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 ·