铜包铝复合扁排立式充芯连铸设备的研制

设计和制造了一台制备铜包铝复合扁排的立式充芯连铸试验设备,该设备的特点是在高度方向上设置上下两个加热坩埚分别熔化铜和铝;外层铜管在结晶器中首先形成,铝液随之通过充芯管充填到铜管中,铜、铝界面通过互扩散实现冶金结合.利用此设备,成功地连铸出铜层厚度为2 mm,芯部铝厚度为10 mm,宽为60 mm的铜包铝复合扁排.     

铜包铝复合电力扁排热轧过程温度场的数值模拟

采用刚塑性有限元法,以大型有限元软件DEFORM-3D为分析工具,考虑界面接触传热,对铜包铝复合电力扁排热轧成形过程进行了三维温度场模拟.结果表明:在轧件开始咬入与轧辊接触后,纯铜表面中部的温度先降低后升高,由于纯铜与轧辊的接触传热,轧辊与纯铜的接触部分温度低于铜包铝扁排侧部金属的温度;由于接触摩擦与塑性变形功转化为热量,开始轧制后轧件表面温度有所升高;轧制后铜包铝排铜层表面和铝芯的边部温度高于中部温度,由表及里温度升高;随着压下率的增大,在变形区轧件温度升高幅度增大;随着轧制速度的提高,在变形区铜层和铝芯温度变化更为剧烈,轧制后温降速率减小.     

铜包铝气压连铸成形工艺

在自制的铜包铝气压连铸成形设备上,成功地连铸出内径为8mm,铜层厚度为2mm的小尺寸铜包铝双金属连铸复合棒坯。复合棒坯连续稳定,表面质量良好。经扫描电镜观察和剪切强度测试,发现铜包覆层厚度均匀,内部铜铝界面形成具有一定厚度的扩散边界,内外层金属实现了有效结合。经过后续拉拔加工,成功制备出外径为0.95mm的铜包铝复合线材,经测试,其退火后的抗拉强度,伸长率和电阻率分别为208.43MPa,13.44%,2.454×10-6Ω·cm。     

水平连铸直接复合成形铜包铝复合材料的组织与性能

研究了水平连铸直接复合成形铜包铝棒材的制备工艺和组织性能及退火处理对界面层塑性的影响。结果表明,采用水平连铸直接复合成形法在芯管长度L=210mm、铜铸造温度tCu=1230℃、铝铸造温度tAl=770～850℃、一次冷却水流量Q1=600L/h、二次冷却水流量Q2=600～800L/h、平均拉坯速度v=60～87mm/min的可行工艺窗口下能够制备出直径为30mm、铜包覆层厚度为3mm、质量良好的铜包铝复合棒材。在退火温度为530℃、保温时间为50min的工艺条件下,退火处理后可明显改善界面层的塑性。铜包铝复合棒材的抗拉强度和伸长率分别为80～94MPa和18%～31%。     

连铸直接成形矩形断面铜包铝复合材料界面及其在轧制中的变化

采用水平连铸直接复合成形工艺,制备断面尺寸为50 mm×30 mm、铜包覆层厚度为3 mm的铜包铝复合棒材,并分别采用拉剪试验、XRD、SEM、EDS和EPMA等对铸棒界面的结合强度、形貌和组成进行表征。结果表明:铜包铝复合铸棒界面层的主要组成为CuAl2和Cu9Al4,在近铜侧由平面状Cu9Al4(Ⅰ区)和CuAl2胞晶(Ⅱ区)两区组成;在近铝侧为α(Al)+CuAl2共晶组织(Ⅲ区)。在铸棒横断面上不同位置的界面层结构相同,但界面总厚度不均匀,上部厚度最大,达到220μm,且CuAl2胞晶组织较发达;侧部厚度最小,约为110μm;下部厚度为150μm。界面层总厚度,特别是Ⅱ区CuAl2胞晶层厚度对界面剪切强度有显著影响,因而横断面上部的界面剪切强度较低,为24.7 MPa;侧部和下部的界面剪切强度接近,分别为35.6和33.4 MPa。XRD和断口分析表明,界面分离发生在界面层的Ⅰ区和Ⅱ区内。在后续轧制加工过程中,界面层发生断裂而破碎,其破碎程度随变形程度的增加而增加;当压下率达到67.7%以上时,形成大量纯铜和纯铝直接接触无明显扩散的结合界面,原界面化合物层破碎为尺寸较小的碎片沿界面不连续分布。     

铜包铝双金属复合材料连铸充芯成形工艺研究

设计和制造了双金属充芯连铸一次成形设备，并通过一系列的试验确定了合理的工艺参数，试验证明：在下坩埚和水冷铜结晶器接触长度为20mm，二次冷却喷水口位置在结晶器下95mm处，铜液温度为1250～1320℃，铝液温度为700℃左右，拉速为16mm／min时，拉制出良好的铜包铝复合棒。     

矩形断面铜包铝复合材料的水平连铸直接复合成形

制备断面尺寸为50 mm×30 mm、铜包覆层厚度为3 mm的矩形断面铜包铝复合材料,研究结晶器长度、拉坯速度、芯管长度和一次冷却水流量对矩形断面铜包铝复合材料水平连铸直接复合成形过程的影响。结果表明:当连铸结晶器长度为150 mm、芯管长度为125 mm时,较为合理的拉坯速度范围为75~90 mm/min;当拉坯速度过慢时,铝液的填充不连续,导致芯部铝的收缩或冷隔等缺陷;当拉坯速度过快时,铜铝界面反应严重;当拉坯速度为75 mm/min时,合理的一次冷却水流量为700 L/h,一次冷却水流量大于1 000 L/h导致铝液填充不连续,一次冷却水流量小于400 L/h则导致铜铝界面反应加剧。通过检测芯管出口位置处的石墨内衬温度变化可有效监控铝液的填充行为以及连铸过程的稳定性。     

铜包铝复合扁线轧制变形行为的数值模拟与实验研究

采用三维刚塑性有限元法,研究铜包铝复合线材由圆断面到扁断面的平辊轧制变形行为及其对主要工艺参数的影响,并对模拟结果进行实验验证.结果表明:铜包铝圆线平辊轧制的宽展率和伸长率与压下率之间存在线性关系;当压下率为17.4%和29.4%时,摩擦因数对铜包铝扁线宽展率的影响很小;当压下率为43%时,随摩擦因数的增加宽展率增大;轧辊直径增大,扁线宽展率呈增大趋势,铜层分布的均匀性提高,但影响较小;在总压下率一定时,采用尽可能少的压下道次可使扁线获得更大的宽展率和更均匀的铜层分布;有限元计算结果与实验结果具有较好的一致性.     

退火温度对异步轧制铜/铝复合板界面组织及力学性能的影响

研究退火温度对异步轧制法制备的铜/铝复合板界面组织及力学性能的影响,采用SEM观察界面组织形貌,结合EDX、XRD分析界面物相成分,采用显微硬度和室温拉伸实验表征复合板的力学性能。结果表明,异步轧制法制备的铜/铝复合板界面形变储能较高,退火温度为400℃时界面扩散明显;随着退火温度的升高,复合界面先后生成金属间化合物CuAl2、Cu9Al4、CuAl相,界面撕裂位置位于金属间化合物之间;界面层的显微硬度比基体的高,这是因为受到硬脆性化合物和高温软化的共同影响;退火温度越高,复合板抗拉强度越低,断裂伸长率越大。研究表明,异步轧制法制备的铜/铝复合板最佳退火温度为400℃。     

铜包铝气压充芯连铸设备的研发

为了研制小直径铜包铝复合连铸坯,设计和制造了适用于铜包铝气压充芯连铸工艺的设备.在同一轴线上采用上、下两个加热炉,内衬石墨坩埚,分别加热芯部金属铝和外层金属铜.连铸时利用氮气施压,先形成外层铜管,内层金属铝液通过充芯管充填到外层铜管里并冷却凝固,通过热量和元素的扩散,实现冶金结合.利用该设备,成功地连铸出外径为12 m...     

退火温度对冷静液挤压铜包铝线材组织和力学性能的影响

研究了退火温度对冷静液挤压铜包铝线材组织和性能的影响规律,在界面断裂形式分析的基础上探讨了其作用机理.结果表明:直径为6 mm的冷静液挤压态铜包铝线材合理的退火温度为350℃.低于200℃退火时,纯Cu包覆层只发生回复,复合线材的力学性能得以部分恢复;350℃退火时,铜层再结晶基本完成,复合线材的抗拉强度降到最低,延伸率则达到最高;400℃退火时,铜层晶粒开始长大,复合线材的延伸率开始劣化.界面结合强度随温度的变化呈先增加后降低的趋势,而界面的断裂则由低温退火时的铝基体塑性断裂转变为高温退火后Cu/Al界面的脆性断裂.     

铜包铝复合材料连铸充芯工艺

设计和制造成一台制备铜包铝的连铸充芯试验机,特点是,结晶器为水冷铜内衬石墨套;在高度方向上设置一高一低直径不同的加热器,下加热器与结晶器连接在试验机上.结果成功连铸充芯出芯部直径为24mm、外层厚度为8mm的铜包铝双金属复合棒.通过测试和分析此复合棒的宏观和微观复合断面、化学成分分布、复合界面的剪切强度,表明此连铸充芯试验机可以制备出复合良好的铜包铝双金属棒,并且发现铜铝结合层的强度高于芯部金属的结合强度.     

充芯连铸法制备铜包铝双金属复合材料的研究

提出了一种制备包覆双金属复合材料的新工艺,即充芯连铸法制备包覆双金属复合材料的工艺.试验研究了铜包铝双金属棒制备的工艺,分析了铜包铝双金属棒的外观、断面和界面.结果表明:采样充芯连铸法工艺可以连续稳定地制备铜包铝双金属棒,包覆层厚度均匀.     

退火温度对铜/铝复合薄带组织和拉伸性能的影响（英文）

研究退火温度对铜/铝(Cu/Al)复合薄带的组织和拉伸性能的影响以提高材料的力学性能。使用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和电子背散射衍射仪(EBSD)观察和分析界面层的变化、界面元素的扩散以及Cu和Al各基体的显微组织演变。通过静态单轴拉伸试验研究Cu/Al复合薄带的拉伸性能。结果表明,Cu/Al基体在退火过程中发生再结晶,在400℃退火后Al基体晶粒生长成粗大晶粒。扩散层厚度随着退火温度的升高而增加,500℃退火后扩散层厚度达到12μm。原始典型轧制织构经退火处理后转变为典型退火织构成分{001}<100>和{001}<110>。一般来说,退火处理降低了材料的抗拉强度,提高了材料的整体塑性,扩散层在传递拉应力方面起着显著作用。     

感应加热连续退火对铜包铝复合线材再结晶组织和界面金属间化合物的影响

研究了在250~470℃下感应加热连续退火对冷拉拔铜包铝复合线材包覆Cu层和Al芯组织、界面层金属间化合物组成和厚度的影响,并与传统炉式等温退火的实验结果进行了比较.结果表明:当感应加热温度为250℃时,Cu层和Al芯只发生回复现象;Cu层和Al芯分别在300和330℃时开始发生再结晶,在430℃时均发生完全再结晶,平均晶粒尺寸分别约为6.0和7.3μm.当温度为360℃时,Cu/Al界面形成了不连续分布的CuAl2金属间化合物;当温度为390℃时,界面形成了连续分布的CuAl2层,430℃时形成了CuAl2和Cu9Al42种化合物层,平均厚度分别约为0.52和0.48μm.进一步升高温度,Cu层和Al芯的晶粒明显长大,界面化合物层厚度呈增大趋势.在本工作实验条件下,冷拉拔铜包铝复合线材合理的感应加热连续退火温度为430℃.与炉式等温退火工艺相比,感应加热连续退火方法可明显细化铜包铝复合线材Cu层和Al芯的再结晶晶粒,显著减小界面金属间化合物层厚度.     

退火温度对铜铝复合板界面相演化及性能的影响

采用冷轧复合法制备铜铝复合板,研究退火温度对复合界面金属间化合物的演化及性能的影响。利用电子探针(EPMA)观察复合界面结构,结合EDS、XRD分析界面物相成分,通过剥离测试和室温拉伸试验表征复合板的结合性能。结果表明,随着退火温度的升高,复合界面扩散层增厚,依次生成CuAl₂、Cu₉Al₄和CuAl 3种金属间化合物。CuAl₂和CuAl相的生成破坏了界面结合,导致剥离强度显著下降。在300 ℃及以上温度退火时,复合板发生回复和再结晶软化,其整体拉伸性能优异。综合考虑拉伸性能及剥离强度,冷轧复合法制备铜铝复合板的最佳退火温度为300 ℃。     

铜铝异步轧制复合工艺及组织性能

采用异步轧制工艺进行了铜铝薄带的复合,并对复合带进行了退火处理,利用金相显微镜、扫描电镜和拉伸试验机进行了复合带组织的观察和性能的测定.结果表明,异步轧制相比同步轧制的界面波浪状形貌明显减少,界面更加平整;在相同的压下率下,异步轧制的轧制力要小于同步轧制的轧制力,使轧制的稳定性和精度得到了提高,有益于提高界面剥离强度;异步速比与复合带界面的剥离强度呈抛物线关系,异速比为1.25界面的剥离强度最大;异步速比增加,铜/铝复合带Cu/Al厚度比增加.所得结果在铜铝薄带轧制复合领域的研究有重要意义.     

矩形断面铜包铝轧制成形有限元数值模拟

采用有限元数值模拟方法,研究了矩形断面铜包铝复合铸坯轧制成形铜包铝扁排时的金属变形和流动规律,以及工艺参数对宽展率和铜层厚度比的影响。结果表明,变形区宽面铜层在压下方向主要为压应力状态,而在轧制方向主要为拉应力状态。变形区窄面铜层在压下方向主要为压应力状态,但存在局部拉应力区,在轧制方向主要为拉应力状态。窄面铜层的双向拉应力是导致该位置易发生开裂的主要原因。在所研究的轧制工艺参数中,单道次相对压下率对轧制宽展率和铜层厚度比的影响最大,而采用较大的轧辊直径不仅可以获得较大宽展,而且对铜层厚度比的影响较小,因而铜包铝复合棒坯轧制时,宜采用较大的轧辊直径,并合理控制轧制的道次压下率。通过实验验证,数值模拟的计算精度可满足工程要求。     

铜包铝立式充芯连铸圆坯温度场数值模拟

建立了铜包铝立式充芯连铸圆坯的凝固传热数学模型,并应用有限元软件ProCAST模拟了它在不同冷却条件下的温度场,模拟结果与实验结果基本相符,可用于优化充芯连铸工艺参数.