Al(6061)/Cu(T2)液-固复合双金属界面组织及性能研究

摘要

随着科技的发展和社会的进步，能源危机、环境污染、资源短缺等问题也随之而来，对材料的性能及使用要求也越来越高，单一材料已无法满足当今社会的需要。制备集不同材料的物理、化学、机械加工性能和价格差别于一体的新型复合材料已经是大势所趋，并且意义重大、应用前景广泛。铝及铝合金、铜及铜合金凭借各自优良的性能成为应用最广泛的有色金属材料。这两种材料在某些方面的性能可以互补，将二者结合起来的铝铜复合结构可以具备二者的综合优势，最大限度地降低各自的缺点，因此Al/Cu双金属构件的应用也越来越广泛。　　本文采用液—固复合铸造的方法来制备Al/Cu双金属。在此过程中的一个难点问题在于铜表面的热氧化会生成氧化层，阻碍固态铜跟熔融铝的直接接触，最终会导致无法形成连续完整的冶金结合界面。本文采用化学镀镍的方法，在T2铜基体表面沉积一层厚度约为6μm的镍层作为保护层。对比分析了未镀镍的Al/Cu复合样和镀镍复合样的界面组织及性能，得出化学镀镍层可以有效保护铜基体表面不被热氧化，有利于形成冶金结合的结合界面。研究了复合工艺参数（加热温度、预热时间）对Al/Cu双金属界面组织及性能的影响，研究表明镀镍层除了作为保护膜，防止铸造过程中铜基体的热氧化，还能作为中间层，抑制铝铜的原子扩散，避免形成大量的脆性金属间化合物，可提高接头的结合强度。加热温度和预热时间对复合界面的组织及性能有很大影响，温度越高、预热时间越长，界面组织中的金属间化合物层的种类越多(Al2Cu3、Al3Cu4、Al2Cu、AlCu、Al4Cu9)、厚度也越厚，接头的力学性能及导电性能都有所下降。在780℃，150s的复合工艺参数下，得到的铝铜接头的结合界面金属间化合物的厚度只有约25μm，剪切强度达到49.8MPa，电导率达到5.29×105 S/cm。　　在镀镍的基础上，研究了稀土Ce对Al/Cu结合界面组织及性能的影响。在铝中添加适量的Ce，通过对比分析可以得出，稀土Ce能够改善Al/Cu接头的界面组织，提高接头的剪切强度及电导率。少量（加入量低于0.2wt.％）稀土Ce的加入可以细化基体组织、消除有害杂质的不利影响;当Ce含量较高（0.4wt.％）时，稀土会跟铝液发生共晶反应形成稀土化合物，可以成为外来形核的核心，提高形核率，细化晶粒，此外还能使Al2Cu呈弥散分布，强化了Al/Cu结合界面;当稀土含量达到0.6wt.％时，富余的Ce会融入到铝铜化合物或形成复杂稀土化合物(Al6Cu7Ce、Al3CuCe)，且随着Ce含量的增加，金属化合物聚集长大，分布在Al/Cu界面处，大大降低了界面的力学性能;当Ce含量高达2wt.％时，铝基体侧的组织中形成了大量的稀土化合物，晶界变厚，组织粗大，铜基体侧虽然生成的Al2Cu相较少，但是铝铜稀土三元合金相数量较多，大大降低了接头的结合强度。添加稀土Ce为0.4wt.％时，接头的剪切强度最大为56.7MPa，电导率最大达到5.43×105S/cm。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 Al／Cu复合材料的制备

1．2．1 Al／Cu异种金属复合材料制备的难点

1．2．2 国内外研究现状

1．3 Al／Cu液固复合霁面形成机理

1．4 本文研究的主要目的及意义

1．5 本文研究的主要内容

第二章 实验设备、材料及研究方法

2．1 实验设备

2．1．1 设备简介

2．1．2 实验设备原理

2．1．3 实验操作流程

2．2 实验材料

2．3 分析方法

2．3．1 显微组织形貌分析

2．3．2 界面组织物相分析

2．3．3 力学性能测试

2．3．4 导电性能测试

第三章 6061Al／T2Cu液固复合界面组织及性能

3．1 引言

3．2 实验材料及设备

3．3 实验方案

3．4 实验过程

3．4．1 铜的表面处理

3．4．2 化学镀镍工艺

3．5 Al／Cu双金属复合样的制备

3．5．1 铜基体镀镍样和未镀镍样的制备

3．5．2 不同工艺参数下镀镍样的制备

3．6 实验结果与分析

3．6．1 Ni-P层的组织形貌特征

3．6．2 Al／Cu晃面组织特征及分析

3．6．3 Al／Cu接头的力学性能分析

3．6．4 Al／Cu接头的导电性能分析

3．7 本章小结

第四章 稀土元素铈对6061Al／T2Cu界面组织及性能的影响

4．1 引言

4．2 实验材料

4．3 实验方案

4．4 实验过程

4．4．1 铜的表面处理

4．4．2 Al／Cu双金属复合样的制备

4．5 实验结果及分析

4．5．1 界面组织分析

4．5．2 接头的力学性能分析

4．5．3 接头的导电性能分析

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况