爆炸復(fù)合Cu/Al層狀復(fù)合材料界面結(jié)合特性研究

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金屬層狀復(fù)合材料由于其優(yōu)異的綜合性能受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其制備方法主要有：爆炸復(fù)合法、軋制法、擴散焊接法、爆炸+軋制復(fù)合法等，由于選用的組分不同、規(guī)格尺寸不同，所采用的制備方法也將不同。爆炸復(fù)合法可用于兩種或兩種以上屬性差異極大的金屬之間的復(fù)合焊接，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、多層板材一次性復(fù)合。另外，爆炸復(fù)合還具有工藝簡單、設(shè)備要求低、投資少收益快的優(yōu)點[1]。

銅(Cu)為稀缺金屬，屬于戰(zhàn)略資源，我國每年需要進(jìn)口大量的銅材。為了解決Cu資源日益匱乏與需求不斷增長的矛盾，探尋一條在保證性能滿足需求并大量節(jié)約Cu使用的途徑已是迫在眉睫，Cu/Al層狀復(fù)合材料同時具備了Cu的高導(dǎo)電性能、高導(dǎo)熱率、低接觸電阻以及鋁(Al)的質(zhì)輕、耐蝕等優(yōu)點，近幾年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。上海電纜研究所黃崇祺院士在中國銅加工技術(shù)與應(yīng)用論壇上指出，“以鋁節(jié)銅”已是大勢所趨[2]。鑒于此,本文對采用爆炸復(fù)合工藝制備(Cu/Al)層狀復(fù)合材料的界面結(jié)合特性做出研究。

1 實驗方法

采用純鋁板（1060）為基板，規(guī)格為：300mm×300mm×8mm，成分組成如表 1所示；純銅板（T2）為復(fù)板，規(guī)格為：350mm×350mm×3mm，成分組成如表2所示。基、復(fù)板接觸面均采用鋼絲刷打磨并平行放置，間隙為6mm，選用炸藥爆速為2200m/s，鋪藥厚度為25mm。

表1 1060鋁板成分組成

表2 T2銅板成分組成

2 實驗結(jié)果與討論

圖1為爆炸復(fù)合所得Cu-Al復(fù)合材料界面形態(tài)微觀圖，可以看出復(fù)合材料界面總體呈波形形態(tài)，并且在Al側(cè)出現(xiàn)了明顯的包覆于內(nèi)部的溶區(qū)。以平行狀態(tài)放置的基、復(fù)板，炸藥起爆后賦予了復(fù)板極高的運動速度，與基板碰撞后界面處形成的射流清理了金屬表面，暴露出的新鮮金屬在爆炸波的作用下形成了波形界面；在波形界面上，由于碰撞過程中產(chǎn)生了大量的熱，致使熔點較低的Al層表面發(fā)生了溶化，而且碰撞導(dǎo)致界面兩邊金屬表面發(fā)生塑性變形，Al層表面金屬在流動中將溶區(qū)包覆在內(nèi)部。

圖1 Cu-Al復(fù)合材料界面形態(tài)微觀圖

如圖2a所示，可以看出復(fù)合后界面Cu側(cè)出現(xiàn)了少量鋸齒狀結(jié)構(gòu)，將其中紅色線框圈定區(qū)域不斷放大，如圖2b、c、d，可以明顯看出該齒尖部分與原本的波形界面可分為兩部分，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是金屬Al在流動過程中將Cu表面的部分Cu金屬卷帶，由于溶區(qū)的存在導(dǎo)致在Cu側(cè)波峰的位置回流。

圖3為復(fù)合材料垂直于界面顯微硬度分布情況，可以看出界面處顯微硬度遠(yuǎn)高于Cu、Al層顯微硬度的平均值，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為由于基、復(fù)板在碰撞過程中產(chǎn)生了大量的熱，導(dǎo)致界面處部分金屬產(chǎn)生熔化，出現(xiàn)了固溶組織。另一方面，通過對基、復(fù)板木材的顯微硬度進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)Cu、Al板的平均顯微硬度分別為95.1HV、34.8HV，爆炸復(fù)合后Cu、Al層顯微硬度的平均值分別為109.9HV、40.7HV，可以看出爆炸復(fù)合后Cu、Al層顯微硬度均有所升高，這是因為在復(fù)合過程中，基復(fù)板均產(chǎn)生了一定的塑性變形，從而引起變形強化。

圖2 復(fù)合材料界面鋸齒狀結(jié)構(gòu)

圖3 Cu/Al復(fù)合材料垂直于界面顯微硬度分布情況

3 結(jié)論

3.1 通過爆炸復(fù)合成功制備出的Cu/Al復(fù)合板，板型平整、結(jié)合緊密。復(fù)合板材以波形結(jié)合界面為主，波形界面上存在部分鋸齒狀結(jié)構(gòu)，靠近Al側(cè)界面上出現(xiàn)熔區(qū)。

3.2 爆炸復(fù)合后，Cu、Al側(cè)平均顯微硬度比母材分別提高了14.8HV、5.9HV，且顯微硬度從表面向界面呈遞增趨勢，界面處顯微硬度達(dá)到111.3HV。