热循环对铜包铝母排显微组织与力学性能的影响＊

王 冰，刘 平，刘新宽，王子延，陈小红，刘小稚

(1.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093；2. 亚仕龙汽车科技(上海)有限公司，上海 200433)

热循环对铜包铝母排显微组织与力学性能的影响＊

王 冰1，刘 平1，刘新宽1，王子延2，陈小红1，刘小稚2

(1.上海理工大学 材料科学与工程学院，上海 200093；2. 亚仕龙汽车科技(上海)有限公司，上海 200433)

在自主开发的热循环试验机上对铸轧法生产的铜包铝母排进行了热循环试验。为了研究不同热循环温度与热循环次数对结合界面显微组织与力学性能的影响，在200，250和300 ℃的热循环温度下分别完成了2 000，600和100次的热循环试验。采用ZWICK-Z050电子万能材料试验机测试界面结合强度,用扫描电子显微镜(SEM)和偏光显微镜(PM)观察界面形貌，用电子探针(EPMA)和X射线衍射仪(XRD)进行物相分析。结果表明，热循环温度为200 ℃时，随着循环次数的增加，界面结合强度先增大后减小，界面结合层宽度先减小后增大；热循环温度为250或300 ℃时，随着循环次数的增加，界面结合强度显著减小，界面结合层宽度明显增大；界面结合层宽度越大，结合强度越低；界面中间化合物主要为Al2Cu、Cu9Al4和CuAl，其中铜侧主要是Cu9Al4和CuAl相，铝侧主要是Al2Cu相；200～300 ℃范围内的热循环并未引起中间化合物质或量的改变。

铜包铝母排；热循环；结合层；结合强度；显微组织；金属间化合物

0 引 言

世界上铝资源比较丰富，而铜资源相对不足[1]。因此以铝代替部分铜，开发铜铝复合材料，不仅可节约铜资源，还可使材料获得人们所需要的特性[2]。铜铝复合材料由于同时具有铜的高导电性、高导热率、低接触电阻以及铝的质轻、耐蚀等优点，而受到了电力、电器、冶金、汽车、机械和生活用品等领域的青睐[3-9]。尤其是在汽车及电力等领域，铜铝复合材料应用广泛，其中可以被用来做散热片[10-11]。但是当散热片受到急剧的加热和冷却时，会在结合面引起极大的冲击热应力，这种现象称为热冲击。

此外，铜铝复合材料界面上生成有某些金属间化合物组织[12-16]，这类化合物硬度高，脆性大，散热片在使用过程中经过的多次热冲击会对其造成影响，从而影响材料的性能及寿命[17-20]。因此，通过大量热循环试验检测界面强度的变化，从而判定热循环对界面结合情况的影响以及铜铝复合材料在使用过程中是否会出现界面损伤等具有重要意义。但是，由于受到热循环设备的限制[21-22]，国内外对铜铝复合材料热疲劳性能的研究并不多。本研究使用一台自主开发的热循环试验机，针对热循环对铜铝复合排显微组织及其力学性能的影响进行了研究。

1 实 验

对铸轧法生产的铜包铝母排进行实验研究，试样尺寸为100 mm×20 mm×6 mm(长×宽×高)。

热循环实验在自主开发的热循环试验机上完成，其中工件的加热由1台0～60 kW功率连续可调的高频感应加热装置完成，加热温度和循环次数由CPU控制，步进电机可实现工件由加热端向水冷端垂直位移，冷却方式可选择风冷或者水冷，本文中选择的是水冷方式。实验过程中的工艺参数如表1所示。

表1 热循环实验工艺参数

为研究热循环对铜铝复合排显微组织与力学性能的影响，Cu/Al复合排界面反应产物采用JXA-8500F型电子探针(EPMA)和D8-ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)分析，界面形貌观察采用Quanta型场发射环境扫描电子显微镜(SEM)和XPL-15型偏光显微镜(PM)。Cu-Al界面的结合强度按照中华人民共和国电力行业标准DLT-247-2012中的标准测试方法，在ZWICK-Z050电子万能材料试验机上测试。测试结合强度的试样示意图见图1所示。图1中A、C为铜层，B为铝层，D为剪切时断开的界面。结合强度计算公式

(1)

式中，τ为界面结合强度；P为拉伸过程中最大力；H为试样剪切面宽度，L为试样剪切面长度[23]。

图1 拉伸试样示意图

2 结果与讨论

2.1 热循环前后界面结合强度测试

图2(a)～(c)分别为200，250和300 ℃下热循环不同次数的结合强度曲线图。

图2 不同温度下热循环不同次数的结合强度

Fig 2 Bond strength with different temperatures and times

从图2可以看出，曲线(a)分为两段，循环次数低于400次时，结合强度高于原始复合排。其原因可能是由于在热循环中，复合排界面的残余应力得到了释放，而热循环的次数太少，热应力又不足以对界面产生疲劳损伤，因此出现经过热循环后界面强度反而升高的现象。当循环次数高于400次时，随着循环次数的增加，结合强度基本保持原始复合排的强度不变。这是因为此时残余应力已经释放完全，但是循环过程中温度的变化在铜和铝界面上产生的热应力较小，对复合排界面产生的疲劳损伤极其微小，还不足以使其结合强度发生明显的变化。由曲线(b)和(c)看出，在250和300 ℃时，随着热循环次数的增多，结合强度急剧下降。这是由于铜铝复合材料中铜和铝的热膨胀系数不同。一般情况下，在20～100 ℃温度内，铜的热膨胀系数为0.167×10-4m/℃，铝的热膨胀系数为0.23×10-4m/℃。在250和300 ℃下，热循环过程中温差增大，温度的剧烈变化使铜和铝发生不同程度的膨胀与收缩，从而导致铜铝界面在循环次数较少的情况下就产生了较大的热应力，对铜铝界面产生了严重的损伤，从而导致结合强度明显降低。

2.2 热循环前后界面显微组织观察

图3为未经热循环实验的铜铝复合排的SEM组织图。从图3可以看出，铜铝界面结合紧密，经过测量，其结合层平均宽度大约为30 μm。结合层的形成，是因为在铜/铝固-液复合时，高温的铝液使铜表面发生熔化，铜铝发生了互扩散，在靠近铜侧形成富铜区，靠近铝侧形成富铝区。同时形成金属间化合物过渡层。

图3 Cu/Al界面的SEM组织图

Fig 3 SEM image of Cu/Al interface

Fig 4 Microstructures of interfaces with different cycle times at 200 ℃

图4为200 ℃热循环100，400和2 000次的结合层组织形貌图。

从图4可看出，200 ℃下循环100次后，结合层宽度由30 μm减小到21.42 μm，400次循环后又增大到29.89 μm，2 000次循环后，结合层宽度增大至31.06 μm。随着循环次数的增多，结合层宽度先减小后增大，该趋势与结合强度先升高后降低的趋势相反。图5为250 ℃热循环50，100和600次的结合层组织形貌图，其结合层宽度分别为34.39，42.87和50.21 μm。图6分别为300 ℃热循环10，20和100次的结合层组织形貌图，其结合层宽度分别为36.45，41.99和52.59 μm。由图5和6可知，在250或300 ℃热循环温度下，随着热循环次数的增加，铜铝复合排结合层的宽度不断增大，该趋势亦与结合强度逐渐降低的趋势相反。

图5 250 ℃下热循环不同次数的结合层组织形貌

图6 300 ℃下热循环不同次数的结合层组织形貌

此外，对比图4(a)图5(b)图6(c)，发现200，250和300 ℃下分别热循环100次后的结合层宽度分别为21.42，42.87和52.59 μm。由此可知，在同一循环次数下，热循环温度越高，结合层宽度越大。这是由于热循环温度越高，铜在铝中的扩散系数以及铝在铜中的扩散系数越大。在扩散时间相同的情况下，扩散速度越大，结合层宽度就越大，而结合层宽度的增大直接导致结合强度的降低。

随着热循环温度的升高或者热循环次数的增多，结合层中还会产生微裂纹，如图5(c)和图6(c)所示。裂纹的存在增大了铜铝复合排开裂的可能性，并直接导致结合强度的显著降低。

2.3 热循环前后界面成分分析

在图3中可以清晰地看出铜铝界面的结合层共分为4层，为了确定扩散界面的生成相，分别对不同的扩散层进行电子探针能谱点扫描分析，结果如图7所示。

图7 Cu/Al结合层的电子探针能谱分析

从图7中4个扩散层的能谱分析可得出Spectrum 1, 2, 3和4(分别为图(a)、(b)、(c)、(d))层中铜铝原子比分别为58∶42，9∶4，1∶1和1∶2。由此可以确定，Spectrum 2，3和4层中的金属间化合物分别为Cu9Al4，CuAl和Al2Cu。而Spectrum 1中铜铝原子比为58∶42，无法直接判定其结构，可能为Cu9Al4与Cu固溶体的混合。

为进一步确定扩散界面的生成相，将原始的铜铝复合排沿界面拉开，然后分别对断口两侧表面进行X射线衍射分析。图8为原始的铜铝复合排沿界面拉开后的断口截面图。

图8 原始复合排沿界面拉开后的断口形貌

Fig 8 Fracture morphology of original bus bars along the interface

从图8可以看出，在受到外力时，由于中间化合物脆性大，断裂主要是发生在中间化合物上，且在断面两边的铜层和铝层都残留部分的中间化合物。因此，中间化合物层决定了铜铝复合排结合强度的大小。图9为原始的铜铝复合排沿界面拉开后断口两侧表面的X射线衍射分析图。

图9 原始界面的XRD图谱

从图9可以判断出，在铜铝结合面上存在的铜铝金属间化合物主要有Al2Cu、Cu9Al4和CuAl。而且沿复合排界面撕开后，在铜侧主要是Cu9Al4和CuAl相，在铝侧则主要是Al2Cu相。铜铝复合排在室温～高温进行热循环的过程中，由于铜铝之间的相互扩散，有可能生成新的中间化合物。为探究热循环温度及热循环次数是否对生成相产生影响，取不同热循环温度和次数的复合排试样，将其沿界面拉开，然后分别对断口两侧表面进行X射线衍射分析。图10为不同温度下热循环100次后的复合排铜侧和铝侧的XRD衍射图，图11为复合排在200 ℃下热循环不同次数后界面两侧的XRD衍射图。

图10 不同温度下热循环100次的XRD图谱

Fig 11 XRD patterns of interfaces after 100 cycle times with different temperature

图11 200 ℃下热循环不同次数的XRD图谱

Fig 11 XRD patterns of interfaces at 200 ℃ with different cycle times

对比图9～11可看出，铜铝复合排在200～300 ℃下经过不同次数的热循环后，并没有新的中间化合物生成，甚至几种中间化合物的含量都没有明显的变化。这说明热循环只引起了结合层宽度的改变，并未引起中间化合物的改变。

3 结 论

(1) 热循环温度为200 ℃时，随着循环次数的增加，界面结合强度先增大后减小，结合层宽度先减小后增大。热循环温度为250～300 ℃时，随着循环次数的增加，界面结合强度显著降低，结合层宽度明显增大。

(2) 热循环温度在200～300 ℃范围内，且循环次数一定时，循环温度越高，界面结合层宽度越大，结合强度越低。

(3) 200～300 ℃范围内的热循环并未引起中间化合物质或量的改变。

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Thermal cycle effects on microstructures and mechanical properties of copper-clad aluminium bus bars

WANG Bing1，LIU Ping1，LIU Xinkuan1，WANG Ziyan2，CHEN Xiaohong1，LIU Xiaozhi2

(1.School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. ASL Automobiles Science & Technology (Shanghai) Co., Ltd, Shanghai 200433,China)

The thermal cycle tests were conducted on copper-clad aluminium bus bars which were produced by the roll casting method with an independently developed device. To explore the effects of different thermal cycle temperatures and times on microstructures and mechanical properties of the interface，thermal cycle tests of 2000 cycles, 600 cycles and 100 cycles were performed at 200, 250 and 300 ℃ respectively. The bond strength was tested on electronic universal test machine ZWICK-Z050, the microstructures of interfaces were observed by scanning electron microscope (SEM) and polarizing microscope (PM), and the phases were determined by electro-probe microanalyzer (EPMA) and X-ray diffraction (XRD). The results indicated that at 200 ℃, the bond strength increased firstly and decreased lately while the width of the interface bonding layer decreased first and then increased with cycle times increasing. At 250 ℃ or 300 ℃, the bond strength decreased apparently and the width of the interface bonding layer increased obviously. The wider the bonding layer, the lower the bond strength. The intermediate compounds at the interface were mainly Al2Cu, Cu9Al4and CuAl. Cu9Al4and CuAl phases were mainly on Cu side, and Al2Cu phase was chiefly on Al side. Besides, the thermal cycle between 200 and 300 ℃ didn't change variety or quantity of the intermediate compounds.

copper-clad aluminium bus bars; thermal cycle; bonding layer; bond strength; microstructure; intermediate compound

1001-9731(2016)12-12104-06

国家自然科学基金资助项目(51201107)

2016-03-27

2016-06-15 通讯作者：刘 平，E-mail: liuping@usst.edu.cn

王 冰 (1991-)，女，河南许昌人，在读硕士，师承刘平教授，从事铜铝复合材料研究。

TG405

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.016