压力条件下固-液复合法制备铜/铝(锌)层状复合材料研究

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随着铜资源日益短缺,铜价居高不下,开发新材料来代替铜材已成为必然趋势。我国铝、锌资源非常丰富,价格都低于铜。铜/铝(锌)层状复合材料兼具铜和铝(锌)的优点,综合性能良好。目前制备的层状复合材料其冶金结合不是十分理想,而且生产成本较高。如何实现铜与铝(锌)之间可靠而又经济的复合,成为亟待解决的问题。就性能和价格比而言,固-液复合法制备层状复合材料具有明显的优势。本文在加压条件下,采用固-液复合法制备了铜/铝(锌)层状复合材料,利用电子拉伸试验机、显微硬度计等性能测试手段,以及扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、高分辨透射电镜(TEM)、X射线分析仪(XRD)等微观分析手段对复合界面的结合性能和组织结构进行了研究,讨论了浇注温度对界面层厚度、抗拉强度、界面层组织结构的影响,并探讨了界面层硬度分布特征、组织结构特征、拉伸断裂原因等。研究结果表明:1.采用压力条件下固-液复合法可以制备出冶金结合良好的铜/铝(锌)层状复合材料。2.在铜-铝复合时,铝液浇注温度对冶金结合界面层的形成、界面层的厚度以及界面层结合强度产生显著影响:当铝液浇注温度较低时,冶金结合界面层未见形成,界面抗拉强度较低;当铝液浇注温度达到720℃时,冶金结合界面层开始形成,此时界面抗拉强度最高,达到40.07MPa;随着铝液浇注温度的继续升高,界面层厚度增加,同时界面抗拉强度下降。3.在铜-铝复合时,冶金结合界面层呈现以下特征:(1)沿着铝基体到铜基体的方向,界面层内层逐渐减薄,新相生成的先后顺序依次为共晶组织α-Al+CuAl2、CuAl2、CuAl等。(2)界面层硬度显著高于两侧基体硬度,界面层不同部位硬度不同,界面层内部靠近铜基体的区域硬度最大,最高达240HV。(3)拉伸断口表面含有大量的CuAl2相,断裂主要发生在界面层内生成CuAl2的层,脆性相CuAl2是造成材料断裂主要原因之一。4.在铜-锌复合时:锌液浇注温度对冶金结合界面层的形成、界面层的厚度以及界面层结合强度等产生显著影响:当锌液浇注温度为420℃时,铜/锌冶金结合界面层开始形成,此时界面层厚度约为8μm,并且抗拉强度最高,超过锌基体的抗拉强度(40.86MPa);随着锌液浇注温度的升高,界面层厚度增加,抗拉强度下降。5.在铜-锌复合时,冶金结合界面层呈现以下特征:(1)界面层生成的金属间化合物主要是CuZn(β相),随着锌液浇注温度的升高,生成的金属间化合物增多。(2)界面层硬度不同于铜和锌基体硬度,界面层硬度显著高于基体硬度,硬度最高达472.1HV,并且界面层内部不同部位硬度不同。
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