工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 层状金属复合材料的发展历程及现状 张婷许浩李仲杰董安平邢辉杜大帆孙宝德 Development and present situation of laminated metal composites ZHANG Ting.XU Hao,LI Zhong-jie,DONG An-ping.XING Hui,DU Da-fan,SUN Bao-de 引用本文： 张婷，许浩，李仲杰，董安平，邢辉，杜大帆，孙宝德.层状金属复合材料的发展历程及现状.工程科学学报，2021,431)：67- 75.doi10.13374.issn2095-9389.2020.06.17.002 ZHANG Ting.XU Hao,LI Zhong-jie,DONG An-ping.XING Hui,DU Da-fan,SUN Bao-de.Development and present situation of laminated metal composites[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(1):67-75.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.002 在线阅读View online::htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2020.06.17.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报.2018.40(5：517htps:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.05.001 金属矿深部开采现状与发展战略 Current status and development strategy of metal mines 工程科学学报.2019.41(4：417htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.04.001 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 Microstructure and properties of CuAl-laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite 工程科学学报.2020,42(2：216 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.08.005 FeMnAlC系中锰钢的研究现状与发展前景 Research progress and prospect of FeMnAlC medium Mn steels 工程科学学报.2020,42(7)：814 https:ldoi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.08.27.002 纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展 Development status and research progress of power battery for pure electric vehicles 工程科学学报.2019.41(1：22 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.01.003 宏观颗粒增强铁基复合材料的制备与性能 Fabrication and properties of Fe matrix composites reinforced by macro-particles 工程科学学报.2018,40(8：969 https:ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.08.011
层状金属复合材料的发展历程及现状 张婷 许浩 李仲杰 董安平 邢辉 杜大帆 孙宝德 Development and present situation of laminated metal composites ZHANG Ting, XU Hao, LI Zhong-jie, DONG An-ping, XING Hui, DU Da-fan, SUN Bao-de 引用本文: 张婷, 许浩, 李仲杰, 董安平, 邢辉, 杜大帆, 孙宝德. 层状金属复合材料的发展历程及现状[J]. 工程科学学报, 2021, 43(1): 67- 75. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.002 ZHANG Ting, XU Hao, LI Zhong-jie, DONG An-ping, XING Hui, DU Da-fan, SUN Bao-de. Development and present situation of laminated metal composites[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(1): 67-75. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 中国膏体技术发展现状与趋势 Status and prospects of paste technology in China 工程科学学报. 2018, 40(5): 517 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.001 金属矿深部开采现状与发展战略 Current status and development strategy of metal mines 工程科学学报. 2019, 41(4): 417 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.001 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能 Microstructure and properties of CuAl-laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite 工程科学学报. 2020, 42(2): 216 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.005 FeMnAlC系中锰钢的研究现状与发展前景 Research progress and prospect of FeMnAlC medium Mn steels 工程科学学报. 2020, 42(7): 814 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.27.002 纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展 Development status and research progress of power battery for pure electric vehicles 工程科学学报. 2019, 41(1): 22 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.003 宏观颗粒增强铁基复合材料的制备与性能 Fabrication and properties of Fe matrix composites reinforced by macro-particles 工程科学学报. 2018, 40(8): 969 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.011
工程科学学报.第43卷，第1期：67-75,2021年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.1:67-75,January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.002;http://cje.ustb.edu.cn 层状金属复合材料的发展历程及现状 张婷，许浩，李仲杰，董安平四，邢辉，杜大帆，孙宝德 上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海200240 ☒通信作者，E-mail:apdong@sjtu.edu.cn 摘要三十多年来，多种层状金属复合材料的制备方法应运而生，蓬勃发展，包括爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散法和 沉积复合法等.爆炸复合法在中厚板的制备上具有不可替代的优势，其产品广泛应用于军工、船舶、电力和化工等领域.轧 制法可以批量生产大尺寸层压板，应用最为广泛，目前层压板已经广泛用于汽车、船舶和航空航天等领域.真空热压扩散法 由于可以避免氧气等气体的污染，几年来在TiAl、Ti/TiAI和Ti6Al4VTAI层状复合材料的制备上备受关注.沉积复合法制 备的层状金属复合材料在作为耐蚀、耐磨涂层，高强导线，人体植入材料方面表现出巨大的潜力.在综述层状金属复合材料 发展历程的基础上，介绍了层状金属复合材料的制备方法及各自的优缺点，并对层状金属复合材料目前在国内外的研究现状 进行了分析和介绍. 关键词层状金属复合材料：发展历程：制备方法：研究现状：发展前景 分类号TG142.71 Development and present situation of laminated metal composites ZHANG Ting,XU Hao,LI Zhong-jie,DONG An-ping,XING Hui.DU Da-fan,SUN Bao-de Shanghai Key Lab of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming.School of Materials Science and Engineering.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China Corresponding author,E-mail:apdong@sjtu.edu.cn ABSTRACT Laminated metal composites are composed of two or more metals or alloys,which integrate various excellent properties of the component materials and exhibit good comprehensive properties.The history of laminated metal composites can be traced back to more than 800 BC,and their systematic research began in the 1970s.Over the past 30 years,various methods have been invented to fabricate laminated metal composites,including explosive bonding,rolling bonding,hot-pressing bonding,and deposition bonding. Explosive bounding method has irreplaceable advantages in the preparation of medium thick plates with its products being widely used in military industry,ship,electric power,chemical industry,and other fields.On the other hand,rolling bonding is most widely used because of its ability of large quantity production.Cold roll bonding(CRB)and accumulative roll bonding(ARB)are two representative laminate preparation technologies that are utilized in the fabrication of a large number of material systems.Up to now,laminates prepared by rolling bonding are widely used in automobile,ship,aerospace,and other fields.The preparation of Ti/Al,Ti/TiAl,and Ti6Al4V/TiAl layered composites via vacuum hot-pressing bonding has attracted much attention in recent years because of its ability to avoid gas pollution such as oxygen production.Moreover,laminated metal composites produced by deposition bonding have great potential as corrosion resistant coatings,wear-resistant coatings,and high-strength conductors and implants.Although laminated metal composites have been well developed,there are still various problems to be solved.For some soft/hard material systems,the hard layer introduces plastic instability during the rolling process that destroys the continuity between layers.As a consequence,serious weakening of the comprehensive performance of the laminates is observed.Furthermore,only few studies on the design and new processes of 收稿日期：2020-06-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51871152.U1760110.52071205.51821001)
层状金属复合材料的发展历程及现状 张 婷，许 浩，李仲杰，董安平苣，邢 辉，杜大帆，孙宝德 上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室，上海 200240 苣通信作者，E-mail：apdong@sjtu.edu.cn 摘 要 三十多年来，多种层状金属复合材料的制备方法应运而生，蓬勃发展，包括爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散法和 沉积复合法等. 爆炸复合法在中厚板的制备上具有不可替代的优势，其产品广泛应用于军工、船舶、电力和化工等领域. 轧 制法可以批量生产大尺寸层压板，应用最为广泛，目前层压板已经广泛用于汽车、船舶和航空航天等领域. 真空热压扩散法 由于可以避免氧气等气体的污染，几年来在 Ti/Al、Ti/TiAl 和 Ti6Al4V/TiAl 层状复合材料的制备上备受关注. 沉积复合法制 备的层状金属复合材料在作为耐蚀、耐磨涂层，高强导线，人体植入材料方面表现出巨大的潜力. 在综述层状金属复合材料 发展历程的基础上，介绍了层状金属复合材料的制备方法及各自的优缺点，并对层状金属复合材料目前在国内外的研究现状 进行了分析和介绍. 关键词 层状金属复合材料；发展历程；制备方法；研究现状；发展前景 分类号 TG142.71 Development and present situation of laminated metal composites ZHANG Ting，XU Hao，LI Zhong-jie，DONG An-ping苣 ，XING Hui，DU Da-fan，SUN Bao-de Shanghai Key Lab of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China 苣 Corresponding author, E-mail: apdong@sjtu.edu.cn ABSTRACT Laminated metal composites are composed of two or more metals or alloys, which integrate various excellent properties of the component materials and exhibit good comprehensive properties. The history of laminated metal composites can be traced back to more than 800 BC, and their systematic research began in the 1970s. Over the past 30 years, various methods have been invented to fabricate laminated metal composites, including explosive bonding, rolling bonding, hot-pressing bonding, and deposition bonding. Explosive bounding method has irreplaceable advantages in the preparation of medium thick plates with its products being widely used in military industry, ship, electric power, chemical industry, and other fields. On the other hand, rolling bonding is most widely used because of its ability of large quantity production. Cold roll bonding (CRB) and accumulative roll bonding (ARB) are two representative laminate preparation technologies that are utilized in the fabrication of a large number of material systems. Up to now, laminates prepared by rolling bonding are widely used in automobile, ship, aerospace, and other fields. The preparation of Ti/Al, Ti/TiAl, and Ti6Al4V/TiAl layered composites via vacuum hot-pressing bonding has attracted much attention in recent years because of its ability to avoid gas pollution such as oxygen production. Moreover, laminated metal composites produced by deposition bonding have great potential as corrosion resistant coatings, wear-resistant coatings, and high-strength conductors and implants. Although laminated metal composites have been well developed, there are still various problems to be solved. For some soft/hard material systems, the hard layer introduces plastic instability during the rolling process that destroys the continuity between layers. As a consequence, serious weakening of the comprehensive performance of the laminates is observed. Furthermore, only few studies on the design and new processes of 收稿日期: 2020−06−17 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51871152，U1760110，52071205，51821001） 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期：67−75，2021 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 1: 67−75, January 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.06.17.002; http://cje.ustb.edu.cn
68 工程科学学报，第43卷，第1期 laminated metal materials have been conducted.This paper reviewed the development of laminated metal composites,introduced the preparation methods and advantages and disadvantages of layered metal composites,and analyzed the research status of laminated metal composites at home and abroad. KEY WORDS laminated metal composites;development;method;research status;development prospect 随着现代化生产对材料综合性能要求的不断 文献报道的有关LMCs的近现代研究始于二 提升，在很多领域，单一材料已经很难满足使用需 十世纪六十年代，美国率先提出了“表面处理-冷 求.近二三十年来，复合材料一直受到科研工作者 轧复合(Cold roll bonding,CRB)-退火强化”的生 们的广泛关注，各种复合材料及其制备方法得到 产工艺流程，从此掀开了LMCs的研究热潮，中 蓬勃发展，其中一个很重要的分支就是层状金属 国、日本、法国、德国、巴西、印度等众多国家都 复合材料(Laminated metal composites,,LMCs).LMCs 展开了对LMCs的研究.但在很长的一段时间，高 是通过采用各种复合技术使两种或两种以上物 昂的制造成本都限制着LMCs的工业应用 理、化学及力学性能不同的金属在界面上实现牢 LMCs的实际工程应用始于前苏联，莫斯科钢铁和 固冶金结合而制备的一种复合材料山LMCs具有 合金研究院提出了一种独一无二的径向剪切螺旋 将各组成材料的优良性能整合到一起的潜能，在 轧制技术用于形成Steel/Steel LMCs,.被广泛用于 保持各组成金属或合金特性的同时具有“相补效 大型管道阿和大型压力容器薄钢板被紧紧地包 应”回，可以弥补各自的不足，经过恰当的组合可以 裹在一起并焊接成同心壳体，层间的内部界面通 得到优异的综合性能 过几种不同的工艺限制了裂纹的传播，延长了使 用寿命.除了Steel/Steel LMCs,在这一时期莫斯科 1LMCs的发展历程 高温研究所和新西伯利亚高速流体力学设计技术 LMCs的起源可以追潮到公元前几百年.研究 研究所分别提出了爆炸复合法和焊接法两种双材 发现B)公元前8O0年的阿喀琉斯盾(Achilles 料LMCs制备技术，成功制备了包括Al/Steel、Cu/Steel shield)就是典型的LMCs,该盾由两层青铜、两层 和Al/Steel在内的一系列LMCs.1999年，Saito等m 锡和一层金构成，顺序是青铜锡/金/锡/青铜，就算 在CRB的基础上提出了一种更经济有效的方法一 是最锋利的矛也很难刺穿该盾.此外，很多古代的 累积轧制结合(Accumulative roll bonding,.ARB)工 刀剑也运用了LMCs的原理，如中世纪的波纹刀、 艺来制造LMCs.图1给出了ARB工艺的示意图. 著名的大马革士刀、唐刀、日本武士刀等.从历史 ARB法可以通过常规的轧制设备较为容易地进 上看，LMCs叠层材料产生的原因可以归纳为两 行，对材料的限制较小，并且具有大规模生产片材 点，一是提高制件的综合机械性能，二是在贵金属 的能力，从而使LMCs真正走出实验室，开始大范 外包覆较便宜的金属材料以降低经济成本 围应用.进人21世纪，关于LMCs制备技术、材料 Degreasing and Stacking Roll bonding wire brushing by riveting Stage I AA1100 AA7075 ARB Cutting ARB cycle Heat treatmen 460℃/30min 图1ARB制备多层板材示意图例 Fig.I Schematic of the preparation of multi-layer plate by ARB
laminated metal materials have been conducted. This paper reviewed the development of laminated metal composites, introduced the preparation methods and advantages and disadvantages of layered metal composites, and analyzed the research status of laminated metal composites at home and abroad. KEY WORDS laminated metal composites；development；method；research status；development prospect 随着现代化生产对材料综合性能要求的不断 提升，在很多领域，单一材料已经很难满足使用需 求. 近二三十年来，复合材料一直受到科研工作者 们的广泛关注，各种复合材料及其制备方法得到 蓬勃发展，其中一个很重要的分支就是层状金属 复合材料（Laminated metal composites, LMCs）. LMCs 是通过采用各种复合技术使两种或两种以上物 理、化学及力学性能不同的金属在界面上实现牢 固冶金结合而制备的一种复合材料[1] . LMCs 具有 将各组成材料的优良性能整合到一起的潜能，在 保持各组成金属或合金特性的同时具有“相补效 应” [2] ，可以弥补各自的不足, 经过恰当的组合可以 得到优异的综合性能. 1 LMCs 的发展历程 LMCs 的起源可以追溯到公元前几百年. 研究 发 现 [3] 公 元 前 800 年 的 阿 喀 琉 斯 盾 （ Achilles shield）就是典型的 LMCs，该盾由两层青铜、两层 锡和一层金构成，顺序是青铜/锡/金/锡/青铜，就算 是最锋利的矛也很难刺穿该盾. 此外，很多古代的 刀剑也运用了 LMCs 的原理，如中世纪的波纹刀、 著名的大马革士刀、唐刀、日本武士刀等. 从历史 上看，LMCs 叠层材料产生的原因可以归纳为两 点，一是提高制件的综合机械性能，二是在贵金属 外包覆较便宜的金属材料以降低经济成本. 文献报道的有关 LMCs 的近现代研究始于二 十世纪六十年代，美国率先提出了“表面处理–冷 轧复合（Cold roll bonding, CRB） –退火强化”的生 产工艺流程[4] ，从此掀开了 LMCs 的研究热潮，中 国、日本、法国、德国、巴西、印度等众多国家都 展开了对 LMCs 的研究. 但在很长的一段时间，高 昂 的 制 造 成 本 都 限 制 着 LMCs 的 工 业 应 用 . LMCs 的实际工程应用始于前苏联，莫斯科钢铁和 合金研究院提出了一种独一无二的径向剪切螺旋 轧制技术用于形成 Steel/Steel LMCs，被广泛用于 大型管道[5] 和大型压力容器[6] . 薄钢板被紧紧地包 裹在一起并焊接成同心壳体，层间的内部界面通 过几种不同的工艺限制了裂纹的传播，延长了使 用寿命. 除了 Steel/Steel LMCs，在这一时期莫斯科 高温研究所和新西伯利亚高速流体力学设计技术 研究所分别提出了爆炸复合法和焊接法两种双材 料LMCs 制备技术，成功制备了包括Al/Steel、Cu/Steel 和 Al/Steel 在内的一系列 LMCs[5] . 1999 年，Saito 等[7] 在 CRB 的基础上提出了一种更经济有效的方法—— 累积轧制结合（Accumulative roll bonding, ARB）工 艺来制造 LMCs. 图 1 给出了 ARB 工艺的示意图. ARB 法可以通过常规的轧制设备较为容易地进 行，对材料的限制较小，并且具有大规模生产片材 的能力，从而使 LMCs 真正走出实验室，开始大范 围应用. 进入 21 世纪，关于 LMCs 制备技术、材料 Degreasing and wire brushing AA1100 AA7075 Stacking by riveting ARB cycle Roll bonding Stage Ⅰ Stage Ⅱ ARB Cutting Heat treatment 460 ℃/30 min 图 1 ARB 制备多层板材示意图[9] Fig.1 Schematic of the preparation of multi-layer plate by ARB[9] · 68 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期
张婷等：层状金属复合材料的发展历程及现状 69. 体系的研究更加繁荣，物理气相沉积、热压扩散、 该方法的优点是可对性能和尺寸相差很大的材料 粉末冶金等技术逐渐被用于制备LMCs.LMCs材 进行复合，成本效益高且操作简单.其次，由于压 料已广泛应用于电力、化工、治金、汽车、船舶和 力较小，金属片层没有发生宏观变形，残余应力小 航空航天等诸多领域⑧] 热压扩散制备的LMCs需要较长的扩散时间才能 2LMCs的制备方法 实现界面较强的结合强度，因此热压扩散法制备 LMCs的周期较长.在较高的加工温度下，晶粒尺 到目前为止，很多传统的材料成形方法都可 寸会变大，导致材料的强度降低，所以热压扩散法 用于LMCs的制备，根据工艺属性的不同，主要包 制备的LMCs的强度始终不能令人满意，通常热 括以下几种：爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散 压扩散之后再通过轧制提高界面结合强度] 法和沉积复合法 2.4沉积复合法 2.1爆炸复合法 沉积复合法是一类“自下而上”的层状材料制 爆炸复合法制备LMCs与爆炸焊接原理相似， 备方法，主要包括物理气相沉积、电化学沉积和喷 利用炸药爆炸过程中产生的瞬时高温和高冲击作 射沉积.物理气相沉积是在真空条件下，将材料 用，使被焊金属表面产生塑性变形、熔化和扩散， 源一固体或液体表面气化成气态原子、分子或 从而实现两种或多种金属板材的焊合，且界面结 部分电离成离子，并通过低压气体沉积在基体表 合强度较高.缺点是该方法不能实现连续化生产， 面上的技术.物理气相沉积最大的优点就是可以 也不能生产薄板，会导致薄板严重变形，爆炸产生 在纳米尺度范围内精确控制LMCs单个层的厚度 的二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，会 电化学沉积是指在外加电场的作用下电流通过电 造成严重的环境污染回.尽管如此，爆炸复合法在 解质溶液中正负离子的迁移并在电极上发生得失 中厚复合板的制备上具有不可替代的优势© 电子的氧化还原反应而形成镀层的技术.对于由 2.2轧制复合法 常规加工技术很难加工的金属，如高熔点高硬度 轧制法是通过轧辊的压力使不同的金属板材 的金属钨、陶瓷等，电化学沉积技术都可以实现 发生塑性变形而焊合在一起，是应用最为广泛的 LMCs的制备.这些方法通常耗时较长，而且不 LMCs制备方法.轧制法又可以分为很多不同种 适合生产大规模、大尺寸的片材或体材，通常用来 类，包括冷轧(CRB、ARB)、温轧、热轧和液态金 制备工程材料表面的功能涂层.喷射沉积法其基 属轧制法等.冷扎法需要的首次压下量比较大，一 本原理是将一种金属溶解雾化后，将其喷射到另 般高达60%~70%四，适合于塑性较好的材料，由 一种金属基材上，从而获得成分均匀、组织细密的 于轧制完的材料具有较大残余应力，需要后续热 复合板材 处理消除应力，调控性能.温轧和热轧是在加热条 除了上面提到的几种沉积技术，直接能量沉 件下对材料进行轧制，适合于塑性较差的金属.热 积(DED)技术也是极具潜力的LMCs制备方法， 轧要求材料表面清洁、活化，但活化表面在轧制过 DED技术的同轴送粉特征使得该技术在材料的设 程中容易氧化，影响复合结果，通常需要通氩气进 计和制备上具有很高的自由度，图2给出了直接 行保护山液态金属轧制法将两种不同的金属液 激光沉积技术(DLD)制备LMCs的示意图，交替改 分别从双辊铸机上、下辊侧边的浇注口注入，随着 变打印粉末的种类，便可得到所需的层状材料.目 轧辊的转动，未凝固的金属液体在铸机入口附近 前的DED设备最多具有四个同轴送粉的粉末料 形成混合层，当上下轧辊咬合时，上下两层金属被 斗，可以制备由2~4种材料组成的LMCs 轧制成形四.该方法省去了浇注、轧板等过程，可 3LMCs的研究现状 直接制备双金属LMCs材料.这些轧制法中，冷轧 法应用最为广泛，其最大的优点是可以批量生产 3.1爆炸复合法研究现状 较大尺寸的LMCs板，且生产成本较低 爆炸复合法由于条件比较苛刻，近些年的研 2.3热压扩散法 究报道相对较少.国内洛阳船舶材料研究所和洛 热压扩散是在低于材料熔点的温度下（约 阳孙瑞金属包覆材料有限公司对爆炸法制备镁合 0.5Tm~0.8Tm,Tm为熔点温度)，以及不使材料出 金层状材料进行了大量研究，包括AZ31/(1060, 现变形的压力下（约0.5~50MPa),使金属板材紧 5083,TA2,S31603和Q345R)等材料体系16此 密接触，利用界面出现的原子扩散而实现结合] 外，东北大学、长安大学、太原理工大学、沈阳理
体系的研究更加繁荣，物理气相沉积、热压扩散、 粉末冶金等技术逐渐被用于制备 LMCs. LMCs 材 料已广泛应用于电力、化工、冶金、汽车、船舶和 航空航天等诸多领域[8] . 2 LMCs 的制备方法 到目前为止，很多传统的材料成形方法都可 用于 LMCs 的制备，根据工艺属性的不同，主要包 括以下几种：爆炸复合法、轧制复合法、热压扩散 法和沉积复合法. 2.1 爆炸复合法 爆炸复合法制备 LMCs 与爆炸焊接原理相似， 利用炸药爆炸过程中产生的瞬时高温和高冲击作 用，使被焊金属表面产生塑性变形、熔化和扩散， 从而实现两种或多种金属板材的焊合，且界面结 合强度较高. 缺点是该方法不能实现连续化生产， 也不能生产薄板，会导致薄板严重变形，爆炸产生 的二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，会 造成严重的环境污染[2] . 尽管如此，爆炸复合法在 中厚复合板的制备上具有不可替代的优势[10] . 2.2 轧制复合法 轧制法是通过轧辊的压力使不同的金属板材 发生塑性变形而焊合在一起，是应用最为广泛的 LMCs 制备方法. 轧制法又可以分为很多不同种 类，包括冷轧（CRB、ARB）、温轧、热轧和液态金 属轧制法等. 冷扎法需要的首次压下量比较大，一 般高达 60%～70% [2] ，适合于塑性较好的材料，由 于轧制完的材料具有较大残余应力，需要后续热 处理消除应力，调控性能. 温轧和热轧是在加热条 件下对材料进行轧制，适合于塑性较差的金属. 热 轧要求材料表面清洁、活化，但活化表面在轧制过 程中容易氧化，影响复合结果，通常需要通氩气进 行保护[11] . 液态金属轧制法将两种不同的金属液 分别从双辊铸机上、下辊侧边的浇注口注入，随着 轧辊的转动，未凝固的金属液体在铸机入口附近 形成混合层，当上下轧辊咬合时，上下两层金属被 轧制成形[2] . 该方法省去了浇注、轧板等过程，可 直接制备双金属 LMCs 材料. 这些轧制法中，冷轧 法应用最为广泛，其最大的优点是可以批量生产 较大尺寸的 LMCs 板，且生产成本较低. 2.3 热压扩散法 热压扩散是在低于材料熔点的温度下 （ 约 0.5Tm ～0.8Tm, Tm 为熔点温度），以及不使材料出 现变形的压力下（约 0.5～50 MPa），使金属板材紧 密接触，利用界面出现的原子扩散而实现结合[12] . 该方法的优点是可对性能和尺寸相差很大的材料 进行复合，成本效益高且操作简单. 其次，由于压 力较小，金属片层没有发生宏观变形，残余应力小. 热压扩散制备的 LMCs 需要较长的扩散时间才能 实现界面较强的结合强度，因此热压扩散法制备 LMCs 的周期较长. 在较高的加工温度下，晶粒尺 寸会变大，导致材料的强度降低，所以热压扩散法 制备的 LMCs 的强度始终不能令人满意，通常热 压扩散之后再通过轧制提高界面结合强度[13] . 2.4 沉积复合法 沉积复合法是一类“自下而上”的层状材料制 备方法，主要包括物理气相沉积、电化学沉积和喷 射沉积. 物理气相沉积是在真空条件下，将材料 源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或 部分电离成离子，并通过低压气体沉积在基体表 面上的技术. 物理气相沉积最大的优点就是可以 在纳米尺度范围内精确控制 LMCs 单个层的厚度. 电化学沉积是指在外加电场的作用下电流通过电 解质溶液中正负离子的迁移并在电极上发生得失 电子的氧化还原反应而形成镀层的技术. 对于由 常规加工技术很难加工的金属，如高熔点高硬度 的金属钨、陶瓷等，电化学沉积技术都可以实现 LMCs 的制备[14] . 这些方法通常耗时较长，而且不 适合生产大规模、大尺寸的片材或体材，通常用来 制备工程材料表面的功能涂层. 喷射沉积法其基 本原理是将一种金属溶解雾化后，将其喷射到另 一种金属基材上，从而获得成分均匀、组织细密的 复合板材[15] . 除了上面提到的几种沉积技术，直接能量沉 积 （DED）技术也是极具潜力的 LMCs 制备方法， DED 技术的同轴送粉特征使得该技术在材料的设 计和制备上具有很高的自由度，图 2 给出了直接 激光沉积技术（DLD）制备 LMCs 的示意图，交替改 变打印粉末的种类，便可得到所需的层状材料. 目 前的 DED 设备最多具有四个同轴送粉的粉末料 斗，可以制备由 2～4 种材料组成的 LMCs. 3 LMCs 的研究现状 3.1 爆炸复合法研究现状 爆炸复合法由于条件比较苛刻，近些年的研 究报道相对较少. 国内洛阳船舶材料研究所和洛 阳孙瑞金属包覆材料有限公司对爆炸法制备镁合 金层状材料进行了大量研究，包括 AZ31/（ 1060， 5083，TA2， S31603 和 Q345 R）等材料体系[16] . 此 外，东北大学、长安大学、太原理工大学、沈阳理 张 婷等： 层状金属复合材料的发展历程及现状 · 69 ·
工程科学学报，第43卷，第1期 3.2ARB技术研究现状 Powder delivery nozzle 近三十多年来，关于LMCs的研究从未停止， 科研工作者针对不同的材料体系、不同的制备技 术及工艺参数进行了大量研究，ARB技术被认为 是生产两种或多种组分LMCs最合适的方法.许 Laser beam 多双金属结构，例如A/Al、AI/Cu、A/Ti、A1/Ni、 Powder stream Shielding Cu/Ta、Cu/Zn和Zn/Sn等都可以通过ARB工艺很 gas 好地制备.Li等总结了所有可以通过CRB或 Material I ARB制备的双金属体系以及它们的晶体结构，如 Material 2 Material 1 图3所示.除了双金属结构，很多三金属结构，如AV Substrate Ti/Al、A/Cu/Sn、Al/Cu/Sn和AI/Ti/Mg等，也可以通 过ARB工艺生产.与单种材料相比，LMCs通常具 图2DLD制备LMCs示意图 有更好的疲劳强度.对于不同类型金属材料的组 Fig.2 Schematic of LMCs prepared by DLD 合，界面处存在强度和弹性模量的梯度，这将导致 工大学和空军工程大学等高校也有报道对爆炸复 裂纹的扩展在接近软-硬材料界面处受到阻碍而 合法制备LMCs的研究，其研究内容包括对工艺 发生分支，从而延长材料的疲劳寿命.此外，ARB技 组织、界面行为、力学性能、疲劳性能、电化学腐 术的大塑性变形特征导致很多材料体系通过ARB 蚀性能等的研究，除了MgAL,还包括Ti/Steel、. 工艺都可以获得超细品微观结构，与原始的粗品 Ti/Steel/Ti、Al/steel和哈氏合金/Steel等材料体系 材料相比，其强度和疲劳性能进一步提高9 就材料体系而言，爆炸复合法制备的LMCs在国 近五年来，除了针对不同材料体系的研究，轧 内主要应用于军工、船舶等领域.目前国外从事 制过程中的塑性不稳定问题也被广泛提及和研 爆炸复合材料生产和研发的企业主要有美国的 究.在轧制过程中，LMCs材料各层显微组织变化 DMC公司和日本的旭化成公司，其产品广泛应用 有两种模式：一种是在轧制过程中保持层间连续 于电力、化工、湿法冶金和近海工程等领域刀 性，并根据整体宏观应变减小各组分的厚度：另一 hep bcc rho Ni Pd Pt AgCuAu Al Sn Pb In Zr Ti Be ZnCdMg TI WFe Li Bi rho Bi bcc Fe ⊙ hcp Be fec Successful cold bonding ■ Successful ARB Successful cold bonding and ARB Pd Ni Note:The bcc,fcc,hcp,rho stand for body-centered cubic,face-centered cubic,close-packed hexagonal and rhombohedral respectively 图3可以通过CRB或ARB制备的双金属体系以及它们的品体结构⑧ Fig.3 Chart of metals suitable for cold bonding by rolling and/or by applying pressure and ARB,according to lattice structure and hardness of metals
工大学和空军工程大学等高校也有报道对爆炸复 合法制备 LMCs 的研究，其研究内容包括对工艺、 组织、界面行为、力学性能、疲劳性能、电化学腐 蚀性能等的研究 ，除 了 Mg/Al，还包 括 Ti/Steel、 Ti/Steel/Ti、Al/steel 和哈氏合金/Steel 等材料体系. 就材料体系而言，爆炸复合法制备的 LMCs 在国 内主要应用于军工、船舶等领域. 目前国外从事 爆炸复合材料生产和研发的企业主要有美国的 DMC 公司和日本的旭化成公司，其产品广泛应用 于电力、化工、湿法冶金和近海工程等领域[17] . 3.2 ARB 技术研究现状 近三十多年来，关于 LMCs 的研究从未停止， 科研工作者针对不同的材料体系、不同的制备技 术及工艺参数进行了大量研究，ARB 技术被认为 是生产两种或多种组分 LMCs 最合适的方法. 许 多双金属结构 ，例 如 Al/Al、 Al/Cu、 Al/Ti、 Al/Ni、 Cu/Ta、Cu/Zn 和 Zn/Sn 等都可以通过 ARB 工艺很 好地制备. Li 等[18] 总结了所有可以通过 CRB 或 ARB 制备的双金属体系以及它们的晶体结构，如 图 3 所示. 除了双金属结构，很多三金属结构，如 Al/ Ti/Al、Al/Cu/Sn、Al/Cu/Sn 和 Al/Ti/Mg 等，也可以通 过 ARB 工艺生产. 与单种材料相比，LMCs 通常具 有更好的疲劳强度. 对于不同类型金属材料的组 合，界面处存在强度和弹性模量的梯度，这将导致 裂纹的扩展在接近软–硬材料界面处受到阻碍而 发生分支，从而延长材料的疲劳寿命. 此外，ARB 技 术的大塑性变形特征导致很多材料体系通过 ARB 工艺都可以获得超细晶微观结构，与原始的粗晶 材料相比，其强度和疲劳性能进一步提高[19−22] . 近五年来，除了针对不同材料体系的研究，轧 制过程中的塑性不稳定问题也被广泛提及和研 究. 在轧制过程中，LMCs 材料各层显微组织变化 有两种模式：一种是在轧制过程中保持层间连续 性，并根据整体宏观应变减小各组分的厚度；另一 Powder 1 Powder 2 Powder delivery nozzle Laser beam Powder stream Shielding gas Material 1 Material 1 Material 2 Substrate 图 2 DLD 制备 LMCs 示意图 Fig.2 Schematic of LMCs prepared by DLD Ni Pd Pt Ag Cu Au Al Pb Sn In Zr Ti Be Zn hcp hcp fcc fcc bcc bcc rho rho Cd Mg Tl W Fe Li Bi W Fe Li Bi Be Zn Cd Mg Tl Pb In Zr Ti Cu Successful cold bonding Successful ARB Successful cold bonding and ARB Au Al Sn Ni Pd Pt Ag Note: The bcc, fcc, hcp, rho stand for body-centered cubic, face-centered cubic, close-packed hexagonal and rhombohedral respectively. 图 3 可以通过 CRB 或 ARB 制备的双金属体系以及它们的晶体结构[18] Fig.3 Chart of metals suitable for cold bonding by rolling and/or by applying pressure and ARB, according to lattice structure and hardness of metals[18] · 70 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期
张婷等：层状金属复合材料的发展历程及现状 .71· 种是由于较硬层在塑性变形期间发生塑性不稳定 调变形机制将不复存在，导致强度塑性降低.另 的颈缩和破碎，连续层不能保持，而形成离散的强 外，Kummel等2ol研究证明，层状界面处明显的硬 化颗粒2]轧制结合过程中的塑性失稳和断裂 度梯度是LMCs产生裂纹分叉的先决条件，若硬层 是限制层压板生产工艺及机械性能的关键因素 出现颈缩失稳，硬度梯度被破坏，材料的疲劳性能 Mashhadi等研究了ARB制备的多种体系LMCs的 也会变差 微观组织和力学性能与轧制循化的关系，包括 Reihanian与Naseri2利用解析模型预测金属 Zn/SnP、Cu/Zn/AI和Al/Cu/Sn2等.他们发现这 ARB结合过程中硬层发生颈缩和断裂的临界应 些体系在经过很少轧制循环后较硬层便出现明 变，他们利用失稳判据确定颈缩的临界应变，根据 显的颈缩（图4），导致材料强度和塑性急剧降 Cockeroft判据和Latham判据预测断裂的临界应 低，其他很多研究也报道了这种塑性不稳定性问 变.该模型预测出颈缩和断裂的临界应变随硬层 题0,228表1列出了文献报道的几种层状材料 厚度比、强度系数比和加工硬化指数的增大而增 ARB过程中的组织和力学性能变化.LMCs的优 大，随软层加工硬化指数的增大而减小.利用实验 异性能大多源自于界面处的协调变形，几何必须 验证该模型，结果如图5所示，除了A1/Cu预测值 位错在界面处的累积产生背应力强化，提高材料 与实测值较为接近外，其他材料体系预测值都远 的强度和塑性.一旦较硬层出现塑性失稳，这种协 低于实测值甚至是预应变.ARB每道次的等效应 (a) (b) (d) ND RD 200m 200m 200μm 200m (① (g) 200m 200um 200m 200m Note:ND and RD stand for normal direction and roll direction 图4Zn/Sn复合材料ARB制备过程中的SEM照片.(a)0循环（最初的三明治结构）：(b)一个循环：(c)两个循：(d)三个循环：(e)四个循环：()五 个循环：(g)六个循环：(h)七个循环 Fig.4 SEM micrographs of ARB processed Zn/Sn composites after:(a)zero cycle (primary sandwich);(b)one cycle;(c)two cycles;(d)three cycles; (e)four cycles,(f)five cycles,(g)six cycles,(h)seven cycles 表1不同层状材料ARB过程中组织和性能的变化 Table 1 Changes in structure and properties of different layered materials in the process of ARB Raw materials Thickness ratio First unstable material First unstable pass Strength variation Reference Al/Sn 0.77 Decrease after 3 pass [28 Zn/Sn 2.5 1 Decrease after 3 pass [24 AA22191AA5086 1 AA5086 6 Gradually increase [27 Al/Cu 2.5 Cu Gradually increase 21] Cw/Zn/Al 9:83 Cu Decrease after 5 pass [25 Al/Cu/Sn 10:6:3 Sn 2 Decrease after 3 pass 26
种是由于较硬层在塑性变形期间发生塑性不稳定 的颈缩和破碎，连续层不能保持，而形成离散的强 化颗粒[23] . 轧制结合过程中的塑性失稳和断裂 是限制层压板生产工艺及机械性能的关键因素. Mashhadi 等研究了 ARB 制备的多种体系 LMCs 的 微观组织和力学性能与轧制循化的关系 ，包括 Zn/Sn[24]、Cu/Zn/Al[25] 和 Al/Cu/Sn[26] 等. 他们发现这 些体系在经过很少轧制循环后较硬层便出现明 显的颈缩（图 4） ，导致材料强度和塑性急剧降 低，其他很多研究也报道了这种塑性不稳定性问 题[20, 27−28] . 表 1 列出了文献报道的几种层状材料 ARB 过程中的组织和力学性能变化. LMCs 的优 异性能大多源自于界面处的协调变形，几何必须 位错在界面处的累积产生背应力强化，提高材料 的强度和塑性. 一旦较硬层出现塑性失稳，这种协 调变形机制将不复存在，导致强度塑性降低. 另 外，Kümmel 等[20]研究证明，层状界面处明显的硬 度梯度是 LMCs产生裂纹分叉的先决条件，若硬层 出现颈缩失稳，硬度梯度被破坏，材料的疲劳性能 也会变差. Reihanian 与 Naseri [29] 利用解析模型预测金属 ARB 结合过程中硬层发生颈缩和断裂的临界应 变，他们利用失稳判据确定颈缩的临界应变，根据 Cockcroft 判据 和 Latham 判据预测断裂的临界应 变. 该模型预测出颈缩和断裂的临界应变随硬层 厚度比、强度系数比和加工硬化指数的增大而增 大，随软层加工硬化指数的增大而减小. 利用实验 验证该模型，结果如图 5 所示，除了 Al/Cu 预测值 与实测值较为接近外，其他材料体系预测值都远 低于实测值甚至是预应变. ARB 每道次的等效应 表 1 不同层状材料 ARB 过程中组织和性能的变化 Table 1 Changes in structure and properties of different layered materials in the process of ARB Raw materials Thickness ratio First unstable material First unstable pass Strength variation Reference Al/Sn 0.77 Sn 2 Decrease after 3 pass [28] Zn/Sn 2.5 Zn 2 Decrease after 3 pass [24] AA2219/AA5086 1 AA5086 6 Gradually increase [27] Al/Cu 2.5 Cu 4 Gradually increase [21] Cu/Zn/Al 9:8:3 Cu 3 Decrease after 5 pass [25] Al/Cu/Sn 10:6:3 Sn 2 Decrease after 3 pass [26] (a) Sn 200 μm (c) 200 μm (d) 200 μm (b) 200 μm ND RD Zn Zn (e) 200 μm (g) 200 μm (h) 200 μm (f) 200 μm Note: ND and RD stand for normal direction and roll direction. 图 4 Zn/Sn 复合材料 ARB 制备过程中的 SEM 照片. （a）0 循环（最初的三明治结构）；（b）一个循环；（c）两个循；（d）三个循环；（e）四个循环；（f）五 个循环；（g）六个循环；（h）七个循环[24] Fig.4 SEM micrographs of ARB processed Zn/Sn composites after: (a) zero cycle (primary sandwich); (b) one cycle; (c) two cycles; (d) three cycles; (e) four cycles; (f) five cycles; (g) six cycles; (h) seven cycles[24] 张 婷等： 层状金属复合材料的发展历程及现状 · 71 ·
72 工程科学学报，第43卷，第1期 ■Pre-strain 级的提高.表现出了优异的刚度、韧性和比强度 ■ARB strain Predicted strain 组合.之后物理磁溅射、喷射气相沉积、物理气相 沉积、电镀、爆炸焊接等方法都被用于制备Ti-A1 LMCs,但大多数工艺都需要昂贵复杂的工具，限 0 制了其应用.近年来，热压结合工艺也被成功地用 0.5 于生产钛铝复合材料.Fan等B利用真空热压扩 Al/Cu Al/Ni Cu/Ni Al/Zn Al/Mg Al/Stee Material systems 散技术制备了Ti/AI LMCs,并对其疲劳性能进行 图5解析模型预测结果四 了研究，发现由于较厚的元素扩散层和优异的协 Fig.5 Prediction results of analytical modell 调变形能力，Ti/AIl LMCs表现出增强界面结合强 度和更好的综合疲劳性能.Zu等I1研究了真空 变都很大(0.5~0.8)，实验过程中很难观测到颈 热压扩散法制备的TC4TiA1层状复合材料，发现 缩发生的临界点，这会导致预测值与实测值之间 其抗弯强度较单一TiA1材料提高了约90%.拉伸 的偏差，此外ARB过程中重复的切割、堆垛和轧 强度提高了约20MPa.Liu等IB]利用超声波固化 制连接也给模型的建立带来了巨大的挑战.除了 辅助热压烧结技术制备了碳纤维增强Ti/TAI层状 解析模型，Wang等Bo提出了一种新的有限元模型， 材料，研究发现相比于未加碳纤维的T/TiA1层状 采用映射解法（网格再划分分析法）将变形解从变 材料，复合材料的抗拉强度和延伸率都有所提高 形网格中转移到一个新的循环网格中，可以很好 3.4沉积法制备LMCs研究现状 地模拟ARB中的不连续过程.通过实验验证，该 近年来，电化学沉积法在制备层状复合涂层 模型对A1/A1层状材料具有很好的适应性（图6）， 方面取得了不错成绩，研究发现多层复合涂层具 对于其他材料体系的适应性如何还未见报道 有很多优于单种涂层的性能.Torabinejad等B研 3.3热压扩散法制备LMCs研究现状 究了FeNi/AlO3多层涂层的耐磨性能，指出层状 关于热压扩散法制备LMCs的报道，近年来主 结构可以改善纳米晶涂层的机械性能，特别是耐 要是针对Ti/A1材料的研究.Ti-AI金属间化合物 磨性.Elias4和Allahyarzadeh等研究了电沉积 因为具有高的比强度、抗腐蚀、抗蠕变等性能，成 法制备的层状Ni/W涂层的电化学腐蚀性能，结果 为航空航天领域极具潜力的结构材料，但金属间 表明与单种涂层相比，多层复合涂层具有更好的 化合物的本质导致Ti-A1块体材料韧性极差，严 抗局部腐蚀能力，对基体具有更好的保护作用.如 重削弱了其竞争优势.Rohatgi等B通过Ti元素 图7所示，对于层状复合涂层，腐蚀介质在层间界 和铝箔，在高温高压下制备了Ti/TiAI3LMCs,发现 面横向扩散，极大地减缓了孔蚀的深度，对基材具 该LMCs在断裂韧性上比块体AI3Ti有一个数量 有很好的保护作用：而对于单层合金涂层，孔蚀很 320 (a) 6 280 240 200 160 120 AS68S5器 A6061/AA6061 80 AA188A88915器 Stress/MPa Stress/MPa 390■ 392■ 40 AA1050/AA1050 Exp AA1050/AA1050 Sim 31 A1050 2 186 226 0 0.30.60.912 AA6061 15 1 Engineering strain/% 50 43 8g=4.8% C=4.8% Note:stands for engineering strain. 图6AV1层状材料有限元预测结果与实验结果对比四(a)3道次之后的拉伸应力应变曲线：(b)、(d)实验过程中AA1050AA6061LMC1道 次、3道次拉伸试验拉伸断口光镜照片：(c)、(e)AA1050/AA6061LMC1道次、3道次拉伸试样模拟结果 Fig.Comparison of finite element prediction results and experimental results of Al/AI LMCs(a)strain-stress curves obtained from tensile tests of 3 ARB processed composites;tensile fracture for (b)3-ARB,and (d)1-ARB AA1050/AA6061 observed by OM in the experiment;simulated in the tensile sample of(c)3-ARB,and (e)1-ARB AA1050/AA6061
变都很大（0.5～0.8） [18] ，实验过程中很难观测到颈 缩发生的临界点，这会导致预测值与实测值之间 的偏差. 此外 ARB 过程中重复的切割、堆垛和轧 制连接也给模型的建立带来了巨大的挑战. 除了 解析模型，Wang 等[30] 提出了一种新的有限元模型， 采用映射解法（网格再划分分析法）将变形解从变 形网格中转移到一个新的循环网格中，可以很好 地模拟 ARB 中的不连续过程. 通过实验验证，该 模型对 Al/Al 层状材料具有很好的适应性（图 6）， 对于其他材料体系的适应性如何还未见报道. 3.3 热压扩散法制备 LMCs 研究现状 关于热压扩散法制备 LMCs 的报道，近年来主 要是针对 Ti/Al 材料的研究. Ti–Al 金属间化合物 因为具有高的比强度、抗腐蚀、抗蠕变等性能，成 为航空航天领域极具潜力的结构材料，但金属间 化合物的本质导致 Ti–Al 块体材料韧性极差，严 重削弱了其竞争优势. Rohatgi 等[31] 通过 Ti 元素 和铝箔，在高温高压下制备了 Ti/TiAl3 LMCs，发现 该 LMCs 在断裂韧性上比块体 Al3Ti 有一个数量 级的提高. 表现出了优异的刚度、韧性和比强度 组合. 之后物理磁溅射、喷射气相沉积、物理气相 沉积、电镀、爆炸焊接等方法都被用于制备 Ti–Al LMCs，但大多数工艺都需要昂贵复杂的工具，限 制了其应用. 近年来，热压结合工艺也被成功地用 于生产钛铝复合材料. Fan 等[32] 利用真空热压扩 散技术制备了 Ti/Al LMCs，并对其疲劳性能进行 了研究，发现由于较厚的元素扩散层和优异的协 调变形能力，Ti/Al LMCs 表现出增强界面结合强 度和更好的综合疲劳性能. Zhu 等[13] 研究了真空 热压扩散法制备的 TC4/TiAl 层状复合材料，发现 其抗弯强度较单一 TiAl 材料提高了约 90%，拉伸 强度提高了约 20 MPa. Liu 等[33] 利用超声波固化 辅助热压烧结技术制备了碳纤维增强 Ti/TiAl 层状 材料，研究发现相比于未加碳纤维的 Ti/TiAl 层状 材料，复合材料的抗拉强度和延伸率都有所提高. 3.4 沉积法制备 LMCs 研究现状 近年来，电化学沉积法在制备层状复合涂层 方面取得了不错成绩，研究发现多层复合涂层具 有很多优于单种涂层的性能. Torabinejad 等[34] 研 究了 Fe/Ni/Al2O3 多层涂层的耐磨性能，指出层状 结构可以改善纳米晶涂层的机械性能，特别是耐 磨性. Elias[14] 和 Allahyarzadeh[35] 等研究了电沉积 法制备的层状 Ni/W 涂层的电化学腐蚀性能，结果 表明与单种涂层相比，多层复合涂层具有更好的 抗局部腐蚀能力，对基体具有更好的保护作用. 如 图 7 所示，对于层状复合涂层，腐蚀介质在层间界 面横向扩散，极大地减缓了孔蚀的深度，对基材具 有很好的保护作用；而对于单层合金涂层，孔蚀很 3.0 Pre-strain ARB strain Predicted strain 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Al/Cu Al/Ni Cu/Ni Material systems Critical strain for necking/ % Al/Zn Al/Mg Al/Steel 图 5 解析模型预测结果[29] Fig.5 Prediction results of analytical model[29] 320 280 240 200 160 120 80 40 0 0 0.3 0.6 Engineering strain/% Engineering stress/MPa 0.9 1.2 1.5 (a) AA6061/AA6061 Exp AA6061/AA6061 Sim AA1050/AA6061 Exp AA1050/AA6061 Sim AA1050/AA1050 Exp AA1050/AA1050 Sim Stress/MPa 390 43° (c) (b) εeng=4.8% 322 254 186 118 50 (d) AA1050 AA6061 AA1050 AA6061 εeng=4.8% Stress/MPa 392 (e) 337 281 226 170 115 Bonded interface Note: εeng stands for engineering strain. 图 6 Al/Al 层状材料有限元预测结果与实验结果对比[30] . （a）3 道次之后的拉伸应力应变曲线；（b）、（d）实验过程中 AA1050/AA6061 LMC 1 道 次、3 道次拉伸试验拉伸断口光镜照片；（c）、（e）AA1050/AA6061 LMC 1 道次、3 道次拉伸试样模拟结果 Fig.6 Comparison of finite element prediction results and experimental results of Al/Al LMCs[30] : (a) strain-stress curves obtained from tensile tests of 3- ARB processed composites; tensile fracture for (b) 3-ARB, and (d) 1-ARB AA1050/AA6061 observed by OM in the experiment; simulated in the tensile sample of (c) 3-ARB, and (e) 1-ARB AA1050/AA6061 · 72 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期
张婷等：层状金属复合材料的发展历程及现状 73 快破坏涂层，腐蚀介质很快到达基体，造成基材的 304L、SS304L-Inconel625和SS316-Inconel718 腐蚀.在生物医用材料领域，Peng等B利用轴向 等功能梯度材料进行了大量研究，取得了不错的成 磁场增强电弧离子镀工艺在316不锈钢基材上制 果o,.在生物医用领域，Lima等)利用DLD技术制 备TiCu/TiCuN多层复合涂层，研究证明该涂层具 造了一种新型Ti-35Nb-15Zr/Ti-25Nb-8Zr/CP-Ti 有良好的耐腐蚀性能、可比的机械性能、优异的 模量梯度骨科植入材料，实现了模量在75~110GPa 抗菌能力以及良好的生物相容性 的渐变.Behera等利用DLD技术在Ti6Al4V表 面制备了TiO2-HA(羟基磷灰石)功能梯度涂层， (a) 以增强整形外科植入物的生物相容性和生物活性. CMMA coating Liu与DuPont!431通过DLD技术制备了TiC-Ti功能 梯度材料，提高了CP-Ti的耐磨性能.Zhang等1 Substrate 通过DLD技术制备了Ti6A14V/Ti36Nb2Ta3Zr0.20 层状材料，研究表明该层状钛合金具有优异的综 (b) 合性能.南阳理工大学的Markandan等利用一 Monolayer alloy coating 种新的增材制造技术一选择性热熔化(Selective heat melting,.SHM)制备出了Cu/Fe LMCs,如图8 Substrate 所示.此外，随着设备的不断发展更新，具有两个 或多个粉末缸的SLM设备已经问世，选择性激光 图7涂层腐蚀示意图.(a)层状复合涂层：(b)单种合金涂层腐蚀示 熔融(SLM)也是一种潜在的制备功能梯度金属材 意图 料或层状材料的新技术 Fig.7 Corrosion schematic diagram:(a)multilayer coatings;(b)mono- layer coatings4 除了电化学沉积技术，其他沉积技术的研究 报道相对较少，在能源领域，高强度导体因其强度 与导电性的结合而备受关注，在大型集成电路、高 场磁体、微电子器件领域具有很大的技术意义7 图8SHM法制备的Cu/Fe层状材料4(a)侧视图：(b)等轴侧视图均 l0年前，Ghalandari与Moshksarl利用ARB工艺 Fig.8 Cu/Fe fabricated using the SHM techniquels1:(a)side view;(b)iso- 将具有优异导电性能的银、铜两种金属结合，首次 metric viewls 制成了具有极高导电性和高强度的Ag/Cu LMCs, 4 结论与展望 表2总结了Ag/Cu材料的相关性能.Huo等B9利 用磁控溅射的方法制备Ag/Cu LMCs,.并对其进行 以上文献调研结果表明，LMCs由于具有单一 退火处理，发现与沉积态相比，退火后Ag/Cu LMCs 材料难以实现的综合优异性能的结合，从古至今 硬度提高了6%~16%，电阻率降低了6%~12%， 都占据重要地位.不同的LMCs制备技术具有各 说明通过热处理可以进一步提高高强度和高导电 自不可替代的优点，所制备的材料在军工、船舶、 性的良好结合 航空航天、汽车和能源领域得到了广泛应用，在医 表2AgCu层状复合材料的性能 疗领域也表现出良好的应用潜力.现有关于LMCs Table 2 Properties of Ag/Cu LMCs 的研究主要包括以下几个方面：(1)原有材料体系 Material Yield Stress/UTS/Elongation/Resistivity/ 性能优化；(2)针对新的性能要求开发新的材料体 MPa MPa % (n2-m) 系；(3)解决现存的问题，如ARB过程中的塑性稳 Pure Ag 180 25+1 定现象等：(4)新制备技术的探索 Pure Cu 100 280 51 31±2 近年来，很多文献报道通过外加磁场6、超声 ABRed Ag/Cu 550 650 6 32±2 波4)等手段提高增材制造技术制备材料的性能， Note:UTS stands for ultimate tensile strength. 若将这一思路引入LMCs的制备，或许对提高其 近年来，增材制造技术在功能梯度材料的制 性能有所帮助.此外，多种LMCs制备方法结合， 备上掀起了研究热潮.在航空航天领域，科研工作 也有望实现材料性能的提高，如第3节中提到的 者们对Ti6A14V-Inconel718、Ti6Al4V-SS316/SS 热压扩散法和轧制复合法的结合
快破坏涂层，腐蚀介质很快到达基体，造成基材的 腐蚀. 在生物医用材料领域，Peng 等[36] 利用轴向 磁场增强电弧离子镀工艺在 316 不锈钢基材上制 备 TiCu/TiCuN 多层复合涂层，研究证明该涂层具 有良好的耐腐蚀性能、可比的机械性能、优异的 抗菌能力以及良好的生物相容性. 除了电化学沉积技术，其他沉积技术的研究 报道相对较少. 在能源领域，高强度导体因其强度 与导电性的结合而备受关注，在大型集成电路、高 场磁体、微电子器件领域具有很大的技术意义[37] . 10 年前，Ghalandari 与 Moshksar[38] 利用 ARB 工艺 将具有优异导电性能的银、铜两种金属结合，首次 制成了具有极高导电性和高强度的 Ag/Cu LMCs， 表 2 总结了 Ag/Cu 材料的相关性能. Huo 等[39] 利 用磁控溅射的方法制备 Ag/Cu LMCs，并对其进行 退火处理，发现与沉积态相比，退火后 Ag/Cu LMCs 硬度提高了 6%～16%，电阻率降低了 6%～12%， 说明通过热处理可以进一步提高高强度和高导电 性的良好结合. 表 2 Ag/Cu 层状复合材料的性能 Table 2 Properties of Ag/Cu LMCs Material Yield Stress/ MPa UTS/ MPa Elongation/ % Resistivity/ (nΩ·m) Pure Ag — 180 — 25±1 Pure Cu 100 280 51 31±2 ABRed Ag/Cu 550 650 16 32±2 Note：UTS stands for ultimate tensile strength. 近年来，增材制造技术在功能梯度材料的制 备上掀起了研究热潮. 在航空航天领域，科研工作 者们对 Ti6Al4V–Inconel 718、Ti6Al4V–SS 316/SS 304L、SS304 L–Inconel 625 和 SS316– Inconel 718 等功能梯度材料进行了大量研究，取得了不错的成 果[40] . 在生物医用领域，Lima 等[41] 利用 DLD 技术制 造了一种新型 Ti–35Nb–15Zr/ Ti–25Nb–8Zr/CP–Ti 模量梯度骨科植入材料，实现了模量在 75～110 GPa 的渐变. Behera 等[42] 利用 DLD 技术在 Ti6Al4V 表 面制备了 TiO2–HA（羟基磷灰石）功能梯度涂层， 以增强整形外科植入物的生物相容性和生物活性. Liu 与 DuPont[43] 通过 DLD 技术制备了 TiC–Ti 功能 梯度材料，提高了 CP–Ti 的耐磨性能. Zhang 等[44] 通过 DLD 技术制备了 Ti6Al4V/Ti36Nb2Ta3Zr0.2O 层状材料，研究表明该层状钛合金具有优异的综 合性能. 南阳理工大学的 Markandan 等[45] 利用一 种新的增材制造技术——选择性热熔化（Selective heat melting， SHM）制备出了 Cu/Fe LMCs，如图 8 所示. 此外，随着设备的不断发展更新，具有两个 或多个粉末缸的 SLM 设备已经问世，选择性激光 熔融（SLM）也是一种潜在的制备功能梯度金属材 料或层状材料的新技术. (a) (b) 图 8 SHM 法制备的Cu/Fe层状材料[45] . （a）侧视图；（b）等轴侧视图[45] Fig.8 Cu/Fe fabricated using the SHM technique[45] : (a) side view; (b) isometric view[45] 4 结论与展望 以上文献调研结果表明，LMCs 由于具有单一 材料难以实现的综合优异性能的结合，从古至今 都占据重要地位. 不同的 LMCs 制备技术具有各 自不可替代的优点，所制备的材料在军工、船舶、 航空航天、汽车和能源领域得到了广泛应用，在医 疗领域也表现出良好的应用潜力. 现有关于 LMCs 的研究主要包括以下几个方面：（1）原有材料体系 性能优化；（2）针对新的性能要求开发新的材料体 系；（3）解决现存的问题，如 ARB 过程中的塑性稳 定现象等；（4）新制备技术的探索. 近年来，很多文献报道通过外加磁场[46]、超声 波[47] 等手段提高增材制造技术制备材料的性能， 若将这一思路引入 LMCs 的制备，或许对提高其 性能有所帮助. 此外，多种 LMCs 制备方法结合， 也有望实现材料性能的提高，如第 3 节中提到的 热压扩散法和轧制复合法的结合. (a) CMMA coating Substrate Monolayer alloy coating Substrate (b) 图 7 涂层腐蚀示意图. （a）层状复合涂层；（b）单种合金涂层腐蚀示 意图[14] Fig.7 Corrosion schematic diagram: (a) multilayer coatings; (b) monolayer coatings[14] 张 婷等： 层状金属复合材料的发展历程及现状 · 73 ·
74 工程科学学报，第43卷，第1期 LMCs往往是为了满足特定的性能而设计，如 [5]Sherby O D,Wadsworth J.Ultrahigh carbon steels,Damascus 强度与塑性的结合、强度与耐蚀性的结合、高温 steels,and superplasticity//The 9th International Metallurgical and 强度与抗氧化能力的结合、强度与模量的结合等 Materials Congress.Istanbul,1997 [6] Hertzberg R W.Deformation and Fracture Mechanics of 等.但一直以来，LMCs的设计都是根据经验选 Engineering Materials.2nd Ed.New York:Wiley,1983 材，然后实验验证，缺乏有效的理论依据.Cohades [7] Saito Y,Utsunomiya H,Tsuji N,et al.Novel ultra-high straining 等报道了具有拉伸延性的LMCs的设计准则， process for bulk materials-development of the accumulative roll 他们通过理论计算发现，根据混合物的等应变规 bonding (ARB)process.Acta Mater,1999,47(2):579 则，应变和应变速率敏感性材料构成的复合材料 [8] Wang J,Lei Y.Liu X H,et al.Microstructure and properties of 的延伸率可以通过仅与成分材料应变强化系数 Cu-Al-laminated composites fabricated via formation of a horiz n、应变速率敏感性系数m以及强度常数K有关 ontal continuous casting composite.ChinJEng,2020,42(2):216 (王君，雷宇，刘新华，等.水平连铸复合成形铜铝层状复合材料 指出可以采用n、m、K3个参数对由应变敏感材 的组织与性能.工程科学学报，2020,42(2)：216) 料和应变速率敏感材料构成的LMCs的拉伸延伸 [9] Mo T Q,Chen Z J,Li B X,et al.Tailoring of interface structure 率进行有效预测.虽然该准则对于应变强化和应 and mechanical properties in ARBed 1100/7075 laminated 变速率强化不敏感的材料预测误差较大，但该研 composites by cold rolling.Mater Sci Eng A,2019,755:97 究对于LMCs材料的设计具有里程碑式的意义 [10]Gong S,Li Z,Xiao Z,er al.Research on preparation of metallic 此外，对于其他性能要求的LMCs的设计理论依 composite with explosive welding.Mater Rev,2007,21(Spec): 249 据还未见报道，该领域还有很大的发展空间 (龚深，李周，肖柱，等.爆炸焊接法制备金属复合材料的研究 模拟是近几年的研究热点，尽管目前关于LMCs 材料导报，2007,21（专辑249） 材料性能的模拟效果并不理想，但却有很大的发 [11]Chen J,Tong J G,Ren X P.Bonding behavior of 25Cr5MoA/ 展前景.若能通过模拟的手段较为准确地预测轧 Q235 hot rolled clad plates.J Univ Sci Technol Beijing,2007, 制过程中不同材料的变形状态，便可以在最短的 29(10:985 时间获得最佳的轧制变形量，提高轧制复合板的 (陈靖，佟建国，任学平.25Cr5MoA/Q235钢复合板的结合性能 北京科技大学学报，2007,29(10)：985) 综合性能 [12]Qin Q,Deng J C,Zang Y,et al.Factors influencing the combined 关于制备LMCs的新技术，增材制造技术具有 performance of hot-rolled bimetallic composite plates prepared via 非常大的潜力.一方面“增材”的特征给了LMCs hot compression.Chin J Eng,2018,40(4):469 更多的设计性和可塑性，参数的改变可以很好地 (秦勤，邓俊超，碱勇，等.热压316LQ345R复合板的结合性能 对组织、性能进行调控；另一方面，增材制造技术 工程科学学报，2018.40(4)：469) 设备简单，生产周期短，成本相对较低，既可实现 [13]Zhu H F,Sun W,Kong F T,et al.Interfacial characteristics and 批量生产，也可用于定制化生产 mechanical properties of TiAl/Ti6Al4V laminate composite (LMC)fabricated by vacuum hot pressing.Mater Sci Eng A,2019, 参考文献 742:704 [14]Elias L,Hegde A C.Electrodeposition of laminar coatings of Ni- [1]Liu XT,Zhang TA.Cui JZ.Technology of clad metal production W alloy and their corrosion behaviour.Surf Coat Technol,2015, and its latest progress.Mater Rev,2002,16(7):41 283:61 (刘晓涛，张廷安，崔建忠.层状金属复合材料生产工艺及其新 [15]Meng X J.Present status and developmental direction for manu- 进展.材料导报，2002,16(7)：41) facturing technique of laminar composite metal.CFH/Technol, [2]Tian G M,Li X M,Zhao Y Q,et al.Research status of processing 2009(6):7 technology of laminated metal composite.Mater China,2013(11): (孟宪静.层状金属复合材料制备技术现状及发展方向，一重技 696 术，2009(6)：7) (田广民，李选明，赵永庆，等.层状金属复合材料加工技术研究 [16]Han G,Jiang X B,Cheng F,et al.Research on explosive welding 现状.中国材料进展，2013(11)：696) of magnesium alloy laminated composites.Eng Blast,2018. [3]Wadsworth J,Lesuer D R.Ancient and modern laminated 24(4):71 composites-from the Great Pyramid of Gizeh to Y2K.Mater (韩刚，蒋晓博，程飞，等.镁合金层状复合材料的爆炸焊接研究 Charact,2000,45(4-5:289 工程爆破，2018,24(4)：71) [4]Wright P K,Snow D A,Tay C K.Interfacial conditions and bond [17]Wang H,Li X F,Zhang Y,et al.Development and applications of strength in cold pressure welding by rolling.Met Technol,1978 explosive welding layered composite materials at home and 5(1:24 abroad.China Tit Ind,2017(1):16
LMCs 往往是为了满足特定的性能而设计，如 强度与塑性的结合、强度与耐蚀性的结合、高温 强度与抗氧化能力的结合、强度与模量的结合等 等. 但一直以来，LMCs 的设计都是根据经验选 材，然后实验验证，缺乏有效的理论依据. Cohades 等[48] 报道了具有拉伸延性的 LMCs 的设计准则， 他们通过理论计算发现，根据混合物的等应变规 则，应变和应变速率敏感性材料构成的复合材料 的延伸率可以通过仅与成分材料应变强化系数 n、应变速率敏感性系数 m 以及强度常数 K 有关. 指出可以采用 n、m、K 3 个参数对由应变敏感材 料和应变速率敏感材料构成的 LMCs 的拉伸延伸 率进行有效预测. 虽然该准则对于应变强化和应 变速率强化不敏感的材料预测误差较大，但该研 究对于 LMCs 材料的设计具有里程碑式的意义. 此外，对于其他性能要求的 LMCs 的设计理论依 据还未见报道，该领域还有很大的发展空间. 模拟是近几年的研究热点，尽管目前关于 LMCs 材料性能的模拟效果并不理想，但却有很大的发 展前景. 若能通过模拟的手段较为准确地预测轧 制过程中不同材料的变形状态，便可以在最短的 时间获得最佳的轧制变形量，提高轧制复合板的 综合性能. 关于制备 LMCs 的新技术，增材制造技术具有 非常大的潜力. 一方面“增材”的特征给了 LMCs 更多的设计性和可塑性，参数的改变可以很好地 对组织、性能进行调控；另一方面，增材制造技术 设备简单，生产周期短，成本相对较低，既可实现 批量生产，也可用于定制化生产. 参 考 文 献 Liu X T, Zhang T A, Cui J Z. Technology of clad metal production and its latest progress. Mater Rev, 2002, 16（7）: 41 （刘晓涛, 张廷安, 崔建忠. 层状金属复合材料生产工艺及其新 进展. 材料导报, 2002, 16（7）：41） [1] Tian G M, Li X M, Zhao Y Q, et al. Research status of processing technology of laminated metal composite. Mater China, 2013（11）: 696 （田广民, 李选明, 赵永庆, 等. 层状金属复合材料加工技术研究 现状. 中国材料进展, 2013（11）：696） [2] Wadsworth J, Lesuer D R. Ancient and modern laminated composites —from the Great Pyramid of Gizeh to Y2K. Mater Charact, 2000, 45（4-5）: 289 [3] Wright P K, Snow D A, Tay C K. Interfacial conditions and bond strength in cold pressure welding by rolling. Met Technol, 1978, 5（1）: 24 [4] Sherby O D, Wadsworth J. Ultrahigh carbon steels, Damascus steels, and superplasticity//The 9th International Metallurgical and Materials Congress. Istanbul, 1997 [5] Hertzberg R W. Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials. 2nd Ed. New York: Wiley, 1983 [6] Saito Y, Utsunomiya H, Tsuji N, et al. Novel ultra-high straining process for bulk materials—development of the accumulative rollbonding (ARB) process. Acta Mater, 1999, 47（2）: 579 [7] Wang J, Lei Y, Liu X H, et al. Microstructure and properties of Cu–Al–laminated composites fabricated via formation of a horizontal continuous casting composite. Chin J Eng, 2020, 42（2）: 216 （王珺, 雷宇, 刘新华, 等. 水平连铸复合成形铜铝层状复合材料 的组织与性能. 工程科学学报, 2020, 42（2）：216） [8] Mo T Q, Chen Z J, Li B X, et al. Tailoring of interface structure and mechanical properties in ARBed 1100/ 7075 laminated composites by cold rolling. Mater Sci Eng A, 2019, 755: 97 [9] Gong S, Li Z, Xiao Z, er al. Research on preparation of metallic composite with explosive welding. Mater Rev, 2007, 21(Spec): 249 （龚深, 李周, 肖柱, 等. 爆炸焊接法制备金属复合材料的研究. 材料导报, 2007, 21(专辑): 249） [10] Chen J, Tong J G, Ren X P. Bonding behavior of 25Cr5MoA/ Q235 hot rolled clad plates. J Univ Sci Technol Beijing, 2007, 29（10）: 985 （陈靖, 佟建国, 任学平. 25Cr5MoA/Q235钢复合板的结合性能. 北京科技大学学报, 2007, 29（10）：985） [11] Qin Q, Deng J C, Zang Y, et al. Factors influencing the combined performance of hot-rolled bimetallic composite plates prepared via hot compression. Chin J Eng, 2018, 40（4）: 469 （秦勤, 邓俊超, 臧勇, 等. 热压316L/Q345R复合板的结合性能. 工程科学学报, 2018, 40（4）：469） [12] Zhu H F, Sun W, Kong F T, et al. Interfacial characteristics and mechanical properties of TiAl/Ti6Al4V laminate composite (LMC) fabricated by vacuum hot pressing. Mater Sci Eng A, 2019, 742: 704 [13] Elias L, Hegde A C. Electrodeposition of laminar coatings of NiW alloy and their corrosion behaviour. Surf Coat Technol, 2015, 283: 61 [14] Meng X J. Present status and developmental direction for manufacturing technique of laminar composite metal. CFHI Technol, 2009（6）: 7 （孟宪静. 层状金属复合材料制备技术现状及发展方向. 一重技 术, 2009（6）：7） [15] Han G, Jiang X B, Cheng F, et al. Research on explosive welding of magnesium alloy laminated composites. Eng Blast, 2018, 24（4）: 71 （韩刚, 蒋晓博, 程飞, 等. 镁合金层状复合材料的爆炸焊接研究. 工程爆破, 2018, 24（4）：71） [16] Wang H, Li X F, Zhang Y, et al. Development and applications of explosive welding layered composite materials at home and abroad. China Tit Ind, 2017（1）: 16 [17] · 74 · 工程科学学报，第 43 卷，第 1 期
张婷等：层状金属复合材料的发展历程及现状 75 (王航，李晓蜂，张煜，等.爆炸焊接层状复合材料国内外发展现 reinforced Ti/Al;Ti metal-intermetallic laminate (MIL)composites 况及应用领域简介.中国钛业，2017(1)：16) fabricated using ultrasonic consolidation assisted hot pressing [18]Li L,Nagai K,Yin F X.Progress in cold roll bonding of metals. sintering.Mater Sci Eng A,2019,765:138255 Sci Technol Ady Mater,2008,9(2):023001 [34]Torabinejad V,Aliofkhazraei M,Rouhaghdam A S,et al.Tribolo- [19]Mo T Q,Chen Z J,Chen H,et al.Multiscale interfacial structure gical performance of Ni-Fe-AlO multilayer coatings deposited strengthening effect in Al alloy laminated metal composites by pulse electrodeposition.Wear,2017,380-381:115 fabricated by accumulative roll bonding.Mater Sci Eng 4,2019, [35]Allahyarzadeh M H,Aliofkhazraei M,Rouhaghdam A S,et al 766:138354 Electrodeposition mechanism and corrosion behavior of multilayer [20]Kummel F,Hausol T,Hoppel H W,et al.Enhanced fatigue lives in nanocrystalline nickel-tungsten alloy.Electrochim Acta,2017, AA1050A/AA5005 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