一种高性能铜铝界面共晶复合材料及其制备方法与流程

本本发明涉及双金属复合材料领域，具体涉及一种抗拉强度好、剥离强度高、导电性能佳的铜铝界面共晶复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、铝复合材料是一种外层为铜、内层为铝或铝合金的轻量化、高性能层状复合导体材料，融合了铜优良的导电性和铝突出的轻量化特性及成本优势。

2、铜铝复合板材的主要制备方法按照结合时基体的基本状态主要可分为三种：固-固复合法、液-液复合法、固-液复合法。

3、固-固复合基本上有两种，一种是轧制复合，一种是爆炸复合。轧制复合需要对两种金属表面进行处理后，在轧制力的作用下，形成机械咬合，然后通过扩散退火，形成冶金结合，该方法工序多、效率低、能耗大；爆炸复合法生产的复合板的厚度受到很大限制，而且需要特定的爆炸场所，存在噪音大，危险性较高等问题。液-液复合法采用双结晶器连铸复合使铜铝界面更易达到冶金结合，但是产品铜铝界面层过厚，设备结构复杂，投资较大，产品尺寸相对单一，工艺复杂且稳定性较差。固-液复合法可以缩短制备工艺流程，同时节约能源和降低成本，但是目前固液复合法无法生产出具有良好的界面结合性能的铜铝复合板，生产出的复合板共晶层厚度不理想。

4、共晶复合可以通过改变组分比例和凝固条件来调节组织形貌和尺寸，从而实现对力学性能的优化，可以利用不同组分之间的协同效应来提高强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等，可以通过引入高熵合金的概念来增加组分的多样性和复杂性，从而实现超高强塑性。

5、因此，现需提供一种能够产生共晶层的铜铝复合材料的制备方法，来保证铜铝复合材料具有良好的界面结合及优异的性能。

技术实现思路

1、为了克服现有双金属复合板的复合强度低、产品性能差、生产成本高、生产效率低的不足，本发明提供一种具有较高剪切强度和剥离强度的高性能铜铝界面共晶复合板，同时提供一种简单、经济、高效的铜铝共晶复合材料的制备方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种高性能铜铝界面共晶复合材料，包括铝板和铜板，所述铝板为基层，所述上下两层铜板为覆层，所述铝板与上下两层铜板之间形成共晶层，所述铝板的成分按重量百分比计如下：si：0.04～0.25％，fe：0.1～0.3％，ti<0.15％，其余为al及不可避免杂质，所述铜板的成分按重量百分比计如下：pb<0.03％，fe<0.1％，其余为cu及不可避免杂质。

4、进一步，所述铝板为1050、1060、1100、8011或3003铝，铝的含量大于98％的铝材，厚度的取值范围为6～16mm；所述铜板为t2铜或黄铜，厚度的取值范围为复合板厚度的5％～35％。

5、优选的，所述铜板与铝板的厚度比为1：(2～20)。

6、在进一步，所述共晶层化合物的成分包括：al2cu、al4cu9，所述共晶层的界面层厚度为300-500nm，晶相测试复合率>40％。

7、优选的，所述共晶复合材料的常规剪切强度75～80mpa，常规剥离强度140～170kpa，室温下抗拉强度>202mpa，高温300℃*24h后剪切强度80～85mpa，高温300℃*24h后剥离强度80～85kpa，断后伸长率>15％。

8、一种高性能铜铝界面共晶复合材料的制备方法，包括铜板表面预处理、铜板预热、固液复合铸轧、复合板坯均匀化退火、冷轧和二次退火，包括以下步骤：

9、1)铜板表面预处理：铜板先经过高压冲洗，快速的去除铜板表面固体杂质；随后经过低压冲洗，冲洗液为50℃～70℃碱性脱脂液，进行脱脂处理，去除铜板表面的油脂；通过钢刷设备，打磨掉铜板表面的氧化层，并且能够提高表面的毛化程度，增加铜铝复合面积，进而可以增强复合材料的粘合能力；最后将铜板烘干备用；

10、2)铜板预热：将预处理好的铜板固定送入上料设备上，并在无氧环境下将其加热至150℃～220℃，提高原子热激活能，使原子在高温状态下，短时间内可以获得足够多的能量，进行迁移，形成更厚的共晶层，从而有效提高铜铝复合界面的结合强度；

11、3)固液复合铸轧：将铝锭加热至660℃～710℃，得到熔融状态的铝液；随后在轧辊附近通入惰性气体，让其充满铸轧环境，形成无氧环境，可以避免铜板和铝液在复合过程中，因直接暴露在空气中形成氧化层，导致难以形成理想的共晶层，对材料的剥离强度产生不良影响；同时加热轧辊外表面温度至85～95℃；在轧辊中通入冷却液，提高铸轧的冷却速度，形成较小的晶粒，可以提高材料强度；启动铸轧设备，在无氧环境中让熔融状态的铝液和处理好的铜板接触，实现固液复合无氧连续铸轧，最后得到铜铝复合板坯，固液复合铸轧后的复合率为100％；

12、4)复合板坯均匀化退火：将得到的铜铝复合板坯，放入退火炉中，进行均匀化退火，减少铜铝合金两侧内晶内偏析，去除残余应力，改善合金性能；

13、5)冷轧：将退火后的复合板坯进行二次轧制，调整轧制设备，得到要求板厚及板宽，最终二次轧制后的板厚为0.2～16mm，其中铜板厚度为整体复合板厚度的5％～35％，板宽为600～1200mm；

14、6)二次退火：最后将经过冷轧后的铜铝复合板进行二次退火，细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷；由于在轧制过程中存在一定内应力，会导致复合材料强度降低；所以采用退火工艺可以降低残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向，确保产品具有良好的综合力学性能及良好的冶金结合。

15、进一步，所述步骤4)的均匀化退火工艺中，加热温度为430℃～510℃，退火时间为4～5h。

16、再进一步，所述步骤6)的二次退火工艺中，加热温度为300℃～350℃，并在退火炉中冷却至80℃以下。

17、进一步，所述步骤3)中，所述惰性气体为氮气。

18、优选的，所述步骤1)中，冲洗液为50℃～70℃碱性脱脂液。

19、所述步骤3)的固液复合铸轧中，轧辊的轧制速度为600～1300mm/min。

20、所述步骤3)中，所述冷却液的温度为20℃～30℃，冷却速率为300～1000℃/s。

21、本发明的有益效果主要表现在：高性能铜铝界面共晶复合板具有较高剪切强度和剥离强度；可以在复合金属之间实现冶金结合，形成共晶层，能够满足材料的结合强度，同时与现有的复合材料生产方式相比，本发明提供的制备方法更加简单、经济、高效，本发明的高性能铜铝界面共晶复合材料具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种高性能铜铝界面共晶复合材料，包括铝板和铜板，所述铝板为基层，所述上下两层铜板为覆层，其特征在于，所述铝板与上下两层铜板之间形成共晶层，所述铝板的成分按重量百分比计如下：si：0.04～0.25％，fe：0.1～0.3％，ti<0.15％，其余为al及不可避免杂质，所述铜板的成分按重量百分比计如下：pb<0.03％，fe<0.1％，其余为cu及不可避免杂质。

2.如权利要求1所述的一种高性能铜铝界面共晶复合材料，其特征在于，所述铝板为1050、1060、1100、8011或3003铝，铝的含量大于98％的铝材，厚度的取值范围为6～16mm；所述铜板为t2铜或黄铜，厚度的取值范围为复合板厚度的5％～35％。

3.如权利要求1或2所述的一种高性能铜铝界面共晶复合材料，其特征在于，所述铜板与铝板的厚度比为1：(2～20)。

4.如权利要求1或2所述的一种高性能铜铝界面共晶复合材料，其特征在于，所述共晶层化合物的成分包括：al2 cu、al4 cu9，所述共晶层的界面层厚度为300-500nm，晶相测试复合率>40％。

5.如权利要求1或2所述的一种高性能铜铝界面共晶复合材料，其特征在于，所述共晶复合材料的常规剪切强度75～80mpa，常规剥离强度140～170kpa，室温下抗拉强度>202mpa，高温300℃*24h后剪切强度80～85mpa，高温300℃*24h后剥离强度80～85kpa，断后伸长率>15％。

6.一种如权利要求1所述的高性能铜铝界面共晶复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)的均匀化退火工艺中，加热温度为430℃～510℃，退火时间为4～5h。

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)的均匀化退火工艺中，所述步骤6)的二次退火工艺中，加热温度为300℃～350℃，并在退火炉中冷却至80℃以下。

9.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述惰性气体为氮气；固液复合铸轧中，轧辊的轧制速度为600～1300mm/min；所述冷却液的温度为20℃～30℃，冷却速率为300～1000℃/s。

10.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，冲洗液为50℃～70℃碱性脱脂液。

技术总结
一种高性能铜铝界面共晶复合材料，包括铝板和铜板，所述铝板为基层，所述上下两层铜板为覆层，所述铝板与上下两层铜板之间形成共晶层，所述铝板的成分按重量百分比计如下：Si：0.04～0.25％，Fe：0.1～0.3％，Ti<0.15％，其余为Al及不可避免杂质，所述铜板的成分按重量百分比计如下：Pb<0.03％，Fe<0.1％，其余为Cu及不可避免杂质。以及提供一种高性能铜铝界面共晶复合材料的制备方法。本发明具有较高剪切强度和剥离强度；可以在复合金属之间实现冶金结合，形成共晶层，能够满足材料的结合强度，同时与现有的复合材料生产方式相比，本发明提供的制备方法更加简单、经济、高效。

技术研发人员：杨培六,陆财聚,汪涛,宋亚波,徐银昌,翟丕显
受保护的技术使用者：慈溪驰马金属制品有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15