双辊铸轧铜/铝复合材料界面演化：有限元模拟与实验研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Interface evolution of twin-roll casted copper/aluminum composites: finite element simulation and experimental investigation

　　

铜/铝（Cu/Al）双金属复合材料兼具铜的优异导电导热性能与铝的轻量化、经济性和良好加工性能。研究人员采用商用有限体积法（FVM）软件Fluent对Cu/Al复合材料的双辊铸轧（TRC）过程进行模拟，以预测工艺参数对复合材料热场的影响。通过停机取样，系统观察了TRC过程不同阶段获得的Cu/Al复合材料微观组织。结果表明，TRC过程中Cu/Al复合界面形成主要有三个区域：液相区（LPR）、半固态区（SSR）和固相区（SPR）。三区分布与模拟结果基本一致。随着TRC进行，Cu侧先生成Cu(Al)扩散层，随后Al侧形成Al(Cu)扩散层；当Cu层与Al层接触后，出现岛状界面层，并逐渐发展为连续、均匀的金属间化合物（IMC）层（包括Al₂Cu和Al₄Cu₉）。在TRC温度710 °C、速度1.0 m/min条件下，Cu/Al复合材料获得高达244 N/mm的剥离强度。所提出的断裂机制表明，剥离过程中裂纹萌生与扩展主要发生在IMC层和Al基体内。模拟与实验结果对优化实际工业生产具有重要指导价值。

铜/铝（Cu/Al）双金属复合材料兼具铜的优异导电导热性能与铝的轻量化、经济性和良好加工性能，在5G通信、储能技术和电力工业等领域具有广泛应用。制备Cu/Al复合材料的常见方法包括爆炸焊、连续复合铸轧、挤压铸造、两步轧制和双辊铸轧（TRC）等，其中TRC具有流程短、能耗低和界面结合强度高等优势。已有研究通过热-流耦合模拟、多场耦合模型、原子尺度模拟和扩散动力学等手段揭示了TRC过程中的热场分布、偏析行为及界面扩散特点，但多数观测集中于后续冷轧和热处理过程中的界面演化，对铸轧机前端复合区内Cu/Al界面从液相接触到固相冶金结合的演化过程缺乏直接实验研究。因此，研究人员开展了TRC过程的有限元模拟与实验验证，系统研究工艺参数对热场和流场的影响，并通过停机取样获得TRC各阶段的界面组织，揭示界面演化机制。

研究人员以商业纯铜带（ASTM B152）和纯铝（AA1050）铸锭为原料，采用商用有限体积法（FVM）软件Fluent建立稳态热-流耦合模型，模拟690~750 °C铸轧温度和0.6~2.2 m/min铸轧速度下的温度场和流场；根据模拟优化参数，在710 °C、1.0 m/min条件下制备Cu/Al复合材料；通过临时停机从液相区（LPR）、半固态区（SSR）和固相区（SPR）取样，利用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）、X射线光电子能谱（XPS）、电子背散射衍射（EBSD）和135°剥离试验，表征界面微观组织、物相组成和力学性能。

3.1 稳态模拟结果
模拟得到的温度场和液相分数分布显示，Cu/Al界面附近的Al液先于中心线位置凝固。随着铸轧速度或铸轧温度升高，液相区深度显著增大；速度或温度过高会造成界面热量输入过大，而过低则会使Al提前完全凝固，导致TRC过程转变为固态热轧。在710 °C、1.0 m/min参数下，液相区深度适中，有利于稳定制备。

3.2 力学行为与IMC层厚度
135°剥离试验表明，710 °C、1.0 m/min条件下制备的Cu/Al复合材料剥离强度最高，约为244 N/mm。SEM测量显示，当速度由1.0 m/min增至2.2 m/min时，金属间化合物（IMC）层厚度由219.10 nm增至324.18 nm；当温度由710 °C升至750 °C时，IMC层厚度增至285.12 nm。剥离强度与IMC层厚度呈负相关，脆性Al₂Cu和Al₄Cu₉相的存在降低了界面抗裂能力。

3.3 TRC过程界面演化
停机取样SEM观察显示，TRC入口处Cu/Al间隙为75~80 μm，2 mm处减至7~10 μm，4 mm处进一步减至2~5 μm并开始形成IMC。半固态区出现岛状界面层，其形成与Cu带表面粗糙度引起的局部过冷、原子扩散和界面反应动力学耦合作用有关；距入口14 mm处界面层变为连续均匀形态。IMC层厚度随距入口距离从20 mm到160 mm由875.94 nm逐渐降至295.78 nm，呈指数衰减；该现象主要源于停机取样时前段Al基体温度较高导致的界面增厚，后段Al温度降低影响减弱。EBSD显示，距入口8 mm处Al层为粗大柱状晶，小角度晶界（LAGBs）比例约63.2%，对应LPR；55 mm处柱状晶细化至约10 μm，LAGBs约为53%，对应SSR；65 mm处出现动态再结晶等轴晶和柱状晶混合组织，LAGBs降至39.3%，对应SPR。TEM和SAED分析表明，界面层由靠近Al侧的Al₂Cu和靠近Cu侧的Al₄Cu₉组成，呈纳米多晶结构。EDS线扫显示，Al向Cu侧扩散约550 nm，Cu向Al侧扩散约1150 nm。剥离后断面分析表明，Al侧主要为Al和Al