我国铜的资源严重匮乏,对外依存度高达75%,而铝的资源相对丰富且电解铝产能严重过剩,“以铝代铜”已成为我国铜资源可持续利用和化解国内过剩的电解铝产能的重要途径,铜铝层状复合材料制备工艺及装备研发因此受到了极大关注,并已成为电力传输和热能传导等领域的发展新趋势。本课题在传统双辊铸轧机的基础上,将快速凝固与轧制复合技术相结合,提出一种单机双流铸轧复合工艺,通过在主铸轧辊旁边分别增设辅助铸轧辊,形成单金属异径铸轧和双金属轧制复合两个阶段,具有短流程、基/复材厚度与温度精确可控等优点。为揭示Cu/Al界面冶金结合的微观机理和复合条件,将热-力耦合有限元方法、分子动力学模拟以及自主研制的异温压力复合实验装置相结合,开展Cu/Al复合板铸轧复合界面多尺度模拟与实验研究,为单机双流铸轧复合设备研制和新工艺的实施提供理论依据。宏观尺度上,基于MSC.MARC平台及其二次开发,分别建立了铜带和铝带单金属异径铸轧的热-变形耦合有限元模型,利用生死单元法实现了单金属连续动态铸轧过程,获得金属液浇注温度、铸轧速度对轧制复合区带坯入口温度的影响规律。在此基础上,建立Cu/Al轧制复合的热-力耦合有限元模型,获得了复合带坯界面处温度和应力分布,通过变参数模拟,分析了铜带和铝带初始温度cT和aT、压下率?对Cu/Al复合界面接触换热与温度/应力分布的影响规律。结果表明,由于铜铝熔点差异较大,在工艺条件适合的工况下,高温铜带与低熔点铝带在轧制复合区内受强压接触传热并在铝带表面出现浅层熔化现象,形成Cu/Al界面固-液复合效果。本文给出了实现界面“局部熔合”的工艺条件,研究结果可用于普通异温轧制复合。微观尺度上,以有限元模拟获得的复合界面宏观温度和压力为边界条件,建立了Cu/Al异温轧制复合界面扩散过程的分子动力学模拟模型,研究不同体系温度和压力下界面处原子的扩散动力学、热力学行为。结果表明,扩散主要是界面附近的铜原子向铝原子一侧扩散,主要扩散机制为空位扩散。升温和加压均能促进扩散,同时促使结构向无定形态转变。扩散层厚度随压力增大上升趋势逐渐减小,原子扩散行为受温度影响更大,当温度较低时,原子几乎不发生扩散,增大压力对界面扩散的作用效果并不明显,当温度较高时,不施加压力的情况下,原子扩散仍非常剧烈,当体系温度高于铝的熔点时,扩散层厚度突增,进一步验证了固-液扩散速率远大于固-固扩散速率。为进一步研究和验证Cu/Al界面复合机理,在自主研制的物理模拟装置上开展了Cu/Al异温热压复合实验,利用光学显微镜、SEM、EDS等仪器对试样的复合界面进行微观组织观察和成分分析,结果表明,扩散层主要由Cu9Al4(铜侧)、Cu Al、Cu Al2(铝侧)组成,揭示了Cu-Al二元合金反应扩散是“局部熔合”作用下Cu/Al界面冶金结合的主要机制。同时验证了压力和温度对界面原子扩散层厚度的影响规律与分子动力学模拟结果符合定性一致的规律。