熱處理對冷軋爆炸復(fù)合Cu／Al薄板組織、力學(xué)性能及電導(dǎo)率的影響

楊 勇，李慧中，2，3，梁霄鵬，2，3，曾志恒

（1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2.中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室，湖南長沙 410083；3.中南大學(xué)有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點實驗室，湖南長沙 410083；4.湖南方恒新材料技術(shù)股份有限公司，湖南長沙 410083）

Cu／Al雙金屬復(fù)合材料不僅具有金屬鋁的廉價、質(zhì)輕等優(yōu)點，且保持了金屬銅的高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、易釬焊能力與低接觸電阻的特性［1］。因此，這類復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于冶金設(shè)備以及能源、航空航天、汽車、船舶、電力、電子和電氣行業(yè)［2］。通常來說，制備雙金屬復(fù)合材料的方法有冷／熱軋復(fù)合［3］、爆炸焊接［4］、擠壓 -摩擦攪拌焊接［5］、反向凝固［6］和等離子燒結(jié)［7］等。當(dāng)前有關(guān)Cu／Al雙金屬復(fù)合材料的研究主要圍繞制備工藝、組織與性能演變規(guī)律及界面相關(guān)問題開展。其中，界面冶金結(jié)合的形成，界面金屬間化合物的形成、演變與控制，界面組織結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐蝕等性能之間的關(guān)系等界面相關(guān)問題，一直是Cu／Al雙金屬復(fù)合材料研究中的關(guān)鍵性問題。W.N.Kim等人的研究發(fā)現(xiàn)在軋制后的三明治Cu／Al／Cu層狀復(fù)合材料中，Cu和Al層的相互作用變形對延展性有積極影響［8］。Z.P.Mao等人的研究表明，隨著軋制道次數(shù)的增加，Cu／Al復(fù)合板的剝離強度先是略有增加，隨后逐漸降低［9］。M.M.Hoseini等人研究了壓下率對爆炸性Al／Cu／Al復(fù)合板界面性能的影響，觀察到板材軋制后界面附近的硬度分布更加均勻［10］。與傳統(tǒng)的熱、冷軋復(fù)合材料相比，爆炸復(fù)合材料在層狀金屬板材的界面處保持了優(yōu)良的結(jié)合狀態(tài)和表面質(zhì)量。然而，通過爆炸焊接復(fù)合的板材通常由于尺寸過厚而無法直接用于實際生產(chǎn)［11］。

本研究中，考慮到板材在爆炸復(fù)合焊接過程中產(chǎn)生的狀態(tài)優(yōu)異的冶金結(jié)合界面以及冷軋過程中薄板的易成型性，故將爆炸復(fù)合與冷軋相結(jié)合用于制備Cu／Al復(fù)合薄板。通過對軋制后的薄板在不同溫度下進行退火，使其具有優(yōu)良的力學(xué)性能與導(dǎo)電性。

1 材料和試驗方法

1.1 材料

原始爆炸復(fù)合板材由湖南方恒新材料技術(shù)股份有限公司（中國湖南長沙）提供，利用厚度均為10 mm的工業(yè)純銅T1板與工業(yè)純鋁1060板爆炸焊接制備而成。

將尺寸為20 mm×130 mm×150 mm的爆炸復(fù)合板在Φ550 mm×650 mm大型雙輥軋機上于室溫下軋制6個道次。經(jīng)測量，各道次后薄板的厚度分別為18 mm，12 mm，7 mm，4.5 mm，3 mm和1.5 mm。

圖1（a）展示了冷軋后Cu／Al復(fù)合薄板整體宏觀形貌，其尺寸為1.5 mm×140 mm×1 850 mm?？梢钥闯?，在軋制過程中Al和Cu保持良好的協(xié)同變形狀態(tài)。但Al在橫向的變形程度明顯高于Cu，Al側(cè)有橫向溢出且邊緣處由于嚴(yán)重的加工硬化而斷裂。如圖1（b）和1（c）所示，薄板界面處結(jié)合狀態(tài)良好。將薄板分別置于300℃、350℃、400℃和450℃的溫度下進行不同時間的退火處理。

圖1 冷軋Cu／Al爆炸復(fù)合薄板宏觀形貌（a）和銅側(cè)形貌（b）及鋁側(cè)形貌（c）

1.2 微觀組織性能表征

本試驗采用Sirion200場發(fā)射掃描電鏡和JXA-8230型電子探針分析儀對軋制前后板材界面結(jié)合情況與薄板退火后元素擴散以及化合物生長規(guī)律進行觀察與分析，由于銅鋁軟硬程度不一致，為了避免制樣中試樣磨損程度不一，故將雙層薄板對稱放置，通過環(huán)氧樹脂固定在其內(nèi)部中央。用100#水磨砂紙磨平試樣上線切割機留下的不規(guī)整表面，使試樣底部與頂部（觀察面）保持平整，高度為10 mm左右。隨后依次用不同型號的水磨砂紙粗磨，流程依次為：600#、800#、1 000#、1 200#、1 600#→清洗。然后依次使用2.5μm和0.5μm的金剛石研磨膏以及無水乙醇在絲絨拋光布上拋光10 min左右，直至表面基本呈鏡面狀，最后用無水乙醇清洗表面并烘干。

在MTS-810試驗機上進行了室溫拉伸試驗和界面拉伸剪切試驗，拉伸試樣長度為50 mm，寬度為10 mm，標(biāo)距為25 mm。拉伸速度為1 mm／min，拉伸方向與軋制方向平行。通常，檢驗薄板界面結(jié)合強度的方法為剝離或剪切，由于本研究軋板較薄難以剝離，故采用拉伸剪切的方法，設(shè)置較小的剪切面積（20 mm2）從而避免拉伸過程中薄板在鋁側(cè)提前發(fā)生斷裂。

利用FD102渦流電導(dǎo)率儀在室溫下測量復(fù)合薄板的電導(dǎo)率，試樣尺寸為15 mm×15 mm×1.5 mm，不同溫度區(qū)間退火后的目標(biāo)復(fù)合軋板的導(dǎo)電性能由FD102渦流電導(dǎo)儀測定。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 界面微觀結(jié)構(gòu)

原始爆炸復(fù)合板材和冷軋薄板的界面微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2（a）可以觀察到原始板材界面由漩渦狀的波浪結(jié)構(gòu)組成。經(jīng)過六道次軋制后漩渦結(jié)構(gòu)被完全破壞，界面結(jié)合處均勻平整，無明顯間隙或裂紋等缺陷，如圖2（b）所示。

圖2 界面微觀形貌

圖3展示了在不同退火溫度和退火時間下冷軋薄板的界面微觀組織變化。薄板退火后由于元素擴散，Cu／Al界面變得分明，可以清楚地觀察到三層結(jié)構(gòu)，層與層之間結(jié)合處不平整，呈犬牙型嚙合。此外，在退火時間相同的條件下，擴散層的厚度隨著退火溫度的增加而顯著增大，例如從300℃的2μm增加到450℃的13μm。在相同退火溫度下，擴散層的厚度亦隨退火時間的增加而增大，在退火溫度為450℃保溫0.5 h至4 h時，擴散層厚度從6.6μm增加到17.6μm。可以看出，溫度對擴散層生長的影響較退火時間而言更為顯著，這與其他研究者的結(jié)果相似［12］。

圖3 冷軋薄板在不同退火溫度與退火時間下的界面微觀結(jié)構(gòu)

為了研究三層化合物成分，將薄板置于450℃退火0.5 h，界面處化合物EPMA線分析如圖4所示，可以觀察到三種化合物中Cu和Al組成的變化。三個擴散層內(nèi)部均表現(xiàn)出元素含量較為穩(wěn)定的階段，表明該層中金屬間化合物的元素含量沒有發(fā)生明顯變化。表1展示了這三種化合物的點分析，由元素組成比例可以推斷出從Cu層到Al層的三種化合物分別是Al4Cu9，AlCu和Al2Cu。

2.2 室溫拉伸性能

圖5顯示了冷軋薄板與不同溫度退火（退火時間為2 h）后薄板的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。未退火薄板的抗拉強度和屈服強度分別為363 MPa和287 MPa，斷裂伸長率為4.4%。隨著退火溫度的升高，抗拉強度逐漸降低，而伸長率顯著提高。復(fù)合薄板在300℃下退火2 h，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為305 MPa、225 MPa和16%。當(dāng)退火溫度高于300℃時，屈服強度顯著下降，350℃下退火的復(fù)合薄板的屈服強度僅為77 MPa，而伸長率提升至37.5%。

圖4 界面處化合物EPMA線分析

表1 各化合物中銅鋁元素百分含量

圖5 復(fù)合薄板在不同溫度下退火后的拉伸曲線

在拉伸變形過程中，銅和鋁在斷裂前保持協(xié)同變形，兩基體具有相同的應(yīng)變，而兩組元各自的應(yīng)力由于二者力學(xué)性能的差異而有所不同。通常來說材料的均勻伸長率與其應(yīng)變強化能力有著密切的聯(lián)系，該能力主要通過位錯的生成和動態(tài)回復(fù)共同控制，兩者之間相互競爭。通過促進位錯的生成，或是抑制位錯的動態(tài)回復(fù)，均可提高材料的塑性變形能力。在上述拉伸試驗中，由于兩組元之間的應(yīng)力差導(dǎo)致Al基體與界面處形成并積累大量位錯，從而顯著提高了復(fù)合薄板應(yīng)變增強能力。薄板表現(xiàn)出較高伸長率的另一個原因是在拉伸頸縮階段中，銅層可以有效地抑制鋁層的縮頸斷裂行為。研究表明，導(dǎo)致伸長率增大可能還存在其它的因素，例如薄板制備過程中較大的軋制速度比，或拉伸過程中在較高應(yīng)變速率下建立的高應(yīng)力梯度［13］。

2.3 剪切性能

未退火薄板與在不同溫度下退火2 h的薄板的拉伸剪切強度見表2。冷軋板表現(xiàn)出相對較低的拉伸剪切強度，僅為98 MPa。退火2 h后，復(fù)合薄板的剪切強度隨著退火溫度的升高逐漸增加，在400℃時達到最大值117 MPa，然后在退火溫度升高至450℃的過程中逐漸降低。

表2 不同溫度下退火后復(fù)合薄板拉伸剪切強度

通常來說，復(fù)合薄板的拉伸剪切強度取決于界面結(jié)合強度。在冷軋后的復(fù)合薄板中，元素的擴散并不明顯，不足以形成有效的冶金結(jié)合，且界面處存在的某些缺陷可能導(dǎo)致剪切強度的降低。在退火過程中，銅鋁原子在高溫下通過界面擴散到相鄰的金屬基體中，同時，晶界的遷移使界面附近兩個元素的鍵合概率增大。此外，金屬基體發(fā)生再結(jié)晶，由于部分原子的重排運動，形成了更多重合的點陣位置和共有晶界，界面結(jié)合處從物理嚙合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合。當(dāng)進一步提高退火溫度時，晶粒逐漸粗化，且金屬間化合物的厚度增大，其硬脆相的性質(zhì)使界面的結(jié)合強度逐漸降低，顯著影響復(fù)合薄板的剪切強度。

2.4 導(dǎo)電性能

圖6表示出在不同溫度和時間下退火后復(fù)合薄板的電導(dǎo)率。可以看出，薄板在300℃、350℃、400℃和450℃的溫度下分別退火后，電導(dǎo)率均表現(xiàn)為初期增大隨后持續(xù)減小的趨勢。薄板在每一種溫度下退火4 h后均出現(xiàn)了峰值電導(dǎo)率，且在350℃退火后達到最高電導(dǎo)率，為96.4%IACS（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)）。在較高溫度如450℃下退火4 h以上后，電導(dǎo)率出現(xiàn)顯著下降。

圖6 不同熱處理制度下電導(dǎo)率的變化

在退火過程中，界面處的位錯和空位等缺陷得以回復(fù)，缺陷濃度的降低增強了原子晶格振動作用，從而提高了薄板的電導(dǎo)率。隨著退火時間的增加，平衡位置附近的原子核振動加劇，對電子阻礙以及散射效應(yīng)加強，使電導(dǎo)率顯著降低。

3 結(jié) 論

1.冷軋爆炸復(fù)合Cu／Al薄板中的金屬間化合物層厚度隨著退火溫度與時間的增加而逐漸上升，元素擴散方式為體積擴散。三層化合物分別為Al2Cu，AlCu和 Al4Cu9。

2.在300℃下退火2 h，軋制薄板獲得較為優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強度，屈服強度和伸長率分別為305 MPa，225 MPa和16%。當(dāng)復(fù)合薄板在400℃退火2 h時，剪切強度達到最大值117 MPa。

3.復(fù)合薄板的電導(dǎo)率受退火時間的影響較大。退火時間增大，電導(dǎo)率先升高后顯著降低，薄板在350℃退火4 h后獲得最高電導(dǎo)率96.4%IACS。