先進材料與先進工藝的融合
——訪“中國科學(xué)院百人計劃”專家，中國科學(xué)院金屬研究所研究員馬宗義

本刊記者 玲 犀

：您組建了“金屬基復(fù)合材料與攪拌摩擦焊課題組”，形成了“金屬基復(fù)合材料”與“攪拌摩擦焊”兩個研究方向并舉的格局。請您介紹下近幾年來課題組在相關(guān)研究領(lǐng)域開展了哪些工作？

馬宗義：我在2004年回國后，在國家杰出青年科學(xué)基金與中科院百人計劃支持下，創(chuàng)建了攪拌摩擦焊接研究組。隨后根據(jù)所學(xué)科規(guī)劃，與我原來從事多年的金屬基復(fù)合材料研究方向整合，形成兩個研究方向并舉的研發(fā)格局。經(jīng)過10余年的發(fā)展，研究隊伍從剛回國時的單槍匹馬，發(fā)展到目前20人的研發(fā)團隊，團隊先后承擔(dān)了國家863、973、國家自然科學(xué)基金、民口配套項目等30多項國家項目。目前在研項目有國家973項目、民口配套項目、國家自然科學(xué)基金重點項目等10項國家項目。研發(fā)工作覆蓋基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)及小批量產(chǎn)品供貨。

在金屬基復(fù)合材料方面，從原材料到制備工藝進行了系統(tǒng)的優(yōu)化，突破了噸級復(fù)合材料坯錠高質(zhì)量制備難題，為大型復(fù)合材料件的制備奠定了基礎(chǔ)。通過優(yōu)化成分、熱加工與熱處理工藝，使復(fù)合材料塑性得到改善，為變形加工提供足夠的余量，使復(fù)合材料的冷成型及冷矯形成為可能。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出復(fù)合材料薄壁管的冷軋工藝，制備出壁厚1mm的高精度薄壁管材。通過優(yōu)化熱加工工藝、改進模具設(shè)計等，使復(fù)合材料軋制、鍛造、擠壓的成材率與質(zhì)量明顯提高，實現(xiàn)了復(fù)雜薄壁復(fù)合材料異型材的擠壓成型。針對傳統(tǒng)金屬基復(fù)合材料的不足，在常規(guī)SiC、B4C、TiB2、Al2O3等陶瓷相增強復(fù)合材料基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型碳納米管、石墨烯增強鋁、銅、鎂基復(fù)合材料，實現(xiàn)了高效增強與綜合性能的明顯改善，部分材料已實現(xiàn)工程應(yīng)用。我們目前的復(fù)合材料產(chǎn)品包括熱壓錠、鍛件、板材、型材、棒材、管材等；增強相最高體積含量可達65%。目前每年為航空航天、電子、核電等用戶提供多個批次的各類板、管、型材及鍛件，應(yīng)用于多個重點工程型號上。

針對復(fù)合材料變形加工難的問題，開展了加工仿真研究。首先，建立了多種復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系，對其變形機制、缺陷形成條件等內(nèi)稟加工性進行物理模擬；其次，構(gòu)建了與試驗結(jié)果吻合良好的復(fù)合材料三維逼真數(shù)字材料模型。在此基礎(chǔ)上建立了復(fù)合材料宏觀等效性能預(yù)測的計算均勻化模型；結(jié)合損傷準則和逼真三維模型進行多尺度模擬，對變形工件不同部位的組織特性（如缺陷、顆粒分布與取向等）和殘余應(yīng)力實現(xiàn)了可視化與連續(xù)化預(yù)測。

攪拌摩擦焊接方面，主要針對鋁、鎂、銅、鈦、鋼以及異種金屬進行焊接，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對接頭組織與性能的影響，并對材料流變、再結(jié)晶與加速擴散機制等共性科學(xué)問題進行了細致分析。建立了特征微觀結(jié)構(gòu)（洋蔥環(huán)、S線、第二相偏析帶等）與材料周期性流動的內(nèi)在聯(lián)系，并構(gòu)建了三維解析模型，為焊接接頭的缺陷控制與組織調(diào)控提供了依據(jù)。通過試驗研究與模擬仿真，揭示影響熱處理強化鋁合金攪拌摩擦焊接頭強度的主導(dǎo)因素是焊接速度，建立了熱源區(qū)-等溫溶解層模型，合理解釋了工具轉(zhuǎn)速、焊接速度、工具尺寸對接頭性能的影響機制。以攪拌摩擦焊衍生的攪拌摩擦加工技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了材料組織重構(gòu)、缺陷修復(fù)與材料的可控制備，從而為鑄造合金的性能改善、低溫/高應(yīng)變速率超塑性、納米復(fù)合材料制備等提供了技術(shù)原型，使攪拌摩擦加工發(fā)展成為集加工、制備、合成及熱處理于一體的多功能材料改性技術(shù)。其中，采用攪拌摩擦加工制備的碳納米管與納米原位粒子增強鋁基復(fù)合材料，顯示出良好的強度塑性配合，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

針對復(fù)合材料發(fā)展需求，我們主動迎接其焊接挑戰(zhàn)，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高韌耐磨金屬陶瓷焊接工具，實現(xiàn)了中低體積分數(shù)SiC、B4C等顆粒增強鋁基復(fù)合材料的長距離焊接，并突破了復(fù)合材料高速焊接（800～1000mm/min）瓶頸，連接強度可達母材的90%以上。在此基礎(chǔ)上，我們采用中子衍射測量與多尺度模擬方法，建立了簡單可靠的殘余應(yīng)力計算模型，實現(xiàn)了復(fù)合材料焊接接頭殘余應(yīng)力的可靠預(yù)測，為促進復(fù)合材料焊接應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前我們研制的B4C/Al中子吸收材料焊接筒已用于核燃料元件貯運容器。

馬宗義：金屬基復(fù)合材料由物理化學(xué)性質(zhì)差異巨大的增強相和金屬基體構(gòu)成，這種差異在造就復(fù)合材料優(yōu)異綜合性能的同時，也使其制備難度遠大于常規(guī)金屬材料。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已形成了較成熟的金屬基復(fù)合材料的設(shè)計理論，并發(fā)展了包括粉末冶金、攪拌鑄造、液態(tài)浸滲等復(fù)合材料主流制備技術(shù)。目前已有部分復(fù)合材料獲得商業(yè)化應(yīng)用，如鋁基復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、核電、電子以及兵器等領(lǐng)域。然而，金屬基復(fù)合材料的發(fā)展與規(guī)?；瘧?yīng)用仍受到很大的制約，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，金屬基復(fù)合材料產(chǎn)能低下。無論是單件坯錠規(guī)格還是總體產(chǎn)量均與傳統(tǒng)金屬材料有較大差距，難以滿足應(yīng)用所需。復(fù)合材料的兩相或多相特性導(dǎo)致其組織比較復(fù)雜，因此制備加工工藝窗口狹窄。小尺寸復(fù)合材料坯錠工藝控制相對容易，一旦坯錠尺寸放大，很容易出現(xiàn)缺陷。簡單照搬實驗室或小試條件參數(shù)，對邊界條件考慮不夠充分，導(dǎo)致成品率和再現(xiàn)性難盡人意。應(yīng)建立適用于復(fù)合材料的制備加工仿真手段。傳統(tǒng)復(fù)合材料的仿真要么采用簡單等效連續(xù)介質(zhì)，忽略其微觀尺度的多相性；要么采用單胞模型，無法考慮材料加工的宏觀邊界條件?；诒普鏀?shù)字材料模型，建立復(fù)合材料的多尺度加工仿真模型，打破傳統(tǒng)加工仿真無法兼顧宏觀和微觀的局限，充分考慮基體、顆粒和界面的不同，精確預(yù)測復(fù)合材料在制備過程中宏觀和微觀的組織演化；逐漸量化影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，形成可靠的數(shù)學(xué)理論模型，用于指導(dǎo)復(fù)合材料的設(shè)計、優(yōu)化和工業(yè)生產(chǎn)。以上這些是實現(xiàn)未來復(fù)合材料高效和低成本制備的關(guān)鍵突破口。

第二，復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料的制備加工技術(shù)不完全適應(yīng)。隨著裝備性能的整體提升，復(fù)合材料零件向大型化與形狀復(fù)雜化發(fā)展，傳統(tǒng)的成形與加工工藝很難滿足需求。如典型的薄壁加強筋結(jié)構(gòu)采用機械加工成型，而對復(fù)合材料難度卻很大。復(fù)合材料通常由硬質(zhì)相增強，難于機加工，加工成本與周期都不理想，一些形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，甚至無法進行機加工。此外，復(fù)合材料制備成本較高，機加工成型導(dǎo)致材料利用率低，進一步增加了消耗。因此，除了持續(xù)完善傳統(tǒng)制備加工技術(shù)外，開發(fā)近終成型或快速成型技術(shù)也十分重要。例如，目前備受關(guān)注的3D打印，如果能開發(fā)出適合復(fù)合材料的原材料與工藝，則可以大幅縮短復(fù)合材料制備流程，并降低加工難度，同時可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制備。

第三，缺乏有效、可靠的復(fù)合材料連接技術(shù)。單件復(fù)合材料受設(shè)備與工藝條件限制，難以做大。如果能實現(xiàn)高效、可靠連接，則可以拓寬復(fù)合材料的應(yīng)用。從復(fù)合材料研發(fā)伊始，各種連接技術(shù)（包括焊接）就被嘗試用于復(fù)合材料的連結(jié)，隨著新型焊接技術(shù)（如攪拌摩擦焊技術(shù)）的發(fā)展，可對復(fù)合材料的實際應(yīng)用起到明顯的促進作用。

第四，新的復(fù)合材料種類與構(gòu)型發(fā)展需要更先進的制備技術(shù)。目前發(fā)展的納米復(fù)合材料、仿生結(jié)構(gòu)以及多模態(tài)構(gòu)型復(fù)合材料等，傳統(tǒng)工藝很難進行可控制備。因此，在新型復(fù)合材料的制備加工方面還有待廣泛探索并進行優(yōu)化。例如，針對碳納米管增強復(fù)合材料所使用的機械與化學(xué)介質(zhì)結(jié)合分散方法、攪拌摩擦加工方法等，都是有意義的突破，但還有很大的改進與完善的空間。

最后，復(fù)合材料的配套加工技術(shù)有待加強。主要包括機加工、去應(yīng)力/穩(wěn)定化熱處理、表面處理等。多數(shù)工廠對復(fù)合材料不熟悉，簡單沿用傳統(tǒng)金屬材料的方法或照搬實驗室的復(fù)合材料工藝，而且缺乏專用工具與輔助材料，增加了加工/處理難度，使工期和質(zhì)量難以保證。在此方面，需要工業(yè)部門與材料研發(fā)單位緊密結(jié)合，根據(jù)實際需求開展有針對性的研究。

馬宗義：金屬與增強相物化性質(zhì)差異巨大是造成復(fù)合材料難焊接的根本原因，同時增強相自身特點也降低了復(fù)合材料的可焊性。傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)因復(fù)合材料熔池粘度高、增強相與基體差異大，極易導(dǎo)致凝固缺陷、嚴重界面反應(yīng)及顆粒偏聚等。釬焊因釬料與復(fù)合材料的潤濕性差等原因也很難獲得理想的焊接接頭。摩擦焊作為固相焊接技術(shù)，有希望獲得高性能的接頭，但工藝窗口因復(fù)合材料流動性差而變窄，難以獲得高質(zhì)量的接頭。以往研究對焊接工藝和焊料等進行了改進，取得一定成效，但實用性還有待驗證。

實際上，最重要的是在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)復(fù)合材料焊縫的形成特點及焊接缺陷的形成機制，發(fā)展出專用的焊接設(shè)備與工藝。例如，能對熔池進行攪拌以減輕顆粒偏聚和凝固缺陷、采用輔助手段加速氣體逸出以及對焊縫實施強制快速冷卻等；控制液相的數(shù)量與高溫停留時間；發(fā)展適用于復(fù)合材料焊接的焊絲、釬劑等，以達到抑制界面反應(yīng)、促進浸潤與結(jié)合的目的；開發(fā)適用于復(fù)合材料的攪拌摩擦焊工藝與工具，克服塑性流變性能差及工具磨損的制約瓶頸。相關(guān)研發(fā)需要焊接、復(fù)合材料以及機電領(lǐng)域研發(fā)人員的通力合作。

：攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明至今，無論在國外還是國內(nèi)，已經(jīng)發(fā)展成為工業(yè)化實用的固相連接技術(shù)，在航空航天飛行器等輕型化結(jié)構(gòu)以及各種鋁合金型材拼焊結(jié)構(gòu)制造中，已經(jīng)展示出顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。請問攪拌摩擦焊技術(shù)在復(fù)合材料焊接中有哪些優(yōu)勢和重要應(yīng)用？還存在哪些問題？該如何解決這些問題？

馬宗義：根據(jù)攪拌摩擦焊的基本原理，凡是材料在高溫下具有一定的塑性變形能力，就有可能取得良好的連接效果。攪拌摩擦焊作為一種固態(tài)焊接技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)熔焊的凝固缺陷、嚴重界面反應(yīng)及顆粒偏聚等不足，是復(fù)合材料最可行的高質(zhì)量連接手段。高強鋁基復(fù)合材料在硬態(tài)下進行焊接，接頭強度通?？蛇_母材的80%以上，目前還沒有其他焊接技術(shù)能夠達到這樣的水平。然而復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接面臨兩個嚴峻考驗：第一，復(fù)合材料中的硬質(zhì)增強相導(dǎo)致鋼質(zhì)工具嚴重磨損，無法實現(xiàn)長距離焊接。此外，磨損造成的工具攪拌作用降低易于導(dǎo)致缺陷的形成，且磨屑污染還會降低接頭性能；第二，復(fù)合材料的流變性不佳，導(dǎo)致焊接工藝窗口狹窄，不僅易于出現(xiàn)焊接缺陷，而且焊接工藝優(yōu)化受到極大局限。

目前復(fù)合材料的攪拌摩擦焊仍處于研發(fā)階段，主要為薄板焊接及低速焊接，對中厚板，無論焊接工具還是焊接工藝優(yōu)化都存在很大挑戰(zhàn)。研發(fā)耐磨、高韌以及具有合理形狀的焊接工具是解決這些問題的主要途徑。然而，通常硬質(zhì)工具材料難以加工，而且韌性差。像傳統(tǒng)金屬材料那樣加工成螺紋類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)不僅難度大，而且焊接時工具易于發(fā)生損傷。因此，一方面需要開發(fā)新型的耐磨材料和配套的工具加工技術(shù)，另一方面需要優(yōu)化工具設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，還需對缺陷形成原因和組織演化進行更深入的研究，從而優(yōu)化焊接工藝并對工具選材、設(shè)計提供反饋。只有工具材料研發(fā)、工具結(jié)構(gòu)設(shè)計、工具加工成型與焊接工藝密切配合或形成一條龍的研發(fā)模式，才有利于突破復(fù)合材料攪拌摩擦焊的制約瓶頸。