《JMPT》：显著提高微拉深中Al-Cu复合箔材的成形性能！

导读：为满足微组件多功能应用日益增长的需求，金属复合材料在微制造中逐渐受到关注。本文研究了铝（Al）-铜（Cu）复合箔在微拉深（MDD）中的成形性，并讨论了所涉及的机理。选择厚度为 235 µm 的两层 Al-Cu 复合材料，首先轧制至 50 µm，然后在 MDD 实验前在 200、300、400 和 500 °C 下退火 5 min。结果表明，Al-Cu复合箔在400 ℃退火后具有最佳的强度和延展性组合。随着退火温度的升高，Al和Cu层的晶粒均细化，同时金属间化合物的厚度增加。层也增加。MDD测试结果表明，与晶粒分布更细的情况相比，金属间化合物层的存在对复合箔的成型性影响更大。在所得结果的基础上，提出了退火温度为 300 ℃，退火温度 1 h 的优化热处理方法，并被证明可以显着提高铝铜复合箔在 MDD 中的性能。

随着电子、生物医学和航空航天领域对小型化的需求不断增加，微成形被认为是制造亚毫米范围内金属小零件的一种很有前途的方法。作为一种潜在的微成形方法，微深拉深（MDD）工艺以其生产率高、生产成本低、产品质量高、污染少等优点越来越受到现代工业的关注。与其他微成形工艺相比，MDD 在微尺度金属成形方面具有广泛的应用，并且已经对 MDD 进行了大量研究，以望获得更多的理解。Al-Cu复合材料具有导电率高、成本低、重量轻等优点，是电气工业的首选材料。据介绍，MDD产品已应用于电子、微系统技术和医疗领域。MDD工艺中潜在的Al-Cu组件具有重量轻、导电性好的特点，可应用于生物医学中的传感器电容器和目标容器等微型产品。Al和Cu在微成形工业中有着广泛的应用。复合材料在变形过程中的主要关注点之一是层间的原子扩散。原子扩散通常发生在金属粘合在一起时，不同金属层之间的界面特性会影响层压复合材料的成型性。

澳大利亚伍伦贡大学Zhengyi Jiang联合中南大学李周教授团队首先对两层 Al-Cu 复合箔在 200、300、400 和 500 ℃进行退火处理，并通过扫描电子显微镜(SEM) 和电子背散射衍射(EBSD) 观察其微观结构，然后研究了退火复合材料在 MDD 中的可成形性。本工作的目的是比较不同退火温度下 Al-Cu 复合箔的可拉伸性，并找出合适的热处理方法，以确保在 MDD 中具有更好的可拉伸性。同时，分析了不同退火方法下的界面和显微组织，并研究了它们对Al-Cu复合材料成形性的影响。最后，优化讨论和研究了材料特性的特性，以追求 MDD 中 Al-Cu 的潜在更好成型性。通过比较和权衡利弊，晶粒的细化和金属间相的厚度都会影响Al-Cu复合材料的可拉伸性。随后优化的显微组织表明，对于Al-Cu复合材料，选择300 ℃、1 h的热处理方法可以获得更细的晶粒和更薄的金属间化合物层。由于塑性的增强，新的退火样品的拉伸极限大大提高，可以成功地完全拉伸成杯形。

相关研究成果以题“Experimental study on drawability of aluminium-copper composite in micro deep drawing”发表在增材制造顶刊Journal of Materials Processing Technology上。

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013622001741

在这项研究中，可以得出结论，晶粒分布和界面性质对 Al-Cu 复合材料的可成形性有很大影响。分析结果表明，虽然获得了更好的晶粒分布，但较厚的金属间化合物层对微复合杯的拉伸极限有显着的负面影响。与其他退火样品相比，在 400°C 退火 5 分钟的 Al-Cu 复合材料被认为是在 MDD 中具有最佳可拉伸性的样品。然而，即使是第 3 组的样品，微型杯也没有完全抽出。

(1)EBSD图表明，随着退火温度的升高，发生了再结晶，并且两层的晶粒细化变得更好。另一方面，金属间化合物层的数量也随着温度的升高而增加。在 500 ℃退火的样品的 EBSD 图上可以清楚地观察到厚度为 5 µm 的扩散区，这是导致脆性断裂的关键因素。

(2)在所有退火样品中，400 ℃退火 5 min 的 Al-Cu 复合材料具有最好的塑性，具有更高的强度和延展性。在 300 和 400°C 退火的拉伸样品的断口形貌上存在微孔，与其他样品相比，仅观察到单晶滑移的样品具有更好的延展性。然而，在 500 ℃退火的拉伸试样的断口上出现了明显的脆性断裂带。

(3)与拉伸试验结果一致，MDD拉制的杯形件在退火温度为400℃时成型性最好。用400℃退火5分钟的样品拉制的杯的平均极限拉拔高度高于用300和200℃退火的坯料形成的杯，而用500℃退火的复合材料拉制的杯仍然容易断裂绘制高度较小。

图 1。(a) 显微拉伸试验设备和显微拉伸试样：(b) 放置和 (c) 宏观外观和尺寸。

通过室温下的显微拉伸试验评估退火后的 Al-Cu 复合材料坯料的力学性能。显微拉伸试验设备及拉伸试样尺寸见图1。微拉力系统由微拉力仪、显微镜和计算机组成，如图1 （a）所示。测试仪由伺服电机组装而成、称重传感器、齿轮箱和机械传动部门。

图 2。(a) 微拉深系统和 (b) 模具尺寸。冲头以 0.1 mm/s 的速度向下移动，将在下料步骤中切割成圆形的样品拉出。复合样品与压边板之间的间隙设计为 0.005 mm。

图 3。a) 轧制样品和在 b) 200 °C、c) 300 °C、d) 400 °C 和 e) 500 °C 退火的样品横截面的EBSD映射。(a) 和 (b) 中的蓝线和红线分别表示高角度和低角度晶界。

为了更好地了解Al-Cu薄箔的微观结构演变，提供了轧制样品的 EBSD 图，如图 3（a）所示。当样品从 235–50 µm 的厚度轧制时，晶粒被拉长。图3 （a）显示，微轧后的显微组织由变形晶粒和内部成束的亚晶粒组成，并伴有大量位错。200℃退火后如图3(b)，由于加热温度低，细长的晶粒仍然可以观察到。然而，从低角度晶界的减少观察到，随着恢复的进展，已经发生了微观结构缺陷和位错的均匀去除。同时，Al和Cu之间的过渡区相对较薄且光滑。与其他三张图相比，图 3（e）显示了退火温度为 500°C 的坯料的微观结构和层数，有一些明显的差异。至于晶粒，两种材料的再结晶几乎都已完成，与其他样品相比，晶粒的细化要好得多。然而，在图 3 (e) 中也可以观察到，Al-Cu 化合物已大量形成并聚集成将 Al 和 Cu 层分开的单层。从观察来看，金属间化合物层的厚度达到了5 µm左右，对于50 µm的毛坯整体厚度来说，这是一个比较可观的成分。

图 4。所选区域的EBSD相图 a) A 和 b) B，以及 c)映射区域中各化合物相的比例和金属间化合物层的厚度。

图 5。四组退火样品的真实应力-应变曲线。力学性能的偏差体现在均匀的伸长率和抗拉强度上。

图 6。a) 200 °C, b) 300 °C, c) 400 °C 和 d) 500 °C 热处理的拉伸试样的断口形貌。

图 7。a) 第 3 组和 b) 第 4 组热处理拉伸试样的断口形貌和 EDS 分析。

图 7 (a) 和 (b) 分别显示了第 3 组和第 4 组样品沿断口表面的 Cu 和 Al 分布。EDS 分析清楚地表明，第 3 族中的 Al 和 Cu 元素几乎没有重叠部分。然而，对于第 4 族，当退火温度升高到 500 ℃时，存在一个由 Cu 和 Cu 占据的扩散区域。铝元素。图7 （b）中Cu和Al的分布与图6 （d）所示的脆性断裂带几乎相同，这进一步证明了金属间化合物层的存在（如图3（e）所示） ) 有助于复合箔的脆性断裂。

图 8。拉力与行程曲线以及行程为 0.4 mm 时的拉力标准偏差。引入轧态材料的拉拔力-行程曲线进行比较。

图 9。MDD过程中毛坯半径的变化。

图 10。行程为0.6 mm时四组的拉拔力和行程曲线及0.4和0.6 mm的拉拔力标准差。未经热处理的试样的断裂点位于行程0.5mm附近。

图 11。(a) 冲程为 0.7 mm 时两组的拉拔力和冲程曲线以及第 3 组和第 4 组的拉拔杯和 (b) 每个特定冲程的最大拉拔力。当行程超过0.7mm时，第3组试验的拉力随着行程的增加而增加，而第2组试验的拉力由于发生断裂而下降。

图 12。不同组的拉制杯的变形状态示意图。在每个设计的冲程中都展示了拉制杯子的状况。如果行程超过相应的最大行程，则会在杯子上观察到断裂。

图 13。a) 极限拉拔高度和力和 b) 不同样品之间的最小壁厚的比较。极限拉拔高度用于比较试样在断裂前所能达到的最大行程。

图 14。(a) Al-Cu 复合材料在 300°C 退火 1 小时的晶粒分布和铝层在 300°C 退火 (b) 5 分钟和 (c) 1 小时的晶粒分布。

图 15。Al-Cu复合试样在 300 °C 下退火 5 min 和 1 h的真应力-应变曲线。

图 16。(a) 绘制力-行程曲线和 (b)在 300°C 下退火 5 分钟和 1 小时的 Al-Cu复合试样的成型杯。最大拉拔力和最大拉拔力时的行程标有偏差。

实验结果表明，具有Al-Cu复合材料的微拉杯可以通过获得更细晶粒和更少金属间化合物扩散的微观结构来成功实现。Al-Cu 复合材料的特性被进一步证明对于确定其在 MDD 中的可拉伸性至关重要。在薄扩散层的基础上，更好的晶粒分布能够进一步提高Al-Cu复合材料在MDD中的可拉伸性。