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) iso￾metric 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) mono￾layer coatings[14] 张    婷等： 层状金属复合材料的发展历程及现状 · 73 ·