層狀金屬復(fù)合材料的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)對材料綜合性能要求的不斷提升，在很多領(lǐng)域，單一材料已經(jīng)很難滿足使用需求。近二三十年來，復(fù)合材料一直受到科研工作者們的廣泛關(guān)注，各種復(fù)合材料及其制備方法得到蓬勃發(fā)展，其中一個(gè)很重要的分支就是層狀金屬復(fù)合材料(Laminated及力學(xué)性能不同的金屬在界面上實(shí)現(xiàn)牢固冶金結(jié)合而制備的一種復(fù)合材料[1]。LMCs具有將各組成材料的優(yōu)良性能整合到一起的潛能，在保持各組成金屬或合金特性的同時(shí)具有“相補(bǔ)效應(yīng)”[2]，可以彌補(bǔ)各自的不足,經(jīng)過恰當(dāng)?shù)慕M合可以得到優(yōu)異的綜合性能。1.LMCs的發(fā)展歷程LMCs的起源可以追溯到公元前幾百年。研究發(fā)現(xiàn)[3]公元前800年的阿喀琉斯盾 AchillesshieldLMCs序是青銅/錫/金/錫/青銅，就算是最鋒利的矛也很難刺穿該盾。此外，很多古代的刀劍也運(yùn)用了看，LMCs疊層材料產(chǎn)生的原因可以歸納為兩點(diǎn)，一是提高制件的綜合機(jī)械性能，二是在貴金屬外包覆較便宜的金屬材料以降低經(jīng)濟(jì)成本。處理–冷軋復(fù)合(Coldrollbonding,CRB)–退火強(qiáng)化”的生產(chǎn)工藝流程[4]，從此掀開了s際工程應(yīng)用始于前蘇聯(lián)，莫斯科鋼鐵和合金研究院提出了一種獨(dú)一無二的徑向剪切螺旋軋緊地包裹在一起并焊接成同心殼體，層間的內(nèi)部界面通過幾種不同的工藝限制了裂紋的傳高速流體力學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)研究所分別提出了爆炸復(fù)合法和焊接法兩種雙材料LMCs制備技等[7]在CRB的基礎(chǔ)上提出了一種更經(jīng)濟(jì)有效的方法——累積軋制結(jié)合(Accumulativeroll的軋制設(shè)備較為容易地進(jìn)行，對材料的限制較小，并且具有大規(guī)模生產(chǎn)片材的能力，從而體系的研究更加繁榮，物理氣相沉積、熱壓擴(kuò)散、粉末冶金等技術(shù)逐漸被用于制備圖1ARB制備多層板材示意圖[9]B下載:全尺寸圖片幻燈片2.LMCs的制備方法到目前為止，很多傳統(tǒng)的材料成形方法都可用于LMCs的制備，根據(jù)工藝屬性的不同，主要包括以下幾種：爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、熱壓擴(kuò)散法和沉積復(fù)合法。2.1爆炸復(fù)合法爆炸復(fù)合法制備LMCs與爆炸焊接原理相似，利用炸藥爆炸過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫和高沖擊作用，使被焊金屬表面產(chǎn)生塑性變形、熔化和擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)兩種或多種金屬板材的焊合，且界面結(jié)合強(qiáng)度較高。缺點(diǎn)是該方法不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，也不能生產(chǎn)薄板，會(huì)導(dǎo)致薄板嚴(yán)重變形，爆炸產(chǎn)生的二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等有毒氣體，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2]。盡管如此，爆炸復(fù)合法在中厚復(fù)合板的制備上具有不可替代的優(yōu)勢[10]。2.2軋制復(fù)合法軋制法是通過軋輥的壓力使不同的金屬板材發(fā)生塑性變形而焊合在一起，是應(yīng)用最為廣泛的LMCs制備方法。軋制法又可以分為很多不同種類，包括冷軋(CRB、ARB)、溫軋、熱軋和液態(tài)金屬軋制法等。冷扎法需要的首次壓下量比較大，一般高達(dá)60%~除應(yīng)力，調(diào)控性能。溫軋和熱軋是在加熱條件下對材料進(jìn)行軋制，適合于塑性較差的金通常需要通氬氣進(jìn)行保護(hù)[11]。液態(tài)金屬軋制法將兩種不同的金屬液分別從雙輥鑄機(jī)上、下輥側(cè)邊的澆注口注入，隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，未凝固的金屬液體在鑄機(jī)入口附近形成混合層，當(dāng)上下軋輥咬合時(shí)，上下兩層金屬被軋制成形[2]。該方法省去了澆注、軋板等過程，可直的LMCs板，且生產(chǎn)成本較低。2.3熱壓擴(kuò)散法mmm熱壓擴(kuò)散是在低于材料熔點(diǎn)的溫度下(約0.5T~mmm材料出現(xiàn)變形的壓力下(約0.5~50MPa)，使金屬板材緊密接觸，利用界面出現(xiàn)的原子擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)結(jié)合[12]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可對性能和尺寸相差很大的材料進(jìn)行復(fù)合，成本效益高且操作簡單。其次，由于壓力較小，金屬片層沒有發(fā)生宏觀變形，殘余應(yīng)力小。熱壓擴(kuò)散制備的LMCs需要較長的擴(kuò)散時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)界面較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，因此熱壓擴(kuò)散法制備LMCs的周期較長。在較高的加工溫度下，晶粒尺寸會(huì)變大，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，所以熱壓擴(kuò)散法制備的LMCs的強(qiáng)度始終不能令人滿意，通常熱壓擴(kuò)散之后再通過軋制提高界面結(jié)合強(qiáng)度[13]。2.4沉積復(fù)合法沉積復(fù)合法是一類“自下而上”的層狀材料制備方法，主要包括物理氣相沉積、電化學(xué)成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體沉積在基體表面上的技術(shù)。物理氣相沉在外加電場的作用下電流通過電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的遷移并在電極上發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)而形成鍍層的技術(shù)。對于由常規(guī)加工技術(shù)很難加工的金屬，如高熔點(diǎn)高硬度的LMCs時(shí)較長，模、大尺寸的片材或體材，通常用來制備工程材料表面的功能涂層。噴射沉積法其基本原理是將一種金屬溶解霧化后，將其噴射到另一種金屬基材上，從而獲得成分均勻、組織細(xì)密的復(fù)合板材[15]。除了上面提到的幾種沉積技術(shù)，直接能量沉積(DED)技術(shù)也是極具潛力的LMCs制圖2給出了直接激光沉積技術(shù)(DLD)制備LMCs的示意圖，交替改變打印粉末的種類，便可得到所需的層狀材料。目前的DED設(shè)備最多具有四個(gè)同軸送粉的粉末料斗，可以制種材料組成的LMCs。Figure3.LMCs的研究現(xiàn)狀3.1爆炸復(fù)合法研究現(xiàn)狀圖2DLD制備LMCs示意圖爆炸復(fù)合法由于條件比較苛刻，近些年的研究報(bào)道相對較少。國內(nèi)洛陽船舶材料研究所和洛陽孫瑞金屬包覆材料有限公司對爆炸法制備鎂合金層狀材料進(jìn)行了大量研究，包括學(xué)、太原理工大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和空軍工程大學(xué)等高校也有報(bào)道對爆炸復(fù)合法制備LMCs的研究，其研究內(nèi)容包括對工藝、組織、界面行為、力學(xué)性能、疲勞性能、電化學(xué)等材料體系。就材料體系而言，爆炸復(fù)合法制備的LMCs在國內(nèi)主要應(yīng)用于軍工、船舶等領(lǐng)域。目前國外從事爆炸復(fù)合材料生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)主要有美國的DMC公司和日本的旭3.2ARB技術(shù)研究現(xiàn)狀金屬體系以及它們的晶體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。除了雙金屬結(jié)構(gòu)，很多三金屬結(jié)構(gòu)，如比，LMCs通常具有更好的疲勞強(qiáng)度。對于不同類型金屬材料的組合，界面處存在強(qiáng)度和彈性模量的梯度，這將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展在接近軟–硬材料界面處受到阻礙而發(fā)生分支，從而藝都可以獲得超細(xì)晶微觀結(jié)構(gòu)，與原始的粗晶材料相比，其強(qiáng)度和疲勞性能進(jìn)一步提高[19-近五年來，除了針對不同材料體系的研究，軋制過程中的塑性不穩(wěn)定問題也被廣泛提及和研究。在軋制過程中，LMCs材料各層顯微組織變化有兩種模式：一種是在軋制過程中保持層間連續(xù)性，并根據(jù)整體宏觀應(yīng)變減小各組分的厚度；另一種是由于較硬層在塑性變形期間發(fā)生塑性不穩(wěn)定的頸縮和破碎，連續(xù)層不能保持，而形成離散的強(qiáng)化顆粒[23]。軋制結(jié)合過程中的塑性失穩(wěn)和斷裂是限制層壓板生產(chǎn)工藝及機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。Mashhadi出現(xiàn)明顯的頸縮(圖4)，導(dǎo)致材料強(qiáng)度和塑性急劇降低，其他很多研究也報(bào)道了這種塑變化。LMCs的優(yōu)異性能大多源自于界面處的協(xié)調(diào)變形，幾何必須位錯(cuò)在界面處的累積產(chǎn)生背應(yīng)力強(qiáng)化，提高材料的強(qiáng)度和塑性。一旦較硬層出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，這種協(xié)調(diào)變形機(jī)制Kmmel，層狀界面處明顯的硬度梯度是LMCs產(chǎn)生裂紋分叉的先決條件，若硬層出現(xiàn)頸縮失穩(wěn)，硬度梯度被破壞，材料的表1不同層狀材料ARB過程中組織和性能的變化ARBawmaterialsStrengthvariationReferenc2DecreaseafterA2219/AA5086Al/Cu126432DecreaseafterDecreaseafterDecreaseafter 圖4Zn/Sn復(fù)合材料ARB制備過程中的SEM照片。(a)0循環(huán)(最初的三明治結(jié)構(gòu))；(b)一個(gè)循環(huán)；(c)兩個(gè)循；(d)三個(gè)循環(huán)；(e)四個(gè)循環(huán)；(f)五個(gè)循環(huán)；(g)六個(gè)循環(huán)；(h)七個(gè)循環(huán)[24]預(yù)測斷裂的臨界應(yīng)變。該模型預(yù)測出頸縮和斷裂的臨界應(yīng)變隨硬層厚度比、強(qiáng)度系數(shù)比和加工硬化指數(shù)的增大而增大，隨軟層加工硬化指數(shù)的增大而減小。利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型，結(jié)果如圖5所示，除了Al/Cu預(yù)測值與實(shí)測值較為接近外，其他材料體系預(yù)測值都遠(yuǎn)低于實(shí)測值甚至是預(yù)應(yīng)變。實(shí)測值甚至是預(yù)應(yīng)變。ARB每道次的等效應(yīng)變都很大(0.5~0.8)[18]，實(shí)驗(yàn)過程中很難觀測到頸縮發(fā)生的臨界點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致預(yù)測值與實(shí)測值之間的偏差。此外ARB過程中重復(fù)的Wang]提出了一種新的有限元模型，采用映射解法(網(wǎng)格再劃分分析法)將變形解從變形網(wǎng)格中轉(zhuǎn)移到一個(gè)新的循環(huán)網(wǎng)格中，可以很好地模擬ARB中的不連續(xù)過程。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型對Al/Al層狀材料具有很好的適應(yīng)性(圖6)，對于其他材料體系的適應(yīng)性如何還未見報(bào)圖5解析模型預(yù)測結(jié)果[29]el圖6Al/Al層狀材料有限元預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比[30]。(a)3道次之后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b)、(d)實(shí)驗(yàn)過程中AA1050/AA6061LMC1道次、3道次拉伸試驗(yàn)拉伸斷口光鏡照片；(c)、(e)AA1050/AA6061LMC1道次、3道次拉伸試樣模擬結(jié)果下載:全尺寸圖片幻燈片3.3熱壓擴(kuò)散法制備LMCs研究現(xiàn)狀屬間化合物因?yàn)榫哂懈叩谋葟?qiáng)度、抗腐蝕、抗蠕變等性能，成為航空航天領(lǐng)域極具潛力的結(jié)構(gòu)材料，但金屬間化合物的本質(zhì)導(dǎo)致Ti–Al塊體材料韌性極差，嚴(yán)重削弱了其競爭優(yōu)比塊體Al3Ti有一個(gè)數(shù)量級的提高。表現(xiàn)出了優(yōu)異的剛度、韌性和比強(qiáng)度組合。之后物理磁濺射、噴射氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍、爆炸焊接等方法都被用于制備Ti–AlLMCs，但大多數(shù)工藝都需要昂貴復(fù)雜的工具，限制了其應(yīng)用。近年來，熱壓結(jié)合LMCs，并對其疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于較厚的元素?cái)U(kuò)散層和優(yōu)異的協(xié)調(diào)變形能維增強(qiáng)Ti/TiAl層狀材料，研究發(fā)現(xiàn)相比于未加碳纖維的Ti/TiAl層狀材料，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率都有所提高。3.4沉積法制備LMCs研究現(xiàn)狀近年來，電化學(xué)沉積法在制備層狀復(fù)合涂層方面取得了不錯(cuò)成績，研究發(fā)現(xiàn)多層復(fù)合AllahyarzadehNiW性能，結(jié)果表明與單種涂層相比，多層復(fù)合涂層具有更好的抗局部腐蝕能力，對基體具有更好的保護(hù)作用。如圖7所示，對于層狀復(fù)合涂層，腐蝕介質(zhì)在層間界面橫向擴(kuò)散，極大地減緩了孔蝕的深度，對基材具有很好的保護(hù)作用；而對于單層合金涂層，孔蝕很快破壞涂層，腐蝕介質(zhì)很的耐腐蝕性能、可比的機(jī)械性能、優(yōu)異的抗菌能力以及良好的生物相容性。圖7涂層腐蝕示意圖。(a)層狀復(fù)合涂層；(b)單種合金涂層腐蝕示意圖[14]除了電化學(xué)沉積技術(shù)，其他沉積技術(shù)的研究報(bào)道相對較少。在能源領(lǐng)域，高強(qiáng)度導(dǎo)體因其強(qiáng)度與導(dǎo)電性的結(jié)合而備受關(guān)注，在大型集成電路、高場磁體、微電子器件領(lǐng)域具有行退火處理，發(fā)現(xiàn)與沉積態(tài)相比，退火后Ag/CuLMCs硬度提高了6%~16%，電阻率降低了6%~12%，說明通過熱處理可以進(jìn)一步提高高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的良好結(jié)合。表2Ag/Cu層狀復(fù)合材料的性能erialaan%y——reCuedCuNote：UTSstandsforultimatetensilestrength.近年來，增材制造技術(shù)在功能梯度材料的制備上掀起了研究熱潮。在航空航天領(lǐng)域，i表面制備了TiO2–HA(羥基磷灰石)功能梯度涂層，以增強(qiáng)整形外科植入物的生物相容性Markandan的M問世，選擇性激光熔融(SLM)也是一種潛在的制備功能梯度金屬材料或?qū)訝畈牧系男录紙D8SHM法制備的Cu/Fe層狀材料[45]。(a)側(cè)視圖；(b)等軸側(cè)視圖[45]ew4.結(jié)論與展望從古至今都占據(jù)重要地位。不同的LMCs制備技術(shù)具有各自不可替代的優(yōu)點(diǎn)，所制備的材料在軍工、船舶、航空航天、汽車和能源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在醫(yī)療領(lǐng)域也表現(xiàn)出良好化；(2)針對新的性能要求開發(fā)新的材料體系；(3)解決現(xiàn)存的問題，如ARB過程中的塑性穩(wěn)定現(xiàn)象等；(4)新制備技術(shù)的探索。近年來，很多文獻(xiàn)報(bào)道通過外加磁場[46]、超聲波[47]等手段提高增材制造技術(shù)制備材料LMCs制備方法結(jié)合，也有望實(shí)現(xiàn)材料性能的提高，如第3節(jié)中提到的熱壓擴(kuò)散法和軋制LMCs往往是為了滿足特定的性能而設(shè)計(jì)，如強(qiáng)度與塑性的結(jié)合、強(qiáng)度與耐蝕性的結(jié)合、高溫強(qiáng)度與抗氧化能力的結(jié)合、強(qiáng)度與模量的結(jié)合等等。但一直以來，LMCs的設(shè)計(jì)延性的LMCs的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，他們通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，根據(jù)混合物的等應(yīng)變規(guī)則，應(yīng)變和應(yīng)變速率敏感性材料構(gòu)成的復(fù)合材料的延伸率可以通過僅與成分材料應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)n、應(yīng)變料和應(yīng)變速率敏感材料構(gòu)成的LMCs的拉伸延伸率進(jìn)行有效預(yù)測。雖然該準(zhǔn)則對于應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變速率強(qiáng)化不敏感的材料預(yù)測誤差較大，但該研究對于LMCs材