钛-铜、铜-铜层状材料超声波固结成形制备与性能

摘要

近年来，随着技术发展的需要，金属层状复合材料的作用日益凸显。Ti/Cu层状复合材料不仅具有钛金属质量轻、耐腐蚀的优点，还兼具了铜金属优良导电性、延展性等优势，在电极材料方面有很大的应用前途。超声波固结成形技术是一种快速节能、低温环保、生产成本低的制备金属层状复合材料的方法。该技术能够即时便捷地制备不同层厚比的金属层状复合材料，并结合数控等工艺，可以实现超声波增材成形与智能制造一体化，在航空航天、工业生产、国防装备等领域有着广阔的应用前景。在研发国内首台超声波固结设备的基础上，本文以TA1、T2和Al8011金属箔材为原材料，通过超声波快速固结成形技术制备 Cu/Cu和Ti/Cu层状材料，利用剥离试验表征界面的结合强度，探究超声波固结的各个工艺参数对其影响规律，并采用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电化学工作站和力学性能测试设备，系统地研究了其微结构、拉伸性能、弯曲性能以及导电、耐腐蚀性能，并通过讨论和分析超声波固结的机制阐释说明采取加入中间层（Al8011）的作用。
　　正交试验结果表明， Cu/Cu层状材料的最优制备工艺为：在170℃时，固结压力1715N，固结振幅33μm，固结速度20mm/s。Cu/Cu层状材料的剥离断口形貌主要呈现完全断裂和锯齿撕裂状断裂失效模式。观察界面的缺陷，出现了三种界面缺陷：点状缺陷、线形缺陷和不规则形状缺陷，得出线焊接密度，且与剥离载荷峰值不成正相关。
　　曲面优化试验结果表明，Ti/Cu层状复合材料的最优制备工艺为：在170℃时，固结压力2036N，固结振幅40μm，固结速度10mm/s。Ti/Cu层状复合材料的剥离断口形貌主要是完全剥离失效模式。由曲面优化得到的模型方程为：Y=-1793.67+2.15X1-29.54X2+28.74X3+8.67×10-3X1X2-1.52×10-3x3-0.41x2x3-6.09×10-4x12+0.41x22?0.48x32（x1—压力，x2—振幅，x3—速度）。经过验证与实际结果相吻合，并通过显著性和双因素交互影响分析得出振幅对超声波固结的影响最大，速度次之，压力最后，但三者缺一不可。
　　振幅过高会引起线焊接密度下降，造成界面材料的簇集，形成缺陷，材料表面会出现裂纹；压力能够使材料紧密接触，适当的提高压力能增大线焊接密度，但是中间层的厚度下降；速度决定着材料单位面积、单位时间获得能量的多少，过低的速度使材料表面粗糙度变大，线焊接密度下降，而且会产生不可接受水平的加工硬化和疲劳相关的影响，导致界面恶化。
　　Ti/Cu层状复合材料在超声波能量的辅助下能够使材料表面发生扩散，扩散层一般在2-3μm左右，且没有新相生成。材料具有很高的抗拉强度，断裂方向与拉伸方向成一定角度，裂纹延伸至材料内部，断裂韧性良好，由于加工硬化和晶格畸变强化，断裂呈解理和塑性混合型断裂形貌；该材料界面结合良好，层内和层间同时发生弯曲；不同层厚比的Ti/Cu层状复合材料可以具有不同的耐腐蚀性能和导电性能，铜金属比例增加会提高导电性，钛金属比例增加会提高耐腐蚀性能。
　　铝箔的解决了Ti、Cu塑性差而不易连接的问题，铝箔能够为Ti、Cu提供良好的塑性“桥梁”，克服两种材料差异大、塑性比较差的困难，而且铝、铜“润湿”铺展性好，从而在低温情况下，实现两种材料的结合。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 金属层状材料研究背景及意义

1.2 金属层状复合材料的制备方法

1.3 超声波快速固结成形技术

1.4 超声波快速固结钛-铜层状复合材料的研究意义

1.5 本文主要工作和研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

2.4 材料力学性能、微结构和电化学性能表征方法

2.5 本章小结

第3章 层状材料的制备工艺优化与分析

3.1 引言

3.2 单因素试验结果与分析

3.3 铜-铜层状材料正交试验结果与分析

3.4 钛-铜层状复合材料曲面优化结果与分析

3.5 本章小结

第4章 层状材料微结构表征与分析

4.1 引言

4.2 铜-铜层状材料线焊接密度与缺陷形貌分析

4.3 振幅、压力、速度对界面形貌的影响

4.4 扫描电子显微镜及能谱对界面的分析

4.5 X射线衍射仪对界面的分析

4.6 超声波快速固结成形机理讨论

4.7本章小结

第5章 钛-铜层状复合材料性能测试与分析

5.1 引言

5.2 力学性能测试与分析

5.3 电化学性能测试与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢