脉冲电流辅助超声波固结Cu/Al界面结构及性能

【摘要】：超声波固结技术作为一种新型的制造方式,近年来得到越来越多的学者的重视及研究。虽然当前超声波换能器技术已经可以达到9-10k W的最高输出功率,但是针对一些同种以及异种高强度金属间固结依旧没能获得理想的效果。为了达到快速原型制造的目的,同时增大超声波固结技术在材料上的选择范围,本论文将利用超声波与脉冲电流的联合制造,在Cu/Al层状复合材料很难通过传统成形工艺获得较好界面结合的情况下,展开脉冲电流辅助Cu/Al层状复合材料的超声波固结试验研究,而后利用线焊接密度测量、显微硬度、扫描电镜观察、剥离试验等分析测试手段对固结界面结合性能进行表征分析,通过EBSD及透射电镜TEM分析脉冲电流在界面固结过程中的作用,以此得到脉冲电流在超声波固结过程中的作用规律以及界面结合机理。同时研究了脉冲电流参数及累积固结对Cu/Al层状复合材料界面结合性能的影响情况。试验采用双层结构固结制备复合材料,其结构为Al6061(基板)-Al/Cu-Al/Cu-,基于此结构,所制备的Cu/Al层状复合材料包括未受到压头影响的Al/Cu界面及受压头影响的Cu/Al界面。通过试验确定了超声波固结Cu/Al层状复合材料的最优固结参数:正压力175 kgf,振幅30μm,固结速度20 mm/s,固结温度170℃。同时确定了脉冲电流两参数电压和频率在辅助固结过程中的工艺范围:电压50 V-100 V,频率100 Hz-300 Hz。线焊接缺陷密度测量结果表明,低密度和高密度脉冲电流的辅助固结使得材料固结缺陷从6.4%分别降到5.5%和3.1%的均值,脉冲电流的加入有效降低了Cu/Al层状复合材料的界面线焊接缺陷密度。此外,脉冲电流加入后降低了超声波固结过程中的能耗。XRD物相分析结果表明在Cu/Al层状复合材料中未见明显金属间化合物相的生成。硬度试验表明高密度脉冲电流辅助超声波固结对Cu带有加工硬化的效果。通过剥离试验结果可看出脉冲电流辅助固结后,Al/Cu界面最大剥离力平均从76.3N升高到了118.9N,固结效果有明显提升。对剥离界面进行扫描观察发现断口处多见撕裂棱,剥离断口呈准解理断裂特征。EBSD结果表明,在脉冲电流辅助超声波固过程中,Cu/Al界面位错密度升高,Al/Cu界面位错密度降低。同时Cu/Al界面在脉冲电流加入前后晶粒体积分数变化不大;而Al/Cu界面在脉冲电流加入后明显可见Cu和Al一侧的再结晶晶粒体积分数大幅增大,变形晶粒体积分数大幅减小,同时界面处能看到一层细小分布的亚晶。织构分析结果表明原始Cu带立方织构在脉冲电流强能量作用下发生旋转生成了铜型织构以及R织构。原始Al带{211}011织构在脉冲电流作用下均转变为了立方织构。未发生异常晶粒长大的远界面Al带区域在脉冲电流作用下部分黄铜R织构转变为了立方织构和旋转立方织构;在界面IZ区域,织构类型基本兼具上下的Cu带和Al带的织构。TEM结果表明,超声波固结Cu-Al层状复合材料的Cu/Al界面和Al/Cu界面处元素基本未发生扩散,而界面处却有不同程度的氧化物破碎分散,Al/Cu界面的氧化物分散程度较Cu/Al界面的大,在固结过程中界面处通过冶金结合形成的界面结合也较Cu/Al界面的强,与剥离试验结果相对应,进一步证明了超声波固结的表面氧化物去除机制。而引入脉冲电流后,Cu/Al界面和Al/Cu界面处可见明显的元素扩散,同时Al/Cu界面在脉冲电流作用下Al一侧生长出了一层Cu的柱状晶,进而增强了界面结合。由此可见脉冲电流通过促进原子扩散以及晶粒生长从而增强了Cu-Al层状复合材料的界面结合。单因素试验结果表明,在电压50 V-100 V、频率150 Hz-300 Hz范围内,随着电压升高,界面最大剥离载荷值降低,而后电压再继续升高,载荷值又增大。随着频率升高界面最大剥离载荷值增大,达到最大值后降低。通过曲面优化法得到了脉冲电流电压和频率与Cu-Al层状材料界面最大剥离载荷之间的方程模型:(4=137.64-4.22_1+18.45_2+22.79_1~2-32.89_2~2(_1-电压,_2-频率),并对该模型进行了试验验证,证明了其可靠性。同时得到了脉冲电流辅助超声波固结Cu/Al层状复合材料优化的工艺参数:电压50 V、频率240 Hz。另外通过双因素交互分析和显著性分析可看出脉冲电流电压对界面结合质量影响更显著一点。累积固结试验表明超声波对Cu/Al层状复合材料界面累积固结的效果影响不大,而脉冲电流累积固结有增强界面结合的作用。