熱循環(huán)對(duì)銅包鋁母排顯微組織與力學(xué)性能的影響＊

王 冰，劉 平，劉新寬，王子延，陳小紅，劉小稚

(1.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2. 亞仕龍汽車科技(上海)有限公司，上海 200433)

熱循環(huán)對(duì)銅包鋁母排顯微組織與力學(xué)性能的影響＊

王 冰1，劉 平1，劉新寬1，王子延2，陳小紅1，劉小稚2

(1.上海理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2. 亞仕龍汽車科技(上海)有限公司，上海 200433)

在自主開發(fā)的熱循環(huán)試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鑄軋法生產(chǎn)的銅包鋁母排進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)。為了研究不同熱循環(huán)溫度與熱循環(huán)次數(shù)對(duì)結(jié)合界面顯微組織與力學(xué)性能的影響，在200，250和300 ℃的熱循環(huán)溫度下分別完成了2 000，600和100次的熱循環(huán)試驗(yàn)。采用ZWICK-Z050電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試界面結(jié)合強(qiáng)度,用掃描電子顯微鏡(SEM)和偏光顯微鏡(PM)觀察界面形貌，用電子探針(EPMA)和X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析。結(jié)果表明，熱循環(huán)溫度為200 ℃時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小，界面結(jié)合層寬度先減小后增大；熱循環(huán)溫度為250或300 ℃時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度顯著減小，界面結(jié)合層寬度明顯增大；界面結(jié)合層寬度越大，結(jié)合強(qiáng)度越低；界面中間化合物主要為Al2Cu、Cu9Al4和CuAl，其中銅側(cè)主要是Cu9Al4和CuAl相，鋁側(cè)主要是Al2Cu相；200～300 ℃范圍內(nèi)的熱循環(huán)并未引起中間化合物質(zhì)或量的改變。

銅包鋁母排；熱循環(huán)；結(jié)合層；結(jié)合強(qiáng)度；顯微組織；金屬間化合物

0 引 言

世界上鋁資源比較豐富，而銅資源相對(duì)不足[1]。因此以鋁代替部分銅，開發(fā)銅鋁復(fù)合材料，不僅可節(jié)約銅資源，還可使材料獲得人們所需要的特性[2]。銅鋁復(fù)合材料由于同時(shí)具有銅的高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱率、低接觸電阻以及鋁的質(zhì)輕、耐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而受到了電力、電器、冶金、汽車、機(jī)械和生活用品等領(lǐng)域的青睞[3-9]。尤其是在汽車及電力等領(lǐng)域，銅鋁復(fù)合材料應(yīng)用廣泛，其中可以被用來做散熱片[10-11]。但是當(dāng)散熱片受到急劇的加熱和冷卻時(shí)，會(huì)在結(jié)合面引起極大的沖擊熱應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為熱沖擊。

此外，銅鋁復(fù)合材料界面上生成有某些金屬間化合物組織[12-16]，這類化合物硬度高，脆性大，散熱片在使用過程中經(jīng)過的多次熱沖擊會(huì)對(duì)其造成影響，從而影響材料的性能及壽命[17-20]。因此，通過大量熱循環(huán)試驗(yàn)檢測(cè)界面強(qiáng)度的變化，從而判定熱循環(huán)對(duì)界面結(jié)合情況的影響以及銅鋁復(fù)合材料在使用過程中是否會(huì)出現(xiàn)界面損傷等具有重要意義。但是，由于受到熱循環(huán)設(shè)備的限制[21-22]，國內(nèi)外對(duì)銅鋁復(fù)合材料熱疲勞性能的研究并不多。本研究使用一臺(tái)自主開發(fā)的熱循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，針對(duì)熱循環(huán)對(duì)銅鋁復(fù)合排顯微組織及其力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

對(duì)鑄軋法生產(chǎn)的銅包鋁母排進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，試樣尺寸為100 mm×20 mm×6 mm(長×寬×高)。

熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)在自主開發(fā)的熱循環(huán)試驗(yàn)機(jī)上完成，其中工件的加熱由1臺(tái)0～60 kW功率連續(xù)可調(diào)的高頻感應(yīng)加熱裝置完成，加熱溫度和循環(huán)次數(shù)由CPU控制，步進(jìn)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)工件由加熱端向水冷端垂直位移，冷卻方式可選擇風(fēng)冷或者水冷，本文中選擇的是水冷方式。實(shí)驗(yàn)過程中的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

為研究熱循環(huán)對(duì)銅鋁復(fù)合排顯微組織與力學(xué)性能的影響，Cu/Al復(fù)合排界面反應(yīng)產(chǎn)物采用JXA-8500F型電子探針(EPMA)和D8-ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)分析，界面形貌觀察采用Quanta型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)和XPL-15型偏光顯微鏡(PM)。Cu-Al界面的結(jié)合強(qiáng)度按照中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT-247-2012中的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，在ZWICK-Z050電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試。測(cè)試結(jié)合強(qiáng)度的試樣示意圖見圖1所示。圖1中A、C為銅層，B為鋁層，D為剪切時(shí)斷開的界面。結(jié)合強(qiáng)度計(jì)算公式

(1)

式中，τ為界面結(jié)合強(qiáng)度；P為拉伸過程中最大力；H為試樣剪切面寬度，L為試樣剪切面長度[23]。

圖1 拉伸試樣示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 熱循環(huán)前后界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

圖2(a)～(c)分別為200，250和300 ℃下熱循環(huán)不同次數(shù)的結(jié)合強(qiáng)度曲線圖。

圖2 不同溫度下熱循環(huán)不同次數(shù)的結(jié)合強(qiáng)度

Fig 2 Bond strength with different temperatures and times

從圖2可以看出，曲線(a)分為兩段，循環(huán)次數(shù)低于400次時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度高于原始復(fù)合排。其原因可能是由于在熱循環(huán)中，復(fù)合排界面的殘余應(yīng)力得到了釋放，而熱循環(huán)的次數(shù)太少，熱應(yīng)力又不足以對(duì)界面產(chǎn)生疲勞損傷，因此出現(xiàn)經(jīng)過熱循環(huán)后界面強(qiáng)度反而升高的現(xiàn)象。當(dāng)循環(huán)次數(shù)高于400次時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，結(jié)合強(qiáng)度基本保持原始復(fù)合排的強(qiáng)度不變。這是因?yàn)榇藭r(shí)殘余應(yīng)力已經(jīng)釋放完全，但是循環(huán)過程中溫度的變化在銅和鋁界面上產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，對(duì)復(fù)合排界面產(chǎn)生的疲勞損傷極其微小，還不足以使其結(jié)合強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化。由曲線(b)和(c)看出，在250和300 ℃時(shí)，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增多，結(jié)合強(qiáng)度急劇下降。這是由于銅鋁復(fù)合材料中銅和鋁的熱膨脹系數(shù)不同。一般情況下，在20～100 ℃溫度內(nèi)，銅的熱膨脹系數(shù)為0.167×10-4m/℃，鋁的熱膨脹系數(shù)為0.23×10-4m/℃。在250和300 ℃下，熱循環(huán)過程中溫差增大，溫度的劇烈變化使銅和鋁發(fā)生不同程度的膨脹與收縮，從而導(dǎo)致銅鋁界面在循環(huán)次數(shù)較少的情況下就產(chǎn)生了較大的熱應(yīng)力，對(duì)銅鋁界面產(chǎn)生了嚴(yán)重的損傷，從而導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度明顯降低。

2.2 熱循環(huán)前后界面顯微組織觀察

圖3為未經(jīng)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)的銅鋁復(fù)合排的SEM組織圖。從圖3可以看出，銅鋁界面結(jié)合緊密，經(jīng)過測(cè)量，其結(jié)合層平均寬度大約為30 μm。結(jié)合層的形成，是因?yàn)樵阢~/鋁固-液復(fù)合時(shí)，高溫的鋁液使銅表面發(fā)生熔化，銅鋁發(fā)生了互擴(kuò)散，在靠近銅側(cè)形成富銅區(qū)，靠近鋁側(cè)形成富鋁區(qū)。同時(shí)形成金屬間化合物過渡層。

圖3 Cu/Al界面的SEM組織圖

Fig 3 SEM image of Cu/Al interface

Fig 4 Microstructures of interfaces with different cycle times at 200 ℃

圖4為200 ℃熱循環(huán)100，400和2 000次的結(jié)合層組織形貌圖。

從圖4可看出，200 ℃下循環(huán)100次后，結(jié)合層寬度由30 μm減小到21.42 μm，400次循環(huán)后又增大到29.89 μm，2 000次循環(huán)后，結(jié)合層寬度增大至31.06 μm。隨著循環(huán)次數(shù)的增多，結(jié)合層寬度先減小后增大，該趨勢(shì)與結(jié)合強(qiáng)度先升高后降低的趨勢(shì)相反。圖5為250 ℃熱循環(huán)50，100和600次的結(jié)合層組織形貌圖，其結(jié)合層寬度分別為34.39，42.87和50.21 μm。圖6分別為300 ℃熱循環(huán)10，20和100次的結(jié)合層組織形貌圖，其結(jié)合層寬度分別為36.45，41.99和52.59 μm。由圖5和6可知，在250或300 ℃熱循環(huán)溫度下，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，銅鋁復(fù)合排結(jié)合層的寬度不斷增大，該趨勢(shì)亦與結(jié)合強(qiáng)度逐漸降低的趨勢(shì)相反。

圖5 250 ℃下熱循環(huán)不同次數(shù)的結(jié)合層組織形貌

圖6 300 ℃下熱循環(huán)不同次數(shù)的結(jié)合層組織形貌

此外，對(duì)比圖4(a)圖5(b)圖6(c)，發(fā)現(xiàn)200，250和300 ℃下分別熱循環(huán)100次后的結(jié)合層寬度分別為21.42，42.87和52.59 μm。由此可知，在同一循環(huán)次數(shù)下，熱循環(huán)溫度越高，結(jié)合層寬度越大。這是由于熱循環(huán)溫度越高，銅在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)以及鋁在銅中的擴(kuò)散系數(shù)越大。在擴(kuò)散時(shí)間相同的情況下，擴(kuò)散速度越大，結(jié)合層寬度就越大，而結(jié)合層寬度的增大直接導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度的降低。

隨著熱循環(huán)溫度的升高或者熱循環(huán)次數(shù)的增多，結(jié)合層中還會(huì)產(chǎn)生微裂紋，如圖5(c)和圖6(c)所示。裂紋的存在增大了銅鋁復(fù)合排開裂的可能性，并直接導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度的顯著降低。

2.3 熱循環(huán)前后界面成分分析

在圖3中可以清晰地看出銅鋁界面的結(jié)合層共分為4層，為了確定擴(kuò)散界面的生成相，分別對(duì)不同的擴(kuò)散層進(jìn)行電子探針能譜點(diǎn)掃描分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 Cu/Al結(jié)合層的電子探針能譜分析

從圖7中4個(gè)擴(kuò)散層的能譜分析可得出Spectrum 1, 2, 3和4(分別為圖(a)、(b)、(c)、(d))層中銅鋁原子比分別為58∶42，9∶4，1∶1和1∶2。由此可以確定，Spectrum 2，3和4層中的金屬間化合物分別為Cu9Al4，CuAl和Al2Cu。而Spectrum 1中銅鋁原子比為58∶42，無法直接判定其結(jié)構(gòu)，可能為Cu9Al4與Cu固溶體的混合。

為進(jìn)一步確定擴(kuò)散界面的生成相，將原始的銅鋁復(fù)合排沿界面拉開，然后分別對(duì)斷口兩側(cè)表面進(jìn)行X射線衍射分析。圖8為原始的銅鋁復(fù)合排沿界面拉開后的斷口截面圖。

圖8 原始復(fù)合排沿界面拉開后的斷口形貌

Fig 8 Fracture morphology of original bus bars along the interface

從圖8可以看出，在受到外力時(shí)，由于中間化合物脆性大，斷裂主要是發(fā)生在中間化合物上，且在斷面兩邊的銅層和鋁層都?xì)埩舨糠值闹虚g化合物。因此，中間化合物層決定了銅鋁復(fù)合排結(jié)合強(qiáng)度的大小。圖9為原始的銅鋁復(fù)合排沿界面拉開后斷口兩側(cè)表面的X射線衍射分析圖。

圖9 原始界面的XRD圖譜

從圖9可以判斷出，在銅鋁結(jié)合面上存在的銅鋁金屬間化合物主要有Al2Cu、Cu9Al4和CuAl。而且沿復(fù)合排界面撕開后，在銅側(cè)主要是Cu9Al4和CuAl相，在鋁側(cè)則主要是Al2Cu相。銅鋁復(fù)合排在室溫～高溫進(jìn)行熱循環(huán)的過程中，由于銅鋁之間的相互擴(kuò)散，有可能生成新的中間化合物。為探究熱循環(huán)溫度及熱循環(huán)次數(shù)是否對(duì)生成相產(chǎn)生影響，取不同熱循環(huán)溫度和次數(shù)的復(fù)合排試樣，將其沿界面拉開，然后分別對(duì)斷口兩側(cè)表面進(jìn)行X射線衍射分析。圖10為不同溫度下熱循環(huán)100次后的復(fù)合排銅側(cè)和鋁側(cè)的XRD衍射圖，圖11為復(fù)合排在200 ℃下熱循環(huán)不同次數(shù)后界面兩側(cè)的XRD衍射圖。

圖10 不同溫度下熱循環(huán)100次的XRD圖譜

Fig 11 XRD patterns of interfaces after 100 cycle times with different temperature

圖11 200 ℃下熱循環(huán)不同次數(shù)的XRD圖譜

Fig 11 XRD patterns of interfaces at 200 ℃ with different cycle times

對(duì)比圖9～11可看出，銅鋁復(fù)合排在200～300 ℃下經(jīng)過不同次數(shù)的熱循環(huán)后，并沒有新的中間化合物生成，甚至幾種中間化合物的含量都沒有明顯的變化。這說明熱循環(huán)只引起了結(jié)合層寬度的改變，并未引起中間化合物的改變。

3 結(jié) 論

(1) 熱循環(huán)溫度為200 ℃時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小，結(jié)合層寬度先減小后增大。熱循環(huán)溫度為250～300 ℃時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，界面結(jié)合強(qiáng)度顯著降低，結(jié)合層寬度明顯增大。

(2) 熱循環(huán)溫度在200～300 ℃范圍內(nèi)，且循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，循環(huán)溫度越高，界面結(jié)合層寬度越大，結(jié)合強(qiáng)度越低。

(3) 200～300 ℃范圍內(nèi)的熱循環(huán)并未引起中間化合物質(zhì)或量的改變。

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Thermal cycle effects on microstructures and mechanical properties of copper-clad aluminium bus bars

WANG Bing1，LIU Ping1，LIU Xinkuan1，WANG Ziyan2，CHEN Xiaohong1，LIU Xiaozhi2

(1.School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. ASL Automobiles Science & Technology (Shanghai) Co., Ltd, Shanghai 200433,China)

The thermal cycle tests were conducted on copper-clad aluminium bus bars which were produced by the roll casting method with an independently developed device. To explore the effects of different thermal cycle temperatures and times on microstructures and mechanical properties of the interface，thermal cycle tests of 2000 cycles, 600 cycles and 100 cycles were performed at 200, 250 and 300 ℃ respectively. The bond strength was tested on electronic universal test machine ZWICK-Z050, the microstructures of interfaces were observed by scanning electron microscope (SEM) and polarizing microscope (PM), and the phases were determined by electro-probe microanalyzer (EPMA) and X-ray diffraction (XRD). The results indicated that at 200 ℃, the bond strength increased firstly and decreased lately while the width of the interface bonding layer decreased first and then increased with cycle times increasing. At 250 ℃ or 300 ℃, the bond strength decreased apparently and the width of the interface bonding layer increased obviously. The wider the bonding layer, the lower the bond strength. The intermediate compounds at the interface were mainly Al2Cu, Cu9Al4and CuAl. Cu9Al4and CuAl phases were mainly on Cu side, and Al2Cu phase was chiefly on Al side. Besides, the thermal cycle between 200 and 300 ℃ didn't change variety or quantity of the intermediate compounds.

copper-clad aluminium bus bars; thermal cycle; bonding layer; bond strength; microstructure; intermediate compound

1001-9731(2016)12-12104-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51201107)

2016-03-27

2016-06-15 通訊作者：劉 平，E-mail: liuping@usst.edu.cn

王 冰 (1991-)，女，河南許昌人，在讀碩士，師承劉平教授，從事銅鋁復(fù)合材料研究。

TG405

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.016