退火温度对铸轧成形宽幅层状铜-铝复合板界面组织及力学性能的影响

发布时间：2019-09-20 07:12

【摘要】：采用铸轧法获得宽幅层状铜-铝复合板,并研究了不同退火温度对铜-铝复合板界面组织和力学性能影响,探讨了界面金属间化合物作用机理,结果表明:退火温度越高,界面扩散越明显,金属间化合物越多;铜基体界面处率先生成Cu_9Al_4,铝基体界面处率先生成CuAl_2,随着铜、铝元素扩散会有CuAl生成;界面层硬度高于其它位置,由于基体软化和金属间化合物的共同作用;300℃退火铜-铝复合板界面组织和力学能性能最佳,扩散层厚度13.63μm左右,抗拉强度101.9 MPa,伸长率32.0%。
【图文】：

铜-铝复合板,扩散层,退火温度

?mm试样，经砂纸磨光，机械抛光后，采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM-BSE)观察复合板界面铜、铝原子的扩散情况，并用能谱装置(EDS)检测化学成分;采用BＲUXD-8型X射线衍射仪(XＲD)对剥离界面进行物相分析。显微硬度采用MH-3型维氏硬度计进行测量，加载载荷0．025kg，加载时间15s;拉伸试样参照标准GB/T228．1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》制定，拉伸试验机机型号为SHMADZU(岛津)AG-I250KN，，拉伸试验参数:标距尺寸50mm×12．5mm，拉伸速度1mm/min，获得宽幅层状铜-铝复合板抗拉强度及伸长率。图1不同退火温度下铜-铝复合板扩散层SEM及EDS分析Fig．1SEMimagesandEDSanalysisresultsofCu-Alcompositeplatediffusionlayerunderdifferentannealingtemperatures(a)250℃;(b)300℃;(c)350℃;(d)400℃2试验结果与分析2．1退火温度对界面组织和化学成分的影响图1为不同温度退火后铜-铝复合板扩散层的显微组织及EDS分析，其中暗处为铜、亮处为铝，界面处可以明显看出三层过渡层。界面过渡层随着温度的升高逐渐变厚，300℃时界面厚度约为13．63μm，当温度为400℃时，界面厚度达到22．35μm左右。由EDS分析可见:铜元素扩散呈阶梯状，随温度升高台阶高度变缓、宽度变宽;铝元素扩散基本呈平缓下降趋势，台阶不明显。铸轧过程中，铜板、铝液本身处于加热状态，铝液浇注到铜板上界面处降温速度与外部不同，界面处慢而外部快，此时，部分铜、铝原子在界面处发生扩散。当退火温度低时，虽然铜、铝原子获得的能量低，界面原子跃迁能量不足，但扩散层厚度也能达到10μm左右，如图1(a)所示。当退火温度升高时，大部分铜、铝原子获得的热能突破了扩散能量势垒，可以实现大范围自由迁移，扩散层逐渐变厚［9］。铸轧过程

影响图,铜-铝复合板,物相分析

116第42卷为350℃时，在铝基体上有新相CuAl生成。400℃时铝基体含有较多CuAl2相，相含量由高到低是CuAl2、Cu9Al4和CuAl。图2铜-铝复合板剥离面物相分析(a)铝侧;(b)铜侧Fig．2XＲDpatternsatstrippingsurfaceofCu-Alcompositeplate(a)Alside;(b)Cuside250℃基体上含有少量的Cu9Al4、CuAl2相，主要是由于铸轧过程中铜铝界面处有一定温度，除了轧制机械结合外，还有浇注冶金结合。因此，在低温退火情况下，界面处就有一定的新相生成。XＲD物相分析显示，在铝基体处先有CuAl2相生成，并且通过BSE能够发现在铝基体上扩散层比较明显，这主要是因为铜原子的晶粒尺寸(aCu=0．3615nm)小于铝原子(aAl=0．4082nm)，铝基体中空位数比较多，铜原子只需少量能量或者自发就能进入铝基体空位处［10］，这一点在图1中也能表现出来。此外，还可以看到无论退火温度多高，相同的时间里铜的扩散量总高于铝。因此，铜原子率先扩散至铝基体中形成铜铝金属间化合物，当热力学条件满足时，铝原子突破能量势垒扩散到铜基体并生成铝含量低的金属间化合物［11］。物相并非越多越好，过多的物相也将导致铜铝复合板力学性能变差。2．2退火温度对力学性能影响图3为不同退火温度下铜-铝复合板界面处的显微硬度分布。随着温度的升高，界面处硬度有逐渐升高的趋势。250℃时，铜、铝基体硬度高，说明复合板的加工硬化和残余应力得到有效释放［12］，随着温度的升高基体硬度逐渐下降，350℃后基本保持不变;300℃时，界面处硬度最高，这是因为有新的物相产生所致;350℃时温度较高，金属间化合物被软化减少了对界面的硬化效果，因此界面处硬度有所降低;400℃时，靠近铝基体10μm处硬度高，这是因为有较多的
【作者单位】：河南科技大学材料科学与工程学院;有色金属共性技术河南省协同创中心;
【基金】：国家自然科学基金(U160420059) NSFC-河南省联合基金重点支持项目
【分类号】：TB331;TG156.2

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