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