CN118180357B - 一种铜铝复合金属板及铸造成型方法和其在散热器中的应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种铜铝复合金属板及铸造成型方法和其在散热器中的应用，所述铜铝复合金属板是在粗糙化处理后的紫铜表面浇铸经超声处理后的半固态铝形成的复合金属板，包括紫铜层和复合在紫铜层表面的铝层，所述紫铜层与铝层之间形成界面过渡层，所述界面过渡层包括金属间化合物层和扩散层。本申请可以减少铜随铝变形的情况，使结合界面保持平整，改善铜铝复合金属板的界面结合不良，实现铜铝复合界面的高性能和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合材料加工该技术领域，具体涉及一种铜铝复合金属板及铸造成型方法和其在散热器中的应用。
背景技术
新能源和存储使用的主板CPU的散热主要是使用纯的紫铜，但是紫铜价格昂贵，成本非常高。为了解决成本的问题，目前行业内也逐步有铜铝的复合散热板，铜铝复合金属板材结合了铜和铝的各自优点，例如具备了铜的良好导电导热性能和铝的轻质及耐腐蚀特性。但是由于铜和铝之间的电负性差异较大，相互固溶度低，在焊接或复合过程中，容易导致在界面处形成多种硬脆的金属间化合物，这些金属间化合物会极大地弱化接头的力学性能和导电性。
目前生产铜铝复合金属板材主要的生产工艺为铝和铜铸轧成铜铝复合板带，然后对板带进行切割成片材，然后通过热锻对复合板进行锻造成型。这种固态锻造方式，存在许多问题：1、锻造过程需要很大热锻机的吨位，能耗巨大，成本很高；2、铜铝复合金属板成型过程由于不同位置变形不一样，两种金属材料价界面结合一致性差，由于铜和铝的导热率和电阻率不同，界面结合不良可能会导致热传导不均匀，电阻分布不均，影响复合金属板的热性能和电性能；3、铜和铝的物理性质差异，如熔点、热膨胀系数、导热率等，可能导致界面结合不紧密，这种不紧密的结合会影响复合金属板的整体性能，包括其力学性能和导电性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种铜铝复合金属板，减少铜随铝变形的情况，使结合界面保持平整，改善铜铝复合金属板的界面结合不良，实现铜铝复合界面的高性能和稳定性。
为解决上述问题，本申请所采用的技术方案如下：
本申请实施例提供一种铜铝复合金属板，是在粗糙化处理后的紫铜表面浇铸经超声处理后的半固态铝形成的复合金属板，包括紫铜层和复合在紫铜层表面的铝层，所述紫铜层与铝层之间形成界面过渡层，所述界面过渡层包括金属间化合物层和扩散层。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的金属间化合物层的厚度为0.05-0.15μm。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的扩散层中铝原子的数量占比为65%-85%；所述金属间化合物层中包括AlCu3和Al2Cu，其中AlCu3含量为35wt%-50wt%，Al2Cu含量不超过20wt%。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的扩散层中铝原子的数量占比为75.3%-81.2%；所述金属间化合物层中包括AlCu3和Al2Cu，其中AlCu3含量为41.2wt%-47.3wt%，Al2Cu含量为16.3wt%-19.5wt%。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的金属间化合物层中还包括Al4Cu9，Al4Cu9的含量为不超过15wt%。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的界面过渡层结合力为30-45N/cm。
本申请实施例还提供了一种铜铝复合金属板的铸造成型方法，采用固态铜与半固态铝一次模锻来成型得到铜铝复合板，变形时主要通过铝液流动变形，减少铜随着铝变形的情况，保证结合界面平整同时降低加工过程的能耗。
本申请实施例所述的铸造成型方法包括以下步骤：
紫铜表面预处理：对紫铜表面进行粗造化处理，然后进行酸洗、烘干后待用；
熔铝：在熔炼炉中加入称重好的铝合金铸锭，待铝锭全部融化成铝液后降温到720～740℃；在保护气氛条件下铝液进行搅拌除气，除气结束后加入精炼剂进行精炼除渣，静置后降温到640～650℃并保温；
铜板加热：将模具温度为350℃-400℃，上述经过表面预处理后的紫铜板置于模具中，在保护气氛下加热；
超声制备半固态铝浆：将上述铝液温度为640-650℃铝液用超声波对铝液进行处理，获得半固态铝浆；
浇铸、液态模锻成型：将上述半固态铝浆转移至模具中，浇铸在紫铜板表面，压铸成型。
紫铜表面预处理后，紫铜表面的粗糙度为Ra10-20。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的紫铜表面预处理步骤中，酸洗所采用的酸洗液体包括以体积百分比计的硫酸10-20%、乙醇酸0.5-2%、柠檬酸1.5-5%、余量为水；所述酸洗的温度为40-50℃、时间2-5min。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的精炼剂采用四川兰德公司生产的产品型号为AJ101A的精炼剂，所述精炼剂的用量为铝液重量的0.1～0.4%。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的超声制备半固态铝浆步骤中，超声波的频率为15-35kHz，超声处理的时间为10-25s。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的压铸成型时，压力400-500 MPa，速度为800-1000mm/min，保压时间为20-35s。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的半固态铝浆中固相分数为15-35%。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的保护气氛为氮气或惰性气体。
本申请实施例还提供了所述的铜铝复合金属板在散热板中的应用。本申请实施例所述的铜铝复合金属板可以替代纯紫铜用于主板CPU的散热。
进一步的，本申请实施例还提供了一种铜铝复合散热板，所述的铜铝复合金属板加工而成。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本申请实施例所述的铜铝复合金属板，是在经粗糙化处理后的紫铜表面浇铸半固态铝并通过超声处理后形成的复合金属板，变形时主要是铝进行流动变形，使结合界面保持平整，改善铜铝复合金属板的界面结合的一致性。
2.本申请实施例所述的铜铝复合金属板中，采用半固态铝由于其固液相混合共存的特点，具有更好的流动性和可塑性，与固态铜的结合更为容易，能够形成更为均匀且致密结构的复合材料；且半固态铝中的液相成分有助于在复合过程中填充固态铜与铝之间的微小间隙，增强界面结合强度，同时半固态收缩率小，能降低界面收缩时引起的微裂纹。
3.本申请实施例所述的铜铝复合金属板中固态铜具有优异的导电性、导热性和延展性，结合半固态铝的流动性、可塑性和较低的密度，可以使复合材料在保持高导电、导热性能的同时，还具备优良的加工性能和轻量化特性。
4.本申请实施例所述的铜铝复合金属板的而加工成型工艺使采用固态与半固态一次模锻来成型，极大降低了制作过程和能耗。同时通过优化各个工艺步骤，提高了铜铝复合金属板的制备质量和性能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所述的铜铝复合金属板内部组织结构图。
图2为本申请实施例所述的铜铝复合金属板界面组织结构图。
图3为本申请实施例所述的铜铝复合金属板界面组织结构。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中说明书和权利要求所涉及的术语“包括”以及与其等同的其他描述方式，均在于覆盖不排他的包含，既包含了已明确在说明书和权利要求书中描述的内容，也可以包含未在说明书和权利要求书中描述，但为产品、方法或结构中所固有的步骤或单元。
本申请实施例提供一种铜铝复合金属板，采用固态铜与半固态铝进行复合，具体是是在粗糙化处理后的紫铜表面浇铸经超声处理后的半固态铝形成的复合金属板，替代了目前散热器中通用的纯紫铜板材，在同一领域的应用中大大降低了成本，同时由于铜是固态，铝是半固态，变形时主要是铝进行流动变形，可以减少铜随着铝变形的情况，使得界面能保持平整，提高界面结合的一致性，能保证金属板材的热传导性能能满足应用的需求。具体的，所述铜铝复合金属板包括紫铜层和复合在紫铜层表面的铝层，并且在热复合过程中，所述紫铜层与铝层之间会形成界面过渡层，而且所述界面过渡层包括金属间化合物层和扩散层，其中金属间化合物主要包括AlCu3、AlCu、Al4Cu9、Al2Cu等，其中AlCu3具有较好的热稳定性和导电性；Al2Cu具有较高的硬度和脆性，它的形成可能会影响到复合材料的韧性和延展性。在本申请的实施例中，所述铜铝复合金属板的金属间化合物层中AlCu3和Al2Cu的占比是影响其界面结合力和导热性能的主要因素，为了满足铜铝复合金属板在散热器中对散热板性能的要求，需要控制这两种金属间化合物的质量占比。在本申请中，在铜复合金属板复合成型的过程中控制AlCu3含量为35wt%-50wt%，Al2Cu占比不超过20wt%。本申请实施例所述的扩散层主要是铜铝原子扩散层，由于铝是半固态形态，液态部分的铝原子具有较高的流动性，液态铝原子能够更容易地穿过固态铜的晶界和缺陷，实现快速的扩散和渗透，本申请的一些实施例中，所述的扩散层中铝原子的数量占比为65%-85%。作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的扩散层中铝原子的数量占比为75.3%-81.2%；所述金属间化合物层中包括AlCu3和Al2Cu，其中AlCu3含量为41.2wt%-47.3wt%，Al2Cu含量为16.3wt%-19.5wt%。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的金属间化合物层中还比克避免的包括Al4Cu9，Al4Cu9金属间化合物通常具有较高的硬度，它在铜铝复合材料中形成并均匀分布时，可能会提高复合材料的整体硬度和强度，适量的Al4Cu9可以通过细化晶粒、阻碍裂纹扩展等方式提高断裂韧性。然而，过量的Al4Cu9可能导致材料变得脆性，影响复合材料的韧性。因此，为了保证铜铝复合金属板的性能，应控制所述Al4Cu9的含量为不超过15wt%。
铜铝复合金属材料界面结合强度随金属间化合物厚度的增加而减少，当界面金属间化合物的厚度超过一定厚度时，金属间化合物对界面破坏作用加剧，界面结合强度显著降低。因此，在本申请中，作为进一步优选的方案，一些实施例所述的金属间化合物层的厚度为0.05-0.15μm。优选的，所述金属间化合物层的厚度为0.08-1.3μm。
在本申请中，铜铝复合金属板界面的结合力是是评估铜铝复合材料性能的重要指标。较高的结合力有助于减少界面处的裂纹和剥离现象，从而提高复合材料的整体性能和使用寿命。同时，结合力的强度也影响着复合材料的导热、导电等物理性能，因此，作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的铜铝复合金属板的界面过渡层结合力为30-45N/cm。这个结合力范围确保了铜铝复合材料在受到外力作用时，界面处能够保持一定的稳定性和可靠性。一些优选的实施例中，所述界面过渡层结合力为35-40N/cm；或者为30-40N/cm。
本申请实施例还提供了一种铜铝复合金属板的铸造成型方法，采用固态铜与半固态铝一次模锻来成型得到铜铝复合板，变形时主要通过铝液流动变形，减少铜随着铝变形的情况，保证结合界面平整同时降低加工过程的能耗。
为实现上述目的，本申请实施例所述的铸造成型方法包括以下步骤：
紫铜表面预处理：对紫铜表面进行粗造化处理和激光微孔处理，然后进行酸洗、烘干后待用；
熔铝：在熔炼炉中加入称重好的铝合金铸锭，待铝锭全部融化成铝液后降温到720～740℃；在保护气氛条件下铝液进行搅拌除气，除气结束后加入精炼剂进行精炼除渣，静置后降温到640～650℃并保温；
铜板加热：将模具温度为350℃-400℃，上述经过表面预处理后的紫铜板置于模具中，在保护气氛下加热；
超声制备半固态铝浆：将上述铝液温度为640-650℃铝液用超声波对铝液进行处理，获得半固态铝浆；
浇铸、液态模锻成型：将上述半固态铝浆转移至模具中，浇铸在紫铜板表面，压铸成型。
本申请实施例中，铜表面的粗糙度直接影响其与铝结合界面的结合强度。适度的粗糙度有助于增加界面处的机械咬合作用，提高界面结合强度。但是如果粗糙度过高，铜铝复合金属板材的性能会受到硬性影响，主要表现为：首先，过高的粗糙度会导致界面处存在过多的凹凸不平，降低结合强度；其次，粗糙的表面可能会增加接触电阻，降低铜铝复合金属板材导电性能；第三，凹凸不平的表面也可能影响热量的传递效率，降低导热性能下降或者导致界面导热不均匀；第四，粗糙的表面会导致应力集中，降低复合金属板材的抗拉强度、屈服强度等机械性能。因此，为了优化复合金属的性能，通过表面预处理后的紫铜表面的粗糙度控制为Ra10-20（即表面的算术平均粗糙度为10μm-20μm）；在一些优选的实施例中，粗糙度控制为Ra10-12，或者Ra12-15，或者Ra15-18，或者Ra18-20。
在本申请的实施例中，通过紫铜表面预处理可以有效清除表面的杂质和氧化物，提高紫铜板的表面质量，为后续的铜铝复合提供更好的基础。粗糙化处理的过程优选采用激光毛化处理来调整紫铜表面的粗糙度，通过激光束对紫铜表面进行加热、熔化和再凝固等过程，可以形成微小的凹凸结构，增加紫铜的表面积以便于在与铝复合过程中提高结合界面的结合强度。在激光毛化过程中，激光功率密度、脉冲频率、以及扫描速度等参数是影响毛化效果的主要因素。在激光毛化过程中，激光功率密度过低，可能无法形成足够的熔池，导致毛化效果不佳；而激光功率密度过高则可能导致紫铜表面过度熔化或汽化，影响最终的质量；控制适当的功率密度能够确保紫铜表面形成足够的熔池。脉冲频率过低，可能导致毛化不均匀；而频率过高则可能使紫铜表面过度加热，影响粗糙度的控制，控制脉冲频率可以确保激光能量在紫铜表面均匀分布。扫描速度过快可能导致激光能量未能充分作用于紫铜表面，无法实现理想的毛化效果；而扫描速度过慢则可能导致紫铜表面过度加热，甚至产生烧蚀现象；控制扫描速度可以确保激光能量能够在紫铜表面均匀分布并避免过度加热。因此，为了确保激光能量在紫铜表面均匀分布，紫铜表面形成足够的且均匀分布的熔池，获得均匀的毛化效果，在本申请一些实施例中，激光毛化处理的激光功率密度设置为45kW/cm²-65kW/cm²，脉冲频率设置为75-120Hz，激光扫描速度设置为120-180mm/s。作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的紫铜表面预处理步骤中，酸洗所采用的酸洗液体包括以体积百分比计的硫酸10-20%、乙醇酸0.5-2%、柠檬酸1.5-5%、余量为水。在本申请中，酸洗的温度对酸洗效果的影响，较高的温度可以加速酸洗液与铜表面的反应，但也可能增加铜表面的腐蚀风险；因此，一些实施例中，为了保证反应速度同时又能避免铜表面出现腐蚀风险，在酸洗过程中，酸洗的温度设置为40-50℃。此外，酸洗处理时间的长短决定了酸洗液与铜表面的接触时间，进而影响处理效果，过长的处理时间可能导致铜表面的过度腐蚀，而过短的时间则可能无法完全去除污染物；因此，在本申请的一些实施例中，酸洗的时间设置为2-5min既能完全去污又能避免铜表面被过度腐蚀。
铝液在精炼之后，表面会有一层浮渣，精炼剂能有效去除铝液中的氢和浮游的氧化夹渣等杂质，改善铝合金的成分和结构，提高铝合金的性能和质量。如果在搅动的情况下使用，精炼剂能使铝液和渣有效分离，降低渣中的铝含量，减少扒渣时带出的铝液量。在本申请中，通过除气和除渣可以显著减少铝液中的气体和夹杂物，确保铝液的纯净度和稳定性，从而提高最终复合金属板的性能。在一些实施例中，所采用的精炼剂选自但不限于四川兰德的产品型号为AJ101A的精炼剂，或者福士科公司的产品型号为COVERAL GR2510的精炼剂。精炼剂的用量为铝液重量的0.1～0.4%。
在铜板加热步骤中，对紫铜板在保护气氛下进行加热处理，可以使紫铜板内部部组织的均匀化，同时避免表面氧化，为后续的铜铝复合提供了良好的热环境。在本申请中，铜板加热时，模具温度的选择需要结合铜和铝的熔点以及它们之间的热扩散系数考虑，设置模具温度的范围应当高于铝的熔点但低于铜的熔点，才能使铝液体能够保持其流动性，且能与铜进行良好的热接触和扩散，促进铜铝之间的界面反应，形成金属间化合物，从而提高复合板的界面结合强度。因此，在本申请实施实力中，模具温度加热至350℃-400℃；优选的，所述温度为375℃-385℃，或者350℃-375℃，或者385℃-395℃，或者395℃-400℃。为了确保铜块能够充分吸收模具的热量，并与铝浆之间建立有效的热传递，本申请实施例中，还需要对铜板加热的时间进行调控，如果加热时间过短，可能无法使铜块充分加热，而较长的加热时间则可能导致过多的热量损失或界面反应过度进行。一些实施例中，铜板放置到模具上加热的时间为30s-60s，优选的，加热时间为42s-56s。
本申请中，采用超声波对熔融铝液进行处理，超声波在铝熔体中传播时，会产生强烈的声流效应，这种声流效应能够引起铝熔体中的液体流动，从而有效地破碎枝晶，细化晶粒，改善铝液的凝固结构。在超声波的作用下，铝熔体中的微小气泡会快速形成、长大并破裂，这个过程会产生强烈的冲击波和微射流，这些冲击波和微射流能够进一步破碎铝熔体中的枝晶和夹杂物，提高铝液的纯净度。此外超声波处理过程中产生的热效应有助于加速铝熔体的流动和混合，促进铝液中的成分均匀分布。利用超声波获得半固态铝的过程需要精确控制超声波的频率、功率和处理时间等参数，以确保获得理想的处理效果。因此，为了得到合适固含分数的半固态铝液，在一些实施例中，作所述的超声制备半固态铝浆步骤中，超声波的频率为20-35kHz，优选的，所述超超声波的频率为25-30 kHz，超声处理的时间为10-25s，功率为1900-2200w。
在压铸成型过程中，压力、速度和保压时间等工艺参数的设置对最终得到的铜铝复合金属板的质量和性能具有重要的影响。压力是压铸成型过程中的重要因素，压力是直接影响到金属液的流动性和填充能力，适当的压力有助于确保金属液能够充分填充模具，减少缩孔和缺陷。同时，合适的压铸压力有助于排除金属间的气体和杂质，可以促进铜和铝两种金属的紧密结合，提高界面结合力，而过高的压力可能导致金属变形或产生缺陷，反而降低界面结合力。在本申请的实施例中，为了保证铝液能充分填充模具，避免缩孔产生的缺陷，需要将所述压力控制为400-500 MPa，优选的，所述压力控制为460-480 MPa ，施压时，确保压力稳定且均匀施加在模具上，避免压力的急剧变化或波动，以免影响金属液的流动和填充效果。压铸机的冲头速度会影响半固态的铝浆填充模具的速率，本申请的研究中发现，较快的速度有助于减少填充时间，提高生产效率，但是过高的速度可能导致金属液产生湍流或气体卷入，增加缺陷的风险；同时压铸速度过快导致的金属流动不均匀，会使界面结合不充分，进而影响界面结合强度；而速度过慢则可能使金属在模具中冷却过快，也会影响界面结合的质量。因此，在本申请的一些实施例中，为了确保半固体铝浆能够平稳、均匀地填充模具所述压铸机的冲头速度控制为800-1000mm/min。此外，在压铸过程中，当半固态铝浆填充模具之后，保持一定压力的时间可以保证半固态铝能在模具中充分凝固，较长的保压时间有助于减少缩孔和缺陷，但过长的保压时间会导致生产效率降低。另外，保压时间的延长有助于增强金属间的结合，随着保压时间的增加，铜和铝两种金属粉末颗粒有更多的时间进行接触和交互，使得界面结合更加紧密；但是保压时间并不是越长越好，过长的保压时间可能导致金属过度冷却或产生其他不良效应，反而降低界面结合力和抗拉强度。因此，在本申请的一些实施例中，为了确保铜铝复合金属板的质量和性能达到最佳状态，保压时间控制为20-35s。
半固态铝浆中，固相分数对铜铝复合金属板的界面结合强度、界面热阻以及界面微观结构有重要影响。固相分数对界面结合强度的影响表现为：当半固态铝浆中固相分数较低时，铝浆中液相占比较大，流动性较好，但可能导致铜铝界面处的机械锁合作用减弱，从而降低界面结合强度；随着固相分数的增加，铝浆中的固相颗粒增多，这些颗粒在铜铝界面处形成更紧密的物理连接，增强界面结合强度；但是过高的固相分数可能导致铝浆流动性下降，不利于铝液在铜板中的均匀分布，从而影响界面结合质量。固相分数对界面热阻的影响表现为：固相分数的变化会影响铜铝界面的热传导性能，较低的固相分数可能导致界面处存在较多的气孔和缺陷，增加热阻；随着固相分数的增加，界面处的气孔和缺陷减少，热传导路径变得更加顺畅，从而降低界面热阻。固相分数对界面微观结构的影响表现为：在低固相分数下，界面处可能形成较薄的反应层或金属间化合物层，随着固相分数的增加，界面反应更加充分，金属间化合物的种类和数量会发生变化，影响界面的微观结构和性能。本申请所述的铜铝复合金属板应用于CPU的散热器，为了获得具有优异界面性能的复合金属板，满足应用的要求，本申请实施例中，通过控制超声处理的条件将所述的半固态铝浆中固相分数控制为15-35%，这个固相分数的半固态铝浆在与紫铜结合后，其结合界面的结合强度不低于30N/cm。
作为进一步优选的方案，本申请实施例所述的保护气氛为氮气或惰性气体。
本申请实施例还提供了所述的铜铝复合金属板在散热板中的应用。本申请实施例所述的铜铝复合金属板可以替代纯紫铜用于主板CPU的散热。
进一步的，本申请实施例还提供了一种铜铝复合散热板，所述的铜铝复合金属板加工而成。
实施例1
参见图1，本实施例提供一种铜铝复合金属板，铜铝复合金属板，是在粗糙化处理后的紫铜表面浇铸经超声处理后的半固态铝形成的复合金属板，包括紫铜层和复合在紫铜层表面的铝层，所述紫铜层与铝层之间形成界面过渡层，所述界面过渡层包括金属间化合物层和扩散层；所述金属间化合物层的厚度为0.147μm；所述金属间化合物层中AlCu3含量为41.2wt%，Al2Cu含量为19.5wt%；扩散层中铝原子的数量占比为81.2%。
所述铜铝复合金属板通过以下工艺加工成型：
紫铜表面预处理：T2紫铜切割后在砂带上毛化后，进行激光毛化处理，激光功率密度设置为45kW/cm²，脉冲频率设置为95Hz，激光扫描速度设置为15mm/s，处理后的紫铜表面粗糙度为17.3Ra，然后再酸洗液内酸洗然后进行酸洗和烘干，酸洗配方（按照体积百分数）：硫酸15%、乙醇酸1%、柠檬酸2.5%、余量为水；酸洗温度为40℃、时间为5min；
熔铝：在升温到750℃熔炼炉中加入称重好的铝合金铸锭，待铝锭全部融化成铝液后降温到720℃；在氩气条件下对铝液进行搅拌除气10min，搅拌时转子速度为300r/min，除气结束后加入产品型号为AJ101A的精炼剂进行精炼除渣，精炼除渣后再保温静置10min降温到650℃；并在该温度下保温待用；
铜板加热：将模具温度为350℃，上述经过表面预处理后的紫铜板置于模具中，在氮气保护下加热60s；
超声制备半固态铝浆：将上述铝液温度为640℃铝液用超声波对铝液进行处理，超声频率为25kHZ，超声波时间为20s，功率为2000w，获得半固态铝浆；
浇铸、液态模锻成型：将上述半固态铝浆转移至模具中，浇铸在紫铜板表面，采用压铸机压铸成型，压力450 MPa，速度为900mm/min，保压时间为30s。
性能测试
实施例1所述的铜铝复合金属板用作CPU散热板，为了满足应用要求，对上述铜铝复合金属板进行性能测试，待测的性能参数包括界面结合力（参考GJB 446-1988中的剥离法进行测试，剥离强度即为本实施例的界面结合力）、铜铝复合金属板的导热性能（采用ISO8301 AMD 1-2010对铜铝复合金属板的导热系数的测定）、机械性能（采用GB/T 228.1-2010测试抗拉强度、屈服强度）。测试结果参见下表1。
表1：实施例1的性能检测结果
进一步的，为了了解紫铜表面粗糙度对铜铝复合板材性能的影响，在上述实施例1的基础上，处理一系列不同粗糙度的紫铜表面，然后按照上述实施例1的步骤进行加工成型。加工成型后的铜铝复合金属板材的性能测试按照上述实施例的方法进行测试。粗糙度与性能结果关系参见表2。
表2：粗糙度与性能结果关系
进一步的，为了了解压铸压力对铜铝复合板材性能的影响，在上述实施例1的基础上，设置不同的压铸压力，然后按照上述实施例1的步骤进行加工成型。加工成型后的铜铝复合金属板材的性能测试按照上述实施例的方法进行测试。粗糙度与性能结果关系参见表3。
表3：压铸压力与性能结果关系
进一步的，为了了解压铸速度对铜铝复合板材性能的影响，在上述实施例1的基础上，设置不同的压铸速度，然后按照上述实施例1的步骤进行加工成型。加工成型后的铜铝复合金属板材的性能测试按照上述实施例的方法进行测试。粗糙度与性能结果关系参见表4。
表4：压铸速度与性能结果关系
进一步的，为了了解保压时间对铜铝复合板材性能的影响，在上述实施例1的基础上，设置不同的保压时间，然后按照上述实施例1的步骤进行加工成型。加工成型后的铜铝复合金属板材的性能测试按照上述实施例的方法进行测试。粗糙度与性能结果关系参见表5。
表5：保压时间与性能结果关系
实施例2
参见图1，本实施例提供一种铜铝复合金属板，铜铝复合金属板，是在粗糙化处理后的紫铜表面浇铸经超声处理后的半固态铝形成的复合金属板，包括紫铜层和复合在紫铜层表面的铝层，所述紫铜层与铝层之间形成界面过渡层，所述界面过渡层包括金属间化合物层和扩散层；所述金属间化合物层的厚度为0.08μm；所述金属间化合物层中AlCu3含量为47.3wt%，Al2Cu含量为16.3wt%；扩散层中铝原子的数量占比为75.3%。
所述铜铝复合金属板通过以下工艺加工成型：
紫铜表面预处理：T2紫铜切割后在砂带上进行毛化后用激光毛化处理，激光毛化处理的激光功率密度设置为65kW/cm²，脉冲频率设置为75Hz，激光扫描速度设置为180mm/s；处理后紫铜表面的粗糙度为11.7Ra，然后再酸洗液内酸洗然后进行酸洗和烘干，酸洗配方（按照体积百分数）：硫酸15%、乙醇酸1%、柠檬酸2.5%、余量为水；酸洗温度为50℃、时间为5min；
熔铝：在升温到770℃熔炼炉中加入称重好的铝合金铸锭，待铝锭全部融化成铝液后降温到740℃；在氩气条件下对铝液进行搅拌除气10～15min，搅拌时转子速度为400r/min，除气结束后加入精炼剂进行精炼除渣，精炼除渣后再保温静置20min，降温到640℃；并在该温度下保温待用；
铜板加热：将模具温度为400℃，上述经过表面预处理后的紫铜板置于模具中，在氮气保护下加热60s；
超声制备半固态铝浆：将上述铝液温度为650℃铝液用超声波对铝液进行处理，超声频率为20kHZ获得半固态铝浆；
浇铸、液态模锻成型：将上述半固态铝浆转移至模具中，浇铸在紫铜板表面，采用压铸机压铸成型，压力500MPa，速度为1000r/min，保压时间为30s。
性能测试
实施例2所述的铜铝复合金属板用作CPU散热板，为了满足应用要求，对上述铜铝复合金属板进行性能测试，待测的性能参数包括界面结合力（参考GJB 446-1988中的剥离法进行测试，剥离强度即为本实施例的界面结合力）、铜铝复合金属板的导热性能（采用ISO8301 AMD 1-2010对铜铝复合金属板的导热系数和热阻的测定）、机械性能（采用GB/T228.1-2010测试抗拉强度、屈服强度）。测试结果参见下表6。
表6：实施例2的性能检测结果
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种铜铝复合金属板，其特征在于，是在粗糙化处理后的紫铜表面浇铸经超声处理后的半固态铝形成的复合金属板，包括紫铜层和复合在紫铜层表面的铝层，所述紫铜层与铝层之间形成界面过渡层，所述界面过渡层包括金属间化合物层和扩散层；所述金属间化合物层的厚度为0.05-0.15μm；所述扩散层中铝原子的数量占比为75.3%-81.2%；所述金属间化合物层中包括AlCu3和Al2Cu，其中AlCu3含量为41.2wt%-47.3wt%，Al2Cu含量为16.3wt%-19.5wt%；所述金属间化合物层中还包括Al4Cu9，Al4Cu9的含量为不超过15wt%；所述界面过渡层结合力为30-45N/mm2。
2.一种如权利要求1所述的铜铝复合金属板的铸造成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
紫铜表面预处理：对紫铜表面进行粗造化处理，紫铜表面的粗糙度为Ra10-20，然后进行酸洗，酸洗所采用的酸洗液体包括以体积百分比计的硫酸10-20%、乙醇酸0.5-2%、柠檬酸1.5-5%、余量为水；所述酸洗的温度为40-50℃、时间2-5min；烘干后待用；
熔铝：在熔炼炉中加入称重好的铝合金铸锭，待铝锭全部融化成铝液后降温到720～740℃；在保护气氛条件下铝液进行搅拌除气，除气结束后加入精炼剂进行精炼除渣，所述精炼剂的用量为铝液重量的0.1～0.4%，静置后降温到640～650℃并保温；
铜板加热：将模具温度为350℃-400℃，经过表面预处理后的紫铜板置于模具中，在保护气氛下加热；
超声制备半固态铝浆：将上述铝液温度为640-650℃铝液用超声波对铝液进行处理，超声波的频率为20-35KHz，超声处理的时间为10-25s，获得半固态铝浆，所述半固态铝浆中固相分数为15-35%；
浇铸、液态模锻成型：将上述半固态铝浆转移至模具中，浇铸在紫铜板表面，压铸成型，压力400-500MPa，速度为800-1000mm/min，保压时间为20-35s。
3.根据权利要求2所述的铸造成型方法，其特征在于，所述保护气氛为氮气或惰性气体。
4.一种如权利要求1所述的铜铝复合金属板在散热板中的应用。
5.一种铜铝复合散热板，其特征在于，是由权利要求1所述的铜铝复合金属板加工而成。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |