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 ·