铜包铝加长碳纤维充芯连铸工艺与界面形成机理

发布时间：2020-04-15 00:10

【摘要】：铜包铝双金属复合材料因其具有良好的导电性、低密度、低成本等优点,而被广泛应用于电子、通信等领域。为了提高铜包铝复合材料的力学性能,本课题提出将长碳纤维引入铜包铝复合材料中,探讨了复合成形过程中传热、传质、界面质量及其影响因素与控制工艺,为铜包铝加长碳纤维充芯连铸加工技术提供理论支撑。铜包铝加长碳纤维充芯连铸的工艺原理为:芯部金属Al与外层金属Cu分别在上、下两个坩埚中熔化和保温,利用牵引装置对引锭头进行牵引,金属Cu先通过结晶器内壁和芯部金属液充芯管构成的铸型中形成外管,芯部Al液再通过充芯管充填到Cu管里;同时,中心的Cf随着引锭装置向下走,凝固的金属Al将其包裹在内部。在连铸过程中通过热量和原子的扩散,实现双金属界面的冶金结合以及金属与长碳纤维的复合,拉出的棒材通过结晶器下端的拉拔模实现减径的效果。基于此工艺原理,设计开发了具有自主知识产权的铜包铝加长碳纤维充芯连铸工艺设备,并成功制备了外径为8mm,铜层的厚度为0.3mm,碳纤维的直径为1mm的铜包铝加长碳纤维复合材料。利用ProCAST软件对本连铸温度场进行了数值模拟,建立了铜包铝加长碳纤维充芯连铸设备的计算模型。通过对比分析模拟与实验结果,可得该模型温度场模拟结果具有较高的精度,可以使用固/液界面模拟结果预测连铸铜管坯质量和充铝效果。对长碳纤维形态、加入数量(单束/多束)、工艺参数的影响规律以及界面结合性能进行了研究,获得了 Al与Cf复合的合适温度为800℃;揭示了铜包铝加长碳纤维充芯连铸过程中Cu/Al界面反应机理及动力学;对不同温度、时间条件下Cu在液相中的浓度分布和界面迁移距离规律进行了模拟研究,与试验结果进行对比分析,验证了相场模型的准确性。建立了铜包铝加长碳纤维充芯连铸全流程传热传质数值计算模型,采用模拟与试验结合的方法研究了充芯连铸各工艺参数对界面复合质量的影响;对充芯连铸工艺参数进行了优化,建立了界面层厚度与接触温度、冷却速度之间的关系;确定了制备铜包铝加长碳纤维复合材料的最佳工艺参数为:铜液温度1250℃,铝液温度800℃,一冷水流量280L/h,二冷水距结晶器距离50mm,连铸速度80mm/min,芯管长度80mm。
【图文】：

示意图,轧制复合,示意图,连铸法

，，得连续、稳定、高强度的结合界面［３（）］。目前制备金属复合材料的方法主要轧制复合［３Ｍ５］、连续铸轧［３６］、反向挤压［３７］、爆炸复合［３８４（）］、铸造复合［４Ｕ４等，，其中铸造复合的方法又包括离心铸造法、重力倾倒铸造、镶铸工艺、模铸造法以及连续铸造法［３（），４５，４６］。连续铸造法所制备金属复合材料界面结良好，且该方法易于实现连续生产，因此受到越来越多的重视４４＿４８］。年来发展的连续铸造法又包括轧辊复合连铸法［４９］、液固铸轧法、复合线材铸拉法、反向凝固连铸法［５（）＿５２］、水平磁场制动复合连铸法［５３］、电渣包覆铸法双流浇注连铸法［４４］、双结晶器连铸法［５５］、充芯连铸法［５６］等。逡逑（１）轧制复合法逡逑轧制复合属于典型的固－固结合方式，主要用于金属复合板坯的成型［５７—５该方法利用轧辊之间所产生的强大压力将两种金属表面的氧化膜破碎，使露出的新鲜金属原子间形成原子键，依靠原子之间金属键的相互吸引力使种金属结合在一起［３３］。对于此技术，金属之间以机械接触方式获得接触由于应力集中的存在，很容易在界面处出现微裂纹，甚至会导致大的裂纹展，引起材料破坏［Ｍ］。图１－１所示为铜铝铜复合板轧制示意图。逡逑

原理图,静液挤压,原理图

挤压复合法是对放在挤压筒内的坯料施加压力，使之从模孔流出，获得逡逑所需断面形状和尺寸的一种塑性成形方法，属于固－固结合方式。目前应用比逡逑较广泛的是静液挤压法，其工艺原理图如图１－２所示，其最大的特点是在挤逡逑压过程中，坯料的周围充满粘性介质，这能保证材料从表层到芯部都能保持逡逑比较均匀的变形，从而保证复合质量，同时对磨具的磨损也能够降低［６１〗。逡逑挤压{囧危义希ⅲ裕卞危掊纹克螅义希垮澹慑问╁义稀煎我病㈠邋澹В垮澹澹邋邋邋危义希保义希卞危掊危"坯料逡逑图１－２静液挤压法原理图逡逑（３）铸造复合法逡逑铸造复合方法中两种金属之间的结合多为液－固，液－液，或者液－半固态逡逑的结合方式。逡逑①ＣＰＣ法逡逑ＣＰＣ邋法（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋Ｐｏｕｒｉｎｇ邋Ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｆｏｒ邋Ｃｌａｄ）即连续饶注复合法［５４’６２］，逡逑其结合方式为液－固结合，其原理如图１－３所示。在铸造过程中，先将芯材与逡逑牵引装置连接并安置在结晶器中，然后浇注外层熔体，金属液在结晶器中凝逡逑固将芯材包裹
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB331;TG249.7

【参考文献】