王琳，謝志寶

累積疊軋制備的Cu/Al/Cu復(fù)合板材金屬間化合物層演變及其對力學(xué)性能影響研究

王琳，謝志寶

（中南大學(xué) a. 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗室；b. 機(jī)電工程學(xué)院；c. 輕合金研究院，長沙 410083）

研究在不同溫度條件下Cu（商業(yè)純銅）/Al（AA1060）/Cu復(fù)合板材累積疊軋過程中界面金屬間化合物層對材料性能的強(qiáng)化規(guī)律。在不同溫度條件下（350～500 ℃）累積疊軋制備Cu/Al/Cu層狀復(fù)合板材，深入分析其界面金屬間化合物層形狀、元素分布及其對力學(xué)性能的影響規(guī)律。金屬化合物層的厚度隨著軋制溫度的升高逐漸增加，且隨著軋制溫度的不同，形貌呈現(xiàn)很大的差異。當(dāng)軋制溫度為350 ℃和400 ℃時，金屬間化合物相對平整。軋制溫度升高到450 ℃時，金屬間化合物層呈現(xiàn)鋸齒形，使該工藝條件下加工的材料同時具有較好的強(qiáng)度（273 MPa）和塑性（4.06%）。制備Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料過程中，通過優(yōu)化軋制溫度這一重要軋制參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和塑性的綜合提高。

累積疊軋；Cu/Al/Cu復(fù)合板材；金屬間化合物層；力學(xué)性能

層狀復(fù)合材料，如Al/Cu[1]，Al/Ni[2]，Al/Ti[3]，Al/Mg[4]和Cu/Ni[5]等，相比于純金屬材料具有較好的力學(xué)性能、腐蝕性能和疲勞性能，在很多領(lǐng)域都被視為潛在的理想結(jié)構(gòu)材料，特別是航空航天領(lǐng)域。為了加工高性能的層狀復(fù)合材料，大量塑性加工工藝得到了廣泛研究，如等通道角擠壓[6]、深冷異步軋制[7]和累積疊軋[8]等。在這些加工技術(shù)中，由于累積疊軋技術(shù)能有效細(xì)化材料晶粒，且加工方法相對簡單，得到了廣泛的發(fā)展。

由于Cu/Al層狀復(fù)合材料導(dǎo)電性良好、密度低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的電磁屏蔽裝置、建筑的噪聲屏蔽裝置等。Li X B等[9]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過累積疊軋和300 ℃退火處理1 h的Al/Cu層狀復(fù)合材料中，界面固溶強(qiáng)化導(dǎo)致材料具有較高的拉伸強(qiáng)度。Lee Jongbeom等[10]系統(tǒng)研究了孔形軋制的Cu/Al包層材料隨應(yīng)變增加時力學(xué)性能和微觀組織的演變規(guī)律，他們發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變的增加，Cu層晶粒不斷細(xì)化，導(dǎo)致硬度不斷增大，而Al層晶粒先細(xì)化后長大，導(dǎo)致硬度隨著應(yīng)變的增加先增加后減少，應(yīng)變?yōu)?.48時為轉(zhuǎn)變的臨界值。在Al層中易在<1 0 0>和<1 1 1>方向上形成不全位錯，而Cu層中易發(fā)生交叉滑移，從而導(dǎo)致Cu層中織構(gòu)較弱。Guo Yajie等[11]通過研究400～550 ℃溫度下擴(kuò)散10～30 min形成的多層Cu/Al復(fù)合材料的金屬間化合物相，發(fā)現(xiàn)從Cu層到Al層的中間界面層依次形成了Al4Cu9，AlCu，Al2Cu。Chang Dongxu等[12]發(fā)現(xiàn)累積疊軋后的退火處理能促進(jìn)Cu/Al層狀復(fù)合材料中間界面層Al2Cu，AlCu，Al4Cu9的形成，且界面層的微觀硬度隨著退火溫度的增加而增大。羅龍等[13]基于嵌入原子勢函數(shù)的分子動力學(xué)方法，模擬了Cu/Al界面的擴(kuò)散行為，結(jié)合計算分析提出界面處以Cu原子向Al基體側(cè)擴(kuò)散為主。綜合以上研究，熱軋Cu/Al層狀復(fù)合材料過程中軋制溫度對界面層的演變有重大影響，而界面的微觀結(jié)構(gòu)又是層間的結(jié)合質(zhì)量和材料拉伸強(qiáng)度的重要影響因素。關(guān)于不同溫度條件下累積疊軋Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料界面金屬間化合物層形狀和元素分布演變規(guī)律及其對力學(xué)性能影響的研究不多。

文中主要研究了軋制溫度（350，400，450，500 ℃）對Cu/Al/Cu界面金屬間化合物層形貌和元素分布演變的影響，繼而分析其對力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗方案

初始材料為50 mm×60 mm×0.4 mm的商業(yè)純銅片和50 mm×60 mm×1 mm的Al1060片。該2種材料在500 ℃的真空爐中進(jìn)行1 h的均勻化處理。軋制實(shí)驗在西門子伺服驅(qū)動的四輥軋機(jī)上進(jìn)行，軋輥近期進(jìn)行過表面拋光，軋制過程中采用干摩擦。每道次壓下量為50%，軋制速度為2.4 m/min。為了提高層與層之間的結(jié)合質(zhì)量，每道次軋制之前板材的上下表面用鋼刷刷干凈。軋制之前，材料按照Cu/Al/Cu的結(jié)構(gòu)疊起來，將4個角用鐵絲固定。第1道次軋制之前，將釘好的材料放置在真空爐中加熱到相應(yīng)的溫度（350，400，450，500 ℃）保持20 min。后續(xù)軋制之前，將該復(fù)合材料放在相應(yīng)溫度的爐子中，在相應(yīng)的溫度條件下加熱5 min。為減少該復(fù)合板材在加熱過程中的氧化，具體的熱處理步驟為：將爐子溫度升高到需要的溫度→將需要加熱的復(fù)合板材放到爐子中→鎖好爐門，開始抽真空→估算好時間開始排氣，直到加熱夠5 min后將復(fù)合板取出。軋制流程如圖1所示。

拉伸實(shí)驗在日本島津公司生產(chǎn)的拉伸機(jī)（DDL- 100）上進(jìn)行，拉伸溫度為室溫，速率為0.03 s–1。為確保拉伸實(shí)驗值的準(zhǔn)確性，每個工藝加工的實(shí)驗都進(jìn)行了3次，然后取平均值。通過掃描電子顯微鏡（SEM，Phenom Prox Desktop）對界面的形貌和元素分布進(jìn)行系統(tǒng)地研究。掃描電鏡運(yùn)行電壓為15 kV，掃描步長為0.3 μm。

2 實(shí)驗結(jié)果

圖2展示了不同溫度條件下軋制的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料界面化合物層的形貌。當(dāng)軋制溫度超過400 ℃時，Cu/Al中間的界面層變得較為明顯。隨著軋制溫度的增加，界面層的厚度急劇增加。當(dāng)軋制溫度低于400 ℃時，界面中間化合物層相對比較平整。當(dāng)軋制溫度升高到450 ℃，金屬間化合物層演變成鋸齒狀。這種界面層形態(tài)形成的原因可解釋為：隨著軋制溫度的升高，金屬間化合物層的厚度超過一個臨界值，在軋制力的作用下作為硬層擠入到鋁基體當(dāng)中，導(dǎo)致這種特殊界面的形成。這種鋸齒狀的中間化合物層的形成是高溫塑性成形技術(shù)加工的多金屬層狀復(fù)合材料中的典型現(xiàn)象[14]。當(dāng)軋制溫度升高到500 ℃時，較大的Cu和Al的共存區(qū)域出現(xiàn)在界面層。

圖1 軋制工藝流程

圖2 在不同溫度條件下軋制后的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料界面中間層的形貌

圖3展示了不同溫度條件下軋制后層狀復(fù)合材料中間界面層的元素分布掃描結(jié)果。圖4a—d為該層狀復(fù)合材料中間界面層Al和Cu元素線掃結(jié)果，圖4e為中間界面層的平均厚度隨著軋制溫度的變化情況。當(dāng)軋制溫度為350 ℃時，中間界面的平均厚度為3.49mm。隨著軋制溫度的升高，中間界面層的厚度急劇升高。當(dāng)軋制溫度升高到500 ℃，界面層的平均厚度達(dá)到38.96mm。

圖5展示了不同溫度條件下軋制的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料室溫條件下的拉伸性能。拉伸樣尺寸如圖5a中右下角所示。從圖5b可以看出，當(dāng)軋制溫度從350 ℃增加到500 ℃時，極限抗拉強(qiáng)度逐漸從224 MPa增加到287 MPa。隨著軋制溫度的增加，斷裂伸長率先增加后減少。當(dāng)軋制溫度從300 ℃逐漸增加到450 ℃時，伸長率從2.50%逐漸增加到4.06%。當(dāng)軋制溫度繼續(xù)增加到500 ℃時，斷裂伸長率下降到3.28%。在材料服役過程中，極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率都是非常重要的性能，只有這兩方面同時都有較好的性能時，該復(fù)合材料才能更好地滿足行業(yè)的需求。當(dāng)軋制溫度為450 ℃，較高的極限抗拉強(qiáng)度（273 MPa）和較好的延展性（4.06%）同時獲得，這說明450 ℃為該復(fù)合材料較好的軋制溫度。

從圖6可以看出，經(jīng)過3個道次的熱軋之后，Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料各層之間未出現(xiàn)斷裂的情況。在常溫條件下單向拉伸斷裂之后，界面之間的結(jié)合形態(tài)有很大差異，這也反映了不同工藝加工的層狀復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度有很大的差別。在350 ℃條件下軋制的材料斷裂之后層與層之間的空隙最大，說明初始材料的層間結(jié)合能力最弱。而在450 ℃條件下，軋制的材料斷裂之后層間仍保持較為緊密的結(jié)合，反映了在該條件下軋制的材料層與層之間有較好的結(jié)合強(qiáng)度。

圖3 不同溫度條件下軋制的層狀復(fù)合材料界面層的元素分布掃描結(jié)果

圖4 在不同溫度條件下軋制后的層狀復(fù)合材料Cu/Al界面處的Cu和Al元素分布

3 討論

界面層的形成是通過高溫和軋制力的驅(qū)動，Cu和Al原子向異種基體中擴(kuò)散，從而形成界面化合物層。原子在另一種基體中的擴(kuò)散速率是影響界面層成分分布和形態(tài)的關(guān)鍵因素。在一定溫度條件下，軋制力驅(qū)使Al和Cu沿著位錯通道擴(kuò)散，占據(jù)對方的位置，從而減少空位[18]。擴(kuò)散的速率取決于獲得足夠能量的活化原子數(shù)量。擴(kuò)散系數(shù)可通過以下方程得到[19]：

圖5 在不同溫度條件下軋制后的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料的拉伸性能

圖6 不同溫度條件下軋制的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料斷口形貌

熱軋過程中，隨著軋制溫度的升高，Al層和Cu層中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶和晶粒長大的程度增加，平均晶粒尺寸逐漸增加。根據(jù)Hall-Petch公式，單層材料的力學(xué)性能會隨著軋制溫度的增加而逐漸下降，伸長率逐漸提高，然而，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著軋制溫度的增加而逐漸增加，這是由于一種金屬間界面化合物層厚度的逐漸增加導(dǎo)致的[15]。層狀復(fù)合材料的中間界面層包含了Al2Cu，AlCu，Al3Cu4，Al4Cu9等[16]。各種AlCu間金屬化合物的硬度是明顯高于Al基體和Cu基體的[17]。隨著軋制溫度的升高，金屬間化合物層對材料的強(qiáng)化作用越來越強(qiáng)，從而導(dǎo)致材料的極限抗拉強(qiáng)度逐漸增加。

軋制溫度增加導(dǎo)致的界面層的變化見圖7。當(dāng)軋制溫度從350 ℃增加到450 ℃時，鋸齒形的界面出現(xiàn)，界面層的表面積明顯增加，這導(dǎo)致材料在承受單向拉伸過程中，界面層之間的變形抗力增加，增加了該復(fù)合材料2層之間的協(xié)調(diào)變形能力，從而提高材料的斷裂塑性。當(dāng)溫度再次升高時，出現(xiàn)了Al和Cu的固溶區(qū)，導(dǎo)致這種強(qiáng)化作用減弱。

圖7 不同溫度條件下軋制的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料界面層示意

4 結(jié)論

對不同溫度條件下（350，400，450，500 ℃）軋制的Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料的中間界面金屬間化合物層的形狀和元素分布，及其對力學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入地研究。通過以上實(shí)驗結(jié)果和討論得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)軋制溫度低于400 ℃時，界面中間氧化物層相對比較平整；當(dāng)軋制溫度升高到450 ℃，界面金屬間氧化物層的形狀變成了鋸齒形。

2）隨著軋制溫度的增加，元素的擴(kuò)散速率急劇增加，導(dǎo)致界面層金屬間化合物的厚度急劇增加。這種界面層的急劇變化會對該Cu/Al/Cu層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能有很大的影響。軋制溫度為450 ℃時，材料同時具有較好的強(qiáng)度（273 MPa）和斷裂伸長率（4.06%）。

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Evolution of Intermetallic Layer of Cu/Al/Cu Laminated Composites and Its Effect on Mechanical Properties

WANG Lin, XIE Zhi-bao

(a. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing; b. College of Mechanical and Electrical Engineering; c. Light Alloy Research Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

The work aims to study the strengthening effect of interfacial intermetallic compound layer on material properties during lamination of Cu (commercial pure copper)/Al (AA1060)/Cu composites at different temperature. Cu/Al/Cu laminated composites were processed by ARB (accumulative roll-bonding) at different temperature (350-500 ℃) and the shape and element distribution of intermetallic compound layer at interface and its influence on mechanical properties were analyzed. The thickness of intermetallic layer sharply increased with the increase of rolling temperature, and the morphology showed great difference with the different rolling temperature. When the rolling temperature was 350 ℃ and 400 ℃, the intermetallic layer was relatively flat. However, when the rolling temperature increased to 450 ℃, a serrated shape occurred, which led to the good strength (273 MPa) and the excellent elongation (4.06%) simultaneously. In the process of preparing Cu/Al/Cu laminated composites, optimizing the rolling temperature as an important rolling parameter can comprehensively improve the strength and plasticity.

accumulative roll-bonding; Cu/Al/Cu laminated composite; intermetallic layer; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.009

TG376

A

1674-6457(2021)06-0070-07

2021-08-10

王琳（1991—），男，博士生，主要研究方向為材料軋制成形過程與技術(shù)。