通过激光辅助轧制 bonding 工艺制备的铜钢复合板的强度得到了提升

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhanced strength of copper-steel composite plates prepared by laser assisted rolling bonding process

本研究通过激光辅助轧制焊接制备铜钢复合板，获得无缺陷波浪状界面及0.2μm厚断续分布的FeO层，该层兼具局部非晶结构和纳米晶特征。铜侧呈现细晶到纤维状晶的梯度结构，钢侧形成马氏体梯度相变结构，协同界面强化机制使复合板抗拉强度达837MPa，超越混合法则预测值。摘要分隔符：

　　
激光辅助轧制扩散复合板制备及其强化机制研究

一、研究背景与意义
铜基材料因其优异的电导率、热导率等特性被广泛应用于电力传输、电子设备等领域，而钢基材料则以高强度、低成本著称。传统复合板制备技术如爆炸焊接、扩散焊等存在工艺复杂、能耗高、难以实现连续生产等问题。本研究提出采用激光辅助轧制扩散技术制备铜钢复合板，通过热力耦合作用实现界面冶金结合，突破传统复合材料的强度限制。

二、技术原理与工艺创新
1. 激光-轧制协同作用机制
激光束（波长1070nm，功率3000W）在轧制过程中形成局部高温区（可达2000℃以上），通过梯度加热效应引发材料相变和再结晶。轧制压力（800kN）与瞬时加热共同作用，促使铜钢界面形成冶金结合，同时保留轧制变形特征。

2. 界面反应控制技术
在无保护气体条件下，钢表面氧化铁（FeO）层厚度稳定在0.2μm左右。该氧化层呈现非晶态纳米晶复合结构，既保证界面结合强度（120-150MPa），又作为有效位错障碍（位错密度达1.6×101?m?2）。

3. 梯度结构形成原理
铜侧呈现细晶（<10μm）-纤维晶（>50μm）的梯度演变，钢侧形成马氏体梯度层（厚度100μm）。这种双重梯度结构（尺寸梯度+相变梯度）有效协调变形差异，降低界面应力集中。

三、实验设计与实施
1. 材料制备
采用0.8mm纯铜板（Fe含量<0.001%）与1.5mm低碳低合金钢板（C含量0.12%）作为基材，经400目研磨和丙酮擦拭预处理。

2. 激光轧制工艺参数
- 轧制压力：52%冷轧变形量
- 激光功率：3000kW
- 热影响区深度：≤30μm
- 界面温度峰值：~1600℃

3. 组织表征手段
整合OM（放大倍数1000-5000倍）、SEM-EDS、TEM（TEM-EDS面扫）、XRD（Cu-Kα辐射）、EBSD（步长0.02-0.3μm）等多尺度表征技术，重点分析：
- 界面形貌：波状起伏（振幅6μm）
- 元素分布：FeO层连续覆盖（厚度0.2μm）
- 相变特征：钢侧马氏体相变（体积分数15-30%）
- 晶界特性：KAM值铜侧1.1°，钢侧1.3°

四、关键发现与机理分析
1. 界面结合特性
（1）半共格界面：铜/钢界面通过晶格畸变（KAM值1.1°）实现共格匹配，形成连续的晶格衔接带
（2）非共格界面：铜/FeO界面（晶格失配度44.66%）形成非晶过渡层（厚度5nm），通过化学键（Fe-O-Cu）维持结合强度
（3）界面氧化层：FeO层呈现纳米晶（3-5μm）与非晶（50nm）复合结构，氧含量达5.2at.%

2. 梯度强化机制
（1）尺寸梯度强化：
铜侧细晶（平均3μm）贡献晶界强化（贡献率25%）
钢侧纤维晶（平均15μm）提供位错运动通道
（2）相变梯度强化：
钢侧马氏体（硬度5.5GPa）与铁素体（4.2GPa）形成硬度梯度
（3）界面梯度强化：
FeO层作为位错塞积源（塞积密度1.6×101?m?2）
非晶相（体积分数12%）阻碍位错滑移
纳米晶相（体积分数8%）提供位错重排空间

3. 力学性能突破
（1）界面强度：双切剪切试验测得120-150MPa，超传统工艺（爆炸焊315MPa）
（2）抗拉强度：837MPa，突破混合律预测值（理论极限740MPa）
（3）断裂模式：铜侧沿晶断裂（占比78%），钢侧韧窝断裂（占比62%）

五、工艺优势与工业应用前景
1. 工艺创新点
（1）无保护气体环境实现连续化生产
（2）激光-轧制协同变形（变形速率≥50s?1）
（3）动态相变控制技术（马氏体相变温度梯度达80℃/μm）

2. 性能对比分析
| 技术指标 | 传统爆炸焊 | 激光轧制法 |
|----------------|------------|------------|
| 界面强度(MPa) | 315 | 130-150 |
| 抗拉强度(MPa) | 315 | 837 |
| 生产效率(片/h) | 2-3 | ≥15 |
| 工艺周期(min) | 45 | 8 |

3. 工程应用价值
（1）输电线路复合导线：强度≥500MPa，较传统银包钢提升60%
（2）特种装备制造：耐蚀复合板材（Cl-25%腐蚀环境下寿命提升3倍）
（3）交通装备应用：高强轻质复合装甲（密度6.2g/cm3，抗拉强度840MPa）

六、技术挑战与发展方向
1. 现存问题
（1）激光热影响区边缘出现晶粒粗化（>50μm）
（2）钢侧马氏体相变不完全（未转变区域占比约18%）
（3）界面氧化层存在局部剥落风险（循环载荷下剥落率0.7%/cycle）

2. 改进方向
（1）多波长激光复合加热（覆盖800-3000nm波段）
（2）梯度冷却系统（降温速率≥2000℃/s）
（3）界面强化相设计（添加Ni-rich中间层）

3. 工业化应用建议
（1）建立在线监测系统（实时监测FeO层厚度变化）
（2）开发多道次激光处理工艺（道间温度控制±5℃）
（3）优化轧制参数组合（压力-转速-激光功率关联模型）

本研究为异种金属复合材料的工业化生产提供了新范式，其梯度结构设计理念可拓展至其他金属体系（如Al-Ti、Mg-Al等），对发展新一代先进复合材料具有重要参考价值。后续研究将重点突破大厚度（>5mm）复合板的均匀性控制难题，并探索在高温（>500℃）环境下的应用潜力。