層狀金屬復合材料技術創(chuàng)新及發(fā)展趨勢綜述

陳興章

摘要：根據(jù)2016年10月由上海市有色金屬學會于上海舉行的“2016國際層狀金屬復合材料論壇暨第四屆中國鋁基復合材料技術與應用研討會”上26位中國專家的演講交流，綜述了近期中國金屬復合材料技術創(chuàng)新成果以及發(fā)展趨勢.

關鍵詞： 金屬； 復合材料； 技術創(chuàng)新； 發(fā)展趨勢； 綜述

中圖分類號： TG 249 文獻標志碼： A

Review of Laminar Composite Metal Material

Manufacturing Technique

CHEN Xingzhang

（Nonferrous Metals Society of Shanghai， Shanghai 200070， China）

Abstract：According to the speech of the 26 Chinese experts from the “2016 International Laminated-metal Composite Materials Forum and the Fourth Chinese Aluminum Matrix Composite Technology and Application Seminar” held by Nonferrous Metals Society of Shanghai in Shanghai in October 2016，this paper summarizes the recent achievements of Chinese metal composite materials in technical innovation and the development of technological trends.

Keywords：metal； composite material； technical innovation； development trend； review

隨著科學技術發(fā)展的突飛猛進，對材料提出了更為嚴苛的要求.金屬基復合材料在設計上綜合了各組元的優(yōu)點，彌補了各組元的不足，具有單一金屬或合金無法比擬的優(yōu)異綜合性能，成為當今材料科學的一個研究熱點.

層狀金屬復合材料是利用復合技術使兩種或兩種以上物理、化學和力學性能不同的金屬之間實現(xiàn)牢固冶金結合而得到的新型材料.其中的各層金屬仍保持各自原有的特性，但其整體物理、化學和力學性能比單一金屬有了很大的提高，因而可以滿足特殊環(huán)境下對材料性能的要求.例如AA3003/AA4004鋁合金復合材料，外層為4系鋁合金，內(nèi)層為3系鋁合金，這兩種鋁合金復合制得的材料，既能發(fā)揮3系鋁合金耐腐蝕的優(yōu)點，又能利用4系鋁合金可焊性好的特點實現(xiàn)零件之間的良好連接，是制備汽車散熱器等部件的理想材料.再如鋁/鈦復層材料，因其具有高強度、高硬度、高剛度和低密度以及較好的斷裂韌性，成為航空航天領域最有應用潛力的輕質高性能復合材料之一.

我國層狀金屬復合材料及其制備技術的研發(fā)有較長的歷史，尤以汽車熱交換器用鋁合金復合材料的開發(fā)、生產(chǎn)和應用最為迅猛.20多年來，相繼建成了格朗吉斯鋁業(yè)（上海）有限公司、無錫銀邦金屬復合材料股份有限公司、長沙眾興鋁業(yè)有限公司、上海華峰日輕鋁業(yè)有限公司、鄒平齊星工業(yè)鋁材有限公司和昆山斯萊特鋁業(yè)有限公司等較大型的層狀鋁基復合材料生產(chǎn)企業(yè).除鋁/鋁復合材料外，我國研發(fā)、生產(chǎn)、應用的金屬基復合材料還有鋁/鋼、鋁/銅、鋁/鉛、鈦/銅、銅/鋁/銅、鋁/銅/不銹鋼、銅/鉬/銅、鈦/鋼、不銹鋼/碳鋼等，甚至出現(xiàn)了金屬與非金屬復合材料的研究和應用.上海交通大學、東北大學、昆明理工大學、西安建筑科技大學、北京科技大學、同濟大學、上海大學、大連理工大學、湖南大學、上海理工大學、上海工程技術大學等高校和寶山鋼鐵股份有限公司、洛陽銅金屬材料有限公司、蘇州釬谷焊接材料科技有限公司等企業(yè)，在金屬復合材料品種和制備工藝技術的研發(fā)創(chuàng)新方面均取得了豐碩成果.

1 釬焊式熱交換器用鋁合金復合材料

基于鋁合金的低密度、高熱導率、良好的力學性能及耐腐蝕性能等特性，基于20世紀70年代初的以鋁代銅的使用、20世紀70年代后期的真空釬焊技術發(fā)展以及20世紀80年代無腐蝕性釬劑的發(fā)明，自1990年以來，鋁合金復合材料逐步取代銅成為熱交換器的主要材料，汽車鋁熱交換器被歐美國家廣泛應用.在我國，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鋁熱交換材料的應用日益增加.目前汽車熱交換器鋁化率已達到90%以上，汽車行業(yè)已成為應用鋁合金復合材料的最大市場.2015年鋁合金復合材料的國內(nèi)用量達20萬t（全球60萬t）.在電站、工程機械、家用及商用空調領域，鋁合金復合材料的國內(nèi)用量分別為2.5萬t（全球4萬t）、2.5萬t（全球5萬t）、1萬t（全球2萬t）.

在完成了對外來產(chǎn)品的模仿和消化、建立完善的生產(chǎn)線實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、提供符合市場需求的鋁合金復合材料后，我國的鋁基復合材料生產(chǎn)企業(yè)重點開展了以下的技術創(chuàng)新工作并取得成果.

1.1 超薄鋁散熱器用非復合翅片材料

近年來，汽車行業(yè)為改善燃油效率和汽車性能，提出了鋁熱交換器小型化和輕量化的要求.滿足這一需求的最基本方法是對熱交換器材料厚度減薄，為此，上海華峰日輕鋁業(yè)有限公司開發(fā)了超薄鋁散熱器用非復合翅片材料.所開發(fā)的鋁合金成分較標準AA3003鋁合金和市場高強度非復合翅片合金含更高的硅（0.7%～1.2%，質量分數(shù)，下同）和鐵（0.7%～1.2%）.合金組織為密集細小的彌散相，強度高（H14熱作模具鋼，抗拉強度165～205 MPa，屈服強度>125 MPa），導電率達45%IACS；翅片材料釬焊性良好，沒有熔蝕，具有高的焊后強度（抗拉強度144 MPa，屈服強度55 MPa）和細小的晶粒組織，箔材厚度為40～50 μm.

1.2 釬焊式熱交換器用鋁合金復合材料

釬焊鋁合金復合材料是目前熱交換器領域應用最廣泛的原材料，由芯材與皮材堆疊緊密結合而成，芯材承擔主要使用功能，皮材承擔焊接或其他（如防腐）輔助功能.常用的芯材為鋁錳合金，為熱交換器部件提供必要的強度與耐蝕性能.具有低熔點的鋁硅合金，作為皮材在釬焊時先于芯材熔化，冷卻時凝固形成焊接接頭，使熱交換器各部件（翅片、扁管、箱體等）產(chǎn)生連接.鋁制熱交換器（散熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、加熱器、油冷器等）在汽車行業(yè)中的應用飛速發(fā)展.為適應汽車不斷要求的輕量化，使組成鋁制熱交換器的主要材料壁厚日趨減薄，同時，提高鋁質熱交換器的耐腐蝕性能也是發(fā)展的關鍵技術之一.無錫銀邦復合金屬股份有限公司復合金屬材料研究院從釬焊式熱交換器用鋁合金復合材料的腐蝕機理和影響因素研究入手，優(yōu)化汽車水箱用翅片料、扁管料及主板料主流牌號的合金化設計：芯材添加微量銅元素（0.3%～0.5%），適當提高錳含量（1.5%）；皮材添加適量鋅元素（1.5%）.以此提高材料的耐蝕性，從而延長鋁質熱交換器使用壽命.

1.3 新一代多層管料和折疊鋁扁管

開發(fā)具有超強抗腐蝕性能的新一代多層管料合金復合材料，研究折疊鋁扁管在制冷空調行業(yè)微通道換熱器中的應用.格朗吉斯鋁業(yè)是世界領先的軋制鋁釬焊換熱器材料生產(chǎn)商，全球市場份額約20%.1996年在上海建立的格朗吉斯鋁業(yè)（上海）有限公司是主要的生產(chǎn)基地和研發(fā)中心之一，為鋁釬焊換熱器制造商提供換熱器集流管、扁管、翅片、邊板和帽蓋等部件的整套釬焊卷材，尤其是致力于滿足客戶的差異化需求.該公司對我國軋制鋁釬焊換熱器材料的發(fā)展起了先導作用.近年來，該公司研發(fā)中心針對制冷及空調行業(yè)釆用微通道換熱器需要應對的復雜腐蝕環(huán)境，開發(fā)了折疊鋁扁管復合材料.此材料由5層組成，兩面的最外層是釬焊層，中心是芯材層，芯材層與釬焊層之間有一層隔層（中間層），隔層系防腐層，作為陽極優(yōu)先于芯材腐蝕.所開發(fā)的新一代多層管料合金復合材料用于折疊扁管制造微通道換熱器，經(jīng)承壓性能和換熱性能測試，顯示出優(yōu)良的性能指標.目前，多孔折疊鋁扁管主要用于汽車行業(yè)，但此項技術更適合于家用和商用的制冷及空調系統(tǒng).

2 新型金屬基復合材料

2.1 銅/鋁、銅/鋁/銅復合材料

中鋁洛陽銅業(yè)有限公司與河南科技大學合作，采用半熔態(tài)鑄軋復合技術（其工藝為：銅板、鋁合金溶液—半溶態(tài)鑄軋成型—不同壓下率冷軋—冷軋板退火—界面層組織及復合板性能檢測—加工成市場需求的復合板、帶、箔材產(chǎn)品）生產(chǎn)出寬度>1 000 mm、厚度0.08 mm的銅/鋁、銅/鋁/銅復合板帶材和箔材，填補了寬幅銅/鋁復合材和復合箔材的世界空白，并成功應用于高低壓電力電器、電子信息、通訊等企業(yè).該類復合材料在電力、軌道交通、電子通訊、建筑裝飾、電熱廚具和新能源汽車等行業(yè)有很好的應用前景和市場需求.

2.2 軋制鋼復合板、卷材

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼）是我國高端碳鋼、不銹鋼和特殊合金產(chǎn)品的提供者，寶鋼具有很好的原材料、裝備和工藝技術綜合條件開發(fā)軋制復合材.寶鋼自2008年開始研究復合軋制技術以來，大生產(chǎn)試制和技術取得突破，2014年開始商業(yè)化供貨并不斷開發(fā)新的復合工藝和新產(chǎn)品，產(chǎn)品形態(tài)涵蓋復合厚板、熱軋復合卷和冷軋復合卷.軋制復合板品種包括耐蝕系列和耐磨系列：前者有奧氏體不銹鋼與碳鋼單面、奧氏體不銹鋼與碳鋼雙面、超級奧氏體不銹鋼與碳鋼單面、鐵素體不銹鋼與碳鋼單面、鎳基合金與碳鋼單面、鈦合金與碳鋼單面；后者有雙相不銹鋼與碳鋼單面、馬氏體不銹鋼與碳鋼單面（既耐磨又耐蝕）、中高級耐磨鋼與碳鋼以及碳錳鋼與普碳鋼.

2.3 鋁/鉛復合材料

鋁/鉛復合材料開發(fā)的目標市場是鉛酸蓄電池極柵和濕法冶金極板.鉛有良好的耐腐蝕性能，鋁密度小、導電性好、強度和剛度較高.鋁、鉛兩金屬之間有很強的互補性，兩者復合制備的鋁/鉛復合材料是制作濕法冶金陽極板的優(yōu)良材料.然而鋁/鉛屬非混溶合金體系，固態(tài)、液態(tài)均不互溶，也不生成化合物，鋁/鉛難以形成結合界面，給制備鋁/鉛復合材料帶來很大困難.昆明理工大學通過界面熱力學分析、理論計算和計算機模擬，找出形成共格或半共格界面的熱力學條件，成功解決了鋁/鉛界面復合問題，掌握了工業(yè)生產(chǎn)條件下制備鋁/鉛復合材料的技術.電鋅生產(chǎn)應用表明，鋁/鉛復合陽極板與傳統(tǒng)鉛/銀陽極板相比，質量減少24.4%，彎曲強度提高102.3%，極化電位降低18.1%，析氧電位降低5.2%，槽電壓降低7.2%，電流效率提高2.8%，能耗降低4.03%，腐蝕速率降低47.5%，產(chǎn)鋅量增加10%，使用效果良好.

3 復合材料制備新技術

3.1 鋁合金鑄造復合技術

東北大學研究開發(fā)的鋁合金鑄造復合技術有連續(xù)澆鑄法、雙結晶器連鑄法和充芯連鑄法，突破固態(tài)支撐層潤濕、表材同水平分流和三角區(qū)（水冷板與結晶器壁圍成的三向冷卻器）快速凝固3大技術.工業(yè)試驗的3004/4045鋁合金鑄造復合錠尺寸厚630 mm，寬1 500 mm，長5 500 mm，重13 t.鑄錠厚度中，芯材（3004鋁合金）厚420 mm，皮材（4045鋁合金）單面厚105 mm.釆用鑄造復合技術生產(chǎn)復合釬焊箔，可減少熱軋和表面處理等工序，綜合成材率提高15%～20%，生產(chǎn)成本降低10%～15%.東北大學研發(fā)的鑄造復合材料品種還有純鋁/7075鋁合金、7151/7152鋁合金、3003/4045鋁合金復合棒、鋼/鋁合金復合軸瓦帶、不銹鋼/鋁復合帶和鋁/不銹鋼復合管材.

3.2 半固態(tài)成形技術應用于金屬基復合材料制備

金屬半固態(tài)成形技術（SSM）是一種介于金屬液態(tài)成形（鑄造）和金屬固態(tài)成形（鍛造）之間的成形技術，其核心是在金屬凝固過程中控制形核和長大以獲得組織細小、分布均勻、非枝晶的半固態(tài)合金漿料/坯料.SSM技術制備金屬基復合材料的方法有半固態(tài)攪拌鑄造法、半固態(tài)電磁攪拌連鑄法（如制備顆粒增強鋁基復合材料）、半固態(tài)壓力浸滲法和半固態(tài)壓力復合法（用于制備顆粒增強金屬基復合材料和多層復合板狀材料）.

3.3 離心復合鑄造技術

北京科技大學基于層狀復合材料的制備工藝，提出了特殊層狀復合材料制備的新思路：釆用離心復合鑄造法制備雙金屬復合管坯技術；釆用離心復合管坯+熱擠壓/熱軋+冷軋工藝制備熱軋雙金屬復合管和精密復合管技術；釆用離心復合管坯+縱剖+熱軋+冷軋工藝制備冷熱軋雙金屬復合板材技術.此外，還提出并開發(fā)了釆用復合材料制備技術生產(chǎn)難變形金屬的工藝以及大變形鑄鐵板材和管材的制備技術.離心復合鑄造法制備雙金屬復合管坯技術可生產(chǎn)界面完全冶金結合的復合管坯；離心復合管坯+熱擠壓/熱軋+冷軋工藝技術為油井管、化工用液體（或氣體）管、石油天然氣輸送管、鍋爐管、熱交換器管、耐腐蝕結構管等高性能復合管材生產(chǎn)提供了低成本、短流程工業(yè)化生產(chǎn)工藝；離心復合管坯+縱剖+熱軋+冷軋技術則為高性能、多層復合板材生產(chǎn)提供了低成本、短流程工業(yè)化生產(chǎn)工藝.

3.4 固液復合鋁/鋁、鋁/銅雙金屬材料制備技術

上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心研發(fā)的固液復合鋁/鋁、鋁/銅雙金屬材料制備技術，是將鋁條或銅條經(jīng)適當表面處理后置入鑄型，澆注鋁液，通過重力鑄造或擠壓鑄造的固液復合技術.采用該技術制備了界面具有良好冶金結合的6101/A356鋁合金、純鋁/6101鋁合金和純鋁/純銅雙金屬復合材料.此技術可望應用于銅/鋁接頭、導電排和復合管等場合，也可拓寬到其他雙金屬體系的固液復合鑄造和加工.

4 層狀金屬復合材料技術發(fā)展趨勢

經(jīng)過較長時間的研究開發(fā)，我國層狀金屬復合材料的制備和生產(chǎn)工藝日趨完善.各種固相或者液相之間的復合技術不斷出現(xiàn)，不同組元組合而成的新型復合材料不斷更新，以滿足越來越高的產(chǎn)品發(fā)展需求.未來的層狀金屬復合材料技術發(fā)展趨勢將包括新的復合加工方法、復合機制、材料性能和工程應用等方面的深入系統(tǒng)研究.

4.1 熱交換器用鋁合金復合材料發(fā)展趨勢

滿足高性能熱交換器發(fā)展的低成本、小型化、高可靠性、高熱傳導性、長使用壽命和耐高溫（對中冷器）要求；進一步提高鋁合金性能，使鋁合金復合材料具有更小的厚度、更高的釬焊后強度、更好的耐腐蝕性及成形性[1]，其中包括翅片合金有更高的熱傳導性和更好的抗塌陷性能，管料合金有更高的疲勞強度[2]；鋁合金復合材料應可回收利用.為此，要優(yōu)化鋁合金成分，優(yōu)化釬焊后晶粒組織[3]；開發(fā)中溫釬料鋁合金工藝、連續(xù)復合鑄造工藝、冷軋復合工藝、擠壓復合管技術和預涂釬劑工藝等.

4.2 研發(fā)新的金屬復合工藝技術以制取新的金屬基復合材料

新型金屬基復合材料研發(fā)有賴于原有復合工藝技術的改進和新的復合工藝技術開發(fā).金屬基復合材料制備的固固復合技術、固液復合技術、半固態(tài)半固態(tài)復合技術、液液復合技術、組合復合技術（復合鑄造+軋制）在我國的多所大學已有研究，并開發(fā)了多種復合工藝.例如：固固復合技術的旋鍛復合、爆炸復合、真空熱壓、累積疊軋工藝；固液復合技術的鑄軋復合、復合鑄造、熱浸鍍、噴射沉積工藝；液液復合技術的液液鑄軋、柔性連續(xù)鑄軋、單機雙流鑄軋、充芯連鑄（水平、垂直）工藝等[4].這些新型復合工藝技術都有各自的特點和優(yōu)勢，尤其是在縮短工藝過程、降低制造成本和制備特種復合材料方面.要對這些新技術新工藝繼續(xù)開展機理性、應用性的深入研究，穩(wěn)定工藝技術參數(shù)，開展工業(yè)試驗和產(chǎn)品性能檢驗，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造條件.

連續(xù)鑄造法所制備的金屬復層材料界面結合良好，且易于實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，因而受到越來越廣泛的重視，已衍生出軋輥復層連鑄法、液固鑄軋法、復合線材鑄拉法、反向凝固連鑄法、水平磁場制動復合連鑄法、雙流澆注連鑄法、雙結晶器連鑄法等工藝.要通過試驗，選擇優(yōu)勢工藝方法加以深化研究，取得成果，擴大應用.

5 結束語

近年來，國家大力支持復合材料發(fā)展.2012年，國務院發(fā)布的“‘十二五國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”中就明確“大力發(fā)展新型功能材料、先進結構材料和復合材料.加快推廣高性能復合材料在航空航天、風電設備、汽車制造、軌道交通等領域的應用”.國家發(fā)改委在“產(chǎn)業(yè)結構調整指導目錄”中把“有色金屬復合材料技術開發(fā)和應用”列入優(yōu)先支持范圍.“十三五”規(guī)劃指導方針將新材料作為高新技術的基礎和先導.2016年，國家自然科學基金委亦將“有色金屬材料設計、制備、加工和應用中的關鍵問題”“多維、多尺度、多層次結構復合材料的優(yōu)化設計原理及制備方法”作為重點支持項目，足見金屬復合材料及其制備工藝技術研究開發(fā)的重要性和發(fā)展前景.

參考文獻：

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