一种钛铜复合薄带及其多道次轧制复合方法和装置

本发明属于层状金属复合薄带制备，具体涉及一种钛铜复合薄带及其多道次轧制复合方法和装置。

背景技术：

1、钛铜复合材料因兼具钛的高强度、耐腐蚀性及铜的优异导电性，在电子器件、航空航天、化工、新能源电池电极材料等领域广泛应用。现有制备技术如爆炸焊接、热压扩散及对称轧制存在显著缺陷：爆炸焊接易产生界面氧化和脆性相，且污染环境；热压扩散需高温长时间保温，能耗高且晶粒粗化严重；对称轧制因钛铜塑性差异大，界面结合强度低且易分层。

2、因此需要一种方法去解决传统钛铜复合薄带制备过程中存在的界面结合强度不足、钛铜变形协调性差、界面活化不充分、成品表面质量不稳定以及难以连续化制备等问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种钛铜复合薄带及其多道次轧制复合方法和装置。通过先在钛带表面预制可控形貌面，再利用该形貌面与铜带接触复合，提高了界面新鲜金属暴露程度和局部塑性变形程度，增强了钛铜界面机械嵌合及冶金结合，有利于提高复合薄带的结合强度、板形质量和连续化制备效率。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种钛铜复合薄带的多道次轧制复合方法，包括以下步骤：

4、步骤1，分别对钛带和铜带进行预处理；

5、步骤2，将预处理后的钛带单独送入第一轧辊组进行第一道次单带表面形貌预制轧制，所述第一轧辊组包括位于钛带下方的第一下表面形貌辊和位于钛带上方的第一上抛光辊，使钛带与第一下表面形貌辊接触的下侧形成形貌面，与第一上抛光辊接触的上侧形成光整面，得到下侧具有形貌面的单侧形貌钛带；

6、步骤3，将所述单侧形貌钛带置于预处理后的铜带上方，使得所述单侧形貌钛带的形貌面朝向且接触铜带的待复合面，得到钛铜叠合带坯；

7、步骤4，将所述钛铜叠合带坯送入第二轧辊组进行第二道次双带非对称复合轧制，所述第二轧辊组包括第二上表面形貌辊和第二下抛光辊，所述第二上表面形貌辊作用于钛带背离铜带的一侧，第二下抛光辊作用于铜带背离钛带的一侧，轧制后形成钛铜初复合薄带；

8、步骤5，将所述钛铜初复合薄带送入第三轧辊组进行第三道次平整轧制，使钛铜初复合薄带的上、下外表面被轧平，得到钛铜复合薄带，所述第三轧辊组包括两个平辊。

9、进一步，所述第一下表面形貌辊和第二上表面形貌辊优选采用毛化辊。所述毛化辊可通过喷砂毛化、电火花毛化或激光毛化在辊面形成随机、无明显周期性且分布均匀的微凸峰和微凹坑，所述微凸峰和微凹坑共同构成粗糙工作表面。第一下表面形貌辊用于在钛带下侧压印形成随机粗糙形貌，使该粗糙形貌在后续叠合过程中直接朝向铜带；第二上表面形貌辊在钛铜复合轧制过程中作用于钛侧，用于提高钛侧摩擦和局部剪切作用，使预制粗糙形貌进一步压入铜层，增大界面实际接触面积，并有利于界面氧化膜破裂和新鲜金属接触。所述毛化辊的表面粗糙度ra为2.0～6.0μm，所述第一上抛光辊和第二下抛光辊的表面粗糙度ra为0.03～0.1μm。

10、除优选采用的毛化辊外，所述表面形貌辊还可采用波纹辊或阵列凸起辊，并可根据目标界面形貌进行选择。所述波纹辊的工作表面设有沿轧辊轴向延伸、沿轧辊周向周期性分布的连续波峰和波谷，其中，波纹高度记为hw，相邻波峰的中心距记为pw，波峰圆角半径记为rc，波谷圆角半径记为rv；所述波纹高度 hw为5～50μm，所述相邻波峰中心距 pw为50～500μm，所述波峰圆角半径rc和波谷圆角半径rv均为20～250μm。所述阵列凸起辊的工作表面设有沿轧辊轴向和周向规则分布的多个凸起，所述凸起可为圆柱台、圆锥台、半球形或棱锥形；凸起底部直径或等效横向尺寸记为d，凸起高度记为ht，相邻凸起的轴向中心距记为px，周向中心距记为py；所述凸起底部直径或等效横向尺寸d为50～300μm，凸起高度ht为5～50μm，轴向中心距px和周向中心距py均为100～500μm。第一下表面形貌辊和第二上表面形貌辊可采用相同或不同的辊面形貌类型。

11、进一步，所述钛带可采用工业纯钛或钛合金，包括但不限于ta1、ta2、ta3、tc4等；所述铜带可采用纯铜或铜合金，包括但不限于t1、t2、t3及其他具有良好塑性变形能力的铜合金。

12、进一步，所述步骤1中分别对钛带和铜带进行预处理具体为：对厚度为0.1～0.2mm的钛带进行酸洗及打磨处理，以去除表面氧化膜并活化待复合面；对厚度为0.1～0.3 mm的铜带进行打磨或抛光处理，以获得洁净的待复合面。

13、进一步，所述步骤2中第一道次单带表面形貌预制轧制的压下率为3%～20%；所述形貌面为粗糙形貌、波纹形貌或阵列压印形貌；所述形貌面的表面粗糙度ra为1.0～4.5μm，或者形貌高度为3～40μm。

14、进一步，所述步骤4中第二道次双带非对称复合轧制的压下率为10%～45%。

15、进一步，所述步骤5中第三道次平整轧制的压下率为3%～15%，所述钛铜复合薄带的上、下外表面粗糙度ra不大于0.5μm。

16、进一步，在所述步骤2之后、步骤3之前，利用分别位于所述单侧形貌钛带上方和下方的表面形貌检测传感器进行检测，位于上方的表面形貌检测传感器用于检测钛带上侧光整面的表面状态，位于下方的表面形貌检测传感器用于检测钛带下侧形貌面的表面粗糙度或轮廓参数；当下侧形貌面的检测结果不满足预设范围时，停止送料并调整或更换第一下表面形貌辊；当上侧光整面的检测结果不满足预设范围时，停止送料并检查、调整或更换第一上抛光辊。

17、进一步，所述方法还包括通电处理，将所述钛铜复合薄带送入在线通电处理装置进行连续短时通电处理，所述在线通电处理装置位于第三轧辊组与收卷机构之间。所述在线通电处理装置包括沿带材运行方向间隔设置的至少两个电极以及温度检测装置，所述电极与钛铜复合薄带导电接触并与可调电流电源连接，通过相邻电极向钛铜复合薄带输入电流；所述温度检测装置设置在相邻电极之间的通电区域，用于实时检测通电区域内的带材温度，并根据检测温度调节电流输入，使通电处理温度控制在500～900 ℃，有效通电时间为5～15 s。所述通电处理在保护气氛、真空环境或惰性气体保护下进行，通过调节电流输入和有效通电时间实现对钛铜复合薄带的连续短时处理，以降低残余应力并改善界面结合状态。

18、本发明还提供了一种钛铜复合薄带，由上述一种钛铜复合薄带的多道次轧制复合方法制得。

19、本发明还提供了一种钛铜复合薄带的多道次轧制复合装置，适用于所述的一种钛铜复合薄带的多道次轧制复合方法，包括沿生产线依次设置的钛带开卷机构、第一轧辊组、第二轧辊组、第三轧辊组和收卷机构；

20、在所述钛带开卷机构的下方设置有铜带开卷机构，在所述钛带开卷机构和第一轧辊组之间，以及所述铜带开卷机构和第二轧辊组之间均设置有导向机构；所述第一轧辊组包括位于钛带下方的第一下表面形貌辊和位于钛带上方的第一上抛光辊，所述第二轧辊组包括第二上表面形貌辊和第二下抛光辊，所述第三轧辊组包括两个平辊。

21、进一步，还包括在线通电处理装置，设置在第三轧辊组与收卷机构之间，所述在线通电处理装置包括沿带材运行方向间隔设置的至少两个电极和温度检测装置。所述电极与钛铜复合薄带导电接触并与可调电流电源连接，用于向相邻电极之间的钛铜复合薄带输入电流；所述温度检测装置设置在相邻电极之间的通电区域，用于检测通电区域内钛铜复合薄带的温度并输出温度检测结果；根据所述温度检测结果调节可调电流电源的电流输入。

22、进一步，在第一轧辊组与第二轧辊组之间、单侧形貌钛带的上方和下方分别设置表面形貌检测传感器；位于上方的表面形貌检测传感器用于检测单侧形貌钛带上侧光整面的表面状态，位于下方的表面形貌检测传感器用于检测下侧形貌面的表面粗糙度或轮廓参数；当上侧光整面和下侧形貌面的检测结果均满足相应预设范围时，带材继续运行；当下侧形貌面的检测结果不满足相应预设范围时，送料停止，并调整或更换第一下表面形貌辊；当上侧光整面的检测结果不满足相应预设范围时，送料停止，并检查、调整或更换第一上抛光辊。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、1.先预制界面形貌，界面接触更充分：本发明不是直接将钛带和铜带叠合后进行一次复合轧制，而是先对钛带进行单带表面形貌预制轧制，使钛带一侧形成可控的形貌面，包括粗糙形貌、波纹形貌或阵列压印形貌，再将该形貌面作为钛铜复合界面。该形貌面在后续复合轧制中可压入铜层表面，提高界面真实接触面积和局部变形程度。

25、2.有利于增强机械嵌合作用：钛带形貌面上的微凸峰、波纹或阵列压印在第二道次复合轧制过程中与铜层发生嵌合作用，使钛铜界面由相对平直界面转变为具有起伏特征的复合界面，有利于提高界面稳定性和抗分层能力。

26、3.促进新鲜金属暴露和后续冶金结合：在第二道次复合轧制中，钛带形貌面可对铜带表面产生局部挤压、剪切和犁削作用，有利于破碎界面氧化膜，促进新鲜钛、铜金属接触，为后续冶金结合和扩散结合创造条件。

27、4.提高钛侧变形参与程度并降低实现复合所需的压下率：第二道次复合轧制采用上表面形貌辊、下抛光辊配置，上表面形貌辊作用于钛侧，可增加钛侧摩擦和局部剪切变形，促进较难变形的钛层参与塑性流动。表1结果表明，毛化辊-抛光辊组在10%压下率下即可实现钛铜薄带复合，而双抛光辊组在压下率达到30%时才实现复合，说明本发明有利于降低实现复合所需的压下率，减少带材过度减薄、层厚比例失控和板形恶化风险；下抛光辊作用于铜侧，可减少铜层外表面的附加损伤，从而兼顾界面形成、厚度控制和外表面质量。

28、5.第三道次平整轧制兼顾界面形貌和表面质量：通过最后一道双平辊平整轧制，可将第二道次复合轧制后形成的外表面起伏进一步压平，改善复合薄带的表面质量和板形，同时保留界面处的起伏结合特征。

29、6.在线检测提高工艺稳定性：通过在第一道次单带表面形貌预制轧制后设置上、下表面形貌检测传感器，可在进入复合轧制前对形貌面和光整面进行检测，避免形貌不合格的钛带继续进入后续工序。

30、7.工艺简单，适合薄带连续化制备：本发明所采用的多道次轧制复合装置结构清晰，不需要爆炸焊接条件或长时间高温扩散处理；通过将表面形貌预制、在线检测、双带复合轧制、平整轧制和在线短时通电处理集成于连续生产线上，可通过调节电流输入和通电时间对复合薄带进行快速处理，提高钛铜复合薄带的连续化制备效率和成材一致性。