0 引言
铜资源广泛应用于电气电子、机械制造、交通运输和航空等领域,是人们进行正常生活和生产活动所必须的物质基础。铜以其优良且仅次于银的导电导热性能、良好的加工性能和低于银的市场价格,在电力及电信号输运上一直有着举足轻重的地位。但由于我国贫铜富铝的资源现状,因此早在20世纪60年代我国就提出“以铝代铜”的战略计划。铜/铝复合材料应运而生,其既具有铜的良好导电导热性和焊接性,又具有铝轻、廉价的优点。铜包铝复合棒材又名铜包铝、铜包铝母线,其外层为铜,芯部为铝,通过复合而成[1-3]。
现有铜包铝复合材料的制备方法主要有:包覆焊接法,将铜带包覆在铝芯表面,通过焊接方法将铜带接缝处焊接形成坯料,最后再进行热处理和多次拉拔[4];轧制复合法,在一定温度下,将铝棒套入铜管中,经过轧制压合形成固相结合的一种方法[5];静态挤压法[6],采用挤压设备将大直径铜管与铝棒在压力下挤压成型;充芯连铸法,通过将低熔点金属液填充在高熔点外层金属管中后凝固成型[7]。
上述方法中包覆焊接法和轧制复合法基本上采用的是固态结合法,铜铝之间没有形成明显的冶金结合,主要依靠外界压力形成的机械结合,结合强度较低;静态挤压法生产效率低、成本较高,而且难易用于制备复杂断面形状的材料;充芯连铸法在浇铸铝液时容易造成铜管的烧穿,且存在生产效率低下、成品率低、产能不稳定的问题。董晓文等将铝液和铜液通过型腔铸造的方法制备铜/铝复合棒坯,再通过轧制、表层处理、拉拔和退火制备铜/铝复合材料,此方法在棒坯料制备中存在设备模具制作复杂、制备过程工艺控制要求高和单位产量低等缺点[8]。
爆炸复合法又称为爆炸焊接法[9],是一种高能加工工艺,它是利用炸药爆炸产生的瞬时能量来驱动复层以一定的速度撞击基层,从而使基复层之间形成牢固结合的一种加工工艺。与传统常规的金属复合工艺相比,其最大的特点就是几乎不受材料种类的限制,可实现异质金属之间的高结合强度连接。本研究中通过爆炸复合的方法将复层(铜)和芯棒(铝)进行复合,该方法制备的铜/铝复合材料具有结合强度优异,制备工序简单、生产高效的特点。爆炸复合在铜/铝复合材料复层铜和铝芯棒之间形成了原子间冶金结合,两金属界面处为爆炸复合特有的波状或平直结合界面。
1 实验材料与方法
1.1 原材料
实验所用原材料的牌号和化学成分见表1和表2所示,T2铜为Y态,符合标准GB/T5231—2012,力学性能符合标准GB/T1527—2017,规格为Φ28 mm×3 mm×275 mm;2A12铝合金为T4态,符合标准GB/T 3190—2020,力学性能符合标准GB/T3191—2019,规格为Φ21 mm×275 mm。
表1 铜管(T2)的化学成分
Table 1 Chemical composition of copper tube
化学成分(质量分数)/%Cu+AgBiSbAsFePbS≥99.90≤0.001≤0.002≤0.002≤0.005≤0.005≤0.005
表2 铝合金棒(2A12)的化学成分
Table 2 Chemical composition of aluminum alloy tube
化学成分(质量分数)/%AlSiFeCuMnMg余量≤0.5≤0.53.8～4.90.3～0.91.2～1.8NiZnTiFe+Ni其他元素≤0.1≤0.3≤0.15≤0.5单个≤0.05合计≤0.05
1.2 铜/铝复合材料的制备
本实验中爆炸复合采用外爆法,如图1为爆炸复合装置示意图,在装配好的炸药顶部位置使用雷管起爆。实验所用某型爆炸复合专用炸药,形态为粉末状,爆速为1 800～2 500 m/s。简单来说,在爆炸复合时,炸药的内能会转变为铜管的动能使铜管以一定的角度和速度向铝棒发生碰撞,从而在高温、高压和高速下完成爆炸复合的过程。
图1 爆炸复合装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the explosion welding device
1.3 铜/铝复合材料的检测及表征
图2中下方为T2/2A12复合材料实物,爆炸复合后首先进行超声波检测,然后采用线切割对所需检测进行取样,取样位置在T2/2A12复合材料的超声波检测结合区内。
图2 T2/2A12复合材料坯示意图和实物
Fig.2 T2/2A12 composite rod schematic diagram and physical object
本研究中利用光学显微镜观察了铜/铝复合材料的金相,使用扫描电子显微镜和能谱分析仪对其微观形貌和化学成分进行了分析;参照GJB 3797A—2015《卫星用钛-不锈钢爆炸复合过渡接头棒规范》标准加工拉剪试样对铜/铝复合材料的界面进行了拉剪试验;在剪切强度的基础上,参照GB/T228.1—2019《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》进行了室温拉伸测试;显微硬度在结合界面附近沿垂直界面方向进行测试,每个测试点间隔为100 μm,铜侧和铝侧各测量10个点;另外委托陕西继学实验科技有限公司在20 ℃室温条件下、采用直流双臂电桥设备对复合材料的导电性能进行了测试。
2 结果与分析
2.1 超声波检测
完成爆炸复合后,T2/2A12复合材料表面外观质量良好,外表面无裂纹、烧蚀等宏观缺陷,示意图和实物见图2,经超声波探伤检测显示,头、尾端各有一段不结合区,头端21 mm长度的不结合是因为在爆炸复合组配时在头端放置有支撑物,用来给复管提供加速距离,尾端30 mm长度的不结合是因为爆炸复合时炸药的能量传到起爆末端出现卸载所导致,除起爆端和起爆末端外,其余两条划红线部分内全部结合。
2.2 界面组织分析
根据图3中T2/2A12爆炸复合材料界面处的显微金相可以看出:结合界面处无连续硬脆相、显微裂纹、孔洞、夹杂等,表明铜层和铝层之间形成了良好结合。
图3 T2/2A12复合材料结合界面形貌
Fig.3 Interfacial morphology of T2/2A12 explosive composites
理论上,2种金属爆炸复合界面的结合方式主要可分为3类:金属间的直接结合,熔化层结合和波状界面结合,这种理论对于复合板来说是适用的,但是在实际情况中,外爆法制备的复合材料结合方式比较特殊,其波形为介于金属间的直接结合和波状结合界面,这主要是因为在工艺设计上复合棒形式的管和棒之间的间距往往比复合板小1/2～1/3,因此在爆炸复合时,炸药的能量驱动铜管向铝棒的碰撞角较小,形成界面波形的波幅和波高比较小或者呈现金属间直接结合,而当增大复层和芯棒间距时,复层可能在爆炸复合瞬间“收缩”时会产生裂纹或变形,严重影响爆炸复合的质量,所以在T2/2A12爆炸复合材料中呈现出的都是微波或平直的界面[9]。
图4所示是T2/2A12复合材料结合界面处在扫描电子显微镜500×和1 000×放大倍数下的图片,可以看出其主要为介于直线结合与波状结合界面的形态,靠近界面处的金属呈现塑性流动形态,有铝嵌入铜的基体中,这主要是由于在爆炸复合时形成的高压将铝冲压进铜基体中[10],这种结构类似机械啮合可增加两金属的结合强度,结合图5可以看出爆炸复合界面处约有7 μm的扩散层,扩散层的形成一方面是由于在爆炸复合的瞬间T2管和2A12棒之间存在巨大的浓度梯度,另一方面在碰撞区还存在着高温、高压的有利环境。另外由于2A12铝中含有1.2%～1.8%(质量分数)的Mg,所以图5中可以看出能谱分析时Mg元素主要存在于铝侧。另外图5中显示氧元素在扩散层或铝侧部分区域有聚集分布,这可能是金相磨抛过程表面氧化或砂纸等带来的氧元素。
图4 T2/2A12复合材料结合界面扫描结果
Fig.4 SEM of T2/2A12 bonding interface
图5 T2/2A12复合材料结合界面EDS结果
Fig.5 EDS of T2/2A12 bonding interface
2.3 剪切强度
复合材料的拉剪试验,属于剪切实验的一种[11],能够较准确地反映界面结合强度。图6为T2/2A12复合材料拉剪实验示意图和结果照片,拉剪强度平均值为96.5 MPa,可以看出断裂面只有铜的颜色,结果表明T2/2A12的结合界面结合良好,未从界面处断裂,这主要是由于T2铜的抗拉强度小于2A12铝和界面的抗拉强度,故在拉剪的过程中最薄弱的铜层发生了剪切断裂,表明T2/2A12复合材料结合界面的结合强度大于母材两金属中强度较弱的一侧,这也是2种异质金属材料爆炸复合的优势之一。
图6 拉剪试样示意图和结果
Fig.6 Pressure-shear sample and experimental result
2.4 拉伸性能
拉伸强度是由均匀塑性形变向局部集中塑性变形过渡的临界值,也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。
由于前期检测在对整根复合材料进行室温拉伸时即使夹具将外边铜层挤压剧烈变形也未能将铝芯棒拉断。因此,通过与实验室讨论将试样加工成图7的结构进行检测,即将受力面积减小为原来的1/2,测试结果见表3所示。结果表明:由于爆炸复合瞬间在炸药爆炸能量的驱动下铜管与铝棒的碰撞面发生了剧烈的塑性变形,从而产生加工强化,且原材料2A12-T4属于典型的硬铝合金,因此T2/2A12爆炸复合材料的抗拉强度高达551 MPa,但相对应的延伸率只有17%。为了提高T2/2A12复合材料延伸率,综合铜和铝的退火热处理制度,选择410 ℃作为T2/2A12复合材料的退火温度,随炉升降温,保温时间为30 min,在热处理的过程中,T2/2A12复合材料界面附近变形的晶粒会逐渐变得均匀,加工强化的应力得到释放,从而在降低强度的同时提高复合材料的延伸率,如表3所示,在此退火热处理制度下,抗拉强度为294.5 MPa,延伸率为25%,可满足相关电子行业领域对延伸率的要求。
图7 拉伸试样示意图和结果
Fig.7 Tensile test sample and experimental result
表3 T2/2A12复合材料拉伸性能
Table 3 T2/2A12 composites tensile performance
试样名称状态抗拉强度/MPa断后延伸率/%T2/2A12复合材料爆炸态55117410℃/30min294.525
2.5 拉伸试验断口分析
图8为T2/2A12爆炸复合材料爆炸态的拉伸断口SEM照片,图8(a)可看出拉伸断口从外到里依次为T2铜、剪切唇、铜断口、T2/2A12界面、2A12铝。在拉伸过程中,界面附近也出现了开裂,这主要是由于2种金属自身的延伸率不同且拉伸过程两金属会出现颈缩。在图8(b)中选取界面铜侧附近进行放大并进了EDS点扫描,结果见图8(c)和(d),图8(c)谱图1处为纯铜,2处为T2/2A12的化合物层,表明两金属结合界面为冶金结合。图8(e)为T2侧断面与两金属结合界面的放大图,可以看出界面侧与铜侧过渡区由于受应力而产生孔洞,界面侧有少量韧窝并伴随网状结构,结合图9说明拉伸试验中T2和2A12结合界面为受力撕扯而开,结合面两金属存在互相镶嵌的物理结合和形成化合物的冶金结合。图8(f)为图8(c)中T2/2A12化合物层附近的放大图,可看出T2/2A12爆炸复合结合层为明显的脆性断裂。图8(g)为断口2A12侧的照片,可看出大量深度较大的韧窝,且密集程度高,为韧性断裂。图8(h)T2侧断口非常干净,无破碎颗粒,为河流状结构的准解理断口。
图8 T2/2A12复合材料拉伸断口SEM照片
Fig.8 SEM image of the tensilefractures ofT2/2A12 composites
图9 T2/2A12界面处断口SEM-DES照片
Fig.9 SEM-EDS image of the interfacial tensilefractures of T2/2A12 composites
2.6 显微硬度
T2/2A12复合材料的硬度主要反映的是界面两侧塑性变形,图10为爆炸态显微硬度测试的点位分布,红框内所打点位均匀分布于T2/2A12两金属结合界面两侧,与图11中的点位相对应。测试结果如图11所示,对于T2/2A12复合材料的爆炸态,整体来看呈现出界面显微硬度高,远离界面两侧低的趋势,具体靠近界面处铝和铜侧的显微硬度分别为162 HV、132.5 HV,其主要的原因有:① 爆炸复合时界面处有塑性变形引起的加工硬化[12-14];② 爆炸复合瞬间两金属结合界面是在高温、高压下进行的,高温的界面以106～107 ℃/S速率迅速冷却时,类似于淬火效应[9]。410 ℃/30 min热处理后的界面显微硬度结果表明:T2/2A12复合材料在热处理后硬度有了显著的降低[15],界面处和基体的硬度值趋于一致,2A12侧和T2侧的平均硬度值分别为77.1 HV和65.1 HV,主要是热处理消除了大部分爆炸复合产生的内应力,并提高了T2/2A12复合材料的塑性。
图10 显微硬度测量点位分布
Fig.10 Microhardness measurement point distribution
图11 T2/2A12复合材料热处理前后的显微硬度
Fig.11 Microhardness of T2/2A12 composites
2.7 导电性能分析
考虑到铜/铝复合材料在实际应用时对导电性能具有广泛的要求[16],故对导电率进行了测试,图12是检测中所使用的试样外观形貌,表面光滑平整,通过检测体积电阻率从而得出电导率,具体的数据见表4所示,国际标准中以铜导电率为100%IACS,本实验中T2/2A12复合材料最终换算得出导电率为67%IACS,介于铜和铝的导电率之间,且远大于较低一侧2A12铝合金(30%～40%IACS)的导电率,另外根据2021年科技部国家重点研发计划项目申报指南要求的导电率指标为≥66%IACS,故可满足相关行业领域对导电率的使用要求。
图12 电导率检测试样
Fig.12 Sample of conductivity of electricity
表4 T2/2A12复合材料的导电性能
Table 4 T2/2A12 composites conductivity of electricity
试样名称体积电阻率/(Ω·m)电导率/(S·M-1)导电率T2/2A12复合材料2.58×10-83.88×10767%IACS
3 结论
1) 采用爆炸复合法完成了T2/2A12复合材料的制备,显微分析结果表明结合界面无连续的硬脆金属化合物,T2和2A12结合界面附近有7μm左右的扩散层。
2) T2/2A12复合材料的界面剪切强度为96.5 MPa,爆炸态和热处理态室温拉伸试验的抗拉强度和延伸率分别为551 MPa、17%和294.5 MPa、25%,表明合适的热处理制度可有效消除爆炸复合带来的加工硬化并提升T2/2A12复合材料的延伸率。
3) T2/2A12复合材料的导电性能良好,导电率为67%IACS。
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