Cu/Al双金属复合导电头界面微观组织及性能研究

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Cu/Al异质双金属复合结构充分利用了 Cu和Al在高性能和低成本的互补性,发挥了Cu和A1的优势,有效地降低了应用成本。如应用于变压器、断路器和导电母线等的Cu/Al异质复合结构。但是,Cu/Al复合结构在界面处极易形成硬、脆且高电阻率的金属间化合物,严重降低了异质界面的连接强度、导电性和耐蚀性能,缩短Cu/Al复合结构使用寿命。本文从实际生产需求出发,针对应用于湿法炼锌阴极板的核心部件一Cu/Al导电头,表征了由爆炸焊和铝铜浇铸法制备的Cu/Al导电头的界面组织与性能,分析其界面组织对导电头性能的影响规律,揭示导电头服役过程中的失效机制。随后,针对上述Cu/Al界面存在问题,提出采用添加中间层的过渡液相扩散焊方法制备Cu/Al导电头,分析了其界面组织和性能。最终,针对三种不同方法得到的Cu/Al导电头从组织、性能和热力学角度进行对比分析,获得更加适用于实际需求的Cu/Al导电头制备方法。得到如下结论:1.铝铜浇铸导电头界面过渡层厚度约为350 μm,存在孔洞、裂纹和未焊合等缺陷,其界面存在三种不同的金属间化合物;爆炸焊导电头界面过渡层厚度约为100 μm,并且界面过渡层中有一种金属间化合物和两种不同的界面结构以及裂纹;界面组织结构和成分以及缺陷是影响性能和导电头失效的主要因素,其中缺陷对导电头性能影响最大;爆炸焊和铝铜浇铸法难以得到无缺陷和过渡层厚度较薄的界面。2.依据过渡液相扩散焊接和合金化原理,设计并制备了铝基中间层箔材,采用添加中间层的过渡液相扩散焊的方法制备了结合良好且界面过渡层较薄的Cu/Al导电头。其界面过渡层的厚度随保温时间延长而呈线性关系增大,表明界面的生长主要受到界面处的化学反应速率影响;当保温保压时间超过10 min时,界面过渡层中极易形成裂纹;Cu/Al间添加的中间层与母材先发生固相扩散,界面出现较母材熔点低的合金成分;进一步的扩散后,中间层与母材间出现液相,在保温过程中发生等温凝固,后形成冶金结合界面。3.对铝铜浇铸法、爆炸焊和过渡液相扩散焊三种方法制备的Cu/Al导电头,从界面组织(结构、成分和相种类)和性能(结合强度、电导率和耐蚀性)进行了对比分析,结果显示过渡液相扩散制备的导电头的界面过渡层厚度最小、缺陷率最低;且该方法制备的导电头电导率和结合强度以及耐蚀性均优于其他两种。综合制备过程、界面微观组织和导电头性能分析,得到添加中间层的过渡液相扩散焊的方法可制备出综合性能较好的Cu/Al导电头。4.对三种不同方法制备的导电头界面处生成的Al2Cu相进行了热力学分析对比,得到A12Cu的吉布斯自由能绝对值由小到大为:爆炸焊<过渡液相扩散焊<铝铜浇铸,表明铝铜浇铸法在制备导电头过程中Al2Cu形成的驱动力最大。
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