工程科学学报.第42卷.第2期：216-224.2020年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.2:216-224,February 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.005;http://cje.ustb.edu.cn 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 王珺”，雷宇，刘新华)四，解国良)，江燕青)，张帅 1)北京科技大学新材料技术研究院材料先进制备技术教育部重点实验室，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北 京100083 ☒通信作者，E-mail:Liuxinhual8@163.com 摘要提出了一种可以制备冶金结合界面双金属复合板带的水平连铸复合成形新工艺，其具有短流程、高效的特点.采用 该工艺制备了截面尺寸为70mm×24mm(宽度×厚度)的铜铝复合板，获得了可行的制备参数，研究了所制备板坯的组织形貌 和性能.结果表明，铜铝复合板制备成形过程中，会形成由金属间化合物和共晶相组成的复合界面层.铝液和铜板表面接触 发生固液转变形成（Ⅱ）层：0相.随着铜原子不断的向铝液中扩散，当铜原子含量达到一定程度，0相发生固相转变形成(I)层： Y相.达到共品温度时，发生共品转变形成()层：α+0共晶组织.其中I层和Ⅱ层均为铜铝金属间化合物.是裂纹产生和扩展 的主要区域，因此界面层厚度是决定结合强度的重要因素.通过调整工艺参数可以优化凝固过程中铜铝复合板内的温度场 分布，进而控制复合界面层的形成过程，因此工艺参数之间的合理匹配是改善复合层组织结构和增大板坯结合强度的关键. 关键词水平连铸复合：铜铝双金属复合板：工艺参数：组织结构：结合强度 分类号TG249.7 Microstructure and properties of Cu-Al-laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite WANG Jun,LEI Yu,LIU Xin-hua,XIE Guo-liang,JIANG Yan-qing,ZHANG Shuai) 1)Key Laboratory for Advanced Materials Processing,Ministry of Education,Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:Liuxinhual8@163.com ABSTRACT With the advantages of both Cu and Al,including high conductivity,good corrosion resistance,low density,and easy connectivity,Cu-Al-laminated composites become a substitute for copper plates which can be applied widely in the fields of telecommunication,the petrochemical industry,transportation,decorative buildings,and the aerospace,national defense,and military industries.Cu-Al-laminated composites can be prepared via various methods,such as the explosive combined method,rolling combined method,and cast-rolling combined method.However,all these methods are limited because of the complicated metal surface treatment which poses a restriction on the development of this kind of plate.To resolve this issue,a new process of horizontal continuous casting composite forming(HCCF)for bimetal composite plates with an interface of metallurgical bonding,which is regarded as a short and more efficient process,was presented in this paper.Cu-Al composite plates with a section size of 70 mm x 24 mm (width x thickness) were fabricated,whose feasible preparation parameters were further studied,along with the investigation of the microstructure and properties of the composite plate.The results show that consisting of intermetallic compounds and eutectic phase,an interfacial layer is formed during the preparation and formation of the Cu-Al composite plate.Layer II of is formed viaa solid-liquid transition during 收稿日期：2019-07-08 基金项目：国家高技术发展研究计划(863计划)资助项目(2013AA030706);中央高校基本科研资助项目(FRF-TP.18-016B1)
水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 王 珺1)，雷 宇1)，刘新华1) 苣，解国良2)，江燕青1)，张 帅1) 1) 北京科技大学新材料技术研究院材料先进制备技术教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北 京 100083 苣通信作者，E-mail：Liuxinhua18@163.com 摘 要 提出了一种可以制备冶金结合界面双金属复合板带的水平连铸复合成形新工艺，其具有短流程、高效的特点. 采用 该工艺制备了截面尺寸为 70 mm×24 mm（宽度×厚度）的铜铝复合板，获得了可行的制备参数，研究了所制备板坯的组织形貌 和性能. 结果表明，铜铝复合板制备成形过程中，会形成由金属间化合物和共晶相组成的复合界面层. 铝液和铜板表面接触， 发生固液转变形成（II）层：θ 相. 随着铜原子不断的向铝液中扩散，当铜原子含量达到一定程度，θ 相发生固相转变形成（I）层： γ 相. 达到共晶温度时，发生共晶转变形成（III）层：α+θ 共晶组织. 其中 I 层和 II 层均为铜铝金属间化合物，是裂纹产生和扩展 的主要区域，因此界面层厚度是决定结合强度的重要因素. 通过调整工艺参数可以优化凝固过程中铜铝复合板内的温度场 分布，进而控制复合界面层的形成过程，因此工艺参数之间的合理匹配是改善复合层组织结构和增大板坯结合强度的关键. 关键词 水平连铸复合；铜铝双金属复合板；工艺参数；组织结构；结合强度 分类号 TG249.7 Microstructure and properties of Cu–Al-laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite WANG Jun1) ，LEI Yu1) ，LIU Xin-hua1) 苣 ，XIE Guo-liang2) ，JIANG Yan-qing1) ，ZHANG Shuai1) 1) Key Laboratory for Advanced Materials Processing, Ministry of Education, Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: Liuxinhua18@163.com ABSTRACT With the advantages of both Cu and Al, including high conductivity, good corrosion resistance, low density, and easy connectivity, Cu –Al-laminated composites become a substitute for copper plates which can be applied widely in the fields of telecommunication, the petrochemical industry, transportation, decorative buildings, and the aerospace, national defense, and military industries. Cu–Al-laminated composites can be prepared via various methods, such as the explosive combined method, rolling combined method, and cast-rolling combined method. However, all these methods are limited because of the complicated metal surface treatment which poses a restriction on the development of this kind of plate. To resolve this issue, a new process of horizontal continuous casting composite forming (HCCF) for bimetal composite plates with an interface of metallurgical bonding, which is regarded as a short and more efficient process, was presented in this paper. Cu–Al composite plates with a section size of 70 mm × 24 mm (width × thickness) were fabricated, whose feasible preparation parameters were further studied, along with the investigation of the microstructure and properties of the composite plate. The results show that consisting of intermetallic compounds and eutectic phase, an interfacial layer is formed during the preparation and formation of the Cu–Al composite plate. Layer II of θ is formed via a solid–liquid transition during 收稿日期: 2019−07−08 基金项目: 国家高技术发展研究计划（863 计划）资助项目（2013AA030706）；中央高校基本科研资助项目（FRF-TP-18-016B1） 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期：216−224，2020 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 2: 216−224, February 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.005; http://cje.ustb.edu.cn
王珺等：水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 217. the solidification of liquid Al on the solid Cu plate.With the Cu atoms continuously diffusing into the Al liquid,layer I ofy is formed via a solid-solid transition with a certain content of Cu atoms,while layer IlI of a+0 is formed via eutectic transformation under the eutectic temperature.Making of Cu-Al intermetallic compounds,Layer I and layer II are the main areas of crack generation and expansion,thus,the thickness of the interface layer plays an important role that can control bonding strength.The temperature distribution of the composite Cu-Al plate during solidification is optimized by adjusting the parameters and controlling the formation of the composite layer.Therefore,a reasonable matching of the process parameters is the key to improving the microstructure of the composite layer and increasing the bond strength of the clad plate. KEY WORDS horizontal continuous casting:Cu-Al composite plate;process parameters;microstructure;bonding strength 铜铝双金属复合板带兼备铜和铝的优点，具 究的问题 有导电性较高、耐蚀性较好、密度较低和容易连 本文提出了一种可实现铜铝双金属复合板带 接等特点，可代替纯铜板带广泛用于电子通讯、石 水平连铸复合成形的工艺方法，设计了复合装置， 油化工、交通运输、装饰建材、航天航空以及国防 并以宽度为70mm、厚度为24mm、铜铝厚度比为 军工等各个领域- 1:3的铜铝复合板材为对象，开展了制备实验研 铜铝双金属复合板带的制备方法很多，如爆炸 究，对铜铝双金属复合板带复合界面层显微结构 复合法5-刀、轧制复合法⑧-0、挤压-轧制复合法-) 和性能及工艺参数对复合界面层形成过程的影响 和铸轧复合法4等，但是这些方法均存在工艺流 进行了研究 程长，生产成本高，环境负担大和成材率低等问题 1实验方法 双金属水平连铸直接复合法(horizontal core- filling continuous casting,HCFC)是谢建新u,吴永 1.1工艺原理 福等1)，Su等1开发的制备铜包铝双金属复合材 铜铝双金属复合板的水平连铸复合成形新工 料的新工艺，具有工艺流程短、生产效率高及复合 艺原理如图1所示，其工艺原理如下：铜液和铝液 界面可达到治金结合等优点，已成功应用于铜包 分别进行加热和保温，对热型模具采用感应加热， 铝包覆型复合材料的生产，为三明治结构铜铝层 当温度达到预定温度后，通过牵引装置对铜板进 状双金属复合材料的制备提供了新的思路.但是 行引铸，先铸造出铜板带，然后对铝液进行放流， 由于两类双金属复合材料的结构不同，如何通过 在结晶器冷却作用下，使铝液凝固在铜基板上.铜 复合装置的设计控制三明治结构铜铝层状双金属 板和铝液在铸型中直接复合，减小了空气的影响， 复合材料的凝固与复合过程是需要进一步深入研 从而达到冶金结合， 塞棒 铝坩埚 铝液 结品器 铜坩埚 热型模具 牵引机 (o 热电偶 铜铝复合板 热电偶 加热线圈 铜液 感应加热区 图1水平连铸复合成形示意图 Fig.I Sketch of compound forming of horizontal continuous casting 12铜铝双金属复合板材的制备 (Cu厚6mm,A1厚18mm),以含铜量（质量分数）为 采用水平连铸复合成形新工艺制备出截面尺 99.95%的纯铜（标准阴极铜）和含铝量（质量分数） 寸为70mm×24mm(宽度×厚度)的铜铝复合板 为99.6%的工业纯铝1060为原料.铜铸造温度为
the solidification of liquid Al on the solid Cu plate. With the Cu atoms continuously diffusing into the Al liquid, layer I of γ is formed via a solid –solid transition with a certain content of Cu atoms, while layer III of α + θ is formed via eutectic transformation under the eutectic temperature. Making of Cu –Al intermetallic compounds, Layer I and layer II are the main areas of crack generation and expansion, thus, the thickness of the interface layer plays an important role that can control bonding strength. The temperature distribution of the composite Cu–Al plate during solidification is optimized by adjusting the parameters and controlling the formation of the composite layer. Therefore, a reasonable matching of the process parameters is the key to improving the microstructure of the composite layer and increasing the bond strength of the clad plate. KEY WORDS horizontal continuous casting；Cu–Al composite plate；process parameters；microstructure；bonding strength 铜铝双金属复合板带兼备铜和铝的优点，具 有导电性较高、耐蚀性较好、密度较低和容易连 接等特点，可代替纯铜板带广泛用于电子通讯、石 油化工、交通运输、装饰建材、航天航空以及国防 军工等各个领域[1−4] . 铜铝双金属复合板带的制备方法很多，如爆炸 复合法[5−7]、轧制复合法[8−10]、挤压–轧制复合法[11−13] 和铸轧复合法[14−15] 等，但是这些方法均存在工艺流 程长，生产成本高，环境负担大和成材率低等问题. 双金属水平连铸直接复合法（horizontal corefilling continuous casting, HCFC）是谢建新[16] ，吴永 福等[17] ，Su 等[18] 开发的制备铜包铝双金属复合材 料的新工艺，具有工艺流程短、生产效率高及复合 界面可达到冶金结合等优点，已成功应用于铜包 铝包覆型复合材料的生产，为三明治结构铜铝层 状双金属复合材料的制备提供了新的思路. 但是 由于两类双金属复合材料的结构不同，如何通过 复合装置的设计控制三明治结构铜铝层状双金属 复合材料的凝固与复合过程是需要进一步深入研 究的问题. 本文提出了一种可实现铜铝双金属复合板带 水平连铸复合成形的工艺方法，设计了复合装置， 并以宽度为 70 mm、厚度为 24 mm、铜铝厚度比为 1:3 的铜铝复合板材为对象，开展了制备实验研 究，对铜铝双金属复合板带复合界面层显微结构 和性能及工艺参数对复合界面层形成过程的影响 进行了研究. 1 实验方法 1.1 工艺原理 铜铝双金属复合板的水平连铸复合成形新工 艺原理如图 1 所示，其工艺原理如下：铜液和铝液 分别进行加热和保温，对热型模具采用感应加热， 当温度达到预定温度后，通过牵引装置对铜板进 行引铸，先铸造出铜板带，然后对铝液进行放流， 在结晶器冷却作用下，使铝液凝固在铜基板上. 铜 板和铝液在铸型中直接复合，减小了空气的影响， 从而达到冶金结合. 1.2 铜铝双金属复合板材的制备 采用水平连铸复合成形新工艺制备出截面尺 寸为 70 mm × 24 mm（宽度×厚度）的铜铝复合板 （Cu 厚 6 mm，Al 厚 18 mm），以含铜量（质量分数）为 99.95% 的纯铜（标准阴极铜）和含铝量（质量分数） 为 99.6% 的工业纯铝 1060 为原料. 铜铸造温度为 牵引机 结晶器 铜铝复合板 加热线圈 热电偶 铜液 铜坩埚 感应加热区 热型模具 铝液 铝坩埚 塞棒 热电偶 图 1 水平连铸复合成形示意图 Fig.1 Sketch of compound forming of horizontal continuous casting 王 珺等： 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 · 217 ·
218 工程科学学报，第42卷，第2期 1250℃，铝铸造温度为780℃，铝液芯管长度为20mm, 铝液导流管长度20mm、拉坯速率60 mm:min和 通过改变拉坯速率(40、60、80和100 mm:min)和 -次冷却水流量1000Lh. 一次冷却水流量(800和1000Lh)研究工艺参数 对铜铝复合板坯复合界面层进行微观结构观 对铜铝双金属复合板带复合界面层组织和性能的 察和能谱分析，结果如图4所示.可以看出，复合 影响 板坯存在一个Cu、Al元素相对稳定的复合界面 1.3测试分析方法 层，厚度约为100m.从图4(a)和(b)可以看出， 采用线切割在制备的铜铝双金属复合板上取 复合界面层由两种金属间化合物和共晶组织组成. 10mm×10mm×20mm试样，经砂纸磨光、机械 表1为图4中各点的能谱分析结果.能谱的 抛光后采用ZEISS EVO18扫描电镜观察复合层结 点扫结果表明，从铜侧到铝侧的复合界面层中铜 构形貌，测量复合界面层厚度.采用BRUKER 铝原子的比例可以分为三种：wCu:wA=9:4、 QUANTAX EDS能谱分析复合界面层及附近区域 WCu:WA1:2和wCu:wAF1:4.再结合铜铝二元 内Cu和Al元素的分布规律.采用XD-1000T硬度 相图和复合界面层的显微结构可以初步判断从铜 仪分析复合界面层和Cu、Al基体的显微硬度.采 层一侧到铝层一侧，复合界面层可分为三个亚层， 用拉剪测试的方法测定铜铝复合板的结合强度， 依次为1：Y相(Cu,A4)层、L:0相(CuAl2)层和IⅢ： 参照《GB/T30586一2014连铸轧制铜包铝扁棒、 a+0相(a-A+CuAl2)层，I层和Ⅱ层均为铜铝金 扁线》在10kN万能试验机上对试样做拉剪测试， 属间化合物，Ⅲ层为共晶组织. 拉剪实验过程如图2所示.采用ZEISS EVO18扫 对拉剪试样的剪切面做X射线衍射分析 描电镜和日本理学D/max-RBI2kW旋转阳极 (XRD),分析结果如图5所示.图中1#、2#试样为 X射线衍射仪分析板坯断口处结构形貌和物相组 铜铸造温度1250℃、铝液保温温度780℃、铝液 成.并在200、250和300℃下对板坯进行轧制变 导流管长度20mm、一次冷却水流量为1000L-h、 形，研究板坯的热加工性能 拉坯速度分别为40 mm:min1和60 mm-min时制 备的铜铝复合板坯，X射线衍射结果表明复合界 载荷 载荷 面层中存在日相和Y相，与能谱分析结果吻合 图6为1#剪切试样的断面背散射照片，图中 图2拉剪实验示意图 亮区富铜，暗区富铝.根据表2的能谱点扫分析结 Fig.2 Sketch of the shearing experiment 果表明亮区物相为Y相，暗区物相为0相，与X射 2实验结果 线检测结果相吻合 根据上述分析结果，可以判定铜铝双金属复 2.1铜铝复合板界面形貌与物相分析 合板坯中存在由I:Y相(CugAI4)层、：0相(CuAl2) 采用水平连铸复合成形技术制备的铜铝双金 层和Ⅲ：+0相(a-A1+CuAl2)层组成的稳定复合界 属复合板材的横截面如图3所示.其具体工艺参 面层，I层和Ⅱ层为铜铝金属间化合物，Ⅲ层为共 数为：铜铸造温度1250℃、铝液保温温度780℃、 晶组织. 2.2工艺参数对板坯组织和性能的影响 2.2.1对复合层组织的影响 当其他工艺参数不变时，改变拉坯速度对复 200um 合界面层厚度的影响如图7(a)所示.从图中可以 看出，当拉坯速度由40 mm:min提升到100 mm:min 时，复合界面层总厚度、0相层厚度和Y相层厚度 先减小后增大.拉坯速度为60 mm:min时复合界 面层总厚度、日相层厚度和γ相层厚度最小，分别 为107、8和3.5m. 图3采用水平连铸复合成形技术制备的铜铝复合板坯宏观照片，规 当其他工艺参数不变时，改变一次冷却水流 格：70mm×24mm(宽度×厚度) 量对复合界面层厚度的影响如图7(b)所示.从图 Fig.3 Macroscopic photographs of the Cu-Al composite plate prepared 中可以看出随着一次冷却水流量的增加，复合界 via HCCF,size of the section:70 mm x 24 mm (width x thickness) 面层总厚度、θ相层厚度和Y相层厚度减小
1250 ℃，铝铸造温度为780 ℃，铝液芯管长度为20 mm， 通过改变拉坯速率（40、60、80 和 100 mm·min−1）和 一次冷却水流量（800 和 1000 L·h−1）研究工艺参数 对铜铝双金属复合板带复合界面层组织和性能的 影响. 1.3 测试分析方法 采用线切割在制备的铜铝双金属复合板上取 10 mm×10 mm×20 mm 试样 ，经砂纸磨光 、机械 抛光后采用 ZEISS EVO 18 扫描电镜观察复合层结 构形貌 ，测量复合界面层厚度 . 采 用 BRUKER QUANTAX EDS 能谱分析复合界面层及附近区域 内 Cu 和 Al 元素的分布规律. 采用 XD-1000T 硬度 仪分析复合界面层和 Cu、Al 基体的显微硬度. 采 用拉剪测试的方法测定铜铝复合板的结合强度， 参照《GB/T30586—2014 连铸轧制铜包铝扁棒、 扁线》在 10 kN 万能试验机上对试样做拉剪测试， 拉剪实验过程如图 2 所示. 采用 ZEISS EVO 18 扫 描电镜和日本理学 D/max−RB12 kW 旋转阳 极 X 射线衍射仪分析板坯断口处结构形貌和物相组 成. 并在 200、250 和 300 ℃ 下对板坯进行轧制变 形，研究板坯的热加工性能. 2 实验结果 2.1 铜铝复合板界面形貌与物相分析 采用水平连铸复合成形技术制备的铜铝双金 属复合板材的横截面如图 3 所示. 其具体工艺参 数为：铜铸造温度 1250 ℃、铝液保温温度 780 ℃、 铝液导流管长度 20 mm、拉坯速率 60 mm·min−1 和 一次冷却水流量 1000 L·h−1 . 对铜铝复合板坯复合界面层进行微观结构观 察和能谱分析，结果如图 4 所示. 可以看出，复合 板坯存在一个 Cu、Al 元素相对稳定的复合界面 层，厚度约为 100 μm. 从图 4（a）和（b）可以看出， 复合界面层由两种金属间化合物和共晶组织组成. 表 1 为图 4 中各点的能谱分析结果. 能谱的 点扫结果表明，从铜侧到铝侧的复合界面层中铜 铝 原 子 的 比 例 可 以 分 为 三 种 ： wCu∶wAl=9∶4、 wCu∶wAl=1∶2 和 wCu∶wAl=1∶4. 再结合铜铝二元 相图和复合界面层的显微结构可以初步判断从铜 层一侧到铝层一侧，复合界面层可分为三个亚层， 依次为 I：γ 相（Cu9Al4）层、II：θ 相（CuAl2）层和 III： α+θ 相（α-Al+CuAl2）层[19] . I 层和 II 层均为铜铝金 属间化合物，III 层为共晶组织. 对拉剪试样的剪切面 做 X 射线衍射分析 （XRD），分析结果如图 5 所示. 图中 1#、2#试样为 铜铸造温度 1250 ℃、铝液保温温度 780 ℃、铝液 导流管长度 20 mm、一次冷却水流量为 1000 L·h−1、 拉坯速度分别为 40 mm·min−1 和 60 mm·min−1 时制 备的铜铝复合板坯. X 射线衍射结果表明复合界 面层中存在 θ 相和 γ 相，与能谱分析结果吻合. 图 6 为 1#剪切试样的断面背散射照片，图中 亮区富铜，暗区富铝. 根据表 2 的能谱点扫分析结 果表明亮区物相为 γ 相，暗区物相为 θ 相，与 X 射 线检测结果相吻合. 根据上述分析结果，可以判定铜铝双金属复 合板坯中存在由 I：γ 相（Cu9Al4）层、II：θ 相（CuAl2） 层和 III：α+θ 相（α-Al+CuAl2）层组成的稳定复合界 面层，I 层和 II 层为铜铝金属间化合物，III 层为共 晶组织. 2.2 工艺参数对板坯组织和性能的影响 2.2.1 对复合层组织的影响 当其他工艺参数不变时，改变拉坯速度对复 合界面层厚度的影响如图 7（a）所示. 从图中可以 看出，当拉坯速度由40 mm·min−1 提升到100 mm·min−1 时，复合界面层总厚度、θ 相层厚度和 γ 相层厚度 先减小后增大. 拉坯速度为 60 mm·min−1 时复合界 面层总厚度、θ 相层厚度和 γ 相层厚度最小，分别 为 107、8 和 3.5 μm. 当其他工艺参数不变时，改变一次冷却水流 量对复合界面层厚度的影响如图 7（b）所示. 从图 中可以看出随着一次冷却水流量的增加，复合界 面层总厚度、θ 相层厚度和 γ 相层厚度减小. 载荷 载荷 图 2 拉剪实验示意图 Fig.2 Sketch of the shearing experiment 200 μm 图 3 采用水平连铸复合成形技术制备的铜铝复合板坯宏观照片, 规 格：70 mm×24 mm（宽度×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) · 218 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期
王珺等：水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 219 (a) (b) 亚复合层 Cu层 AI层 复合层 10m 100(c) 100 (d) 二& w/hk 30 40 80120 160 200 12 距离/m 距离/μm 图4铜铝复合板复合界面的显微结果和元素分布.(a)界面组织结构：(b)图(a)中框图放大图：(c)AB能谱线扫描分析结构：(d)CD能谱线扫 描分析结果 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图4中各点的能谐成分分析结果 Table 1 EDS component analysis of the points in Fig.4 编号 Cu原子数分数/% AI原子数分数/% 相种类 编号 Cu原子数分数/% A1原子数分数/% 相种类 74.38 25.62 Y 14.41 85.59 a+0 31.60 68.40 6 16.85 83.15 a+0 3 34.03 65.97 7 19.40 80.60 a+0 4 20.37 79.63 a+0 16.33 83.67 a+6 2.2.2对板坯结合强度的影响 显微硬度从铜侧到铝侧先增大后减小.铜基体的 当其他工艺参数不变时，改变拉坯速度对板 显微硬度在60HV左右，(I+Ⅱ)复合层显微硬度值 坯结合强度的影响如图8(a)所示.从图中可以看 在300HV以上，局部高达593.4HV.IⅢ复合层显 出随着拉坯速率的增加，板坯的结合强度先增大 微硬度值在200HV左右；铝基体区的显微硬度值 后减小.当拉坯速率为60 mm:min时，板坯的结 在30HV以下.此外，在(1+I)复合层的压痕周边 合强度达到最大值，为12.3MPa 可见清晰的裂纹，而在铜和铝基体区以及靠近铝 当其他工艺参数不变时，改变一次冷却水流 侧的Ⅲ复合层上的压痕均没有明显的裂纹 量对板坯结合强度的影响如图8(b)所示.从图中 2.4复合板带的加工性能 可以看出，随着一次冷却水流量的增加，板坯的结 对铜铝复合板坯进行轧制，检验板坯的加工 合强度增大 性能.不同轧制温度下铜铝复合板坯轧后的表面 2.3铜铝复合板的显微硬度 形貌如图10所示 图9为铜铝复合板坯各层金属以及界面附近 从图中可以看出，三种轧制温度下铜铝复合 区域的显微硬度.从图中可以看出，复合界面层的 板的轧后表面良好，均未出现铜铝分离或表面漏
2.2.2 对板坯结合强度的影响 当其他工艺参数不变时，改变拉坯速度对板 坯结合强度的影响如图 8（a）所示. 从图中可以看 出随着拉坯速率的增加，板坯的结合强度先增大 后减小. 当拉坯速率为 60 mm·min−1 时，板坯的结 合强度达到最大值，为 12.3 MPa. 当其他工艺参数不变时，改变一次冷却水流 量对板坯结合强度的影响如图 8（b）所示. 从图中 可以看出，随着一次冷却水流量的增加，板坯的结 合强度增大. 2.3 铜铝复合板的显微硬度 图 9 为铜铝复合板坯各层金属以及界面附近 区域的显微硬度. 从图中可以看出，复合界面层的 显微硬度从铜侧到铝侧先增大后减小. 铜基体的 显微硬度在 60 HV 左右，（I+II）复合层显微硬度值 在 300 HV 以上，局部高达 593.4 HV. III 复合层显 微硬度值在 200 HV 左右；铝基体区的显微硬度值 在 30 HV 以下. 此外，在（I+II）复合层的压痕周边 可见清晰的裂纹，而在铜和铝基体区以及靠近铝 侧的 III 复合层上的压痕均没有明显的裂纹. 2.4 复合板带的加工性能 对铜铝复合板坯进行轧制，检验板坯的加工 性能. 不同轧制温度下铜铝复合板坯轧后的表面 形貌如图 10 所示. 从图中可以看出，三种轧制温度下铜铝复合 板的轧后表面良好，均未出现铜铝分离或表面漏 5 6 1 2 3 4 7 8 10 μm Ⅰ Ⅱ Ⅲ 复合层 Cu 层 Al 层 亚复合层 (a) (b) A B C D (c) (d) Al Cu Al Cu 质量分数/% 100 80 60 40 20 0 质量分数/% 100 80 60 40 20 0 0 40 80 120 160 200 0 4 8 12 距离/μm 距离/μm 图 4 铜铝复合板复合界面的显微结果和元素分布. （a） 界面组织结构；（b） 图（a）中框图放大图；（c） AB 能谱线扫描分析结构；（d） CD 能谱线扫 描分析结果 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 图 4 中各点的能谱成分分析结果 Table 1 EDS component analysis of the points in Fig. 4 编号 Cu原子数分数/% Al原子数分数/% 相种类 编号 Cu原子数分数/% Al原子数分数/% 相种类 1 74.38 25.62 γ 5 14.41 85.59 α + θ 2 31.60 68.40 θ 6 16.85 83.15 α + θ 3 34.03 65.97 θ 7 19.40 80.60 α + θ 4 20.37 79.63 α + θ 8 16.33 83.67 α + θ 王 珺等： 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 · 219 ·
220 工程科学学报，第42卷，第2期 0-Y 2000 (a) 2000 (b) ●-6 岂1500 1500 1000 1000 500 500 20 40 60 20 40 60 80 2M) 2M) (d) 2000 (c) ●-0 2000 1500 1500 1000 500 500 20 % 60 80 0 40 60 80 28队) 2 图5铜铝复合板坯拉剪断裂面的X射线衍射图谐.(）1#试样铜侧断面：(b)1#试样铝侧断面：(c)2#试样铜侧断面：(d)2#试样铝侧断面 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 (a)钢侧断面 b)铝侧断面 20m 图6铜铝复合板坯拉剪断裂面的BSD图 Fig.6 BSD diagram of the tension-shear fracture of the surface of the Cu-Al composite plate 表2图6中各点的能谱成分分析结果 3分析与讨论 Table 2 EDS component analysis of the points in Fig.6 3.1铜铝复合板带断裂机制 编号Cu原子数分数/% A1原子数分数/% 铜铝原子比 从图5、6中可以看出，当铜铝复合板受力发 61.98 38.02 9:4 生断裂时，裂纹主要在(I)层和()层中形成和扩 2 31.27 68.73 1:2 展.这是由于日相和γy相是铜铝复合板成形过程 3 67.01 32.99 9:4 中铜铝原子发生反应形成的金属间化合物，这两 4 33.32 66.68 1:2 种金属间化合物的强度很高，但是几乎没有塑性， 铝等现象，说明当工艺参数为：铜铸造温度为1250℃、 热膨胀系数也和两种基体金属差异较大.所以在 铝液保温温度780℃、铝液导流管长度20mm、拉 受力变形时，0相和Y相很容易发生破裂，导致铜 坯速度60 mm:min和一次冷却水流量为1000Lh 铝复合板发生断裂0.图11为不同拉坯速率下对 时制备的铜铝双金属复合板材的后续加工性能良好 复合层厚度与剥离强度的关系，从图中可以看出
铝等现象，说明当工艺参数为：铜铸造温度为 1250 ℃、 铝液保温温度 780 ℃、铝液导流管长度 20 mm、拉 坯速度 60 mm·min−1 和一次冷却水流量为 1000 L·h−1 时制备的铜铝双金属复合板材的后续加工性能良好. 3 分析与讨论 3.1 铜铝复合板带断裂机制 从图 5、6 中可以看出，当铜铝复合板受力发 生断裂时，裂纹主要在（I）层和（II）层中形成和扩 展. 这是由于 θ 相和 γ 相是铜铝复合板成形过程 中铜铝原子发生反应形成的金属间化合物，这两 种金属间化合物的强度很高，但是几乎没有塑性， 热膨胀系数也和两种基体金属差异较大. 所以在 受力变形时，θ 相和 γ 相很容易发生破裂，导致铜 铝复合板发生断裂[20] . 图 11 为不同拉坯速率下对 复合层厚度与剥离强度的关系，从图中可以看出， θ θ γ θ (a) (b) θ (c) (d) 相对强度 2000 1500 1000 500 20 40 60 80 2θ/(°) 相对强度 2000 1500 1000 500 20 40 60 80 2θ/(°) 相对强度 2000 1500 1000 500 20 40 60 80 2θ/(°) 相对强度 2000 1500 1000 500 20 40 60 80 2θ/(°) 图 5 铜铝复合板坯拉剪断裂面的 X 射线衍射图谱. （a） 1#试样铜侧断面；（b） 1#试样铝侧断面；（c） 2#试样铜侧断面；（d） 2#试样铝侧断面 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 20 μm 20 μm (a) 铜侧断面 1 2 3 4 裂纹 裂纹 (b) 铝侧断面 图 6 铜铝复合板坯拉剪断裂面的 BSD 图 Fig.6 BSD diagram of the tension–shear fracture of the surface of the Cu–Al composite plate 表 2 图 6 中各点的能谱成分分析结果 Table 2 EDS component analysis of the points in Fig. 6 编号 Cu原子数分数/% Al原子数分数/% 铜铝原子比 1 61.98 38.02 9∶4 2 31.27 68.73 1∶2 3 67.01 32.99 9∶4 4 33.32 66.68 1∶2 · 220 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期
王珺等：水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 221· 800(a) 总厚度 758 (b) 总厚度 ☐6相层厚度 523 ☐θ相层厚度 ]Y相层厚度 500 ■Y相层厚度 600 400 467 400 400 300 200 200 107 107 100 3038 83.5 48 2618 P3.6 83.8 40 60 80 100 80 1000 拉坯速度/(mm-min-) 一次冷却水流量Lh-) 图7工艺参数对铜铝复合板坯复合界面层厚度的影响 Fig.7 Effect of the technological parameters on the interfacial thickness of the Cu-Al composite plate 14 14 (a) 12.3 (b) 12.3 12 12 10 9.8 10 93 8.4 8.6 6 6 4 40 60 80 100 800 1000 拉坯速度/(mm'min) 一次冷却水流量Lh-) 图8工艺参数对铜铝复合板坯界面结合强度的影响 Fig.8 Effect of the technological parameters on the interfacial bonding strength of the Cu-Al composite plate (a) ◆61.9 裂纹 裂纹 3115 (b) 619 420.4 311.5 74205 ◆184.7 ◆183.1 184.7 557.1 ●440 186.4 0593.4 25.4 ◆202 单位：HV 100m 50 um 图9铜铝复合板坯界面显微硬度.(a)低倍，(b)高倍 Fig.9 Interface microhardness of the Cu-Al composite plate:(a)low magnification;(b)high magnification 复合层厚度越大，铜铝复合板的结合强度越小 分析，结合水平连铸复合成形过程中固液相变和 综上所述，界面结合强度主要由金属间化合 固相转变过程分析，能够揭示复合界面层中金属 物的厚度控制.优化和控制复合界面层的厚度，尤 间化合物相和共晶相的形成机制，进而优化制备 其减小(I)层和（Ⅱ）层的厚度是提高铜铝复合板结 工艺参数，实现对复合界面层厚度的精确控制.根 合强度的关键因素之一 据复合界面层的组织结构、铜铝原子的分布规律， 3.2复合层形成过程 认为复合界面层形成过程分三个阶段，分别为固液 根据铜铝复合板复合界面层微观结构和物相 转变、固相转变和共晶转变，具体过程如图12所示
复合层厚度越大，铜铝复合板的结合强度越小. 综上所述，界面结合强度主要由金属间化合 物的厚度控制. 优化和控制复合界面层的厚度，尤 其减小（I）层和（II）层的厚度是提高铜铝复合板结 合强度的关键因素之一. 3.2 复合层形成过程 根据铜铝复合板复合界面层微观结构和物相 分析，结合水平连铸复合成形过程中固液相变和 固相转变过程分析，能够揭示复合界面层中金属 间化合物相和共晶相的形成机制，进而优化制备 工艺参数，实现对复合界面层厚度的精确控制. 根 据复合界面层的组织结构、铜铝原子的分布规律， 认为复合界面层形成过程分三个阶段，分别为固液 转变、固相转变和共晶转变，具体过程如图 12 所示. 800 1000 100 200 300 400 500 0 复合层厚度/μm 一次冷却水流量/(L·h−1) 总厚度 θ相层厚度 γ相层厚度 总厚度 θ相层厚度 γ相层厚度 523 32 3.6 107 8 3.8 40 60 80 100 0 200 400 600 800 复合层厚度/μm 拉坯速度/(mm·min−1) 400 30 3.8 107 8 3.5 467 24 8 758 26 18 (a) (b) 图 7 工艺参数对铜铝复合板坯复合界面层厚度的影响 Fig.7 Effect of the technological parameters on the interfacial thickness of the Cu–Al composite plate 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 剥离强度/MPa 拉坯速度/(mm·min−1) 8.4 12.3 9.8 8.6 800 1000 0 2 4 6 8 10 12 14 剥离强度/MPa 一次冷却水流量/(L·h−1) 9.3 12.3 (a) (b) 图 8 工艺参数对铜铝复合板坯界面结合强度的影响 Fig.8 Effect of the technological parameters on the interfacial bonding strength of the Cu–Al composite plate (a) (b) 25.4 186.4 183.1 184.7 184.7 311.5 311.5 420.5 420.4 61.9 557.1 61.9 440 593.4 202 100 μm 50 μm 单位：HV 裂纹 裂纹 图 9 铜铝复合板坯界面显微硬度. （a） 低倍; （b） 高倍 Fig.9 Interface microhardness of the Cu–Al composite plate: (a) low magnification; (b) high magnification 王 珺等： 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 · 221 ·
222 工程科学学报，第42卷，第2期 (b) (c) 40 mm dmonion 图10不同轧制温度铜铝复合板坯轧制后表面形貌.(a)200℃：(b)250℃：(c)300℃ Fig.10 Surface morphologies of Cu-Al composite plates rolled at different rolling temperatures:(a)200 C;(b)250 C;(c)300 C 14 800 成具有胞状组织结构的日相复合层.此时铜板表 ☐复合层厚度12.3 758.2 剥离强度 面的铜原子仍然向复合层中扩散，但是在复合层 三600 10 底部已经形成了稳定的0相，阻碍了铜原子的扩 8.6 467.9 散，导致铜原子在复合层底部富集.当铜原子的含 400 400.2 6 量达到一定程度时，复合层底部先形成的日相发 4 生固相转变，形成Y相并以y,的速度向日相中生 200 107.1 2 长，如图12(b)所示.当含有铜原子的铝液相层的 0 温度降到共品温度548℃时，发生共品转变形成 40 60. 80 100 拉坯速率/(mm'min) α+0相，最后温度降到室温，在铜铝复合板中形成 由+0共晶组织、日相和y相组成的复合层，如 图11不同拉坯速率下复合层和结合强度的关系 Fig.11 Relation between composite layer and bonding strength at 图12(c)所示 different drawing rates 综上所述，在铜铝复合板凝固过程中，铝液和 铜板表面接触，发生固液转变形成日相并阻碍铜 复合连铸开始阶段，铝液和已凝固的铜板表 原子的扩散，使铜原子在复合层底部富集，当铜原 面接触时，接触面上的铜原子以'u的速度迅速溶 子的含量达到一定程度时，复合层底部先形成的 解、扩散到铝液中形成含有铜原子的铝液相层，并 0相发生固相转变形成γ相，最后当含有铜原子的 在铜板表面发生固液转变形成0相核心，如图12(a) 铝液相层的温度降到共晶温度548℃时，发生共 所示.随着连铸过程的进行，复合板进入结晶器 晶转变形成a+0相921-22 中，由于结晶器的强烈冷却作用，在复合层内形成 3.3工艺参数对复合层形成过程的影响机制 较大的温度梯度，日相在较短的时间内形成稳定的 由复合界面层的形成过程可知，日相和y相的 固液界面并沿热流的反方向以的速度生长，形 形成和长大主要受复合界面层的凝固速率和凝固 (b) A(固相 A(固相+液相) 1(液相 :a+0(固相) Cu扩散区（液相 Cu扩散区（液相） 0(固相 长0 1=0(固相)》 :0固相) Y(固相V 1:y(固相) Cu(固桶 Cu(固相) Cu(固相 传热方向 传热方向 传热方向 时间 图12复合层形成过程示意图.(a)固液转变阶段：(b)固相转变阶段：(c)共晶转变阶段 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
复合连铸开始阶段，铝液和已凝固的铜板表 面接触时，接触面上的铜原子以 vcu 的速度迅速溶 解、扩散到铝液中形成含有铜原子的铝液相层，并 在铜板表面发生固液转变形成 θ 相核心，如图 12（a） 所示. 随着连铸过程的进行，复合板进入结晶器 中，由于结晶器的强烈冷却作用，在复合层内形成 较大的温度梯度，θ 相在较短的时间内形成稳定的 固液界面并沿热流的反方向以 vθ 的速度生长，形 成具有胞状组织结构的 θ 相复合层. 此时铜板表 面的铜原子仍然向复合层中扩散，但是在复合层 底部已经形成了稳定的 θ 相，阻碍了铜原子的扩 散，导致铜原子在复合层底部富集. 当铜原子的含 量达到一定程度时，复合层底部先形成的 θ 相发 生固相转变，形成 γ 相并以 vγ 的速度向 θ 相中生 长，如图 12（b）所示. 当含有铜原子的铝液相层的 温度降到共晶温度 548 ℃ 时，发生共晶转变形成 α+θ 相，最后温度降到室温，在铜铝复合板中形成 由 α+θ 共晶组织、 θ 相和 γ 相组成的复合层 ，如 图 12（c）所示. 综上所述，在铜铝复合板凝固过程中，铝液和 铜板表面接触，发生固液转变形成 θ 相并阻碍铜 原子的扩散，使铜原子在复合层底部富集，当铜原 子的含量达到一定程度时，复合层底部先形成的 θ 相发生固相转变形成 γ 相，最后当含有铜原子的 铝液相层的温度降到共晶温度 548 ℃ 时，发生共 晶转变形成 α+θ 相[19,21−22] . 3.3 工艺参数对复合层形成过程的影响机制 由复合界面层的形成过程可知，θ 相和 γ 相的 形成和长大主要受复合界面层的凝固速率和凝固 40 mm 40 mm 40 mm (a) (b) (c) 图 10 不同轧制温度铜铝复合板坯轧制后表面形貌. （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 ℃ 40 60 80 100 0 200 400 600 800 复合层厚度 复合层厚度/μm 拉坯速率/(mm·min−1) 剥离强度 0 2 4 6 8 10 12 14 剥离强度/MPa 400.2 8.4 107.1 12.3 467.9 9.8 758.2 8.6 图 11 不同拉坯速率下复合层和结合强度的关系 Fig.11 Relation between composite layer and bonding strength at different drawing rates (a) (b) (c) Al (液相) Cu (固相) 传热方向 Cu 扩散区 (液相) θ (固相) 传热方向 传热方向 时间 Al (固相+液相) Al (固相) Cu (固相) Cu (固相) Cu 扩散区 (液相) vθ Ⅱ: θ (固相) vγ Ⅰ: γ (固相) Ⅱ: θ (固相) Ⅰ: γ (固相) Ⅲ: α+θ (固相) vCu vCu 图 12 复合层形成过程示意图. （a） 固液转变阶段；（b） 固相转变阶段；（c） 共晶转变阶段 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 · 222 · 工程科学学报，第 42 卷，第 2 期
王珺等：水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 223 时间影响，即凝固速率越小或凝固时间越长，日相 80 mmmin),结晶器对复合板冷却能力不足，复 和γ相形成的复合层越厚，铜铝复合板结合强度 合板被拉出结晶器时内部仍存在未凝固的液相， 越低.因此，可以通过调整工艺参数，优化凝固过 此时由于复合层内的温度梯度较小，0相和γ相呈 程中复合界面层温度场的分布，从而达到控制 平直界面形态生长，且日相和Y相具有充足的条件 0相和Y相的显微结构的目的 生长，最后凝固时日相和γ相形成的复合层厚度较 图13为拉坯速率和一次冷却水流量对日相 大，如图13(c)和(d)所示.当一次冷却水流量较小 和Y相显微结构的影响.从图中可以看出，当拉坯 时(Q≤800Lh),结晶器对铜铝复合板冷却能力 速率较低时(V≤40 mm'min),液相铝和铜板表面 不足，即使在较为适宜的拉坯速率下，日相和Y相 的接触时间较长，大量的铜原子溶解后扩散到铝 也有充足的条件生长，最后凝固时日相和Y相形成 液中，为0相的形核和长大提供了充足的条件.当 的复合层厚度较大，如图13(e)所示.只有当工艺 复合板进入结晶器后，由于结晶器的强烈冷却作 参数相互匹配时(=60 mm:min'、Q=1000Lh), 用，0相形成大量的胞状晶.当凝固过程结束后， 由固液转变形成的γ相和固相转变形成的日相两 0相复合层厚度较大，但是对Y相的形成过程影响 个亚复合层厚度最小，如图13(b)所示 较小，如图13(a)所示.当拉坯速率较大时（≥ 因此通过调整工艺参数，可以优化凝固过程 10m 10m 10m 10μm 10μm 图13工艺参数对6相和y相形成和生长的影响.(a)=40 mm'min,Q=1000Lh:(b)=60 mm-min,Q=1000Lh:(c)=80 mm'min, Q=1000Lh-:(d)=100 mm-min,Q=1000Lh-:(e)=60 mm'min,Q=800Lh-1 Fig.13 Effects of the technological parameters on the formation and growth of the 0 and y phases:(a)V=40 mm'min,O=1000 L.h;(b)/=60 mm'min, O=1000 Lh;(c)V=80 mm'min,O=1000 Lh;(d)/=100 mm'min,O=1000 Lh;(e)V=60 mm'min,O=800 L.h 中铜铝复合板内部的温度场分布，从而控制0相 合板坯的组织形貌和力学性能较好 和Y相的显微结构，达到提高铜铝复合板带结合 (2)铜铝复合板坯的复合界面层分为三个亚 强度的目的.但是，单一的改变拉坯速率或一次冷 层，分别为固液转变形成的(1)层：γ相；固相转变 却水流量，对铜铝复合板复合层的显微结构影响 形成的（Ⅱ）层：日相：以及共晶转变形成的()层： 效果较小，只有工艺参数之间互相匹配，才能最大 α+0共晶组织.I层和Ⅱ层均为铜铝金属间化合 限度的优化复合层的显微结构，使铜铝复合板的 物，具有较高的强度，但是几乎没有塑性，在复合 力学性能显著提高 板坯受力变形时，是裂纹产生和扩展的主要区域. 4结论 (3)调整工艺参数可以优化凝固过程中铜铝 复合板内的温度场分布，控制复合界面层的形成 本文采用水平连铸复合成形新工艺成功制备 过程，工艺参数之间的合理匹配是增大板坯结合 出铜铝双金属复合板带，并对板带复合界面层的 强度的关键因素之一 显微结构和工艺参数对复合界面层形成过程的影 响进行了研究，得出以下结论 参考文献 (1)当工艺参数为：铜铸造温度1250℃、铝液 [1]Liu T,Liu P,Wang Q D.Research progress on copper/aluminum 保温温度780℃、铝液导流管长度20mm、拉坯速 bimetal composite.Mater Rev,2013,27(10):1 度60 mm:min和一次冷却水流量为1000L-h时， (刘腾，刘平，王渠东.铜铝双金属复合材料的研究进展.材料导 制备出截面尺寸为70mm×24mm的铜铝双金属复 报.2013.27(10)：1)
时间影响，即凝固速率越小或凝固时间越长，θ 相 和 γ 相形成的复合层越厚，铜铝复合板结合强度 越低. 因此，可以通过调整工艺参数，优化凝固过 程中复合界面层温度场的分布 ，从而达到控制 θ 相和 γ 相的显微结构的目的. 图 13 为拉坯速率和一次冷却水流量对 θ 相 和 γ 相显微结构的影响. 从图中可以看出，当拉坯 速率较低时（V≤40 mm·min−1），液相铝和铜板表面 的接触时间较长，大量的铜原子溶解后扩散到铝 液中，为 θ 相的形核和长大提供了充足的条件. 当 复合板进入结晶器后，由于结晶器的强烈冷却作 用，θ 相形成大量的胞状晶. 当凝固过程结束后， θ 相复合层厚度较大，但是对 γ 相的形成过程影响 较小，如图 13（ a）所示. 当拉坯速率较大时（V≥ 80 mm·min−1），结晶器对复合板冷却能力不足，复 合板被拉出结晶器时内部仍存在未凝固的液相， 此时由于复合层内的温度梯度较小，θ 相和 γ 相呈 平直界面形态生长，且 θ 相和 γ 相具有充足的条件 生长，最后凝固时 θ 相和 γ 相形成的复合层厚度较 大，如图 13（c）和（d）所示. 当一次冷却水流量较小 时（Q≤800 L·h−1），结晶器对铜铝复合板冷却能力 不足，即使在较为适宜的拉坯速率下，θ 相和 γ 相 也有充足的条件生长，最后凝固时 θ 相和 γ 相形成 的复合层厚度较大，如图 13（e）所示. 只有当工艺 参数相互匹配时（V=60 mm·min−1、Q=1000 L·h−1） ， 由固液转变形成的 γ 相和固相转变形成的 θ 相两 个亚复合层厚度最小，如图 13（b）所示. 因此通过调整工艺参数，可以优化凝固过程 中铜铝复合板内部的温度场分布，从而控制 θ 相 和 γ 相的显微结构，达到提高铜铝复合板带结合 强度的目的. 但是，单一的改变拉坯速率或一次冷 却水流量，对铜铝复合板复合层的显微结构影响 效果较小，只有工艺参数之间互相匹配，才能最大 限度的优化复合层的显微结构，使铜铝复合板的 力学性能显著提高. 4 结论 本文采用水平连铸复合成形新工艺成功制备 出铜铝双金属复合板带，并对板带复合界面层的 显微结构和工艺参数对复合界面层形成过程的影 响进行了研究，得出以下结论. （1）当工艺参数为：铜铸造温度 1250 ℃、铝液 保温温度 780 ℃、铝液导流管长度 20 mm、拉坯速 度 60 mm·min−1 和一次冷却水流量为 1000 L·h−1 时， 制备出截面尺寸为 70 mm×24 mm 的铜铝双金属复 合板坯的组织形貌和力学性能较好. （2）铜铝复合板坯的复合界面层分为三个亚 层，分别为固液转变形成的（I）层：γ 相；固相转变 形成的（II）层：θ 相；以及共晶转变形成的（III）层： α+θ 共晶组织. I 层和 II 层均为铜铝金属间化合 物，具有较高的强度，但是几乎没有塑性，在复合 板坯受力变形时，是裂纹产生和扩展的主要区域. （3）调整工艺参数可以优化凝固过程中铜铝 复合板内的温度场分布，控制复合界面层的形成 过程，工艺参数之间的合理匹配是增大板坯结合 强度的关键因素之一. 参 考 文 献 Liu T, Liu P, Wang Q D. Research progress on copper/aluminum bimetal composite. Mater Rev, 2013, 27（10）: 1 （刘腾, 刘平, 王渠东. 铜铝双金属复合材料的研究进展. 材料导 报, 2013, 27（10）：1 ） [1] (a) (b) (c) (d) θ α+θ γ 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm (e) θ α+θ γ θ α+θ γ θ α+θ γ θ α+θ γ 图 13 工艺参数对 θ 相和 γ 相形成和生长的影响. （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 Fig.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 王 珺等： 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 · 223 ·
224 工程科学学报，第42卷，第2期 [2]Tian H W,Wang A Q,Liu S Y,et al.Research progress on 1358 copper-aluminum laminated composites.J Mater Sci Eng,2019, (娄敏轩，刘新华，姜雁斌，等.铜包铝丝材的旋锻复合-拉拔成形 37(1):167 与组织性能.工程科学学报，2018.40(11)：1358) (田捍卫，王爱琴，刘帅祥，等.铜铝层状复合材料的研究进展 [14]Liu S Y,Wang A Q,Tian H W,et al.The synergetic tensile 材料科学与工程学报，2019,37(1)：167) deformation behaviour of Cu/Al laminated composites prepared by [3]LiuSY,WangAQ,et al.Interfacial properties and further twin-roll casting technology.Mater Res Express,2018,6(1): processing of Cu/Al laminated composite:A review.Mater Rev, 016530 2018,32(3):828 [15]Lu W K,Xie J P,Wang A Q,et al.Effects of annealing (刘帅洋，王爱琴，吕世敬，等.铜铝层状复合材料界面特性及深 temperature on interfacial microstructure and mechanical 加工研究进展.材料导报，2018.32(3)：828） properties of Cu/Al roll-casted composite plate.Mater Mech Eng. [4]Wu L,Wu Z P,Meng C L,et al.Study on application of a new 2014,38(3):14 type of copper-aluminum transition fittings for low voltage wiring. (路王珂，谢致佩，王爱琴，等.退火温度对铜铝铸轧复合板界面 Guangdong Sci Technol,2014,1(2):53 组织和力学性能的影响.机械工程材料，2014,38(3)：14) (吴霖，吴钟平，孟春旅，等.一种新型低压接户线铜铝过渡金具 [16]Xie J X.Advanced Processing Technologies of Materials.Beijing: 的应用研究.广东科技，2014,1(2)：53) Metallurgical Industry Press,2004 [5] Athar MM H.Tolaminejad B.Weldability window and the effect (谢建新.新材料加工新技术与新工艺.北京：治金工业出版社， of interface morphology on the properties of Al/Cu/Al laminated 2004) composites fabricated by explosive welding.Mater Des,2015,86: [17]Wu Y F,Liu X H,Xie J X,et al.Copper cladding aluminum 516 composite materials with rectangle section fabricated by horizontal [6]Chen F Y,Chen G,Xiong S F.Explosive welding-rolling core-filling continuous casting.Chin J Nonferrous Met,2012, composite plate of copper-aluminum and its application.Lighr 22(9:2500 Alloy Fabrication Technol,1996,24(11):37 (吴永福，刘新华，谢建新，等，矩形断面铜包铝复合材料的水平 (陈勇富，陈岗，熊少非，铜-铝爆炸焊接-轧制复合板及其应用 连铸直接复合成形.中国有色金属学报，2012,22(9)：2500) 轻合金加工技术，1996,24(11)：37) [18]Su Y J,Liu X H,Huang H Y,et al.Effects of processing [7]Chen M,Wan X Y,Dong T Y,et al.Performance analysis on parameters on the fabrication of copper cladding aluminum rods by interlayer of high purity aluminum and copper bonded by horizontal core-filling continuous casting.Metall Mater Trans B. explosive welding.Nonferrous Met (Extr Metall),2014(5):56 2011,42(1):104 (陈明，万小勇，董亭义，等.高纯铝与铜爆炸焊接性能分析.有 [19]Chen S Y,Chang G W,Yue X D,et al.Solidification process and 色金属（治炼部分），2014(5)：56) microstructure of transition layer of Cu -Al composite cast [8]Wang T,Li S,Ren Z K,et al.A novel approach for preparing prepared by method of pouring molten aluminum.Trans Cu/Al laminated composite based on corrugated roll.Meter Lett, Nonferrous Met Soc China,2016,26(8):2247 2019,234:79 [20]Wu Y F,Liu X H,Xie JX.Interface of copper cladding aluminum [9]Li L,Nagai K,Yin F X.Progress in cold roll bonding of metals. composite materials with rectangle section fabricated by horizontal Sci Technol Ady Mater,2008,9(2):23001 core-filling continuous casting and its evolvement in rolling [10]Li X B,Zu G Y,Wang P.Microstructural development and its process.Chin J Nonferrous Met,2013,23(1):191 effects on mechanical properties of Al/Cu laminated composite. (吴永福，刘新华，谢建新.连铸直接成形矩形断面铜包铝复合 Trans Nonferrous Met Soc China,2015,25(1):36 材料界面及其在轧制中的变化.中国有色金属学报，2013， [11]Jiang Y,Peng D S,Lu D,et al.Analysis of clad sheet bonding by 23(1):191) cold rolling.J Mater Process Technol,2000,105(1-2):32 [21]Su YJ,Liu X H,Huang H Y,et al.Interfacial microstructure and [12]Hu J.The study to produce copper fold aluminium composite wire bonding strength of copper cladding aluminum rods fabricated by by hydraulic extrusion.New Technol New Process,2001(9):27 horizontal core-filling continuous casting.Metall Mater Trans A, (胡捷.铜包铝复合线材静液挤压加工工艺研究.新技术新工艺 2011,42(13):4088 2001(9):27) [22]Tavassoli S,Abbasi M,Tahavvori R.Controlling of IMCs layer [13]Lou M X,Liu X H,Jiang Y B,et al.Rotary swaging-drawing formation sequence,bond strength and electrical resistance in formation,microstructure,and properties of copper-clad Al-Cu bimetal compound casting process.Mater Des,2016,108: aluminium composite micro-wires.Chin Eng,2018,40(11): 343
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