论文部分内容阅读
双（多）金属复合材料是采用一定的复合工艺将两种或多种物理、化学、力学等性能不同的基体金属在界面上实现牢固的冶金结合而制备的一种新型复合材料。铜/铝双（多）金属复合材料作为一种常见的双（多）金属复合材料,广泛应用于汽车、电力、热传输、通讯、装饰等领域。本文采用固液复合砂型重力铸造和金属型重力铸造分别制备了两种不同的铜/铝双金属复合材料,系统研究了冷却速率和浇注温度对铜/铝双金属复合材料界面组织和力学性能的影响规律,并对界面金属间化合物进行表征、鉴定,分析了不同界面组织结构的形成原因,建立了界面组织与力学性能之间的关系,完善了铜/铝双金属复合材料固液复合机理研究。针对实际生产中单一固液铸轧工艺无法制备低铜厚度比（铜层厚度比<8%）的铜/铝复合材料的问题,采用“铸轧+轧制”联合复合工艺制备了低铜厚度比Cu/8011/1060（铜层厚度比为4.1%）和Cu/8011/5052（铜层厚度比为1.7%）多金属复合材料,系统研究了轧制压下率和热处理温度对多金属复合材料显微组织演变与力学性能的影响规律,主要获得以下结论:对固液复合砂型重力铸造制备铜/铝双金属复合材料的研究表明:铜/铝双金属复合材料的过渡区由金属间化合物层和重熔区组成。其中,金属间化合物经确定为Al4Cu9、AlCu和Al2Cu,其种类不受冷却速率的变化而改变。低冷却速率下（0.8℃/s1.0℃/s）,重熔区主要由Al-Cu亚共晶组织组成;高冷却速率下（1.0℃/s1.8℃/s）,重熔区主要由Al-Cu过共晶组织组成;随冷却速率从1.8℃/s降低至0.8℃/s,铜/铝双金属复合材料近铝侧的重熔区与铝基体之间的界面形貌由平直状变为枝晶状,且该界面存在富铜固溶体区,富铜固溶体区的宽度随冷却速率的降低逐渐增加;在冷却速率为1.0℃/s时制备的铜/铝双金属复合材料具有最高的界面剪切强度,达到33.3 MPa;基于界面冷却曲线分析和显微组织观察,提出了铜/铝固液复合界面形成先凝固区和先凝固区溶解现象,完善了铜/铝双金属复合材料固液复合机理。对固液复合金属型重力铸造制备铜基体镀Ni保护的铜/铝双金属复合材料的研究表明:界面冷却曲线中,在660℃附近观察到α（Al）相凝固平台,当浇注温度或液固体积比（VR）增加时,α（Al）相凝固时间增加。铜基体的溶解量与α（Al）相凝固时间呈正比,并获得铜基体的溶解速率常数为1.2142×10-5 m/s;当浇注温度为680℃时,Ni镀层部分溶解,在铜层与铝层结合界面存在显微间隙,未形成冶金结合;当浇注温度升高至700℃或更高时,界面形成连续冶金结合,存在金属间化合物层和[α（Al）+Al2Cu]共晶组织层,且金属间化合物经确认为Al4Cu9、AlCu和Al2Cu。当浇注温度为700℃时,Ni镀层与金属间化合物层反应,在AlCu与Al2Cu相之间生成AlCu（Ni）相;当浇注温度升高至720℃时,界面AlCu（Ni）相消失;固液复合金属型重力铸造制备铜/铝双金属复合材料的最佳工艺参数为720℃+VR 49.24,相应的剪切强度达到36 MPa。剪切断裂主要发生在脆硬的金属间化合物层上。高性能低铜厚度比的Cu/8011/1060和Cu/8011/5052多金属复合材料采用“铸轧+轧制”联合复合工艺制备,先将纯铜与8011铝合金固液铸轧制备Cu/8011双金属基体材料,然后将其与一定厚度的1060铝合金或5052铝合金热轧复合。本文主要研究轧制复合工艺参数对多金属复合材料界面组织与性能的影响规律。对Cu/8011/1060多金属复合材料研究表明:铜与8011铝合金界面主要由连续但厚度不均匀的金属间化合物（IMCs）组成,金属间化合物经确认为Al4Cu9、AlCu和Al2Cu。轧制复合过程中,界面连续的金属间化合物层断裂,断裂主要发生在三个部位:Ⅰ型IMCs与Ⅱ型IMCs的过渡区;Ⅰ型IMCs内部;Ⅱ型IMCs内部。IMCs断裂最容易发生在Ⅰ型IMCs与Ⅱ型IMCs的过渡区;不同轧制压下率制备的Cu/8011/1060多金属复合材料中,铜基体的轧制压下率总是小于复合材料的轧制压下率,而铝基体的轧制压下率略大于复合材料的轧制压下率;热处理态的Cu/8011/1060多金属复合材料在轧制压下率为47%时具有最佳的综合拉伸性能（强塑积值最大）,抗拉强度和延伸率分别为135.7 MPa和25.5%。拉伸过程中,Cu/8011/1060多金属复合材料出现两种不同的断裂方式:轧制压下率为38%43%时,复合材料出现分层断裂现象,8011铝合金与1060铝合金界面分离;轧制压下率增加至47%67%时,复合材料表现为整体断裂现象,8011铝合金与1060铝合金界面未出现分离现象,但铜基体存在多次断裂现象。基体金属性能与Cu/8011/1060多金属复合材料性能理论计算和实测结果对比发现:轧制态下Cu/8011/1060多金属复合材料的屈服强度和抗拉强度在理论计算和实测值上比较吻合;热处理态下Cu/8011/1060多金属复合材料理论计算的屈服强度和抗拉强度均小于实测值,说明复合材料经热处理后,界面互扩散作用能一定程度上促进复合材料拉伸性能的提高。原位拉伸扫描观察两种不同Cu/8011/1060多金属复合材料的界面断裂规律发现:裂纹首先萌生于金属间化合物与基体结合界面或金属间化合物内部,然后向铜基体扩展、延伸、割裂铜基体并产生断裂。同时,拉伸过程中不断在邻近的金属间化合物内产生新裂纹。但是,裂纹在铝基体中发生钝化。铜基体因存在大量的晶界阻碍位错运动,易产生应变局部化现象,裂纹易向其扩展;铝基体因塑性好,裂纹尖端通过发射位错,释放裂纹尖端的应力集中,降低裂纹扩展的驱动力,进而限制裂纹向铝基体扩展,发生钝化现象。Cu/8011/5052多金属复合材料界面存在厚度均匀但不连续的金属间化合物。8011铝合金晶粒大小分布不均匀,在8011铝合金中近铜侧组织中观察到大量细小的再结晶晶粒,而近5052铝合金处的晶粒组织较粗大;5052铝合金中在近8011铝合金界面处出现宽度约60μm的细晶区。Cu/8011/5052多金属复合材料室温拉伸遗传了5052铝合金基体的拉伸特征,在工程应力-应变曲线均匀塑性变形区出现锯齿状,发生动态应变时效效应。Cu/8011/5052多金属复合材料的室温屈服强度、抗拉强度在沿轧制方向（RD）和宽度方向（WD）近似相等,延伸率在轧制方向要优于宽度方向。Cu/8011/5052多金属复合材料拉伸断裂为45°单剪切断裂。Cu/8011/5052多金属复合材料高温拉伸试验发现:随着拉伸温度的升高,Cu/8011/5052多金属复合材料的抗拉强度降低,特别是当温度超过300℃时,抗拉强度显著下降。当拉伸温度低于200℃时,Cu/8011/5052多金属复合材料仍然具有较高的抗拉强度,超过120 MPa,具有高温使用的潜能。拉伸温度低于200℃时,Cu/8011/5052多金属复合材料的拉伸断口呈45°单剪切状;拉伸温度超过200℃时,Cu/8011/5052多金属复合材料的拉伸断口呈对称的剪切断裂,断口发生明显的变细延伸,且铜层发生不同程度的断裂。随着拉伸温度升高,铜层断裂间距显著增加。