双辊薄带铸轧微晶铜合金组织演化及多维度细晶机理研究

The twin–roll strip casting technology can produce the Micron-sized grain copper alloy thin strip directly, has became the leading of short process technology for the future, However, the microstructure evolution and multi-dimension fine grain mechanism are not clear. This program makes the molten pool as the research object, establishes a multiphysics field mathematical model of casting microcrystalline copper alloy based on the Scheil, Low-Re theory. The distribution rule of solute field, flow field, temperature field and interacted mechanism could be defined, which will reveal the environmental evolution rule of dendrite growth at different stages, and explore the crystaling, developing, freezing behavior at molten pool physical environment. Based on non-equilibrium solidification principle, 3D-CAFE theory and E-Stop method. the microstructure evolution and multi-dimension fine grain mechanism of semi-molten/high temperature casting state’s copper alloy could be analyzed. Founding process database and microstructure database by casting experiment. It could been revealed that the mapping relationship of casting process, microstructure characteristics and strip performance by macro and micro view. This research will enrich and deepen the copper alloy processing theory, and has great theoretical and practical significance to promote the development of short process copper alloy technology in China.

双辊薄带铸轧技术能直接生产微米级晶粒的铜合金薄带，已成为未来铜合金工业发展的主导短流程技术，但其组织演化规律及多维度细晶机理尚不明确。本项目拟以铸轧熔池为研究对象，结合Scheil、Low-Re等基础理论，建立铸轧微晶铜合金的多物理场数学模型，明确熔池溶质场、流场和温度场的分布规律及互感机理，揭示结晶及枝晶生长各阶段的物理场环境演变规律；基于非平衡凝固原理、3D-CAFE元胞自动机理论及E-Stop（急停法）探究液态铜合金在熔池物理场环境中结晶、生长、凝固的动态演变规律；结合EBSD、XRD、SEM，通过Gleeble热模拟实验机分析半熔融态/高温铸态微晶铜合金的组织演化及多维度细晶机理；基于实验建立铸轧铜合金工艺数据库和组织数据库，以宏微观视角揭示铸轧工艺-组织特征-带坯性能的映射关系。本项目的研究对丰富和深化铜合金加工理论，推动我国高效率短流程铜合金技术的发展具有重要的理论和实际意义。

铜合金薄带具备优良的导电导热、耐腐蚀的特性，广泛应用于工业的各个领域，但传统生产工艺过于冗长，本研究采用双辊薄带铸轧工艺将金属的亚快速凝固技术与热加工成形技术合二为一，使液态金属在极短的时间内实现铸和轧，真正实现“一火成材”。本研究首先结合实验建立了双辊薄带铸轧微晶铜合金熔池的溶质-流-热多物理场数学模型，探究了双辊薄带铸轧铜合金熔池内的温度场、温度梯度场、流场、溶质成分分布，获得了铜合金枝晶生长各阶段的环境演变规律，结果表明在金属液接触结晶辊伊始，凝固层温度梯度达到最大，随着枝晶尖端进入两相区后温度梯度迅速降低，到达Kiss点之后，枝晶停止生长进入再结晶状态，而溶质成分则主要在Kiss点处聚集，并达到最大值；进而结合3D-CAFE元胞自动机理论，建立了熔池内枝晶生长模型，研究了在不同铸轧速度，浇铸温度和冷却强度条件下，枝晶生长方式和织构取向等问题，结果表明弯月面处金属液与结晶辊接触后迅速凝固，在铸辊表面形成大量细小且无明显取向的等轴晶体，随后晶粒择优取向竞争生长，与温度梯度偏离角较大晶粒逐渐被淘汰，晶粒数下降，优选晶粒主要延<001>取向生长为柱状晶，且其枝晶半径逐渐粗化，同时也说明Kiss点位置是影响凝固组织的关键因素，Kiss点位置降低，熔池区内柱状晶所占比例降低，晶粒也得以细化。本研究进一步结合E-Stop探究了半固态成形和动态再结晶细化组织的机理，结果表明，半固体成形可有效细化并球化带坯组织，而由于柱状晶铜合金具有良好的高温塑性，动态再结晶的效果不太明显。本研究以宏微观视角揭示铸轧工艺-组织特征-带坯性能的映射关系，为双辊薄带铸轧微晶铜合金技术的发展提供理论支撑和实验依据。本研究还探究了超声波细化铜合金的原理，论证了超声波细晶的可行性，为进一步细化铜合金组织提供参考。