一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法

摘要

本发明公开了一种轧制制备高性能Al‑Cu‑Al复合材料的方法，具体包括如下过程：步骤1，制备含有Sn‑Zn‑Bi‑Mg‑Ga钎料的箔材；步骤2，分别裁取两块1060纯Al、一块T2纯Cu及箔材；步骤3，分别对步骤2裁取的Al和Cu进行退火处理；步骤4，对经步骤3处理后的Al进行碱洗；对经步骤3处理后的Cu表面进行打磨处理；步骤5，将经步骤4处理后的Al、Cu及步骤2裁取的箔材进行酸洗，酸洗后再进行超声清洗；步骤6，将经步骤5处理后的Al、Cu及两块箔材进行组坯，得到铝‑合金‑铜‑合金‑铝复合材料，本发明通过添加钎料来实现Al‑Cu异质金属之间的可靠性连接，以此来避免Cu和Al之间的剧烈反应。

说明书

技术领域

本发明属于层状复合材料制备技术领域，涉及一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法。

背景技术

Al-Cu异种金属的连接广泛应用于冶金、电力、化工、制冷和航空航天工业中，目前，主要采用熔铸法、爆炸焊、扩散焊、轧制等焊接的方法实现Al-Cu双金属的连接，且界面连接温度在600℃左右。但由于Al、Cu两种金属熔点相差424℃，线膨胀系数相差40％以上，在焊接过程中，两种金属不仅易形成金属氧化物，而且使用过程中易生成裂纹，极大的降低了导电率。

锡铅(Sn-Pb)合金是传统钎料的首选材料，具有优良的低熔点、导电性优良、力学性能较好等特点。但是，铅是一种有毒有害的重金属元素，在使用之后如果没有进行严格的处理，会对自然以及人类的健康有很大的危害，Sn-Zn共晶熔点最接近于Sn-Pb系合金，其强度，塑韧性均优于Sn-Pb系，且成本低廉。

但是现有的Sn-Zn系在铝的表面润湿性较差，不能满足Al-Cu异质金属连接。

发明内容

本发明的目的是提供一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法，该方法通过添加钎料来实现Al-Cu异质金属之间的可靠性连接，以此来避免Cu和Al之间的剧烈反应，从而形成具有一定强度且界面较窄的结合层。

本发明所采用的技术方案是，一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法，具体包括如下过程：

步骤1，制备含有Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料的箔材；

步骤2，分别裁取规格相同的两块1060纯Al、裁取一块T2纯Cu、裁取步骤1制备的两块规格相同的箔材；

步骤3，分别对步骤2裁取的两块1060纯Al和一块T2纯Cu进行退火处理；

步骤4，对经步骤3处理后的两块1060纯Al进行碱洗；对经步骤3处理后的一块T2纯Cu表面进行打磨处理；

步骤5，将经步骤4处理后的两块1060纯Al、一块T2纯Cu及步骤2裁取的箔材进行酸洗，酸洗后再进行超声清洗；

步骤6，将经步骤5处理后的两块1060纯Al、一块T2纯Cu及两块箔材进行组坯，组坯后得到铝-合金-铜-合金-铝复合材料，对该复合材料进行轧制，并对轧制后的材料进行处理，得到Al/Cu/Al复合材料。

本发明的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

步骤1.1，按重量百分比分别称取锡76％～85.7％、锌9％、铋5％～13％、镁0.1％～2％、镓0.1％～2％，上述各组份的重量百分比之和为100％；

步骤1.2，将步骤1.1称取的原料混合后放入超声波清洗仪内，并加入酒精清洗20～40min；

步骤1.3，将经过步骤1.2清洗的锡、锌、铋、镁、和镓混合物放入石墨坩埚中，然后给混合物表面加5g KCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在660～680℃下保温20～40min，每隔5～10min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液进行冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料，将Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，轧制成箔材。

步骤3中，对T2纯Cu进行温度为300～375℃、时间为0.5～2h的退火处理；

对1060纯Al进行温度150～350℃、时间为0.5～3.5h的退火处理。

步骤4中，将两块1060纯Al放入5％～10％NaOH溶液中进行5～10min碱洗；

对T2纯Cu表面用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物。

步骤5的具体过程为：

将步骤2处理后的两块1060纯Al、一块T2纯Cu及步骤2裁取的箔材放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗5～10min，然后再放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min。

步骤6中，所述铝-合金-铜-合金-铝复合材料的轧制率为60％～85％，对轧制后的复合材料，进行温度为250～480℃、时间为0.5～12h的固溶处理，然后再进行温度为125～225℃、时间为4～20h的时效处理，获得Al/Cu/Al复合材料。

本发明的有益效果是，本发明用不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Si-Ga钎料，对铝、铜在低温轧制环境下进行双向连接，在后续热处理环境中避免了Al

附图说明

图1是本发明一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法中实施例1～5所制备的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料在铝上的润湿面积图；

图2是本发明一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法中实施例1～5所制备的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料在铜上的润湿面积图；

图3是本发明一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法实施例1所制备的Al/Cu/Al复合材料的组织照片；

图4是本发明一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料的方法实施例1-4制备的Al/Cu/Al复合材料的拉伸强度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种轧制制备高性能Al-Cu-Al复合材料，首先制备具有较优性能的钎料，具体实施步骤如下：

步骤1，按重量百分比分别称取锡76％～85.7％，锌9％，铋5％～13％，镁0.1％～2％，镓0.1％～2％，上述各组份的重量百分比之和为100％。

步骤2，将步骤1称取的锡、锌、铋、镁、和镓混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～40分钟；

步骤3，将经过步骤2清洗的锡、锌、铋、镁、和镓混合物放入石墨坩埚中，然后给表面加5g KCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在660～680℃保温20～40min，期间每5～10min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga低熔点钎料，将不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，轧制成箔材，并进行性能检测。

上述步骤的特点为，随着Bi元素的增加，Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料的熔点越低，但是熔程会变大，从而会恶化接头的力学性能；Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料在铜和铝上的铺展面积都逐渐变大，可见Bi原子有降低表面能，提高润湿性的作用；Mg元素的添加，有利于Al母材表面氧化膜的去除；Ga元素的添加，能有效的增强Sn-Zn基钎料的抗氧化能力。

然后再采用“中间层+轧制+热处理”的方法，实现短时低温轧制制备高性能铝-铜-铝复合材料，具体按照以下步骤实施：

步骤4，裁取两块1060纯Al长宽高分别为75×15×5mm，T2纯Cu长宽高分别为75×15×2mm，将熔炼的不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金轧制成箔材，裁取两块合金其长宽分别为75×15mm。

步骤5，对T2纯Cu进行温度为300～375℃，时间为0.5～2h的退火处理，对1060纯Al进行温度150～350℃，时间为0.5～3.5h的退火处理。

步骤6，将步骤5的铝块放入5％～10％NaOH溶液中进行5～10min碱洗，将步骤5的铜块先用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物，然后和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi-Mg-Ga箔材放入5％～10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗5～10min，超声波清洗仪内，加入酒精清洗20～50min。

步骤7，将步骤6中表面处理后的两片Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-合金-铜-合金-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次和多道次轧制法，轧制率为60％～85％，对轧制后的复合材料，进行温度为250～480℃，时间为0.5～12h的固溶处理，对其进行水冷，之后进行温度为125～225℃，时间为4～20h的时效处理，获得Al/Cu/Al复合材料。用不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Si-Ga钎料，对铝、铜在低温轧制环境下进行双向连接，在后续热处理环境中避免了Al

本发明铝-铜-铝复合材料的制备方法，结合界面均匀，界面层较窄，同时还具有较高的拉伸强度，其制备工艺简单可靠，绿色环保。

实施例1

按重量百分比分别称取82％锡、9％锌、7％铋、0.7％镁、1.3％镓混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗20min；锡、锌、铋、镁、镓混合物放入石墨坩埚中，然后给表面加5g KCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在660℃保温40min，期间每5min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga低熔点钎料，将不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，测出其熔点为225.79℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。

裁取两块1060纯Al长宽高分别为75×15×5mm，T2纯Cu长宽高分别为75×15×2mm，将熔炼的不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金轧制成箔材，裁取两块合金其长宽分别为75×15mm。对T2纯Cu进行温度为375℃，时间为0.5h的退火处理，对1060纯Al进行温度300℃，时间为0.5h的退火处理。将铝块放入5％NaOH溶液中进行5min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物，然后和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi-Mg-Ga箔材放入5％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗5min，超声波清洗仪内，加入酒精清洗20min。将表面处理后的两片Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-合金-铜-合金-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用一道次轧制法，轧制率为80％，对轧制后的复合材料，进行温度为480℃，时间为0.5h的固溶处理，之后进行温度为125℃，时间为20h的时效处理，获得Al/Cu/Al复合材料，其界面拉伸强度为176MPa。

实施例2

按重量百分比分别称取81％锡、9％锌、9％铋、0.9％镁、0.1％镓混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗25min；锡、锌、铋、镁、镓混合物放入石墨坩埚中，然后给表面加5g KCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在680℃保温20min，期间每10min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga低熔点钎料，将不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，测出其熔点为221.41℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。

裁取两块1060纯Al长宽高分别为75×15×5mm，T2纯Cu长宽高分别为75×15×2mm，将熔炼的不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金轧制成箔材，裁取两块合金其长宽分别为75×15mm。对T2纯Cu进行温度为300℃，时间为2h的退火处理，对1060纯Al进行温度150℃，时间为3h的退火处理。将铝块放入10％NaOH溶液中进行10min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物，然后和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi-Mg-Ga箔材放入10％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗10min，超声波清洗仪内，加入酒精清洗50min。将表面处理后的两片Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-合金-铜-合金-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用两道次轧制法，轧制率为60％，对轧制后的复合材料，进行温度为250℃，时间为12h的固溶处理，对其进行水冷，之后进行温度为225℃，时间为4h的时效处理，获得Al/Cu/Al复合材料。其界面拉伸强度为154MPa。

实施例3

按重量百分比分别称取76％锡、9％锌、11％铋、2％镁、2％镓混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min；锡、锌、铋、镁、镓混合物放入石墨坩埚中，然后给表面加5gKCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在670℃保温30min，期间每5min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga低熔点钎料，将不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，测出其熔点为220.34℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。

裁取两块1060纯Al长宽高分别为75×15×5mm，T2纯Cu长宽高分别为75×15×2mm，将熔炼的不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金轧制成箔材，裁取两块合金其长宽分别为75×15mm。对T2纯Cu进行温度为335℃，时间为1.5h的退火处理，对1060纯Al进行温度200℃，时间为2h的退火处理。将铝块放入7％NaOH溶液中进行7min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物，然后和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi-Mg-Ga箔材放入7％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗7min，超声波清洗仪内，加入酒精清洗30min。将表面处理后的两片Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-合金-铜-合金-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用两道次轧制法，轧制率为77％，对轧制后的复合材料，进行温度为440℃，时间为3h的固溶处理，对其进行水冷，之后进行温度为170℃，时间为8h的时效处理，获得Al/Cu/Al复合材料。其界面拉伸强度为129MPa。

实施例4

按重量百分比分别称取76％锡、9％锌、13％铋、1％镁、1％镓混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗35min；锡、锌、铋、镁、镓混合物放入石墨坩埚中，然后给表面加5gKCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在675℃保温25min，期间每8min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga低熔点钎料，将不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，测出其熔点为217.82℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。

裁取两块1060纯Al长宽高分别为75×15×5mm，T2纯Cu长宽高分别为75×15×2mm，将熔炼的不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金轧制成箔材，裁取两块合金其长宽分别为75×15mm。对T2纯Cu进行温度为335℃，时间为1.5h的退火处理，对1060纯Al进行温度200℃，时间为2h的退火处理。将铝块放入8％NaOH溶液中进行8min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物，然后和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi-Mg-Ga箔材放入8％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗8min，超声波清洗仪内，加入酒精清洗35min。将表面处理后的两片Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-合金-铜-合金-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用两道次轧制法，轧制率为77％，对轧制后的复合材料，进行温度为420℃，时间为3.5h的固溶处理，对其进行水冷，之后进行温度为180℃，时间为6h的时效处理，获得Al/Cu/Al复合材料。其界面拉伸强度为122MPa。

实施例5

按重量百分比分别称取85.7％锡、9％锌、5％铋、0.1％镁、0.2％镓混合并放入超声波清洗仪内，加入酒精清洗40min；锡、锌、铋、镁、镓混合物放入石墨坩埚中，然后给表面加5g KCl-LiCl盐，再将石墨坩埚放置到箱式电阻炉内进行熔化，在680℃保温20min，期间每5min搅拌一次得到熔融的金属液，再将熔融金属液快速冷却，形成Sn-Zn-Bi-Mg-Ga低熔点钎料，将不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga钎料熔炼后，测出其熔点为218.61℃，轧制成箔材，再进行润湿性检测。

裁取两块1060纯Al长宽高分别为75×15×5mm，T2纯Cu长宽高分别为75×15×2mm，将熔炼的不同成分的Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金轧制成箔材，裁取两块合金其长宽分别为75×15mm。对T2纯Cu进行温度为335℃，时间为2h的退火处理，对1060纯Al进行温度350℃，时间为3.5的退火处理。将铝块放入8％NaOH溶液中进行8min碱洗，将铜块先用钢刷打磨掉表面的黑色氧化物，然后和处理后的铝块以及Sn-Zn-Bi-Mg-Ga箔材放入8％的硝酸酒精溶液中进行酸洗，酸洗8min，超声波清洗仪内，加入酒精清洗35min。将表面处理后的两片Sn-Zn-Bi-Mg-Ga合金置于铝和铜之间，经过一定的组坯方式，将组合后的铝-合金-铜-合金-铝复合材料经过轧机进行轧制，采用两道次轧制法，轧制率为85％，对轧制后的复合材料，进行温度为420℃，时间为3.5h的固溶处理，对其进行水冷，之后进行温度为180℃，时间为6h的时效处理，获得Al-Cu-Al复合材料。其界面拉伸强度为120MPa。

根据图1和图2可知，随着Bi含量的增加，本发明实施例1～5制备的合金在Cu和Al表面的铺展面积逐渐增大，随着Bi含量的进一步增加，铺展面积逐渐减小。

根据图3可知，本发明实施例1所制备的Al-Cu-Al复合材料界面宽度在2μm以内，界面结合良好。

根据图4可知，当Bi含量为7％时，本发明实施例1～4制备的Al-Cu-Al复合材料拉伸强度最高为176MPa。