热处理对Cu_Ti层状异质...合材料组织及力学性能的影响_祁凯.pdf

第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:祁 凯,张 兵,赵田丽,等 J.热处理对 Cu/Ti 层状异质结构复合材料组织及力学性能的影响 J.塑性工程学报,2023,30(2):160-169.QI Kai,ZHANG Bing,ZHAO Tianli,et al.Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Cu/Ti laminated hetero-structure composites J.Journal of Plasticity Engineering,2023,30(2):160-169.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874226);陕西省创新能力支撑计划科技创新团队项目(2022TD-30)通信作者:张 兵,男,1985 年生,博士,教授,主要从事先进复合材料加工技术研究,E-mail:r.zhang1112 第一作者:祁 凯,男,1996 年生,硕士,助理工程师,主要从事金属基复合材料研究,E-mail:455509651 收稿日期:2022-05-06;修订日期:2022-12-20热处理对 Cu/Ti 层状异质结构复合材料组织及力学性能的影响祁 凯1,2,张 兵1,2,赵田丽1,2,杨 艳3,张志娟1,2,王快社1,2,蔡 军1,2(1.西安建筑科技大学 冶金工程学院,陕西 西安 710055;2.功能材料加工国家地方联合工程研究中心,陕西 西安 710055;3.金川集团股份有限公司 镍钴资源综合利用国家重点实验室,甘肃 金昌 737100)摘 要:利用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和疲劳试验机研究了热处理对 Cu/Ti 层状异质结构复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明,在 400 60 min 热处理后,Cu/Ti 界面处无扩散;在 600 60 min 热处理后生成 2 m 的扩散层,在 800 60 min 热处理后扩散层厚度增长至约 12 m,分为 Cu4Ti、Cu4Ti3和 CuTi3共 3 层结构。400 60 min 热处理后,复合材料因 Ti 层而存在异质结构,在拉伸变形过程中,异质变形诱导强化导致其拥有良好的综合力学性能,其抗拉强度和断后伸长率分别为 361.7 MPa 和 36.7%。随着热处理温度的升高,Ti 层异质结构逐渐消失,异质变形诱导强化减弱,同时 Cu/Ti 界面间生成金属间化合物层,从而导致复合材料塑性下降。关键词:异质结构;Cu/Ti 层状复合材料;热处理;微观组织;力学性能中图分类号:TG146.21 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0160-10doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.019Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Cu/Ti laminated hetero-structure compositesQI Kai1,2,ZHANG Bing1,2,ZHAO Tian-li1,2,YANG Yan3,ZHANG Zhi-juan1,2,WANG Kuai-she1,2,CAI Jun1,2(1.School of Metallurgical Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China;2.National&Local Engineering Researching Center for Functional Materials Processing,Xian 710055,China;3.State Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resource Integrated Utilization,Jinchuan Group Co.,Ltd.,Jinchang 737100,China)Abstract:The effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Cu/Ti laminated heterostructured composites were studied by optical microscopy(OM),scanning electron microscopy(SEM),electron backscattered diffraction(EBSD)and fatigue testing machine.The results show that after heat treatment at 400 60 min,there is no diffusion at the Cu/Ti interface.After 600 60 min of heat treatment,2 m diffusion layer is formed,and after heat treatment at 800 60 min,the thickness of diffusion layer in-creases to about 12 m,which is three-layer structure with Cu4Ti,Cu4Ti3 and CuTi3.After heat treatment at 400 60 min,the com-posite has hetero-structure due to different Ti layers,during tensile deformation,the hetero-deformation induced strengthening leads to good comprehensive mechanical properties,the tensile strength and elongation after fracture are 361.7 MPa and 36.7%,respectively.With the increase of heat treatment temperature,the hetero-structure of Ti layer gradually disappeares,and the hetero-deformation induced strengthening weakens.At the same time,inter-metallic compounds layer between Cu/Ti interfaces is formed,which leads to the decrease of plasticity of composites.Key words:hetero-structure;Cu/Ti laminated composites;heat treatment;microstructure;mechanical properties 引言铜及铜合金因具有良好的成形性、导电导热性而被广泛应用于汽车散热器及航天气动系统,然而存在强度较低及密度较大的缺点1。近年来,研究者利用金属钛优异的机械性能和耐腐蚀性能,制备出了 Cu/Ti 层状复合材料,以增强铜基体的综合性能,且航天器可以使用 Cu/Ti 复合材料达到减轻重量的目的,同时还可作为电解铜生产过程中的阴极材料2-3。目前,采用爆炸焊接4-5、搅拌摩擦焊接6、热压扩散7和累积叠轧(Accumulative Roll Bonding,ARB)8-10等技术制备了 Cu/Ti 层状复合材料。其中,ARB 技术具有操作简单和可连续生产等优点,是制备 Cu/Ti 层状异质结构复合材料的理想方法。近 年 来,ARB 技 术 已 成 功 应 用 于 Al/Cu11-12、Cu/Nb13、Ti/Al14和 Ni/Ti15等层状复合材料的制备。ARB 作为一种剧烈塑性变形技术,能细化材料的晶粒尺寸、强化界面结合强度,提高复合材料的综合力学性能。异质结构材料是由微观结构差异、晶粒度差异或成分差异而构成的复合材料,其在拉伸过程中可以产生异质变形诱导(Hetero-deformation Induced,HDI)强化从而达到高强度和良好延展性的完美结合16-19。LI J S 等20-21采用扩散焊接和冷轧工艺制备出了具有不同晶粒尺寸的铜/青铜层压板,研究发现其优异的机械性能主要归因于异质结构引起的背应力强化;此外,还制备了具有异质层状结构的316L 不锈钢,在拉伸变形过程中,异质结构界面附近会产生大量几何必要位错来协调软层和硬层之间的变形,从而产生较高的背应力,复合材料在具有约 1 GPa 屈服强度的同时,保持约 20%的断裂伸长率。YAN X H 等22采用表面机械磨损处理和 ARB相结合的方法生产了层状梯度结构 AZ31 镁合金,发现层状梯度结构可以改变裂纹扩展路径,在提高合金强度的同时,对塑性没有太大损失,拉伸实验结果表明,制得的复合材料极限抗拉强度为 292.1 MPa,断后伸长率为 9.8%。JIANG S 等9-10研究了 ARB法制备 Cu/Ti 多层复合材料的微观组织、织构演变和力学行为,结果表明,经 ARB 的 5 道次变形后,Ti 层出现了异常的 1120 织构,Cu 层出现了显著的黄铜织构,两种混合织构导致复合材料的抗拉强度和断后伸长率相比于 ARB 4 道次皆有所提升,分别达到了 430 MPa 和 10%。HOSSEINI M 等8采用连续退火和 ARB 工艺成功制备出了纳米层状Cu/Ti 复合材料,研究表明连续退火能提高材料成形性,从而提升 ARB 的加工周期,拉伸实验表明,在 ARB 的 18 道次变形后,复合材料抗拉强度达到约 1 GPa。然而在现阶段,热处理对异质结构复合材料微观结构及力学性能的影响鲜见详细研究。本文通过 ARB 制备了 Cu/Ti 层状异质结构复合材料,采用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射和疲劳试验机研究了热处理对复合材料的组织、结构和力学性能的影响。1 实验1.1 实验材料紫铜(T2)板 尺 寸 为 150 mm 100 mm 1.0 mm,其晶粒为细长的轧制变形晶;纯钛 TA1 板尺寸为 100 mm150 mm0.6 mm,其晶粒呈均匀的等轴状,平均晶粒尺寸为 43 m。两者化学成分及金相组织见表 1、表 2 及图 1。表1 紫铜(T2)化学成分(%,质量分数)Tab.1 Chemical composition of red copper(T2)(%,mass fraction)元素BiSbFePbAsSCu含量0.001 0.002 0.003 0.002 0.001 0.001 99.9表 2 纯钛(TA1)化学成分(%,质量分数)Tab.2 Chemical composition of pure titanium(TA1)(%,mass fraction)元素FeSiCNHOTi含量0.150.10.050.030.0150.15余量1.2 ARB 工艺用钢丝刷对板材表面进行打磨,用酒精清洗,按照 Cu/Ti/Cu 的顺序堆叠,用铆钉固定成“三明治”结构,在电阻炉中 380 预热 1015 min,以50%的变形量进行 2 道次累积叠轧,在每一道次循环之前,在裁剪好的两板之间加入一块原始 Ti 板,以获得异质结构 Cu/Ti 层状复合材料。具体的叠轧工艺流程如图 2 所示,其中 ARB0 表示首次轧制复合。1.3 热处理将 ARB 第 2 道次 Cu/Ti 层