C18150銅/1060鋁層狀復(fù)合材料鑄軋工藝優(yōu)化及組織性能研究

姬佳樂，柳培,2*，王愛琴,2，毛志平,2，謝敬佩,2

C18150銅/1060鋁層狀復(fù)合材料鑄軋工藝優(yōu)化及組織性能研究

姬佳樂1，柳培1,2*，王愛琴1,2，毛志平1,2，謝敬佩1,2

（1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023； 2.有色金屬新材料與先進加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023）

通過有限元模擬方法探究鑄軋過程中銅鋁層狀復(fù)合材料溫度場和液相率的演變規(guī)律，確定鑄軋過程中的最優(yōu)走坯速度和澆鑄溫度，并制備一種具有高強高導(dǎo)的銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料。基于Ansys Workbench軟件中的Design modeler模塊建立二維模型，使用JMatPro軟件模擬C18150銅和1060鋁的熱物性參數(shù)，通過Mesh模塊進行網(wǎng)格劃分并利用Fluent模塊對模型進行求解。通過調(diào)整和優(yōu)化走坯速度和澆鑄溫度等參數(shù)，研究其對液相率和溫度場的影響。制備了高強高導(dǎo)銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料，并通過場發(fā)射掃描電鏡、電子萬能試驗機、手持式導(dǎo)電率測試儀和掃描電鏡等手段對銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料界面的微觀組織、抗拉強度、導(dǎo)電率以及拉伸斷口進行表征和分析。當(dāng)走坯速度和澆鑄溫度分別為1.2 mm/min和963 K時，鑄軋效果最佳，制備的復(fù)合材料界面平整且結(jié)合良好，界面處存在Al2Cu和Al4Cu9雙界面層。拉伸強度和延伸率分別為201 MPa和16%，銅側(cè)導(dǎo)電率為87%IACS，銅鋁斷口處均出現(xiàn)了大量韌窩，表明為韌性斷裂。通過優(yōu)化鑄軋工藝參數(shù)制備的銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的強度和導(dǎo)電率。

銅鋁復(fù)合材料；鑄軋工藝；數(shù)值模擬；顯微組織；性能

銅鋁層狀復(fù)合材料作為一種先進的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料，結(jié)合了銅強度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好以及鋁質(zhì)輕價廉、塑韌高等特點[1-2]。通過控制生產(chǎn)工藝使銅鋁在界面處實現(xiàn)冶金結(jié)合，能夠使銅和鋁在性能方面產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)，并且大幅降低生產(chǎn)成本，達到“以鋁代銅”的目的[3-6]。目前，銅鋁層狀復(fù)合材料在航空航天、電力電氣、5G通信和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前銅鋁層狀復(fù)合材料的制備方法主要有軋制復(fù)合法、鑄軋復(fù)合法、爆炸復(fù)合法等。鑄軋復(fù)合法結(jié)合了鑄造復(fù)合的高溫和軋制復(fù)合的高壓，具有節(jié)能高效、性能優(yōu)良等特性[7-10]。然而，鑄軋工藝參數(shù)對材料制備影響較大，采用有限元模擬可以有效優(yōu)化工藝參數(shù)，降低生產(chǎn)成本，為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供有效的技術(shù)指導(dǎo)。目前，針對銅鋁層狀復(fù)合材料已經(jīng)開展了大量模擬仿真研究[11-14]。葉麗芬[15]對穩(wěn)態(tài)熱固模型進行了二次開發(fā)，建立了熱-力變形耦合有限元模型，獲取了復(fù)合帶坯界面處的溫度和應(yīng)力分布情況，并分析了初始溫度和壓下率對銅鋁復(fù)合界面接觸換熱、應(yīng)力和溫度分布的影響。Chang等[16]建立了半熔態(tài)鑄軋銅鋁復(fù)合板有限元模型，以鑄軋速度、澆鑄溫度、鑄軋區(qū)長度和銅鋁層厚比為變量進行了模擬仿真，并通過鑄軋實驗驗證了仿真結(jié)果的可靠性，制備了性能良好的銅鋁層狀復(fù)合板。Chen等[17]以臥式鑄軋機鑄嘴為研究對象，分析了不同鑄嘴結(jié)構(gòu)對鋁液流動狀態(tài)和出口速度分布的影響，并通過改變分流塊之間的間隙，對鑄嘴結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，提高了鑄嘴流出鋁液的均勻性。

以上僅對單層的純銅純鋁鑄軋復(fù)合工藝開展了模擬研究，而純銅和純鋁單層復(fù)合材料已經(jīng)不能完全滿足新一代高端裝備和5G通信等應(yīng)用領(lǐng)域的高強高導(dǎo)電需求[18]。相關(guān)研究表明，采用高強高導(dǎo)的C18150銅合金可以有效提高銅鋁層狀復(fù)合材料的強度和導(dǎo)電性，且銅層和鋁層的協(xié)同變形機制有利于提高銅鋁復(fù)合材料的整體塑性，有望滿足高端領(lǐng)域?qū)Σ牧蠌姸群蛯?dǎo)電率的要求[19-20]。然而，以往的報道主要集中于純銅純鋁復(fù)合材料的工藝及性能研究，關(guān)于上述高強高導(dǎo)銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料鑄軋工藝優(yōu)化數(shù)值模擬的研究尚未報道[21-22]。

基于以上問題，本文通過Fluent建立高強高導(dǎo)銅-鋁-銅復(fù)合材料二維穩(wěn)態(tài)層流有限元模型，使用JMatPro軟件模擬銅合金和鋁合金的熱物性參數(shù)，通過調(diào)整和優(yōu)化走坯速度和澆注溫度等參數(shù)，研究其對液相率和溫度場的影響，基于模擬結(jié)果，確定最佳鑄軋工藝參數(shù)，并結(jié)合實驗加以驗證，以期對銅鋁復(fù)合材料的性能優(yōu)化和工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬及實驗方法

1.1 數(shù)值模型建立

1.1.1 物理模型

本文主要使用流動模型、凝固和熔化模型以及能量模型，復(fù)合材料鑄軋過程主要包括能量傳遞、質(zhì)量傳遞和熱量傳遞3種物理傳遞過程。根據(jù)流動狀態(tài)，可將流體分為湍流、層流和過渡流，通過計算雷諾數(shù)可知，本文的流動狀態(tài)為層流，故選擇層流模型，凝固和熔化模型選用“焓-多孔度”模型，根據(jù)凝固和熔化模型，能量傳遞方程如式（1）所示。式（1）左邊為輸入能量，右邊為輸出能量。

(1)

1.1.2 幾何模型

復(fù)合材料鑄軋幾何模型的宏觀和局部示意圖如圖1所示。幾何模型通過Ansys Workbench中的Design modeler模塊建立，鑄軋幾何模型的宏觀特征從上至下依次為上軋輥、上銅帶、鋁液熔池、下銅帶和下軋輥，通過Mesh軟件進行網(wǎng)格劃分。在圖1b中，1和2分別為上軋輥和上銅帶的接觸邊界，3和4分別為銅帶和鋁液的接觸邊界，5和6分別為鋁液的進口和出口，7和8分別為鑄嘴和鋁液入口的邊界。輥套的外徑和內(nèi)徑分別為1 003 mm和843 mm，銅帶的厚度為2 mm，鋁出口處高度為10 mm。模型的坐標原點在鑄軋區(qū)出口邊界區(qū)域，水平方向和垂直方向分別為軸和軸。

1.1.3 材料參數(shù)

采用C18150鉻鋯銅合金和1060鋁作為模擬實驗材料，使用的軋輥滾輪材料為32Cr3Mo1V，1060鋁的結(jié)晶潛熱為393.56 J/g，其液態(tài)下的黏度為1.18×10?3kg/(m·s)。使用JMatPro軟件模擬材料的化學(xué)成分和熱物性參數(shù)，如表1所示，其中m為比熱系數(shù)，為導(dǎo)熱系數(shù)，為液體黏度。

1.1.4 邊界條件

在劃分網(wǎng)格之后和求解之前，邊界條件的設(shè)定會影響仿真的成功與否，在銅/鋁/銅復(fù)合材料鑄軋過程中，在高強高導(dǎo)銅帶和上下軋輥之間、鋁和銅帶之間均存在接觸傳熱，均屬于熱傳導(dǎo)過程，遵循傅里葉傳熱定律，如式（2）所示，其中“-”表示熱量從高溫向低溫傳遞。

(2)

式中：'為熱流密度；為導(dǎo)熱系數(shù)；為溫度；為導(dǎo)熱面坐標。

上下軋輥的表面和冷卻水的換熱為自然對流換熱，自然對流換熱過程遵循牛頓冷卻方程，如式（3）所示。

式中：1為輥套導(dǎo)熱系數(shù)；w為對流換熱系數(shù)；B為循環(huán)冷卻水溫度。w可以通過式（4）計算。

式中：為冷卻水槽的當(dāng)量直徑；w為冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)；w為冷卻水流量；w為冷卻水的比熱容；為冷卻水黏度。

除了接觸傳熱，每個邊界和區(qū)域均存在熱輻射，在本次模擬中，熱輻射的值均較小，對本次模擬的影響可以忽略不計，所以不考慮熱輻射對模擬的影響。在模擬時將邊界接觸設(shè)置為耦合接觸，鑄軋區(qū)域和銅帶邊界接觸熱阻為0 m2/(K·W)，并將其他壁面均設(shè)為絕熱壁面，熱交換的系數(shù)為0 W/(m2·K)，銅帶的初始溫度為300 K，通過外界邊界條件進行設(shè)置。

1.1.5 仿真的基本假設(shè)

鑄軋實驗是澆鑄的鋁液和銅帶在壓力、張力和溫度等多種作用下使銅鋁復(fù)合板冶金結(jié)合、凝固和傳熱的過程，極為復(fù)雜，因此選擇穩(wěn)態(tài)模型。為了減少計算量，提高模擬的計算速度，本模擬進行如下假設(shè)：1）將1060鋁液視作不可壓縮的牛頓流體，且流體流動狀態(tài)穩(wěn)定；2）不考慮銅帶在鑄軋過程中的受力和變形；3）將每個計算域之間的接觸設(shè)置為耦合接觸；4）忽略鑄軋過程中界面層形成的金屬間化合物對鑄軋過程的影響；5）由于鑄軋過程中橫向的長度遠大于縱向長度，因此不考慮側(cè)封部位的傳熱，并簡化為二維模型。

圖1 復(fù)合材料鑄軋幾何模型的宏觀（a）和局部示意圖（b）

表1 材料熱物性參數(shù)

1.2 實驗方法

選用400 mm×200 mm×2.5 mm的C18150銅板和1060工業(yè)純鋁作為實驗材料，采用水平式雙輥鑄軋實驗機進行鑄軋實驗。制備方法如下：首先對銅板表面進行拋光打磨、清理等預(yù)處理；其次將工業(yè)純鋁加熱至963 K，銅帶預(yù)熱溫度設(shè)為300 K；最后在1.2 mm/min的走坯速度下進行鑄軋生產(chǎn)。

采用配有能譜儀的場發(fā)射掃描電鏡（SEM，JSM-2100）對復(fù)合材料的界面形貌和元素分布進行系統(tǒng)分析，在日本島津公司生產(chǎn)的電子萬能試驗機（ZUAG-I250 KN）上完成室溫拉伸實驗。根據(jù)GB/T 228.1—2010進行拉伸實驗，試樣尺寸如圖2所示，拉伸速率為0.3 mm/min。為了保證實驗的準確性，進行重復(fù)實驗3次，然后取平均值作為測試結(jié)果。導(dǎo)電率測試設(shè)備為手持式導(dǎo)電率測試儀（Sigma 2008 B1），使觸頭和經(jīng)過砂紙打磨的銅兩側(cè)表面接觸并施加微力，即可獲得導(dǎo)電率，在銅側(cè)表面每隔1 cm測量一組導(dǎo)電率，共測量10組數(shù)據(jù)。使用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-IT100）對試樣斷口處的形貌進行觀察和分析。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 走坯速度對鑄軋過程的影響

田捍衛(wèi)等[23]通過正交模擬對鑄軋工藝的影響因素進行了分析，結(jié)果表明，鋁液在凝固時受走坯速度的影響較大。故本節(jié)首先探究不同走坯速度對鑄軋過程的影響。已有研究表明，當(dāng)走坯速度為0.8～ 1.4 mm/min時，可以獲得結(jié)合致密且性能優(yōu)良的銅鋁復(fù)合材料[24]。

在澆鑄溫度為943 K和預(yù)熱溫度為300 K條件下，不同走坯速度（0.8～1.4 mm/min）的液相率和溫度場的模擬結(jié)果如圖3所示。不同走坯速度下液相率的模擬結(jié)果如圖3a～d所示，可以看到，隨著走坯速度的增大，完全凝固點向鑄軋區(qū)后側(cè)移動，且液相區(qū)長度增大，更多的鋁液進入鑄軋區(qū)，鑄軋區(qū)中半固態(tài)鋁的寬度也隨之增大。不同走坯速度下溫度場的模擬結(jié)果如圖3e～h所示。可以看到，隨著走坯速度的增大，溫度場的溫度明顯升高，當(dāng)走坯速度從0.8 mm/min增大至1.4 mm/min時，出口處溫度從622 K左右升高至782 K左右。當(dāng)走坯速度較快時，會造成熔融的鋁從出口流出，產(chǎn)生漏液的現(xiàn)象；當(dāng)走坯速度較慢時，接觸時間較長，銅鋁界面換熱較多，會引起銅帶表面過燒和銅帶起泡。當(dāng)走坯速度為1.2 mm/min時，銅鋁界面結(jié)合處的溫度約為800 K，鋁液為半固態(tài)，界面鑄軋復(fù)合效果良好，故本文的最佳走坯速度為1.2 mm/min。

圖3 943 K時不同走坯速度的液相率和溫度場

2.2 澆鑄溫度對鑄軋過程的影響

由萇清華[24]的研究結(jié)果可知，當(dāng)澆鑄溫度為923～983 K時，鑄軋效果良好。在走坯速度為1.2 mm/min和預(yù)熱溫度為300 K條件下，不同澆鑄溫度（923～ 983 K）下的液相率和溫度場模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4a～d可知，隨著澆鑄溫度的升高，在長度方向上半固態(tài)區(qū)域有細微的擴大，但變化不明顯，而在寬度方向上有明顯的擴寬。這是由于在一定的走坯速度下，上下軋輥帶動鋁液移動的速度不變，而較高溫度的鋁液向軋輥方向傳熱，導(dǎo)致半固態(tài)區(qū)域?qū)挾确较驍U寬。由圖4e～h可知，與走坯速度產(chǎn)生的影響相比，隨著澆鑄溫度的升高，溫度場的溫度變化不明顯。當(dāng)澆鑄溫度為923 K和943 K時，鋁液會在鑄嘴處凝固，對鑄嘴的壽命造成損害，并且需要更大的軋制力，使軋制區(qū)變形不均勻。當(dāng)澆鑄溫度達到983 K時，雖然提高了銅鋁原子的擴散程度，但過冷度降低，也會造成晶粒粗大和力學(xué)性能降低。基于上述模擬結(jié)果，本文確定最佳澆鑄溫度為963 K左右。

3 組織及性能分析

3.1 微觀組織

基于以上模擬確定的最佳工藝參數(shù)，制備了銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料。鑄軋復(fù)合材料的組織形貌如圖5所示。可以看出，鑄軋制備的復(fù)合材料界面平整，且結(jié)合良好。觀察復(fù)合材料的SEM形貌可知，界面處沒有明顯的孔洞和雜質(zhì)缺陷，擴散產(chǎn)生的科肯達爾效應(yīng)較弱，并產(chǎn)生了約0.8 μm的界面層，銅鋁兩側(cè)的界面線光滑，冶金狀態(tài)較好，有利于后期加工和熱處理。為確定界面層的成分，對復(fù)合材料進行能譜分析。由面掃描分析結(jié)果可知，上側(cè)均為銅側(cè)，而下側(cè)均為鋁側(cè)，在銅層和鋁層之間存在銅鋁共存的區(qū)域，為銅鋁界面層。由元素點掃描分析結(jié)果可以看出，點1和點2處鋁原子和銅原子的原子比分別接近4︰9和2︰1。元素線掃描圖顯示，從銅側(cè)至鋁層，銅元素含量逐漸減少而鋁元素與之相反。基于以上分析，可以確定界面分為2層，靠近銅的界面層為Al4Cu9，靠近鋁的界面層為Al2Cu。

圖4 1.2 mm/min時不同澆鑄溫度的液相率和溫度場

圖5 銅鋁復(fù)合材料的組織形貌和能譜圖

3.2 拉伸及導(dǎo)電性能

對制備的鑄軋態(tài)銅/鋁/銅復(fù)合材料、C18150銅和1060鋁進行拉伸性能測試，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，銅/鋁/銅復(fù)合材料的抗拉強度為201 MPa，延伸率為16.2%。單層C18150銅的抗拉強度和延伸率分別為385 MPa和14.9%，1060鋁的抗拉強度和延伸率分別為90 MPa和31%。此外，理論復(fù)合材料強度可以通過復(fù)合材料混合定律（ROM）計算，如式（5）所示。

式中：1為復(fù)合板抗拉強度；f為增強板抗拉強度；f為增強板體積分數(shù)；m為基板抗拉強度。

在銅鋁復(fù)合材料中，銅的體積分數(shù)約為34.5%，鋁的體積分數(shù)約為65.5%。通過計算可知，理論復(fù)合材料強度為194 MPa，低于復(fù)合材料抗拉強度，表明銅鋁之間存在界面協(xié)同強化作用，提高了銅鋁復(fù)合材料的強度。

鑄軋態(tài)銅/鋁/銅復(fù)合材料中銅側(cè)的導(dǎo)電性能如圖7所示。由于導(dǎo)體具有“集膚效應(yīng)”，在導(dǎo)體中的交變電流分布不均勻，且越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，所以電流主要從銅的表面經(jīng)過，因此將銅側(cè)導(dǎo)電率視為復(fù)合板的導(dǎo)電率。從圖7可以看出，復(fù)合材料銅側(cè)導(dǎo)電率約為87%IACS，滿足對銅鋁復(fù)合材料高導(dǎo)電率的要求。

圖6 銅鋁復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 銅鋁復(fù)合材料的導(dǎo)電性能

3.3 斷口形貌分析

對制備的鑄軋態(tài)復(fù)合材料斷口進行分析，其斷口形貌如圖8所示。從圖8a可以看出，復(fù)合材料在結(jié)合處發(fā)生斷裂，上側(cè)為C18150Cu，下側(cè)為1060Al。從圖8b可以看到，在Al側(cè)萌生了大量裂紋，并且裂紋向界面層處擴展，當(dāng)擴展到界面層時即停止擴展。從圖8c可以看到大量韌窩，韌窩尺寸相對較小，且韌窩分布不均勻，說明C18150銅具有較高的強度和塑性，且斷裂方式為韌性斷裂。從圖8d可以明顯看到，在鋁側(cè)斷口處存在大而深的韌窩，且Al側(cè)的韌窩尺寸明顯大于銅側(cè)的，表明鑄態(tài)1060鋁比C18150銅的塑性更強，在層狀復(fù)合材料中，Al的存在可以在極大程度上提高復(fù)合材料的塑性。

4 結(jié)論

1）當(dāng)走坯速度較快時，會產(chǎn)生熔融的鋁漏液的現(xiàn)象；當(dāng)走坯速度較慢時，鑄軋接觸時間較長，會引起銅帶表面過燒和起泡，最佳鑄軋走坯速度為1.2 mm/min。

2）當(dāng)澆鑄溫度較低時，鋁液會在鑄嘴處凝固，對鑄嘴的壽命造成損害并產(chǎn)生軋制區(qū)變形不均勻等缺陷。當(dāng)澆鑄溫度較高時，過冷度降低，造成晶粒粗大和力學(xué)性能下降。因此，確定最佳澆注溫度為963 K。

3）基于模擬結(jié)果，采用鑄軋工藝制備的銅/鋁/銅層狀復(fù)合材料的界面結(jié)合良好，具有Al2Cu和Al4Cu9的雙界面層。

4）制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗拉強度和延伸率，其分別達到201 MPa和16%，并具有良好的導(dǎo)電性能，銅側(cè)的導(dǎo)電率約為87%IACS，能夠滿足銅鋁復(fù)合材料高強高導(dǎo)的需求。

5）銅和鋁在拉伸過程中均發(fā)生了韌性斷裂，且斷口處均存在大量韌窩，在鋁的斷口處產(chǎn)生了更大的韌窩，說明鋁的韌性好于銅的，鋁對提高復(fù)合材料韌性起到了重要作用。

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Cast-rolling Process Optimization, Microstructure and Properties of C18150 Copper/1060 Aluminum Layered Composites

JI Jia-le1, LIU Pei1,2*, WANG Ai-qin1,2, MAO Zhi-ping1,2, XIE Jing-pei1,2

(1. College of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China; 2. Provincial and Ministerial Co-construction of Collaborative Innovation Center for Non-ferrous Metal New Materials and Advanced Processing Technology, Henan Luoyang 471023, China)

The work aims to investigate the evolution of temperature field and liquid phase rate during the cast-rolling process of copper aluminum layered composites by finite element simulation, determine the optimal billet speed and casting temperature during the cast-rolling process, and prepare copper/aluminum/copper composites with high-strength and high-conduc-tivity. Based on the Design modeler module in Ansys Workbench software, a two-dimensional model was established. JMatPro software was used to simulate the thermal physical parameters of C18150 copper and 1060 aluminum. The model was solved by meshing with Mesh module and solving with Fluent module. Its effects on the liquid phase rate and temperature field were investigated by adjusting and optimizing the parameters of walking speed and casting temperature. High-strength and high-con-ductivity copper/aluminum/copper layered composites were prepared with this cast-rolling process. The microstructures, tensile strength, conductivity and tensile fracture of the copper/aluminum/copper layered composites interfaces were characterized and analyzed by a field emission scanning electron microscopy (FESM), an electronic universal testing machine (EUTM), a hand-held conductivity tester (HECT), and a scanning electron microscopy (SEM). The best cast-rolling results were obtained when the walking speed and casting temperature were about 1.2 mm/min and 963 K, respectively, and the prepared composites had flat and well-bonded interfaces, with Al2Cu and Al4Cu9double interfacial layers at the interfaces. The tensile strength and elongation were 201 MPa and 16%, respectively, and the average electrical conductivity on the copper side was 87% IACS, and a large number of tough nests appeared at the copper-aluminum fracture, which indicated that it was a toughness fracture. It is concluded that the copper/aluminum/copper layered composites prepared by optimizing the parameters of the casting and rolling process have excellent strength and electrical conductivity.

copper-aluminum composite; cast-rolling process; numerical simulation; microstructure; properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.008

TG335

A

1674-6457(2023)10-0067-08

2023-08-12

2023-08-12

國家重點研發(fā)計劃（2021YFB3701300）

National Key Research and Development Plan (2021YFB3701300)

姬佳樂, 柳培, 王愛琴, 等. C18150銅/1060鋁層狀復(fù)合材料鑄軋工藝優(yōu)化及組織性能研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 67-74.

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責(zé)任編輯：蔣紅晨