通过螺纹连接及后续挤压工艺提高T2 Cu/6061 Al合金的界面剪切强度

《Journal of Alloys and Compounds》：Improving interfacial shear strength of T2 Cu/6061 Al alloy via threaded connections and subsequent extrusion

铜铝复合材料通过螺纹连接与挤压工艺实现界面剪切强度提升近500%，微观结构显示锯齿状界面增强机械互锁效应，加工硬化协同作用有效抑制推离失效。

　　本研究围绕一种新型的铜铝双金属复合材料制备方法展开，旨在提升双金属棒材的界面剪切强度。传统的制备方法如光滑连接与挤压（SCE）技术通常会导致界面结构平滑，从而限制了其机械性能。为了克服这一问题，研究团队提出了一种称为“螺纹连接与挤压”（TCE）的新方法，并通过实验对比了两种技术在制备双金属棒材时的效果。

双金属棒材由外层T2铜和内核6061-T6铝合金构成，所有实验均在常温条件下进行。研究采用了多种分析手段，包括金属显微镜检查、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、剪切测试和显微硬度测量，以全面评估TCE和SCE制备方法对双金属棒材界面微观结构和机械性能的影响。结果表明，SCE样品的界面保持平坦，而TCE样品在挤压后形成了锯齿状的界面结构。这种锯齿状的界面显著增加了材料之间的接触面积，从而在剪切过程中提供了更强的机械咬合效应。

实验数据显示，TCE样品的平均剪切强度达到了123.2±0.6 MPa，相比之下，SCE样品的平均剪切强度仅为20.7±1.1 MPa，这表明TCE方法在剪切强度方面有了大约495.2%的提升。此外，TCE样品中铜和铝的显微硬度在挤压后也显著增加，进一步说明了材料在加工过程中经历了显著的加工硬化现象。在剪切加载条件下，SCE样品的失效模式主要表现为“推脱”机制，而TCE样品则呈现出“变形+断裂+推脱”的复合失效模式。这表明，TCE样品在剪切过程中不仅经历了界面的机械咬合，还伴随着材料内部的塑性变形和断裂行为，从而增强了整体的抗剪切能力。

TCE方法的成功不仅体现在剪切强度的显著提升，还为双金属材料的界面设计提供了新的思路。研究发现，锯齿状的界面结构能够有效增强材料间的机械咬合，同时加工过程中对材料的塑性变形也促进了其硬度的提升。这种双重机制使得TCE方法在提升双金属复合材料性能方面展现出巨大的潜力。相比传统的制备方法，TCE技术在界面结构和性能提升方面具有明显优势，同时避免了如爆炸焊接等方法所伴随的高能耗、高污染和安全隐患。

双金属复合材料因其独特的性能组合，被广泛应用于多个工业领域。铜和铝的结合不仅保留了铜的优良导电性和导热性，还利用了铝的轻质、良好的焊接性和较低的成本。这种材料的广泛应用得益于其在结构和功能上的优势，尤其是在航空航天、船舶制造、汽车工业、电力工程、交通运输和压力容器制造等领域。然而，传统制备方法在界面结合强度方面存在一定的局限性，导致实际应用中容易出现界面分离等问题。因此，开发新的制备技术以增强双金属材料的界面剪切强度显得尤为重要。

本研究提出的TCE方法，通过引入锯齿状的界面结构，有效解决了传统方法在界面结合强度方面的不足。这种结构不仅增加了材料间的接触面积，还通过机械咬合作用提高了界面的稳定性。同时，加工过程中的塑性变形进一步增强了材料的硬度和强度，从而在整体上提升了双金属复合材料的性能。研究结果表明，TCE方法在提升剪切强度方面具有显著优势，其效果远超传统方法。

在实际应用中，TCE方法的推广和应用可能带来一系列技术上的突破。例如，该方法可以在不使用爆炸物或高温的条件下实现材料的高效结合，从而降低了生产成本和环境影响。此外，由于TCE方法在加工过程中对材料进行了均匀的塑性变形，使得双金属棒材的性能更加均匀和稳定，这在精密制造和高性能材料应用中尤为重要。同时，TCE方法的结构设计也为其他双金属材料的制备提供了参考，有望在未来的材料工程中发挥重要作用。

研究团队在实验过程中还对材料的化学成分进行了详细分析。T2铜和6061铝合金的化学组成均通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）技术进行检测，并列于表1中。化学成分的均匀性和准确性是确保材料性能稳定的关键因素之一。通过精确控制材料的化学组成，研究团队能够确保双金属棒材在加工过程中具有良好的结合性能，从而为后续的性能测试和应用提供了可靠的基础。

在宏观结构观察方面，研究团队对双金属棒材进行了纵向切割，以直观分析其界面结构。SCE样品的界面结构较为平滑，显示出良好的对齐性，但其界面剪切强度相对较低。相比之下，TCE样品的界面结构呈现出明显的锯齿状形态，这种结构不仅增加了接触面积，还通过机械咬合增强了界面的结合力。宏观结构的观察结果与微观结构分析相互印证，进一步验证了TCE方法在提升界面剪切强度方面的有效性。

此外，研究还探讨了TCE方法在双金属复合材料制备中的可行性。通过实验，研究团队成功实现了常温下T2铜和6061铝合金的连接，这表明TCE方法不仅适用于高温加工，还能在常温条件下完成。这种常温加工的优势在于降低了能耗，同时也避免了高温处理可能带来的材料性能变化。因此，TCE方法为双金属复合材料的制备提供了一种更加环保和经济的替代方案。

在讨论部分，研究团队深入分析了TCE方法提升剪切强度的具体机制。他们指出，锯齿状界面的形成是关键因素之一，这种结构通过机械咬合作用显著增强了界面的结合力。同时，加工过程中的塑性变形不仅改善了材料的内部结构，还促进了材料的加工硬化，从而提高了整体的机械性能。这些机制的协同作用使得TCE方法在提升剪切强度方面表现出色。

研究团队还对TCE方法的潜在应用进行了展望。他们认为，该方法不仅适用于铜铝双金属材料的制备，还可能扩展到其他金属组合的复合材料中。例如，可以应用于铝镁、碳钢-不锈钢等双金属材料的制备，以满足不同工业领域对材料性能的需求。此外，TCE方法的结构设计也为其他类型的界面增强技术提供了新的思路，有助于推动材料科学与工程领域的技术进步。

研究过程中，团队还考虑了环境和安全因素。与爆炸焊接等方法相比，TCE方法避免了高污染和高能耗的问题，同时也消除了爆炸物使用带来的安全隐患。这种环保和安全的加工方式，使得TCE方法在实际生产中更具可行性，尤其是在需要大规模生产或对环境要求较高的应用场景中。

最后，研究团队对TCE方法的未来发展方向提出了建议。他们认为，进一步优化加工参数，如挤压速度、温度和压力，可能有助于提升TCE方法的加工效率和材料性能。同时，探索不同金属组合在TCE方法下的应用潜力，也将是未来研究的重要方向。此外，结合先进的制造技术，如3D打印或纳米加工，可能会为TCE方法带来新的突破，从而推动双金属复合材料在更广泛领域的应用。

综上所述，本研究通过引入螺纹连接与挤压（TCE）技术，成功提升了铜铝双金属复合材料的界面剪切强度。TCE方法在界面结构、材料性能和环境影响方面均展现出显著优势，为双金属材料的制备和应用提供了新的技术路径。未来，随着对TCE方法的进一步研究和优化，其在工业生产中的应用前景将更加广阔。