铜包铝棒材低压充芯制备工艺研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）

复合材料，就是由两种或两种以上的材料经一定的复合工艺制造出来的一种新型材料，兼备两种材料的优点于一身。铜铝复合材料的加工方法很多,按照复合过程中界面是否生成液相可将铜铝复合分为两类：固相扩散复合和液相熔合复合。固相扩散复合主要是通过铜铝的固相反应扩散结合，扩散过程中没有液相生成。目前工业上广泛应用的铜包铝制备方法如轧制复合法、挤压复合法、拉拔复合法及爆炸焊复合法等都属于固相扩散复合。液相熔合结合主要是通过铜铝扩散形成的液相扩散层结合。主要制备方法包括低压铸造法和充芯连铸法，铜铝的接触反应焊接也属于液相熔合结合。

对于轧制、静液挤压、拉拔、爆炸焊等固相扩散结合方法，其工艺基本均分为三步：首先进行结合表面的清理，包括去油、去氧化膜使待结合表面保持清洁；然后进行塑性变形，使两组元金属的接触表面达到原子间的距离，进而形成有效结合点，此时双金属之间能够形成机械结合；最后进行扩散热处理，在该过程中通过原子的扩散形成牢固的结合。表面状况、塑性变形温度及变形程度、热处理制度是影响铜铝结合的主要因素。

通过对冷轧铜铝板的界面断裂机制的研究，发现铜铝界面结合强度是界面机械结合、界面相变及缺陷的综合作用结果。在热处理前阶段，金属在轧制压力下，金属表面的氧化薄膜开始破碎，露出的新鲜金属互相嵌合，当压力达到一定程度时，表面原子被激活，形成激活中心，而使新鲜质点间产生原子键结合，轧制压力越大，原子键结合面越大，孔洞越少，结合越强；在热处理阶段，原子通过扩散使结合界面在轧制过程中出现的孔洞发生闭合，原子通过化学相互作用形成化学结合键。虽然由于回复与再结晶，机械结合力降低，但总体而言，界面结合强度提高； 随着扩散温度的提高和（或）时间的延长，会在界面形成脆性金属间化合物，当厚度达到一定值时，会降低结合强度。另外，铜铝互扩散系数不同，导致柯肯达耳效应，进一步使结合强度下降。通过对冷轧铜铝复合板界面金属间化合物厚度与界面结合强度的关系的观察研究，发现当化合物厚度超过2.5mu;m时，界面的结合强度开始下降。同时，有学者研究发现，界面层厚度在0.5mu;m至2mu;m时界面结合强度最高。

对于铸造法、连铸法等液相熔合结合，结合过程一般也可分为三步：铜铝的相互扩散；铜铝反应扩散形成金属间化合物及液态扩散层；冷却过程中界面层的相变。铜、铝的结合温度、冷却条件和表面处理方式等将影响到界面层的厚度及组织，从而影响界面结合强度。同固相扩散结合相似，在液相熔合复合中，只当保证不是单纯机械复合时，一般情况下界面化合物层越薄，结合强度越高。

从材料连接的角度看，铜和铝是非相容性金属，在温度高于120 ℃时具有较大的亲和力，除了形成固溶体以外，还会形成各种金属间化合物。由于铜-铝相图过于复杂，很多地方仍未确定。近年来，针对铜-铝相图的研究取得了很大进展。由铜-铝相图的富铝部分可以看出,含铜量高于5.65%的合金在548℃时发生共晶反应,生成共晶(alpha; CuAl₂)。其中，alpha; 固溶体中是铜溶解在基体Al中形成的固溶体，其塑性好。但铜的溶解度随着温度的下降而减小,在共晶温度时5.65%，而在室温下为0.1%以下。超过溶解度的铜以金属化合物CuAl₂的形式存在，CuAl₂是一种脆性相，其形成可以使强度得到明显提高，而延伸率急剧下降。同时其电阻率相应增加，电导率降低。

低压充芯是液体金属在压力作用下，由下而上充型，然后凝固以获得铸件的一种铸造方法，由于施加在液面上的压力很低，故称之为低压充芯。相比于其他成形方法，低压充芯成形具有如下优点：①金属液充型平稳，充型速度可控，能有效避免金属液的紊流、冲击和飞溅，减少卷气和氧化，提高铸件品质；②金属液的流动性好，有利于薄壁件形成轮廓清晰、表面光洁的铸件；③液体在压力下凝固，补缩效果好，铸件组织致密，力学性能高；④低压铸造浇注系统简单，一般无须设置冒口，工艺出品率高。因而低压铸造在汽车、航空航天、军工、机 电等领域有着良好的应用。但低压充芯也存在比较明显的缺点：①生产效率很低。②加压压力参数的控制精度低。③保温坩埚内铝液品质的稳定性难以保证，因保温坩埚密封，炉内精炼、氧化渣的去除均无法实施，铝液的品质波动大。

综上所述，研究充芯压力、预热温度、充芯温度以及防氧化膜沉积时间等工艺参数对铜包铝线界面相组成、界面结合强度以及电阻率的影响将是如何获得最佳性能的铜包铝棒材的核心，而铜管预热过程中的防氧化处理以及避免低压充芯过程中缺陷将是本课题中需要注意的问题与技术难点。

参考文献

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[2] PENG X K, HENESS G, YEUNG W Y. Effects of sintering conditions on the bond strength of roll bonded metal laminate composites[C]//Proceedings of ICCM-11. Gold Coast, Australia, 1997: 119minus;125.