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