表面處理對銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度的改善研究

沈文昌，孫建波，劉平安，郭旭朝

（佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154000）

0 引言

銅和鋁雙金屬復(fù)合材料成為材料學(xué)領(lǐng)域焦點(diǎn)，但我國銅儲備低，需增加進(jìn)口量。 鋁具有優(yōu)良抗腐蝕性，并且更輕便和經(jīng)濟(jì)，因此銅／鋁復(fù)合成為重要研究方向。 銅鋁復(fù)合材料繼承了銅和鋁的物理、化學(xué)和力學(xué)特性，且具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和抗腐蝕性。 該材料的層狀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗爆炸和抗振動疲勞強(qiáng)度［1］。 目前研究主要集中在冶金結(jié)合的復(fù)合鑄造技術(shù)參數(shù)上，表面改性的銅鋁雙金屬材料鑄造研究相對較少。

1 銅鋁雙金屬復(fù)合材料的制備方法

銅鋁雙金屬復(fù)合材料的制備是實(shí)現(xiàn)材料優(yōu)異性能的關(guān)鍵步驟，涉及多種技術(shù)和方法。 為了在后續(xù)的應(yīng)用中確保良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，表面處理在制備過程中起到至關(guān)重要的作用。 傳統(tǒng)的制備方法包括熱軋、爆炸焊接和冷軋。 熱軋是將銅和鋁在高溫下通過壓縮力的作用實(shí)現(xiàn)物理結(jié)合，但這種方法可能會造成材料的氧化和內(nèi)應(yīng)力［2］。 爆炸焊接是通過控制爆炸的能量使銅和鋁結(jié)合，但這種方法的成本較高，且存在安全風(fēng)險［3］。 冷軋是在室溫下通過壓縮力實(shí)現(xiàn)銅和鋁的物理結(jié)合，但可能會導(dǎo)致材料的硬化和脆性。

表面處理為銅鋁雙金屬復(fù)合材料制備提供新可能，可改善微觀層面結(jié)合強(qiáng)度。 機(jī)械打磨去除氧化層和雜質(zhì)，提高親和力；化學(xué)腐蝕增加表面粗糙度和結(jié)合面積；物理或化學(xué)鍍層形成保護(hù)層，避免氧化和雜質(zhì)污染，通過選擇不同鍍層材料改善界面結(jié)合強(qiáng)度［4］。 水平連鑄復(fù)合成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合界面雙金屬復(fù)合材料制備，具有流程短、效率高、結(jié)構(gòu)和性能均勻優(yōu)點(diǎn)，界面結(jié)構(gòu)因金屬間化合物和共晶相形成而優(yōu)化，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

2 表面處理技術(shù)在銅鋁雙金屬復(fù)合材料中的應(yīng)用

銅鋁雙金屬復(fù)合材料因其獨(dú)特的性能而廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，而表面處理技術(shù)的應(yīng)用則是實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)異性能的關(guān)鍵因素之一。 通過合理的表面處理，可以改善銅鋁雙金屬界面的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料的綜合性能。

（1）界面清潔處理：界面的清潔處理是提高銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度的基礎(chǔ)。 通過物理或化學(xué)方法去除界面的氧化層、油污和其他雜質(zhì)，可以有效地提高銅鋁雙金屬界面的親和力，為后續(xù)的界面結(jié)合打下良好的基礎(chǔ)。

（2）機(jī)械打磨：通過機(jī)械打磨可以改善銅鋁雙金屬界面的微觀結(jié)構(gòu)，提高其粗糙度，從而增加實(shí)際結(jié)合面積，提高結(jié)合強(qiáng)度。

（3）化學(xué)腐蝕：通過控制化學(xué)腐蝕的條件，可以在不影響材料本身性質(zhì)的前提下，改善銅鋁雙金屬界面的結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合提供可能。

（4）物理或化學(xué)鍍層：通過在銅和鋁的表面形成保護(hù)層，可以防止在制備過程中的氧化和雜質(zhì)污染，同時也能通過選擇不同的鍍層材料來改善界面結(jié)合強(qiáng)度。

（5）界面預(yù)處理技術(shù)：通過一些界面預(yù)處理技術(shù)，例如激光處理或者離子注入，可以在微觀層面上改變銅鋁雙金屬界面的性質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)良好的界面結(jié)合創(chuàng)造條件。

（6）熱處理技術(shù)：適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢愿纳沏~鋁雙金屬復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)，通過控制冷卻速率和保溫時間，可以促進(jìn)界面的冶金結(jié)合，提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)材料與方法

制備銅鋁雙金屬復(fù)合材料最主要的是要克服以下兩點(diǎn)：①銅、鋁材料表面的氧化膜對結(jié)合層有所影響；②兩種金屬的熔點(diǎn)、密度差異大，在復(fù)合界面處容易生成脆性的銅鋁金屬間化合物，危害其復(fù)合材料性能。 本文提出采用沖擊射流技術(shù)，通過自主研發(fā)其復(fù)合裝置，六次更新迭代，技術(shù)和裝置已經(jīng)非常成熟，可滿足大工件銅鋁復(fù)合材料的制備，也能對其他金屬進(jìn)行固液復(fù)合［5］。

3.1 試驗(yàn)材料——銅基體表面處理

銅基體表面處理是銅鋁雙金屬復(fù)合材料制備中的關(guān)鍵步驟，需確保銅基體表面清潔度和活性，以實(shí)現(xiàn)良好銅鋁界面結(jié)合。 試驗(yàn)采用打磨、清洗和化學(xué)鍍鎳處理等步驟來準(zhǔn)備銅基體。

第一項(xiàng)處理是對銅板進(jìn)行打磨處理，去除氧化層和雜質(zhì)，確保表面平整度和清潔度。 打磨后用蒸餾水清洗，再用超聲波清洗確保清潔度。 活化劑處理提高銅表面活性，為化學(xué)鍍鎳處理做準(zhǔn)備。 最后用酒精和蒸餾水清洗，吹干。

第二項(xiàng)重要處理是化學(xué)鍍鎳處理，指在銅基體表面形成一層鎳層，以改善銅鋁的界面結(jié)合。 首先，在預(yù)先準(zhǔn)備的溶液中，將硫酸鎳、檸檬酸鈉和乙酸鈉混合溶解在600 mL 65 ℃的蒸餾水中。 其次，將次亞磷酸鈉溶于300 mL 65 ℃的蒸餾水，留出100 mL 用于后續(xù)的pH 調(diào)節(jié)。 將所有藥品充分溶解后，倒入燒杯中測得pH 為5.4。 根據(jù)使用硫酸將pH 從5.4 調(diào)節(jié)到4.7，以確保化學(xué)鍍液的適宜性。 將調(diào)好的溶液加入蒸餾水，定容至1 000 mL，攪拌均勻后，將鍍液加熱到86 ℃，并保持恒溫。 最后，將銅板放入鍍液中，按照表1 所示的化學(xué)鍍鎳配方進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)銅基體表面的鎳鍍處理。 鍍鎳層不僅能提供良好的附著力，還能作為一個保護(hù)層，避免銅基體在后續(xù)處理和銅鋁復(fù)合過程中的再氧化。 鍍鎳過程需要嚴(yán)格控制時間、溫度和液體的濃度，以確保鍍層的質(zhì)量和厚度。

表1 化學(xué)鍍鎳配方

在鍍鎳處理完成后，將銅板取出，進(jìn)行沖洗和干燥處理，以去除殘余的化學(xué)溶液和可能的表面雜質(zhì)。 隨后，對鍍鎳層的質(zhì)量和厚度進(jìn)行檢查，確保其滿足實(shí)驗(yàn)的要求。 此外，也可通過顯微鏡觀察和X 射線熒光光譜儀分析，來評估鍍層的結(jié)構(gòu)和組成，確保鍍層的完整性和一致性。 整個銅基體表面處理過程旨在為后續(xù)的銅鋁復(fù)合制備提供良好的基礎(chǔ)。 通過打磨、清洗和化學(xué)鍍鎳等步驟，不僅能夠改善銅基體表面的清潔度和活性，還能在銅表面形成保護(hù)層，以改善銅和鋁之間的界面結(jié)合。 此外，通過鍍鎳處理，還能在一定程度上改善銅基體的表面硬度和耐腐蝕性，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的銅鋁雙金屬復(fù)合材料提供了有利的條件。

以上表面處理過程的每個步驟都需嚴(yán)格控制條件，以確保最終得到的銅基體表面滿足實(shí)驗(yàn)的要求。 在處理過程中，需要不斷檢查和評估處理效果，并根據(jù)需要調(diào)整處理?xiàng)l件，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的處理效果。 同時，也需考慮處理過程的可重復(fù)性和可操作性，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。 最終，通過這一系列嚴(yán)格的表面處理步驟，為后續(xù)的銅鋁雙金屬復(fù)合材料制備奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的銅鋁雙金屬復(fù)合材料提供了重要的技術(shù)支持。 銅基體的表面處理是一個綜合性極強(qiáng)的技術(shù)過程，它涉及多個領(lǐng)域的知識，包括材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和表面工程等。每一個處理步驟的成功，都為銅鋁雙金屬復(fù)合材料的制備提供了可能，而表面處理過程的優(yōu)化和改進(jìn)，將為銅鋁雙金屬復(fù)合材料的質(zhì)量和性能的提高提供重要的技術(shù)支撐。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 基于沖擊射流技術(shù)制備銅鋁雙金屬材料及其復(fù)合裝置

沖擊射流技術(shù)是一種有效的銅鋁雙金屬復(fù)合材料制備方法，它能夠充分利用鋁液的熱量和動量，實(shí)現(xiàn)銅鋁之間的良好結(jié)合。 在本試驗(yàn)中，開發(fā)了一種基于沖擊射流技術(shù)的復(fù)合裝置，通過多次更新迭代，已經(jīng)非常成熟，能夠滿足大工件的銅鋁復(fù)合材料制備要求，同時也適用于其他金屬的固液復(fù)合。 制備過程中，銅基體作為基材，鋁液作為包覆材料。 通過沖擊射流的方式，將包覆鋁液澆注到銅基體上，利用包覆鋁液的熱量將銅基體表層加熱至熔化狀態(tài)，再利用沖擊射流的動量，將銅基體表層的氧化膜破碎，從而消除了氧化膜對銅鋁復(fù)合的阻礙，實(shí)現(xiàn)了良好的銅鋁結(jié)合。 如圖1 所示。

圖1 沖擊射流技術(shù)試驗(yàn)

圖2 演示了整個試驗(yàn)的澆注流程。 利用沖擊射流強(qiáng)化傳熱能力，完成雙金屬的復(fù)合。 期間用無紙記錄儀裝上熱電偶實(shí)時記錄結(jié)合處鋁液的溫度，保證得到正確的澆注溫度。

圖2 澆注流程

3.2.2 試驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

本文開發(fā)了一種新型的覆蓋硅酸鋁氈的金屬型，與傳統(tǒng)的保溫型相比，新型金屬型可以明顯減薄結(jié)合層的厚度，同時也能提高結(jié)合強(qiáng)度。 通過對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型金屬型生產(chǎn)的樣品與原始保溫型生產(chǎn)的樣品相比，結(jié)合層厚度明顯減薄，結(jié)合強(qiáng)度也得到了相應(yīng)的提高。 在復(fù)合過程中，高溫的鋁液與相對較冷的固態(tài)銅金屬接觸，由于激冷效應(yīng)，會產(chǎn)生較大的加工硬化和內(nèi)應(yīng)力。 這種內(nèi)應(yīng)力和加工硬化往往需要通過后續(xù)處理來消除，為防止復(fù)合材料的變形和開裂，在底部金屬型上覆蓋了一層硅酸鋁氈，這種配置既能加快冷卻速率，又能防止鋁液直接與金屬型接觸，從而在一定程度上控制了金屬間化合物層的厚度和結(jié)合強(qiáng)度。 通過調(diào)節(jié)硅酸鋁氈覆層的厚度，可以有效地控制金屬型吸收的熱量大小，進(jìn)而精確控制金屬間化合物層的厚度和結(jié)合強(qiáng)度，為制備高質(zhì)量的銅鋁雙金屬復(fù)合材料提供了重要的技術(shù)支持。

3.3 測試分析

為了評估銅鋁雙金屬界面的結(jié)合性能，采用了剪切測試作為評價指標(biāo)。 剪切測試是一種非常重要的試驗(yàn)手段，它能夠直觀地反映出復(fù)合材料界面的結(jié)合強(qiáng)度。 在本試驗(yàn)中，通過線切割將制備好的銅鋁雙金屬復(fù)合材料切成大小基本相等的方槽，進(jìn)行剪切測試。 剪切性能是指金屬材料在受到側(cè)面大小相等、方向相反、作用線相近的外力作用時，金屬材料為了抵抗這種外力，從而在受沿外力作用線平行的受剪切面上產(chǎn)生錯動的能力。 通過對銅鋁雙金屬復(fù)合材料的剪切測試，可以直觀地評估其界面結(jié)合強(qiáng)度，為后續(xù)的研究和優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支持。 同時，通過對剪切測試數(shù)據(jù)的深入分析，也可以進(jìn)一步了解銅鋁雙金屬界面的結(jié)合機(jī)制，為優(yōu)化復(fù)合材料的制備工藝和提高產(chǎn)品性能提供重要的理論依據(jù)。

圖3 是團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型剪切力夾具和相較于舊工藝剪切力檢測方法，對比下來，目前的方法更加節(jié)省材料、節(jié)約成本，而且剪切強(qiáng)度檢測更加準(zhǔn)確。

圖3 新舊工藝剪切強(qiáng)度對比

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 表面處理對銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度的影響

表面處理作為制備銅鋁雙金屬復(fù)合材料過程中的關(guān)鍵步驟，對銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度的影響顯著。 通過前述的表面處理步驟，能夠有效地去除銅基體表面的氧化膜和雜質(zhì)，為銅鋁的良好結(jié)合創(chuàng)造條件。 沖擊射流技術(shù)的應(yīng)用，使得銅鋁之間的界面結(jié)合得到了顯著的增強(qiáng)。 通過沖擊射流的動力作用，銅基體表層的氧化膜得以破碎，鋁液能夠與銅基體直接接觸，實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。 化學(xué)鍍鎳處理也為改善銅鋁界面結(jié)合提供了有力支持，鍍層的存在能夠避免銅基體在復(fù)合過程中的再氧化，同時提供額外的結(jié)合力，促使銅鋁間的結(jié)合強(qiáng)度得到提高。 通過對比不同表面處理?xiàng)l件下得到的復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度，清晰地展示了表面處理對銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度的重要影響。

4.2 結(jié)構(gòu)與性能分析

根據(jù)前述的試驗(yàn)方法和測試分析，對得到的銅鋁雙金屬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行深入分析。 剪切測試結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化表面處理和沖擊射流技術(shù)制備的復(fù)合材料，銅鋁界面的結(jié)合強(qiáng)度得到了顯著的提升。 通過顯微觀察和X 射線熒光光譜儀分析，復(fù)合界面的結(jié)構(gòu)和組成得以清晰地揭示。 分析顯示，銅鋁之間存在一定厚度的結(jié)合區(qū)，結(jié)合區(qū)內(nèi)部的金屬間化合物層厚度得以控制，在一定程度上影響了復(fù)合材料的整體性能。 同時，硅酸鋁氈的使用也為控制金屬間化合物層的厚度和結(jié)合強(qiáng)度提供了有效的方法，從而進(jìn)一步優(yōu)化了復(fù)合材料的性能。

4.3 與其他處理技術(shù)的比較

沖擊射流技術(shù)相比其他處理技術(shù)，具有一定的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的熱處理和機(jī)械處理相比，沖擊射流技術(shù)能夠更有效地去除銅基體表面的氧化膜，實(shí)現(xiàn)銅鋁之間的良好冶金結(jié)合。 另外，化學(xué)鍍鎳處理也為改善銅鋁界面結(jié)合提供了有力的支持，而傳統(tǒng)的表面處理方法往往難以實(shí)現(xiàn)類似的效果。 通過對比試驗(yàn)，展示了沖擊射流技術(shù)和化學(xué)鍍鎳處理在改善銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度方面的優(yōu)勢。 同時，也分析了不同處理技術(shù)的適用性和局限性，為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供了重要的參考。 通過深入比較和分析，明確了本研究中采用的表面處理技術(shù)在促進(jìn)銅鋁雙金屬界面結(jié)合強(qiáng)度提高方面的重要作用。

5 結(jié)語

綜上所述，銅鋁雙金屬復(fù)合材料因其高性能和廣泛的應(yīng)用前景而受到研究關(guān)注。 本研究探討了制備技術(shù)和表面處理技術(shù)，旨在提高銅鋁雙金屬界面的結(jié)合強(qiáng)度，改善整體性能。 試驗(yàn)和分析表明，優(yōu)化表面處理特別是化學(xué)鍍鎳處理和沖擊射流技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)銅鋁的良好冶金結(jié)合提供了技術(shù)支持。