王 珺，雷 宇，劉新華?，解國良，江燕青，張 帥

1) 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院材料先進(jìn)制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

銅鋁雙金屬復(fù)合板帶兼?zhèn)溷~和鋁的優(yōu)點(diǎn)，具有導(dǎo)電性較高、耐蝕性較好、密度較低和容易連接等特點(diǎn)，可代替純銅板帶廣泛用于電子通訊、石油化工、交通運(yùn)輸、裝飾建材、航天航空以及國防軍工等各個領(lǐng)域[1?4].

銅鋁雙金屬復(fù)合板帶的制備方法很多，如爆炸復(fù)合法[5?7]、軋制復(fù)合法[8?10]、擠壓-軋制復(fù)合法[11?13]和鑄軋復(fù)合法[14?15]等，但是這些方法均存在工藝流程長，生產(chǎn)成本高，環(huán)境負(fù)擔(dān)大和成材率低等問題.

雙金屬水平連鑄直接復(fù)合法（horizontal corefilling continuous casting, HCFC）是謝建新[16]，吳永福等[17]，Su等[18]開發(fā)的制備銅包鋁雙金屬復(fù)合材料的新工藝，具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高及復(fù)合界面可達(dá)到冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于銅包鋁包覆型復(fù)合材料的生產(chǎn)，為三明治結(jié)構(gòu)銅鋁層狀雙金屬復(fù)合材料的制備提供了新的思路.但是由于兩類雙金屬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)不同，如何通過復(fù)合裝置的設(shè)計(jì)控制三明治結(jié)構(gòu)銅鋁層狀雙金屬復(fù)合材料的凝固與復(fù)合過程是需要進(jìn)一步深入研究的問題.

本文提出了一種可實(shí)現(xiàn)銅鋁雙金屬復(fù)合板帶水平連鑄復(fù)合成形的工藝方法，設(shè)計(jì)了復(fù)合裝置，并以寬度為70 mm、厚度為24 mm、銅鋁厚度比為1:3的銅鋁復(fù)合板材為對象，開展了制備實(shí)驗(yàn)研究，對銅鋁雙金屬復(fù)合板帶復(fù)合界面層顯微結(jié)構(gòu)和性能及工藝參數(shù)對復(fù)合界面層形成過程的影響進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 工藝原理

銅鋁雙金屬復(fù)合板的水平連鑄復(fù)合成形新工藝原理如圖1所示，其工藝原理如下：銅液和鋁液分別進(jìn)行加熱和保溫，對熱型模具采用感應(yīng)加熱，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，通過牽引裝置對銅板進(jìn)行引鑄，先鑄造出銅板帶，然后對鋁液進(jìn)行放流，在結(jié)晶器冷卻作用下，使鋁液凝固在銅基板上.銅板和鋁液在鑄型中直接復(fù)合，減小了空氣的影響，從而達(dá)到冶金結(jié)合.

圖1 水平連鑄復(fù)合成形示意圖Fig.1 Sketch of compound forming of horizontal continuous casting

1.2 銅鋁雙金屬復(fù)合板材的制備

采用水平連鑄復(fù)合成形新工藝制備出截面尺寸為70 mm × 24 mm（寬度×厚度）的銅鋁復(fù)合板（Cu厚6 mm，Al厚18 mm），以含銅量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為99.95%的純銅（標(biāo)準(zhǔn)陰極銅）和含鋁量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為99.6%的工業(yè)純鋁1060為原料.銅鑄造溫度為1250 ℃，鋁鑄造溫度為780 ℃，鋁液芯管長度為20 mm，通過改變拉坯速率（40、60、80和100 mm·min?1）和一次冷卻水流量（800和1000 L·h?1）研究工藝參數(shù)對銅鋁雙金屬復(fù)合板帶復(fù)合界面層組織和性能的影響.

1.3 測試分析方法

采用線切割在制備的銅鋁雙金屬復(fù)合板上取10 mm×10 mm×20 mm試樣，經(jīng)砂紙磨光、機(jī)械拋光后采用ZEISS EVO 18掃描電鏡觀察復(fù)合層結(jié)構(gòu)形貌，測量復(fù)合界面層厚度.采用BRUKER QUANTAX EDS能譜分析復(fù)合界面層及附近區(qū)域內(nèi)Cu和Al元素的分布規(guī)律.采用XD-1000T硬度儀分析復(fù)合界面層和Cu、Al基體的顯微硬度.采用拉剪測試的方法測定銅鋁復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度，參照《GB/T30586—2014連鑄軋制銅包鋁扁棒、扁線》在10 kN萬能試驗(yàn)機(jī)上對試樣做拉剪測試，拉剪實(shí)驗(yàn)過程如圖2所示.采用ZEISS EVO 18掃描電鏡和日本理學(xué)D/max?RB12 kW旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀分析板坯斷口處結(jié)構(gòu)形貌和物相組成.并在200、250和300 ℃下對板坯進(jìn)行軋制變形，研究板坯的熱加工性能.

圖2 拉剪實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2 Sketch of the shearing experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 銅鋁復(fù)合板界面形貌與物相分析

采用水平連鑄復(fù)合成形技術(shù)制備的銅鋁雙金屬復(fù)合板材的橫截面如圖3所示.其具體工藝參數(shù)為：銅鑄造溫度1250 ℃、鋁液保溫溫度780 ℃、鋁液導(dǎo)流管長度20 mm、拉坯速率60 mm·min?1和一次冷卻水流量1000 L·h?1.

圖3 采用水平連鑄復(fù)合成形技術(shù)制備的銅鋁復(fù)合板坯宏觀照片, 規(guī)格：70 mm×24 mm（寬度×厚度）Fig.3 Macroscopic photographs of the Cu-Al composite plate prepared via HCCF, size of the section: 70 mm × 24 mm (width × thickness)

對銅鋁復(fù)合板坯復(fù)合界面層進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和能譜分析，結(jié)果如圖4所示.可以看出，復(fù)合板坯存在一個Cu、Al元素相對穩(wěn)定的復(fù)合界面層，厚度約為100 μm.從圖4（a）和（b）可以看出，復(fù)合界面層由兩種金屬間化合物和共晶組織組成.

表1為圖4中各點(diǎn)的能譜分析結(jié)果.能譜的點(diǎn)掃結(jié)果表明，從銅側(cè)到鋁側(cè)的復(fù)合界面層中銅鋁原子的比例可以分為三種：wCu∶wAl=9∶4、wCu∶wAl=1∶2和wCu∶wAl=1∶4.再結(jié)合銅鋁二元相圖和復(fù)合界面層的顯微結(jié)構(gòu)可以初步判斷從銅層一側(cè)到鋁層一側(cè)，復(fù)合界面層可分為三個亞層，依次為I：γ相（Cu9Al4）層、II：θ相（CuAl2）層和III：α+θ相（α-Al+CuAl2）層[19].I層和II層均為銅鋁金屬間化合物，III層為共晶組織.

對拉剪試樣的剪切面做X 射線衍射分析（XRD），分析結(jié)果如圖5所示.圖中1#、2#試樣為銅鑄造溫度1250 ℃、鋁液保溫溫度780 ℃、鋁液導(dǎo)流管長度20 mm、一次冷卻水流量為1000 L·h?1、拉坯速度分別為40 mm·min?1和60 mm·min?1時制備的銅鋁復(fù)合板坯.X射線衍射結(jié)果表明復(fù)合界面層中存在θ相和γ相，與能譜分析結(jié)果吻合.

圖6為1#剪切試樣的斷面背散射照片，圖中亮區(qū)富銅，暗區(qū)富鋁.根據(jù)表2的能譜點(diǎn)掃分析結(jié)果表明亮區(qū)物相為γ相，暗區(qū)物相為θ相，與X射線檢測結(jié)果相吻合.

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以判定銅鋁雙金屬復(fù)合板坯中存在由I：γ相（Cu9Al4）層、II：θ相（CuAl2）層和III：α+θ相（α-Al+CuAl2）層組成的穩(wěn)定復(fù)合界面層，I層和II層為銅鋁金屬間化合物，III層為共晶組織.

2.2 工藝參數(shù)對板坯組織和性能的影響

2.2.1 對復(fù)合層組織的影響

當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時，改變拉坯速度對復(fù)合界面層厚度的影響如圖7（a）所示.從圖中可以看出，當(dāng)拉坯速度由40 mm·min?1提升到100 mm·min?1時，復(fù)合界面層總厚度、θ相層厚度和γ相層厚度先減小后增大.拉坯速度為60 mm·min?1時復(fù)合界面層總厚度、θ相層厚度和γ相層厚度最小，分別為107、8和3.5 μm.

當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時，改變一次冷卻水流量對復(fù)合界面層厚度的影響如圖7（b）所示.從圖中可以看出隨著一次冷卻水流量的增加，復(fù)合界面層總厚度、θ相層厚度和γ相層厚度減小.

圖4 銅鋁復(fù)合板復(fù)合界面的顯微結(jié)果和元素分布.（a） 界面組織結(jié)構(gòu)；（b） 圖（a）中框圖放大圖；（c） AB能譜線掃描分析結(jié)構(gòu)；（d） CD能譜線掃描分析結(jié)果Fig.4 Microstructure and elemental distribution at the composite interface of the Cu-Al composite plate: (a) microstructure of the interface;(b) magnifying of rectangular diagram in (a); (c) EDS line scan analysis results of AB; (d) EDS line scan analysis results of CD

表1 圖4中各點(diǎn)的能譜成分分析結(jié)果Table 1 EDS component analysis of the points in Fig.4

2.2.2 對板坯結(jié)合強(qiáng)度的影響

當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時，改變拉坯速度對板坯結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖8（a）所示.從圖中可以看出隨著拉坯速率的增加，板坯的結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小.當(dāng)拉坯速率為60 mm·min?1時，板坯的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最大值，為12.3 MPa.

當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時，改變一次冷卻水流量對板坯結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖8（b）所示.從圖中可以看出，隨著一次冷卻水流量的增加，板坯的結(jié)合強(qiáng)度增大.

2.3 銅鋁復(fù)合板的顯微硬度

圖9為銅鋁復(fù)合板坯各層金屬以及界面附近區(qū)域的顯微硬度.從圖中可以看出，復(fù)合界面層的顯微硬度從銅側(cè)到鋁側(cè)先增大后減小.銅基體的顯微硬度在60 HV左右，（I+II）復(fù)合層顯微硬度值在300 HV以上，局部高達(dá)593.4 HV.III復(fù)合層顯微硬度值在200 HV左右；鋁基體區(qū)的顯微硬度值在30 HV以下.此外，在（I+II）復(fù)合層的壓痕周邊可見清晰的裂紋，而在銅和鋁基體區(qū)以及靠近鋁側(cè)的III復(fù)合層上的壓痕均沒有明顯的裂紋.

2.4 復(fù)合板帶的加工性能

對銅鋁復(fù)合板坯進(jìn)行軋制，檢驗(yàn)板坯的加工性能.不同軋制溫度下銅鋁復(fù)合板坯軋后的表面形貌如圖10所示.

圖5 銅鋁復(fù)合板坯拉剪斷裂面的 X 射線衍射圖譜.（a） 1#試樣銅側(cè)斷面；（b） 1#試樣鋁側(cè)斷面；（c） 2#試樣銅側(cè)斷面；（d） 2#試樣鋁側(cè)斷面Fig.5 X-ray diffraction spectrum of tension-shear fracture of the surface of the Cu-Al composite plate: (a) fracture surface of 1# sample copper side;(b) fracture surface of 1# sample aluminum side; (c) fracture surface of 2# sample copper side; (d) fracture surface of 2# sample aluminum side

圖6 銅鋁復(fù)合板坯拉剪斷裂面的BSD圖Fig.6 BSD diagram of the tension-shear fracture of the surface of the Cu-Al composite plate

表2 圖6 中各點(diǎn)的能譜成分分析結(jié)果Table 2 EDS component analysis of the points in Fig.6

從圖中可以看出，三種軋制溫度下銅鋁復(fù)合板的軋后表面良好，均未出現(xiàn)銅鋁分離或表面漏鋁等現(xiàn)象，說明當(dāng)工藝參數(shù)為：銅鑄造溫度為1250 ℃、鋁液保溫溫度780 ℃、鋁液導(dǎo)流管長度20 mm、拉坯速度60 mm·min?1和一次冷卻水流量為1000 L·h?1時制備的銅鋁雙金屬復(fù)合板材的后續(xù)加工性能良好.

3 分析與討論

3.1 銅鋁復(fù)合板帶斷裂機(jī)制

從圖5、6中可以看出，當(dāng)銅鋁復(fù)合板受力發(fā)生斷裂時，裂紋主要在（I）層和（II）層中形成和擴(kuò)展.這是由于θ相和γ相是銅鋁復(fù)合板成形過程中銅鋁原子發(fā)生反應(yīng)形成的金屬間化合物，這兩種金屬間化合物的強(qiáng)度很高，但是幾乎沒有塑性，熱膨脹系數(shù)也和兩種基體金屬差異較大.所以在受力變形時，θ相和γ相很容易發(fā)生破裂，導(dǎo)致銅鋁復(fù)合板發(fā)生斷裂[20].圖11為不同拉坯速率下對復(fù)合層厚度與剝離強(qiáng)度的關(guān)系，從圖中可以看出，復(fù)合層厚度越大，銅鋁復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度越小.

圖7 工藝參數(shù)對銅鋁復(fù)合板坯復(fù)合界面層厚度的影響Fig.7 Effect of the technological parameters on the interfacial thickness of the Cu-Al composite plate

圖8 工藝參數(shù)對銅鋁復(fù)合板坯界面結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of the technological parameters on the interfacial bonding strength of the Cu-Al composite plate

圖9 銅鋁復(fù)合板坯界面顯微硬度.（a） 低倍; （b） 高倍Fig.9 Interface microhardness of the Cu-Al composite plate: (a) low magnification; (b) high magnification

綜上所述，界面結(jié)合強(qiáng)度主要由金屬間化合物的厚度控制.優(yōu)化和控制復(fù)合界面層的厚度，尤其減小（I）層和（II）層的厚度是提高銅鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一.

3.2 復(fù)合層形成過程

根據(jù)銅鋁復(fù)合板復(fù)合界面層微觀結(jié)構(gòu)和物相分析，結(jié)合水平連鑄復(fù)合成形過程中固液相變和固相轉(zhuǎn)變過程分析，能夠揭示復(fù)合界面層中金屬間化合物相和共晶相的形成機(jī)制，進(jìn)而優(yōu)化制備工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合界面層厚度的精確控制.根據(jù)復(fù)合界面層的組織結(jié)構(gòu)、銅鋁原子的分布規(guī)律，認(rèn)為復(fù)合界面層形成過程分三個階段，分別為固液轉(zhuǎn)變、固相轉(zhuǎn)變和共晶轉(zhuǎn)變，具體過程如圖12所示.

圖10 不同軋制溫度銅鋁復(fù)合板坯軋制后表面形貌.（a） 200 ℃; （b） 250 ℃; （c） 300 ℃Fig.10 Surface morphologies of Cu-Al composite plates rolled at different rolling temperatures: (a) 200 ℃; (b) 250 ℃; (c) 300 ℃

圖11 不同拉坯速率下復(fù)合層和結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)系Fig.11 Relation between composite layer and bonding strength at different drawing rates

復(fù)合連鑄開始階段，鋁液和已凝固的銅板表面接觸時，接觸面上的銅原子以vcu的速度迅速溶解、擴(kuò)散到鋁液中形成含有銅原子的鋁液相層，并在銅板表面發(fā)生固液轉(zhuǎn)變形成θ相核心，如圖12（a）所示.隨著連鑄過程的進(jìn)行，復(fù)合板進(jìn)入結(jié)晶器中，由于結(jié)晶器的強(qiáng)烈冷卻作用，在復(fù)合層內(nèi)形成較大的溫度梯度，θ相在較短的時間內(nèi)形成穩(wěn)定的固液界面并沿?zé)崃鞯姆捶较蛞詖θ的速度生長，形成具有胞狀組織結(jié)構(gòu)的θ相復(fù)合層.此時銅板表面的銅原子仍然向復(fù)合層中擴(kuò)散，但是在復(fù)合層底部已經(jīng)形成了穩(wěn)定的θ相，阻礙了銅原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致銅原子在復(fù)合層底部富集.當(dāng)銅原子的含量達(dá)到一定程度時，復(fù)合層底部先形成的θ相發(fā)生固相轉(zhuǎn)變，形成γ相并以vγ的速度向θ相中生長，如圖12（b）所示.當(dāng)含有銅原子的鋁液相層的溫度降到共晶溫度548 ℃時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成α+θ相，最后溫度降到室溫，在銅鋁復(fù)合板中形成由α+θ共晶組織、θ相和γ相組成的復(fù)合層，如圖12（c）所示.

綜上所述，在銅鋁復(fù)合板凝固過程中，鋁液和銅板表面接觸，發(fā)生固液轉(zhuǎn)變形成θ相并阻礙銅原子的擴(kuò)散，使銅原子在復(fù)合層底部富集，當(dāng)銅原子的含量達(dá)到一定程度時，復(fù)合層底部先形成的θ相發(fā)生固相轉(zhuǎn)變形成γ相，最后當(dāng)含有銅原子的鋁液相層的溫度降到共晶溫度548 ℃時，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成α+θ相[19,21?22].

3.3 工藝參數(shù)對復(fù)合層形成過程的影響機(jī)制

圖12 復(fù)合層形成過程示意圖.（a） 固液轉(zhuǎn)變階段；（b） 固相轉(zhuǎn)變階段；（c） 共晶轉(zhuǎn)變階段Fig.12 Diagram of the composite layer formation process: (a) stage of solid-liquid phase transformation; (b) stage of solid phase transformation;(c) stage of eutectic transformation

由復(fù)合界面層的形成過程可知，θ相和γ相的形成和長大主要受復(fù)合界面層的凝固速率和凝固時間影響，即凝固速率越小或凝固時間越長，θ相和γ相形成的復(fù)合層越厚，銅鋁復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度越低.因此，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化凝固過程中復(fù)合界面層溫度場的分布，從而達(dá)到控制θ相和γ相的顯微結(jié)構(gòu)的目的.

圖13為拉坯速率和一次冷卻水流量對θ相和γ相顯微結(jié)構(gòu)的影響.從圖中可以看出，當(dāng)拉坯速率較低時（V≤40 mm·min?1），液相鋁和銅板表面的接觸時間較長，大量的銅原子溶解后擴(kuò)散到鋁液中，為θ相的形核和長大提供了充足的條件.當(dāng)復(fù)合板進(jìn)入結(jié)晶器后，由于結(jié)晶器的強(qiáng)烈冷卻作用，θ相形成大量的胞狀晶.當(dāng)凝固過程結(jié)束后，θ相復(fù)合層厚度較大，但是對γ相的形成過程影響較小，如圖13（a）所示.當(dāng)拉坯速率較大時（V≥80 mm·min?1），結(jié)晶器對復(fù)合板冷卻能力不足，復(fù)合板被拉出結(jié)晶器時內(nèi)部仍存在未凝固的液相，此時由于復(fù)合層內(nèi)的溫度梯度較小，θ相和γ相呈平直界面形態(tài)生長，且θ相和γ相具有充足的條件生長，最后凝固時θ相和γ相形成的復(fù)合層厚度較大，如圖13（c）和（d）所示.當(dāng)一次冷卻水流量較小時（Q≤800 L·h?1），結(jié)晶器對銅鋁復(fù)合板冷卻能力不足，即使在較為適宜的拉坯速率下，θ相和γ相也有充足的條件生長，最后凝固時θ相和γ相形成的復(fù)合層厚度較大，如圖13（e）所示.只有當(dāng)工藝參數(shù)相互匹配時（V=60 mm·min?1、Q=1000 L·h?1），由固液轉(zhuǎn)變形成的γ相和固相轉(zhuǎn)變形成的θ相兩個亞復(fù)合層厚度最小，如圖13（b）所示.

圖13 工藝參數(shù)對θ相和γ相形成和生長的影響.（a） V=40 mm·min?1，Q=1000 L·h?1；（b） V=60 mm·min?1，Q=1000 L·h?1；（c） V=80 mm·min?1，Q=1000 L·h?1；（d） V=100 mm·min?1，Q=1000 L·h?1；（e） V=60 mm·min?1，Q=800 L·h?1Fig.13 Effects of the technological parameters on the formation and growth of the θ and γ phases: (a) V=40 mm·min?1, Q=1000 L·h?1; (b) V=60 mm·min?1,Q=1000 L·h?1; (c) V=80 mm·min?1, Q=1000 L·h?1; (d) V=100 mm·min?1, Q=1000 L·h?1; (e) V=60 mm·min?1, Q=800 L·h?1

因此通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以優(yōu)化凝固過程中銅鋁復(fù)合板內(nèi)部的溫度場分布，從而控制θ相和γ相的顯微結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高銅鋁復(fù)合板帶結(jié)合強(qiáng)度的目的.但是，單一的改變拉坯速率或一次冷卻水流量，對銅鋁復(fù)合板復(fù)合層的顯微結(jié)構(gòu)影響效果較小，只有工藝參數(shù)之間互相匹配，才能最大限度的優(yōu)化復(fù)合層的顯微結(jié)構(gòu)，使銅鋁復(fù)合板的力學(xué)性能顯著提高.

4 結(jié)論

本文采用水平連鑄復(fù)合成形新工藝成功制備出銅鋁雙金屬復(fù)合板帶，并對板帶復(fù)合界面層的顯微結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對復(fù)合界面層形成過程的影響進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論.

（1）當(dāng)工藝參數(shù)為：銅鑄造溫度1250 ℃、鋁液保溫溫度780 ℃、鋁液導(dǎo)流管長度20 mm、拉坯速度60 mm·min?1和一次冷卻水流量為1000 L·h?1時，制備出截面尺寸為70 mm×24 mm的銅鋁雙金屬復(fù)合板坯的組織形貌和力學(xué)性能較好.

（2）銅鋁復(fù)合板坯的復(fù)合界面層分為三個亞層，分別為固液轉(zhuǎn)變形成的（I）層：γ相；固相轉(zhuǎn)變形成的（II）層：θ相；以及共晶轉(zhuǎn)變形成的（III）層：α+θ共晶組織.I層和II層均為銅鋁金屬間化合物，具有較高的強(qiáng)度，但是幾乎沒有塑性，在復(fù)合板坯受力變形時，是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的主要區(qū)域.

（3）調(diào)整工藝參數(shù)可以優(yōu)化凝固過程中銅鋁復(fù)合板內(nèi)的溫度場分布，控制復(fù)合界面層的形成過程，工藝參數(shù)之間的合理匹配是增大板坯結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一.