《Materials Today Communications》：Easy separation by foaming joining interface of copper/aluminum joint
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摘要:铜铝复合接头在工业应用中广泛存在。考虑到产品废弃时的再利用或回收需求，希望能够在报废后轻松拆卸牢固连接的铜/铝接头，使材料得以正确分离。本研究探讨了一种通过在连接界面引入经放电等离子烧结工艺制备的含发泡剂薄片、并随后诱发局部泡沫化来促进铜铝接头分离的方法
摘要:铜铝复合接头在工业应用中广泛存在。考虑到产品废弃时的再利用或回收需求，希望能够在报废后轻松拆卸牢固连接的铜/铝接头，使材料得以正确分离。本研究探讨了一种通过在连接界面引入经放电等离子烧结工艺制备的含发泡剂薄片、并随后诱发局部泡沫化来促进铜铝接头分离的方法。含发泡剂薄片在搅拌摩擦焊过程中被成功插入，制备出无焊接缺陷的良好接头。加热后，仅在接头界面附近发生发泡，局部密度降低。拉伸试验表明，焊态试样的断裂发生在铝母材中，而发泡试样的断裂发生在连接界面。发泡试样的断裂强度较焊态试样急剧下降至约百分之一。采用双辊铸轧工艺制备的成本更低的含发泡剂薄片也获得了类似效果。这些研究结果表明，界面发泡是一种有效显著降低接头强度的方法，能够实现铜与铝的简易分离，并提高产品生命周期末期的可回收性。
论文解读文章
一、研究背景与问题
铜与铝的异种金属接头在电气元件等工业应用中广泛存在，但这类异种金属组合被认为是较难实现高质量连接的组合之一，其难点主要在于铜的高热导率使得焊接过程中的热量迅速散失，加之铜铝之间容易形成脆性金属间化合物(IMC)层，导致接头力学性能下降。另一方面，从循环经济和资源再利用的角度出发，当含有铜铝异种接头的产品达到使用寿命而被废弃时，理想的处理方式是能够将这两种材料方便地分离后再分别回收。然而，焊接接头通常具有较高的连接强度，要实现无损或低损耗分离并非易事。
在异种材料接头的易拆卸技术研究方面，目前已有较多工作聚焦于胶粘剂连接和电动汽车电池模组领域，但在广泛用于结构组件的异种金属焊接接头方面，相关研究较为有限。已有的尝试包括在界面形成脆性IMC层以降低接头强度、在搅拌摩擦焊(FSW)过程中采用不利于连接的工艺参数以便后续分离、利用焊接界面产生的局部应力来分离异种材料，以及通过在机械紧固件中引入发泡来实现铆钉强度降低等方法。近年来，有研究者提出一种新思路：在钢与铝的FSW连接过程中将发泡剂引入焊缝界面，随后通过加热使界面发泡、降低局部密度，从而显著减小接头强度，实现易于拆卸的效果。对于钢/铝FSW接头，该方法已被证明能够在保持焊态接头强度的前提下，通过界面发泡有效降低拉伸和弯曲强度，使接头在界面处发生断裂，从而实现钢与铝的分离。
在上述前期工作的基础上，本研究将这一界面发泡分离策略拓展应用于铜/铝接头，围绕三个核心问题展开：其一，在铜/铝FSW连接过程中，采用放电等离子烧结(SPS)制备的含发泡剂薄片(以下简称SPS薄片)能否顺利插入界面并实现无缺陷连接？其二，加热后能否仅在界面附近诱发发泡、有效降低接头断裂强度？其三，是否可以采用成本更低的双辊铸轧工艺制备含发泡剂薄片(TRC薄片)，实现同等效果？此外，研究还对比了加热生成脆性IMC层这一传统方法与界面发泡法在强度降低效果上的差异。
本研究的学术价值和工程意义在于：通过界面发泡策略为铜/铝异种金属接头的易拆解回收提供了一条新的技术路径，有望提升报废产品的材料回收率和经济性。论文发表于《Materials Today Communications》。
二、主要技术方法
本研究综合运用了多种材料加工与表征测试技术。在发泡剂薄片制备方面，采用了两种工艺路线。其一为放电等离子烧结(SPS)：将以TiH?粉为发泡剂(粒径≤45 μm)、Al?O?粉为孔结构稳定剂(粒径约1 μm)、纯铝粉为烧结粘合剂(粒径约20 μm)的混合粉末，在520℃、300 s、50 MPa条件下烧结成约0.6 mm厚的薄片。其二为双辊铸轧工艺(TRC)：将Al-Si-Cu ADC12铝合金熔化后加入Al?O?粉(占薄片总质量18.8 mass%)和TiH?粉(占12.5 mass%)，经熔体混合后浇入立式双辊铸轧机，获得约1.5 mm厚的薄片，再经加热轧制减薄至约0.8 mm。
在连接工艺方面，采用搅拌摩擦焊(FSW)实现C1100韧铜(5 mm厚)与A1050工业纯铝(6 mm厚)的对接焊，将发泡剂薄片插入连接界面，焊后对试样进行铣削和电火花线切割制备拉伸试样。发泡处理采用卤素点加热器对界面区域进行局部加热。力学性能测试使用万能试验机进行准静态拉伸试验。微观组织表征方面，采用X射线计算机断层扫描(X-ray CT)对发泡后的孔隙率和孔隙分布进行无损表征，采用X射线衍射(XRD)对断裂表面的物相组成进行分析，并结合宏观断口形貌观察判断断裂路径。试样分组设计包括：未插入薄片且未加热(试样I)、插入SPS薄片未加热(试样II)、未插入薄片但加热生成IMC层(试样III)、插入SPS薄片并加热发泡(试样IV)，以及插入TRC薄片的相应试样(试样V–VII)。
三、研究结果与分析
3.1 FSW连接结果
对于插入SPS薄片的试样II，FSW后接头表面无裂纹等缺陷，连接质量与未插入薄片的试样I相当。尽管插入约0.6 mm厚的SPS薄片使C1100与A1050之间产生了间隙，但研究指出FSW对接焊对微小间隙具有一定的容忍度，试验表明该厚度下的薄片插入不会导致缺陷产生。
3.2 发泡行为
对试样IV进行点加热后发现，发泡仅发生在靠近连接界面的A1050侧区域，界面以外区域无表面熔化现象。温度历史曲线显示，发泡起始于A1050的固-液共存区(固相线646℃、液相线657℃)附近。X-ray CT观察显示，连接界面附近存在大量孔洞，孔隙率约为51.0%–54.6%，表明界面区域密度降低至原来的一半以下，证实了选择性发泡的可行性。
3.3 拉伸行为与断裂路径
拉伸试验结果表明，焊态试样(试样I和II)均断裂于A1050母材而非界面，说明插入SPS薄片未削弱接头强度。试样III(加热生成IMC层)在界面处断裂，断口分析结合XRD结果确认Al?Cu IMC为主要物相，断裂发生在IMC层内。试样IV(发泡)同样断裂于界面，断口呈现出大量孔隙形貌，断裂主要由发泡孔洞的薄胞壁控制。
3.4 断裂强度比较
定量结果方面，试样I断裂强度为78.3±3.8 MPa，试样II为79.3±5.9 MPa，两者相当且与A1050母材抗拉强度文献值(75 MPa)接近。试样III降至16.5±3.1 MPa，为焊态试样的约四分之一。试样IV则大幅降至0.8±0.7 MPa，仅为焊态试样强度约百分之一。值得特别指出的是，试样IV中6个平行试样中有2个在拉伸试验前已发生自行断裂，意味着其强度已低至轻微冲击即可分离的程度。
3.5 TRC薄片的可行性与效果验证
为降低薄片制造成本，研究进一步探索了双辊铸轧法制备含发泡剂薄片的可行性。铸轧得到的厚TRC薄片(约1.5 mm)插入界面后进行FSW时出现了裂纹缺陷，归因于过大的界面间隙阻碍了材料的塑性流动。对厚薄片进行轧制减薄至约0.8 mm后，获得了薄TRC薄片，其对应接头试样(试样VI)实现了无宏观缺陷连接，但拉伸强度(64.3±12.0 MPa)略低于未插入薄片的试样I，且数据离散度较大，推测与微小的内部缺陷有关。发泡后的试样VII断裂强度降至0.8±1.6 MPa，16个试样中8个在试验前已自行分离，表明低成本TRC薄片同样能够实现良好的界面发泡和易分离效果。
3.6 手动分离验证
为直观验证易分离效果，研究对试样IV进行了手动分离试验。焊态试样手力无法拉开，经点加热发泡后，仅凭手力即可将铜铝接头沿界面轻松拉断。相比之下，仅靠IMC层弱化的试样III仍无法用手拉开，充分说明了界面发泡方法在实现易拆解方面的显著优势。
四、讨论与结论
讨论部分指出，界面发泡使接头断裂发生在发泡区孔洞的胞壁位置，而胞壁较薄、极易断裂，因此接头强度远低于IMC层控制断裂的试样。这一结果与铝泡沫夹芯板拉伸试验中观察到铝泡沫强度低于Fe-Al IMC层的现象一致。研究者也指出，为推进工业化应用，需进一步评估接头在热循环、腐蚀环境、疲劳载荷及服役工况下的长期稳定性。
结论方面，本研究揭示了以下核心发现：(1)厚度约0.6 mm的SPS薄片可成功插入C1100/A1050连接界面并通过FSW实现无缺陷连接，加热后仅在界面附近发生发泡并降低局部密度；(2)焊态试样断裂于A1050母材，发泡试样断裂于界面，界面发泡可实现可靠的界面分离；(3)界面发泡使断裂强度降至焊态试样的约百分之一，弱化效果优于单纯生成IMC层；(4)采用双辊铸轧法制备的约0.8 mm TRC薄片虽使焊态强度略有下降，但仍可获得牢固接头；(5)TRC薄片同样能够在界面诱导发泡并显著降低断裂强度，在降低成本的同时保持了易分离效果。总体而言，铜/铝接头界面发泡技术能够将接头强度降低至可用手力即可分离的程度，为异种金属接头的绿色回收提供了有前景的技术方案。
