超薄铜铝复合电缆带累积轧制过程中力学性能及界面演化机制研究

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铜铝复合带因同时具有铜的良好导电性、高热导率和铝的质轻、低成本、耐腐蚀等优点成为替代同轴电缆用纯铜带的最佳材料,并在电力、电子、汽车及建筑等工业领域得到了广泛的应用。铜铝复合电缆带的制备方法有很多种,而轧制复合法由于技术难度相对较小、工艺条件较易控制等优点,广泛用于铜铝复合电缆带的制备。随着铜铝复合电缆带使用频率的迅速提高及其不断发展,对电缆带的厚度提出了进一步的减薄要求,因此需要开发厚度小于0.15 mm的超薄铜铝复合电缆带的制备技术。本文针对超薄铜铝复合电缆带的制备,提出了包含叠轧的多道次累积轧制复合工艺,重点研究了超薄铜铝复合电缆带制备过程中,中间退火工艺和初始带材的状态对复合带力学性能的影响以及热处理过程中铜铝复合电缆带界面生成的金属间化合物生长动力学,并结合有限元模拟对具有不同界面结构的铜铝复合电缆带的力学性能进行了模拟预测。  采用包含叠轧的多道次累积轧制复合工艺,同时结合快速在线退火工艺成功地制备出厚度为0.12 mm的超薄铜铝复合电缆带。研究表明:采用高温短时的在线热处理可以达到低温长时退火处理的效果,且改变初始坯料状态和降低中间退火温度可以改善最终复合带的力学性能。  根据光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)以及维氏显微硬度等实验结果,研究了超薄铜铝复合电缆带在热处理过程中,界面生成的金属间化合物种类、生成顺序以及铜铝复合带的断裂行为。结果表明:超薄铜铝复合电缆带经过热处理,界面生成了三种金属间化合物,从铝侧到铜侧依次为Al2Cu、AlCu和Al4Cu9,这三种金属间化合物中Al2Cu相最先形成,其次为Al4Cu9相,AlCu相最后形成。由于AlCu相的硬度最大,塑性最低,因此铜铝复合电缆带拉伸断裂时,裂纹沿着AlCu相扩展。  基于扩散理论,建立了考虑初始层厚度与消耗的轧制4道次后,各金属间化合物的生长动力学模型,利用阿赫纽斯方程计算得到的Al2Cu、Al4Cu9和AlCu的生长激活能分别为95.15KJ·mol-1、101.45KJ·mol-1以及114.30KJ·mol-1。该理论计算结果与实验结果相吻合。  利用ABAQUS有限元软件建立了铜铝复合电缆带拉伸有限元模型,模拟得到的轧制态铜铝复合带的拉伸结果与真实实验结果基本一致,模拟了界面生成一层金属间化合物Al2Cu的情况下,具有不同Al2Cu厚度的铜铝复合带对应的力学性能及其断裂行为。结果表明:金属间化合物Al2Cu的厚度对铜铝复合带的力学性能有显著影响,当Al2Cu的厚度减小到几个μm时,铜铝复合带的力学性能较好;拉伸断裂时,脆性相Al2Cu最先断裂,其次是Al层,最后断裂的是Cu层。采用该数值模拟方法能够实现不同工艺条件下制备得到的铜铝复合带的力学性能预测,为铜铝复合电缆带的制备工艺控制提供了基础。  
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