

圖5　銅帶預(yù)熱溫度TCu對流場、溫度場影響（v=2.4 m/min，HCu=1 mm，TAl=973 K）Fig.5　Influence of preheating temperature TCuon flow and temperature field（v=2.4 m/min，HCu=1 mm，TAl=973 K）：（a）Contour plot of flow and temperature field；（b）Temperature curve of interface EH

2.3銅帶厚度對流場、溫度場影響

鑄軋速度2.4 m/min，銅帶預(yù)熱溫度673 K，鋁液澆注溫度973 K，銅帶厚度為變量時，鑄軋區(qū)溫度場、流場及復(fù)合界面溫度曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著厚度的減薄，單位長度的銅帶冷卻能力減弱，因此KISS點位置降低并且逐漸由無銅側(cè)偏向有銅側(cè)（見圖6（a））；熔池內(nèi)環(huán)流數(shù)量增多，范圍擴大，金屬流動性增強，ED和與DH末段界面溫度顯著提高（見圖6（b））。

2.4澆注溫度對流場、溫度場影響

當(dāng)鑄軋速度2.4 m/min、銅帶預(yù)熱溫度673 K、銅帶厚1 mm、鋁液澆注溫度為變量時，鑄軋區(qū)溫度場、流場及復(fù)合界面溫度曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，澆注溫度少量提高不會引起KISS點位置顯著偏移及升降，但會改善熔池內(nèi)金屬的流動性（見圖7（a）），并且DH末段界面溫度有微量提高（見圖7（b））。

3　固-液鑄軋實驗及界面結(jié)合機理分析

將固-液鑄軋過程流場-溫度場耦合數(shù)值模擬結(jié)果作為理論指導(dǎo)，以d160 mm×150 mm雙輥實驗鑄軋機（見圖8）為平臺，采用工業(yè)純鋁和工業(yè)紫銅帶作為實驗材料，通過開展Cu/Al復(fù)合帶固-液鑄軋復(fù)合成形實驗，進一步揭示溫度和變形量對界面結(jié)合效果的影響機理。

圖6　銅帶厚度HCu對流場、溫度場影響 （v=2.4 m/min，TCu=673 K，TAl=973 K）Fig.6　Influence of copper strip thickness HCuon flow and temperature field（v=2.4 m/min，TCu=673 K，TAl=973 K）：（a）Contour plot of flow and temperature field；（b）Temperature curve of interface EH

圖7　澆注溫度TAl對流場、溫度場影響 （v=2.4 m/min，TCu=673 K，HCu=1 mm）Fig.7　Influence of pouring temperature TAlon flow and temperature field（v=2.4 m/min，TCu=673 K，HCu=1 mm）：（a）Contour plot of flow field and temperature field；（b）Temperature curve of interface EH

實驗工況取銅帶厚度0.5 mm、溫度300 K，鑄軋速度2.4 m/min，鋁液澆注溫度為973 K。采用鑄軋過

程中急停軋卡和快速冷卻的方式，以獲得鑄軋區(qū)切片，并在金相顯微鏡下觀察其界面微觀形貌，結(jié)果如圖9所示。綜合數(shù)值模擬及切片分析結(jié)果，根據(jù)界面兩側(cè)金屬狀態(tài)及結(jié)合效果，可將固-液鑄軋復(fù)合變形區(qū)劃分為以下3個區(qū)域，其各自特點如下：

1）固-液接觸換熱區(qū)（見圖9中A區(qū)）：銅帶與鋁液接觸后激烈換熱，試樣中由于鋁液急停時快速凝固而存在縮孔、疏松等明顯缺陷，復(fù)合界面由于自由冷卻時收縮性能不一致出現(xiàn)開裂。

2）固-半固態(tài)鑄造粘連區(qū)（見圖9中B區(qū)）：高溫下銅帶光潔表面析出并附著固態(tài)鋁，形成半固態(tài)區(qū)，銅帶被加熱至更高溫度，銅鋁的相互擴散得到促進。銅鋁反應(yīng)擴散形成金屬間化合物及液態(tài)擴散層、冷卻過程中界面層的相變［15-16］等，在位置1處形成厚度約為10 μm的擴散層。但界面僅為互相粘連，結(jié)合力低，可輕易撕開。

3）固-固軋制復(fù)合區(qū)（見圖9中C區(qū)）：在KISS點以下，固相銅、鋁帶開始進入異溫?zé)彳垙?fù)合過程。初始復(fù)合界面在位置2承受高溫下巨大的軋制壓力和塑性變形，復(fù)合界面層破裂，露出新鮮金屬開始嵌合，當(dāng)壓力達到一定程度，表面原子被激活并形成原子鍵結(jié)合。并隨著壓下量的增加，逐漸形成薄且均勻的復(fù)合界面，進一步提高界面的結(jié)合強度［17］，最終在位置3處獲得5 μm均勻復(fù)合界面，形成高強度冶金結(jié)合。

圖9　鑄軋區(qū)切片宏觀形貌及復(fù)合界面Fig.9　Macro-morphology of cast-rolling zone slices and scanned pictures of bonding interface

4　結(jié)論

1）提高鑄軋速度和銅帶預(yù)熱溫度，減薄銅帶厚度，可減小KISS點向無銅帶側(cè)的偏移并降低其高度，提高復(fù)合界面溫度，熔池內(nèi)液態(tài)區(qū)域范圍擴大，環(huán)流數(shù)量增多，利于組織成分的均勻化；提高鋁液澆注溫度，雖不會明顯提高復(fù)合界面溫度和改變KISS點位置，但有利于改善鑄軋區(qū)內(nèi)金屬液流動性。

2）固-液鑄軋復(fù)合區(qū)域可分為固-液接觸換熱區(qū)、固-半固態(tài)鑄造粘連區(qū)、固-固軋制復(fù)合區(qū)，且從3個區(qū)域內(nèi)復(fù)合界面的顯微形貌演變可以看出，溫度和軋制變形量（軋制壓力）對界面結(jié)合效果起主導(dǎo)作用。

3）KISS點高度決定了3個區(qū)域的空間分配，KISS點位置過高，無法形成充分的固-液區(qū)，鋁液與銅帶接觸過早凝固，不利于銅鋁間的擴散與初步復(fù)合，甚至?xí)蜍堉屏^大而造成軋卡或軋裂現(xiàn)象；反之，KISS點過低時則固-固區(qū)顯著縮短甚至出現(xiàn)軋漏事故，初始形成的銅鋁復(fù)合界面不能獲得足夠的塑性變形，不利于形成優(yōu)良晶粒組織與均勻的復(fù)合界面。實驗結(jié)果表明，KISS點以熔池高度的1/2～2/3為宜。

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(編輯王超)

Thermal-flow coupled numerical simulation and experimental research on bonding mechanism of Cu/Al composite strip by solid-liquid cast-rolling

HUANG Hua-gui，JI Ce，DONG Yi-kang，DU Feng-shan
（National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

Bimetallic layered composite strip with solid-liquid cast-rolling process is a new short flow technology which combined rapid solidification with composite rolling.Taking the d160 mm×150 mm experimental twin-roll caster as research object，a two-dimensional thermal-flow coupled model for Cu/Al solid-liquid cast-rolling process was established with commercial software Fluent to reveal the bonding mechanism between the solid copper strip and molten aluminum in twin roll casting zone.From the simulation results，the influences of cast-rolling speed，casting temperature，copper strip thickness and preheat temperature on the flow field in molten pool，KISS point location and the temperature distribution of bonding interface were studied.A Cu/Al solid-liquid cast-rolling bonding experiment was carried out.The experimental results indicate that the interface bonding effect is enhanced gradually from the solid-liquid contact zone to solid-mushy adhesion zone and solid-solid roll bonding zone，and the temperature and contact pressure play an important role on the metallurgical bonding effect of Cu/Al interface.It provides an important guidance to design this new forming process.

solid-liquid bonding by cast-rolling；Cu/Al composite strip；twin-roll casting；thermal-flow coupled；bonding interface

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1004-0609（2016）-03-0623-07

國家自然科學(xué)基金面上項目（51474189，51374184）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（QN2015214）

2015-06-29；

2015-12-08

黃華貴，教授，博士；電話：0335-8077352；E-mail：hhg@ysu.edu.cn