层状金属复合材料的发展历程及现状

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