銅鋁復合板界面組織與性能

程明陽，王愛琴，毛志平，楊　康，馬竇琴

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000；2.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；3.鄭州大學 物理工程學院，河南 鄭州 450001)

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銅鋁復合板界面組織與性能

程明陽1，王愛琴2，毛志平3，楊康2，馬竇琴2

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000；2.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471023；3.鄭州大學 物理工程學院，河南 鄭州 450001)

針對雙輥鑄軋工藝制備的銅鋁復合板材，采用剝離試驗和拉伸試驗，對其力學性能進行了檢測。采用掃描電鏡、能譜分析儀和透射電鏡等儀器對復合板界面層組織的微觀形貌、結構和成分進行了分析。分析結果表明：銅鋁復合板界面層的主要組成物為α-Al和CuAl2。采用雙輥鑄軋工藝制備的銅鋁復合板材，其剝離強度達到 30 N/mm，其抗拉強度與延伸率介于同規(guī)格銅、鋁板材之間。

銅鋁復合板；雙輥鑄軋；界面層；剝離強度

0　引言

銅和鋁均具有良好的導電和導熱性能，是電力傳輸和傳熱的主要工程材料，在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟中占重要地位[1]。中國是鋁工業(yè)大國，同時也是銅材消費大國。由于中國銅資源相對匱乏，而鋁資源儲量豐富，同時銅鋁價差較大[2-5]，因此，以鋁代銅開發(fā)了銅包鋁電纜、銅鋁復合板和銅鋁復合箔等多種銅鋁復合材料。其中，銅鋁復合板具有高導電、高導熱、低密度和耐腐蝕等優(yōu)點，在導電、導熱和裝飾行業(yè)得到了廣泛應用[6-7]。

銅鋁復合板的主要制備方法有爆炸復合法、軋制復合法、套管擠壓復合法、雙流鑄造復合法和鑄軋復合法等[8-9]。雖然制備工藝較多，但各有其局限性。爆炸復合法可以生產(chǎn)寬幅中厚板，但板型差，成材率低，且安全性存在隱患，無法保證連續(xù)生產(chǎn)。軋制復合法雖然采用異步軋制復合技術，可以提高強度和制備寬度，但冶金結合效果差，后續(xù)擴散熱處理無法修復復合界面先天無冶金結合的不足，且工藝流程長。雙流連鑄復合法(液-液復合)可以實現(xiàn)良好冶金結合，但復合界面難控，復合過程中易造成界面層過渡生長和燒蝕，材料性能不均且設備復雜。上述工藝方法雖然經(jīng)過多年的完善，但無法根除先天的弊端，致使無法實現(xiàn)銅鋁復合板的高效連續(xù)生產(chǎn)和短流程生產(chǎn)。

目前，對固固復合法及液液復合法制備的銅鋁復合板的研究比較多，而對鑄軋法制備銅鋁復合板的研究較少[10-11]，特別是針對鑄軋法制備的銅鋁復合板界面層微觀形貌及組織成分還需深入的探索。本試驗采用雙輥鑄軋法制備銅鋁復合材料，在鑄軋過程中將液態(tài)鋁和固態(tài)銅直接進行復合，避免了鋁的氧化，實現(xiàn)了銅鋁的冶金結合。同時，研究了雙輥鑄軋法制備的銅鋁復合板的界面層微觀形貌、物相種類以及板材的力學性能，可為鑄軋法制備銅鋁復合板的生產(chǎn)工藝提供理論參考。

1　試樣制備及測試

1.1銅鋁復合板的制備

圖1為鑄軋法生產(chǎn)銅鋁復合板鑄軋過程示意圖。鑄軋法將固態(tài)金屬帶隨軋輥轉動進入軋制區(qū)，使金屬液在半凝固態(tài)下與固態(tài)金屬帶同時進入鑄軋區(qū)進行復合。這種方法利用高溫液態(tài)金屬結合軋制壓力，可以實現(xiàn)較高強度的復合。鑄軋法生產(chǎn)工藝流程短，便于實現(xiàn)批量連續(xù)生產(chǎn)，制造成本低，生產(chǎn)效率高，而且不會產(chǎn)生銅的加工硬化而導致復合板材的二次加工性能受到影響，是一種相對理想的生產(chǎn)銅鋁復合板的方法。

1.銅帶；2.鋁溶液；3.鑄嘴；4.水冷軋輥；5.復合板。圖1　鑄軋法生產(chǎn)銅鋁復合板鑄軋過程示意圖

1.2試驗方法

按照GB/T 228—2002中金屬拉伸試樣和剝離試樣的要求[12]，從銅鋁復合板材上截取拉伸試樣、剝離試樣和掃描試樣。按照GB/T 2791—1995[13]加工剝離試樣。圖2為拉伸試樣形狀與尺寸。圖3為剝離試樣形狀與尺寸。分別在電子拉伸試驗機(型號SHIMAD ZUAG-I250KV)和剝離試驗機(型號RT-8637)上進行拉伸試驗和剝離試驗。由于鋁板相對較厚，剝離試驗中采用下端固定鋁板、上端夾取銅帶的方法對試樣進行拉伸剝離，通過數(shù)據(jù)分析處理得到復合板的剝離強度。采用掃描電子顯微鏡(型號JSM-5610LV)和能譜分析儀(與掃描電子顯微鏡配套，EDAX公司制造)，觀察并分析銅鋁復合板界面層組織形貌以及界面層附近的銅鋁元素分布。通過機械切割、打磨、切片和減薄等工序制備透射電鏡試樣，并使用透射電子顯微鏡(型號JEM-2100)檢測界面層物相種類及分布特征。

圖2拉伸試樣形狀與尺寸(單位：mm)

圖3剝離試樣形狀與尺寸(單位：mm)

2　試驗結果與分析

2.1界面層組織結構分析

圖4是銅鋁鑄軋復合板界面層附近的微觀照片。圖4a為界面層附近金相照片，由圖4a可以發(fā)現(xiàn)：銅鋁之間有一條明顯界線。通過觀察圖4b可以發(fā)現(xiàn)：銅鋁結合處有異于兩邊基體的界面層，界面層厚度大概2 μm，界面層和銅鋁接觸良好。

圖4　銅鋁鑄軋復合板界面層微觀照片

從圖4中可觀察到：銅與界面層之間界線明顯、平直，界面光滑，無縮孔和雜質(zhì)等缺陷。鋁基體和界面交界處有少量微小空洞，這是因為：首先，鋁的膨脹系數(shù)比銅的大，微小裂紋會在快速水冷軋期間因鋁的冷卻回縮現(xiàn)象在靠近鋁側產(chǎn)生；另外，在板材制備過程中，銅鋁原子通過擴散反應形成界面層，銅原子向鋁側與鋁原子向銅基體的擴散系數(shù)之間存在較大的數(shù)量差。因此，在擴散過程中發(fā)生了柯肯達爾(Kirkendall)效應[14]。

2.2界面層擴散反應及成分分析

為研究界面層的組織成分，利用能譜分析儀對銅鋁界面層進行能譜線掃描分析(方向：銅側到鋁側)，掃描區(qū)域如圖5所示，掃描圖如圖6所示。從圖6中可以看出：銅鋁的濃度分別在兩側最高，在界面結合層中降低，銅鋁的濃度分別在對方的區(qū)域中降至最低。從能譜線掃描橫坐標中易發(fā)現(xiàn)：銅鋁原子擴散距離和結合層厚度相符(約2 μm)，說明銅鋁界面層為銅鋁原子相互擴散形成的冶金結合層。

1～4.測量點位置；1.Cu側；2.靠近Cu側界面層；3.靠近Al側界面層；4.Al側。圖5　界面層能譜點分析(5 000×)

圖6　界面層能譜線掃描圖像

表1　能譜點分析結果

為了進一步確定界面層中銅鋁元素的擴散情況和物相種類，對銅鋁復合板材界面層銅側、鋁側、近銅側和近鋁側等分別進行能譜點分析，各測量點位置見圖5，將各檢測點銅鋁的質(zhì)量分數(shù)測量結果列于表1。表1的結果顯示：位于銅側的測量點1處無鋁原子；鋁側的測量點4處也無銅原子；從測量點2的成分可以判斷，界面層中靠近鋁側為CuAl2相；通過測量點3處成分及相關文獻初步判斷，靠近銅側界面層可能為α-Al和CuAl2的共晶組織[15-16]。為此，對界面層進行透射電鏡分析，圖7a為界面層處靠近鋁側的透射電鏡照片，圖7b和圖7c分別為圖7a的界面層中兩種物相的衍射花樣及標定。通過分析可以判定界面層近鋁側為α-Al和CuAl2的共晶組織組成。

圖7　界面層透射電鏡照片和衍射花樣

由以上分析可知：采用鑄軋法制備的銅鋁層狀復合板，界面層中有兩種物相，從鋁側開始依次為α-Al 和CuAl2的共晶組織、金屬間化合物CuAl2，未發(fā)現(xiàn)其他物相。

2.3界面層物相種類分析

銅鋁復合板界面層的形成過程相當復雜，目前，關于銅鋁復合過程中，銅鋁擴散反應生成金屬間化合物的形成規(guī)律及機制還沒有準確的解釋[17-19]，也沒有理論能夠準確地解釋或預測銅鋁固液復合過程中各金屬間化合物的形成順序。

在鑄軋條件下，銅鋁界面層可能形成CuAl2、CuAl、Cu4Al3、Cu3Al2和Cu9Al4等多種金屬間化合物，但是本文分析結果顯示，界面層中只出現(xiàn)了CuAl2一種銅鋁化合物。在擴散反應階段，銅在鋁中的擴散系數(shù)比鋁在銅中的擴散系數(shù)大103個數(shù)量級，鑄軋復合過程極短，從鋁液和銅板接觸到水冷輥軋制完成僅數(shù)秒鐘，在鋁液和預熱后的銅板接觸后銅原子快速向鋁液擴散，形成固溶相α(Al)相，當銅在鋁中超過固溶度后CuAl2析出，鋁原子的擴散距離和擴散量有限，未在銅側形成α(Cu)固溶體。除了銅鋁之間擴散系數(shù)的差別外，從熱力學角度來看，在25～700 ℃，銅鋁金屬間化合物的吉布斯(Gibbs)自由能從小到大依次為CuAl2、CuAl、Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3Al2，生成自由能最低的金屬間化合物同樣為CuAl2。另外，文獻[20]通過建立熱效形成(effective heat of formation，EHF)理論模型，計算了不同金屬間化合物的生成熱，計算結果表明：CuAl2最先產(chǎn)生，而且 CuAl2的生成也能在一定程度上限制其他化合物的生長。此外，鑄軋過程中，水循環(huán)軋輥在快速帶走大量熱量的同時，其提供的軋制力會使局部產(chǎn)生塑性變形，同時有效地破碎了粗大的CuAl2，細化了晶粒，也在一定成度上阻礙了擴散反應的進一步進行和其他金屬間化合物的形成[16-18]。

綜上分析可知：由于極短的鑄軋過程以及生成CuAl2的動力學和熱力學優(yōu)勢，均促使了鑄軋過程中界面層中只存在α-Al和CuAl2。

2.4銅鋁復合板力學性能分析

表2　力學性能測試結果

對鑄軋法制備的銅鋁復合板以及相同厚度銅板和鋁板進行力學性能測試，結果如表2所示。從表2中可以看出：銅鋁復合板的抗拉強度和延伸率均介于同尺寸銅板和鋁板之間，且更接近于鋁板。這是因為鋁層的厚度占銅鋁復合板厚度的比例較大。

鑄軋法制備的銅鋁復合板剝離強度達到30 N/mm，相對于其他結合方法[19]，采用鑄軋法制備的銅鋁復合板結合強度優(yōu)異。

3　結論

(1)鑄軋法制備的銅鋁復合板，在兩種金屬結合處有異于兩邊基體的界面層，界面層厚度為2 μm，界面層和基體接觸良好。銅基體與界面層之間有明顯的界線，且界線平直、光滑，由于發(fā)生了柯肯達爾效應，鋁基體和界面交界處有少量微小空洞。

(2)銅鋁復合板界面層從鋁側開始依次為α-Al和CuAl2的共晶組織、金屬間化合物CuAl2。7 mm 厚銅鋁鑄軋復合板的抗拉強度達到144.8 MPa，延伸率為31.1%，介于相同規(guī)格的銅板和鋁板之間。

(3)鑄軋法制備的銅鋁復合板剝離強度達到30 N/mm，相對于其他結合方法，采用鑄軋法制備的銅鋁復合板結合強度優(yōu)異。

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國家自然科學基金項目(51371077);河南省重大科技專項基金項目(102105000007)

程明陽(1978-),男,河南南陽人,高級工程師,碩士,主要研究方向為自動化測試及光電技術.

2016-07-04

1672-6871(2017)01-0010-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.003

TB331；TG146.1；TG146.2

A