金屬層合板軋制復合工藝國內外研究進展

王 濤，齊艷陽，劉江林，韓建超，任忠凱，黃慶學

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024； 2.太原理工大學 先進金屬復合材料成形技術與裝備教育部工程研究中心，太原 030024； 3.太原理工大學 中澳聯(lián)合研究中心，太原 030024)

金屬層合板綜合了各組元金屬的優(yōu)點，具有單一金屬所不具備的物理化學性能，被廣泛應用于航空航天、國防軍工、交通運輸和裝備制造等領域.金屬層合板推廣應用對解決當前能源結構、產業(yè)結構的突出問題具有非常重要的意義[1].

目前，金屬層合板的制備方法主要有軋制法、擠壓法、爆炸法和擴散焊接法等.軋制法是應用最為廣泛的制備方法之一，其將待復合金屬板材在軋機的強大軋制壓力作用下破碎異種金屬接觸表面的覆膜，并在整個接觸面內產生塑性流動，從表層裂口擠出的新鮮基體金屬發(fā)生緊密接觸進而產生微觀尺度的原子反應，最終金屬層間接觸界面形成一定強度的冶金結合[2].與其他方法相比，軋制法具有污染低、操作穩(wěn)定且批量生產連續(xù)性好的優(yōu)勢.

本文綜述了金屬層合板軋制復合工藝國內外的研究進展，總結了軋制復合的相關假說，從理論解析、工藝實驗和數值仿真的角度對軋制復合工藝進行了分類，針對目前研究中存在的不足進行了探討和分析，介紹了研究團隊提出的波紋軋制復合工藝，并對今后的發(fā)展方向作了展望.

1 金屬層合板軋制復合假說

圖1為金屬層合板軋制復合的示意圖[3].自從層狀金屬復合材料問世之后，國內外專家和學者開展了廣泛的研究，提出了一些理論和假說，目前具有代表性的主要有以下幾種.

圖1 金屬層合板軋制復合示意圖[3]

1.1 機械嚙合理論

機械嚙合理論最早由Bowden等[4]在1939年提出，將組元金屬表面粗糙度的大小認定為影響異種金屬復合的主要因素.在軋制成形過程中，金屬表面高低不平的“小齒”在較大壓力的作用下實現(xiàn)嚙合，從而實現(xiàn)異種金屬的界面結合.常見的不銹鋼/碳鋼冷軋復合就是典型的機械嚙合，而在大多數情況下，金屬復合并不是單一的機械嚙合，而是多種結合方式共同作用的結果.

1.2 金屬鍵理論

1954年，Burton[5]提出金屬鍵作用下的結合理論，將異種金屬間結合的條件歸結于兩種金屬的原子間的鍵合.金屬接觸表面的原子在軋制壓力的作用下不斷靠近，到達一定位置時形成穩(wěn)定排列，外層自由電子即成為形成金屬鍵的共用電子，最終兩種金屬以金屬鍵結合在一起.值得說明的是，金屬鍵理論闡明了異種金屬間實現(xiàn)復合的化學基礎，因此相較于機械嚙合理論具有很大進步，但也存在缺陷，主要是不能解釋某些低溫復合領域的物理冶金問題.

1.3 能量理論

能量理論是在金屬鍵理論的基礎上逐漸發(fā)展起來的，并由Cline等在1966年正式提出.該理論認為，組元金屬的結合不僅取決于金屬鍵合，還與兩者之間的最低能量密切相關.當原子獲得能量成為活化原子且原子間距滿足要求時，才能實現(xiàn)異種材料的結合.然而，在諸如解釋加工硬化使異種金屬間的結合變差等問題時仍存在不足[6-7].

1.4 薄膜理論

薄膜理論適用于不同金屬之間的固相結合.該理論認為，異種金屬間的結合并不取決于金屬本身的性質，而是由金屬表面的狀態(tài)決定的，即金屬表面的氧化膜是異種金屬結合的主要障礙.只有去除掉氧化膜，才能在變形過程中使原子接近到原子吸引力發(fā)生作用的范圍內，進而實現(xiàn)結合.然而，薄膜理論只是給出了大致的框架，單純地應用該理論并不能很好地解釋層合板的復合機理[8].

1.5 裂口結合理論

裂口結合理論認為，在被鋼刷清理過的金屬表面會形成一層加工硬化層，其塑性低于基體金屬.在軋制復合時，塑性較差的硬化層不能與基體金屬同步變形而先破裂，造成界面兩側的新鮮金屬從裂口擠出并相互接觸形成牢固的冶金結合.這里要特別指出的是，并非所有的金屬組合都會在待復合表面擠出新鮮金屬，某些金屬組合只在較軟的金屬組分產生裂口并且擠出新鮮金屬，較硬的一側則只產生裂口而不擠出新鮮金屬.在這種情況下，較軟側擠出的新鮮金屬通過裂口進入較硬側，從而實現(xiàn)異種金屬間的結合[9].

1.6 再結晶理論

再結晶理論由Parks[10]在1953年首先提出，該理論認為軋制變形過程中產生的再結晶是異種金屬間實現(xiàn)復合的主要原因.由于摩擦、變形等因素的影響，兩種金屬接觸區(qū)域的溫度升高，導致接觸區(qū)域的原子重新排列，進一步相互作用形成共同晶粒而使異種金屬產生結合.然而，再結晶理論只適用于解釋金屬接觸以后的組織變化，并不適合于復合本身，對低溫復合現(xiàn)象也不再適用.

1.7 擴散理論

擴散理論是Earl在1963年提出的.該理論認為異種金屬在軋制復合時，接觸區(qū)域的原子獲得較多能量被激活，從而在該區(qū)域形成一層很薄的擴散層.在該擴散層內，異種金屬原子形成一定成分比例的固溶體，進而實現(xiàn)異種金屬間的結合.擴散理論首次從金屬學的角度對異種金屬復合進行了解釋，具有很大的突破.但是該理論沒有考慮到金屬接觸表面的激活過程和相互擴散對整個接觸區(qū)域結合的阻礙作用，亦不能解釋當擴散層增加到一定厚度后，層合板的結合性能不增反降.另外，擴散過程需要較多的能量和較長的時間，且兩種金屬達到原子級的結合后才能進行.因此，從這一角度來說，擴散理論又存在很大的局限性[11].

1.8 三階段理論

三階段理論是異種金屬復合的理論基礎.該理論是由Tylecote首先提出，并經過Nicolas、Milner和Bay等學者的補充而最終形成.三階段理論涉及的3個階段分別是物理接觸形成階段、物理化學作用階段和“體”相互階段.在物理接觸形成階段中，異種金屬的原子因塑性變形而相互接近，至能夠引起弱化學作用的距離，形成弱化學鍵；在物理化學作用階段中，異種金屬接觸表面首先生成激活點，激活點不斷擴大，最后形成化學鍵；在“體”相互階段中，異種金屬的原子在接觸界面形成廣泛擴散，并在接觸處形成共同晶粒.實際上，物理接觸形成階段和物理化學作用階段是同時進行的，不加以區(qū)分.“體”相互階段是3個階段中最重要的，它決定整個金屬界面能否實現(xiàn)有效復合[12].

1.9 N.Bay理論

目前，N.Bay[13]理論被學界普遍認可.該理論認為軋制復合包括4個過程：①在一定壓力下，氧化膜和加工硬化層破裂；②表面擴展導致純凈基材顯露；③法向壓力將基材擠壓入氧化膜和加工硬化層裂縫中；④兩種金屬的活性面在間隙中匯合并形成真實結合.N.Bay理論指出了軋制復合的本質，即壓力使兩種金屬的接觸面接近到原子級距離，并由原子吸附產生大量結合點，最終實現(xiàn)異種金屬間的結合.圖2為N.Bay理論金屬結合過程的示意圖[14].

圖2 N.Bay理論金屬結合過程示意圖[14]

Fig.2 Schematic diagram of metal bonding process of N.Bay theory[14]

綜上所述，關于金屬層合板軋制復合的理論多種多樣，各有所長.如何科學有效地解釋復合機理，仍有待于深入研究.

2 金屬層合板軋制復合工藝研究

總體來說，金屬層合板的軋制復合包括軋前處理、軋制復合和軋后退火3個工序[15].根據復合具體條件又可細分為多種形式，下面將對不同工藝類別進行簡要總結.

2.1 熱軋復合工藝

熱軋復合工藝最早出現(xiàn)于20世紀40年代，軋制前需將板坯加熱至合理的溫度區(qū)間(再結晶溫度以上).溫度過低會導致金屬變形抗力較大、塑性流變程度不足、異種原子間擴散不活躍以及再結晶程度不充分等問題[16]，溫度過高則可能形成厚的氧化層和脆性化合物等[17]，這些都將影響層合板的復合效果.另外，為了防止熱軋時界面被氧化，一般采取保護氣氛加熱或高溫氫氣除磷等方法進行處理[18-19].熱軋復合工藝的軋制力較小，對軋機的要求較低，多用來生產厚的層合板材，不足之處是生產一致性和穩(wěn)定性較差.

關于熱軋復合工藝的研究，Nie等[20]通過熱軋方式成功制備了鋁/鎂/鋁層合板，研究發(fā)現(xiàn)軋后板材的織構強度以及再結晶程度對其力學性能有重要影響.Cui等[21]在鋁中加入TiB2并研究了鈦/鋁熱軋時的變形情況.結果表明，隨著TiB2體積分數的增加，鈦/鋁層合板的變形趨于協(xié)調.此外，針對多層金屬在大壓下軋制時的無法咬入問題，Zhang等[22]將軋件頭部做成楔形狀并通過熱軋實驗成功制備了性能優(yōu)良的層合板材.

這里要說明的是，某些金屬(如鈦與不銹鋼)直接熱軋復合時，界面會生成多種金屬間化合物，而脆性金屬間化合物往往會使層合板的結合強度降低，對層合板的生產及應用產生不利影響[23].因此，一些學者提出在組元金屬間加入中間層的軋制復合工藝，目前已成功用作中間層的金屬有銅[24]、鎳[25]、鈮[26]、釩[27]、鐵[28]等.Zhao等[24]使用銅作為中間層，在780 ℃、20%壓下率下成功實現(xiàn)了鈦和不銹鋼的復合，其最大剪切強度為199 MPa. Yan等[25]將鎳作為中間層，在760 ℃、20%壓下率下得到的鈦/鋼層合板最大剪切強度為255 MPa，說明鎳比銅更適合作中間層金屬.Luo等[26]研究了鈮為中間層的鈦/鋼層合板的性能，發(fā)現(xiàn)在900 ℃下制備的層合板最大剪切強度達到396 MPa(壓下率83%)，遠高于相關標準，并且復合界面無裂紋出現(xiàn).此外，陳澤軍等[27]對釩為中間層的鈦/鋼層合板的界面組織進行了分析，發(fā)現(xiàn)釩中間層的加入有利于減少Fe、Ti原子在界面處的擴散，有效阻止脆性金屬間化合物TiFe和TiFe2的生成.雖然銅、鎳、鈮、釩等金屬在層合板性能的提升上起到一定積極作用，但其成品的成本較高.因此，Yu等[28]提出使用價格低廉的純鐵作為中間層材料，并通過熱軋成功實現(xiàn)了鈦與碳鋼的復合.除了使用中間層金屬外，界面涂層也可使基層與覆層金屬不直接接觸.黃華貴等[29]在鋼板表面預噴涂硅鋁合金涂層，使涂覆層與鋼板表面形成牢固結合，再與鋁板組坯進行熱軋，該方法可使層合板的結合強度明顯提高.

利用熱軋復合工藝，寶鋼在國內首次自主生產CAP1400核電站安注箱用層合板.首鋼、鞍鋼先后完成了Q370qD+316和Q370qE等橋梁用不銹鋼層合板的試制.攀鋼進行了輸油(氣)管線用鈦/鋼層合板產業(yè)化的技術研究.武鋼開發(fā)了表面在線預處理技術和軋制復合系列控制技術.銀邦股份實現(xiàn)了電站空冷系統(tǒng)用鋁/鋼復合帶材的批量生產.太鋼生產的不銹鋼、銅/鋼層合板已正式應用于長江三峽水利工程和國際熱核聚變實驗堆計劃.另外，南鋼與東北大學合作，采用真空軋制方式研發(fā)出幅寬2 m的825鎳基耐蝕合金/X65管線鋼層合板，并成功用于中國和土庫曼斯坦之間的抗H2S腐蝕油氣輸送管線.

2.2 冷軋復合工藝

20世紀50年代初，美國率先開展了冷軋復合工藝的研究并獲得成功.冷軋復合工藝是在金屬再結晶溫度以下進行軋制復合的工藝，其首道次壓下率較大，一般達到60%左右才能實現(xiàn)有效復合，因此對軋機的要求較高[30].另外，軋后往往需要退火處理以消除殘余應力，改善結合強度.冷軋復合工藝可以實現(xiàn)多種組元的結合，并能有效避免加熱帶來的界面氧化問題，是當今世界上應用最廣泛的金屬復合工藝之一.缺點是板材可能存在邊裂等問題，另外對于高碳鋼、合金鋼等較硬材料的軋制復合也不適用[31-32].

在冷軋復合工藝研究方面，Li等[33]對該工藝的適用性及技術難題進行了分析，指出同面心立方結構(FCC)及密排六方結構(HCP)的金屬相比，體心立方結構(BCC)的金屬更容易通過冷軋方式實現(xiàn)結合.Naseri等[34]通過冷軋復合工藝制備了鋁/銅/鋁層合板，研究發(fā)現(xiàn)中間銅層的初始厚度對層合板的結合強度有重要影響.隨著銅層初始厚度的增大，結合強度呈降低趨勢.作者將其歸因于軋制過程中接觸長度增加導致的接觸壓力下降.Akramifard等[35]的研究結果表明，冷軋鋁/鋼/鋁層合板中的馬氏體對其拉伸性能有重要影響.另外，需要指出的是，軋后退火處理雖然可使原子的擴散距離增加，但也可能同時生成脆性金屬間化合物，影響層合板的復合效果[36].因此，制定合理的熱處理工藝十分重要.

2.3 異溫軋制復合工藝

針對力學性能差別較大的異質金屬在常規(guī)軋制時出現(xiàn)的變形不協(xié)調問題，異溫軋制復合工藝能夠有效地協(xié)調各層金屬的變形.該工藝將變形抗力大的金屬層單獨加熱至高溫，使變形抗力小的金屬層處于室溫，以此來提高難變形金屬的相對變形量，實現(xiàn)整個層合板的協(xié)調變形[37].近年來，隨著科技水平的提高，“異溫效果”可通過電磁感應加熱技術來實現(xiàn)，利用不同金屬磁導率的差異而達到不同的加熱效果[38].異溫軋制復合工藝可用來制備鈦/鋁、鈦/鎂、鋼/鋁等層合板.

對于異溫軋制復合工藝，Xiao等[39]研究了壓下率、鈦層加熱溫度對鈦/鋁層合板的厚比分配、剪切強度和界面的影響.結果表明，隨著鈦層溫度的升高和壓下率的增大，鈦層和鋁層的變形率差值逐漸減小.當溫度為800 ℃、壓下率為50%時，鈦層和鋁層的變形率分別達到48.6%和51.4%，鈦/鋁層合板的變形趨于協(xié)調，界面剪切強度達到108 MPa. Qi等[40]分別使用同溫軋制與異溫軋制制備了鈦/鎂層合板，研究發(fā)現(xiàn)同溫軋制條件下兩種金屬的結合以擴散為主，而異溫軋制條件下兩種金屬更多地表現(xiàn)為機械嚙合，并且變形趨于一致.但是，這些研究中板材均存在嚴重的氧化現(xiàn)象，對層合板的結合性能帶來不利影響.針對這一問題，肖宏等[41]提出在保護氣氛下電磁感應加熱異溫軋制制備層合板的方法(如圖3所示)，即從加熱到軋制整個過程處于密封和氬氣保護中，并利用該方法成功實現(xiàn)了鋼和鋁的復合.研究顯示，鋼/鋁層合板界面貼合緊密，元素擴散路程短，板材達到了良好的冶金結合狀態(tài)，同時近界面的細晶區(qū)使層合板的綜合性能進一步提升.

圖3 電磁感應加熱異溫軋制示意圖[41]

Fig.3 Schematic diagram of differential temperature rolling process with induction heating[41]

2.4 累積疊軋復合工藝

累積疊軋復合工藝由日本學者Saito在1998年提出，可用來制備具有超細晶結構的金屬層合板[42].該工藝是將軋制后的板材從中間剪斷，重新疊合再進行軋制，以此循環(huán)直至達到所需的要求[43].為了實現(xiàn)更好的結合，每次疊合前均需進行表面處理，如除脂、去氧化膜等.累積疊軋復合工藝可以使板材在不發(fā)生幾何變形的情況下產生較高的塑性應變，并且對生產設備無特殊要求，但是工藝較為復雜，成本較高[44].圖4為累積疊軋復合工藝的示意圖[45].

圖4 累積疊軋復合工藝示意圖[45]

在累積疊軋復合工藝研究方面，Chang等[46-47]通過該工藝成功制備了鎂/鋁層合板，實現(xiàn)了兩金屬的冶金結合.研究發(fā)現(xiàn)隨著累積應變的增加，晶粒的尺寸逐漸減小，沿軋向和橫向的屈服強度逐漸增加，但斷后伸長率變小.Jiang等[48]利用累積疊軋復合工藝制備了鈦/銅層合板，發(fā)現(xiàn)即使界面處有金屬間化合物形成，但兩金屬之間依然保持良好的結合狀態(tài).顧蘇怡等[49]的研究結果表明，大剪切應變、高應變速率、每次循環(huán)顛倒軋向以及鈦的低熱傳導率是制備200～300 nm超細等軸晶鈦/鋁層合板的關鍵因素.此外，Wang等[50]研究了累積疊軋過程中溫度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著軋制溫度升高，極限拉應力、晶粒尺寸以及擴散層厚度均逐漸增大，而晶粒尺寸和擴散層厚度對層合板的力學性能有重要影響.

2.5 異步軋制復合工藝

異步軋制復合興起于20世紀70年代，是指利用兩工作輥表面線速度不同而進行軋制復合的工藝過程，包括同徑異速軋制復合和異徑同速軋制復合.在異步軋制復合時，一般把較硬的金屬組元與快速輥對應，較軟的金屬組元與慢速輥對應[51].由于快速輥產生的摩擦力向前，慢速輥產生的摩擦力向后，使金屬在變形區(qū)內產生剪切作用，形成“搓軋效果”.“搓軋效果”一方面有助于氧化膜和加工硬化層的破裂，促進新鮮金屬暴露并相互接觸，另一方面又生成大量熱量，為界面區(qū)域金屬原子活動提供能量基礎[52].因此，與同步軋制復合相比，異步軋制復合可以降低軋制力，減小能耗損失，增強界面結合效果，改善板形質量進而得到平直的層合板材[53-54].

對于異步軋制復合工藝的研究，趙瑩瑩等[55]發(fā)現(xiàn)異步軋制得到的銅/鋁層合板界面平整無波浪狀形貌，并且異步速比與剝離強度呈拋物線關系.Chang等[56]的研究結果表明，界面強化使層合板的拉伸性能得到改善，在異步速比為1.3時界面結合強度最高.而對于界面強化的原因，Li等[57]分析認為是層合板的組織和金屬間化合物發(fā)生改變引起的，并通過實驗成功制備出具有緊密結合界面的超細晶層合板[58].另外，對異步軋后層合板擴散退火的研究表明，隨著退火溫度的升高，界面的維氏硬度與擴散層厚度逐漸增大，但層合板的結合強度卻降低[56,59].近年來，異步累積軋制復合工藝興起，該工藝綜合了異步軋制復合工藝和累積疊軋復合工藝的優(yōu)勢，對層合板的性能具有明顯改善作用[60].

2.6 爆炸-軋制復合工藝

爆炸-軋制復合工藝是一種綜合爆炸復合工藝和軋制復合工藝優(yōu)點而發(fā)展起來的金屬層合板制備工藝.該工藝首先通過爆炸焊接方法制坯，然后通過軋制方法得到所需規(guī)格的層合板.與其他工藝相比，該工藝在爆炸后界面已實現(xiàn)冶金結合，軋制過程中兩金屬發(fā)生牽引變形[61].當采用該工藝生產3 mm以下的層合板時，軋制過程分為熱軋和冷軋，其中熱軋的目的是使板材的厚度達到要求，冷軋則是為了獲得精確的尺寸和合格的表面.爆炸-軋制復合工藝可生產大面積無焊縫的層合板，但也存在工藝復雜、污染環(huán)境以及成本較高等問題[62-63].

在爆炸-軋制復合工藝研究方面，Asemabadi等[64]對爆炸后的銅/鋁層合板進行了常規(guī)軋制，抗拉強度由軋前的227 MPa提高到268 MPa(壓下率56%).Gladkovsky等[65]通過爆炸-軋制復合工藝制備了銅/鋼層合板，研究發(fā)現(xiàn)軋后板材發(fā)生了動態(tài)再結晶，晶粒明顯細化.另外，Jiang等[66]對爆炸-軋制后的鈦/鋼層合板進行了退火研究，結果表明，總體上退火后層合板的結合強度呈降低趨勢.退火溫度在850 ℃以下時，層合板的結合強度緩慢下降；退火溫度超過850 ℃時，結合強度急劇下降.

2.7 鑄軋復合工藝

鑄軋復合工藝是一種將鑄造工藝和軋制工藝聯(lián)合起來制備金屬層合板的工藝.具體過程是將液態(tài)金屬澆鑄到要復合的基板上，待金屬液冷卻到半固態(tài)時進行軋制，從而實現(xiàn)基板與覆板的結合[67].鑄軋復合工藝的優(yōu)點是高效、節(jié)能，但是該工藝目前還不成熟，比如基板表面因復合溫度高而容易被氧化，基板與覆板熔點不同導致結合部位產生熔損等[68-69].

在鑄軋復合工藝研究方面，Chen等[70]將固態(tài)殷鋼與熔融態(tài)銅液同時送入鑄軋機輥縫，在鑄軋區(qū)高溫、強壓和塑性變形共同作用下，成功制備出殷鋼/銅層合板.謝敬佩等[71]研究了鑄軋銅/鋁層合板的界面演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)界面演變過程主要包括過飽和固溶體形成、金屬間化合物形核析出、金屬間化合物連成整體以及界面層增厚4個階段.另外，為研究鑄軋后層合板的性能，Huang等[72]將層合板折彎90°～180°，發(fā)現(xiàn)界面未出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，研究結果可為高效短流程制備層合板提供工藝參考.

2.8 包套軋制復合工藝

包套軋制復合工藝是一種有效的金屬層合板制備工藝.該工藝選用一種與待復合金屬力學性能相近的金屬做成包套，然后將待復合金屬置于其中并焊接封口，通過包套邊部預留的抽氣孔抽真空后保持內部負壓，最后進行軋制復合.一般情況下，包套內部金屬組元采取多層對稱布置形式且軋制壓下率較大才能保證牢固結合.包套軋制復合工藝既能避免熱軋復合時的待結合表面氧化問題，又能解決冷軋復合中的金屬表面開裂問題[73-74].

對于包套軋制復合工藝的研究，董曉萌等[75]通過包套軋制和退火處理的方法制備了鈦/鋁層合板，當壓下率為60%時，層合板的界面結合良好，層狀結構完整.孔凡濤等[76]采用包套軋制復合工藝在1 150 ℃下成功制備出3 mm的Ti-43Al-9V-0.3Y/Ti-6Al-4V層合板材，總變形量達到80%，且表面質量良好，無應力開裂.

2.9 釬焊熱軋復合工藝

釬焊熱軋復合工藝主要用來生產不銹鋼層合板.該工藝采用一種熔點低于被焊接的基層和覆層的金屬作為釬料，并將釬料置于基層和覆層金屬之間，通過加熱使釬料熔化實現(xiàn)基層與覆層預結合，最后在軋制壓力作用下基層與覆層完全結合[77].釬焊熱軋復合工藝可使層合板的界面耐蝕性能提高，并有效解決復合層接口處的分體現(xiàn)象.但當厚度超過30 mm、覆層超過3 mm時，該工藝將不再適用[78-79].在釬焊熱軋復合工藝研究方面，祖國胤等[80]采用銀基釬料在755 ℃～770 ℃下成功實現(xiàn)了不銹鋼/碳鋼的復合.釬料層在熱軋過程中表現(xiàn)出了良好的塑性，其與基體形成的金屬鍵顯著提高了結合強度且軋后未出現(xiàn)斷裂、分層現(xiàn)象，層合板的剪切強度達到342.6 MPa.

2.10 其他軋制復合工藝

脈沖電流輔助軋制復合工藝是利用脈沖電流的電致塑性效應和尖端效應進行輔助軋制制備金屬層合板的工藝.該工藝在軋制過程中對軋輥或板材施加脈沖電流，使其形成閉合回路，異種金屬在電流作用下實現(xiàn)復合.脈沖電流輔助軋制復合工藝的優(yōu)勢在于其能克服能量勢壘，促進基層和覆層金屬元素擴散，提高結合強度，并能有效抑制層合板的邊裂，降低軋制力.目前該工藝還處于探索研究階段[81-82].

燃燒合成軋制復合工藝是利用化學反應放熱來制備金屬層合板的工藝，其將覆板融化后平敷在待復合的基板上，并在一定溫度和氣氛下進行軋制處理，以實現(xiàn)基板與覆板的結合.該工藝生產的層合板結合強度高，耐蝕能力強[83].

粉末軋制復合工藝是一種環(huán)保的金屬層合板制備工藝.該工藝將覆層金屬粉末平敷至處理過的基板上，然后將兩者置于特定模具中并對其進行軋制復合.目前利用該工藝已成功生產出鈦/鋼、銀/鋼等層合板[84].

深冷軋制復合工藝是在深冷環(huán)境下(低于-100 ℃)軋制制備金屬層合板的工藝，通過抑制變形過程中的位錯運動及動態(tài)再結晶來使晶粒達到細化.該工藝可有效提升層合板的力學性能，同時獲得良好的界面結合質量[85].

噴射軋制復合工藝是將熔體霧化、噴射成積、雙輥鑄軋融合為一體，在一步工序內從液態(tài)金屬直接制備高性能金屬層合板的工藝，符合綠色制造的發(fā)展方向[86].

表1對不同軋制復合工藝的特點進行了簡要總結.金屬層合板的軋制復合工藝還有很多，限于篇幅這里不再詳細敘述.

表1 不同軋制復合工藝的簡要總結

3 軋制復合工藝計算與數值模擬

3.1 理論解析法

理論解析法主要包括工程法、流函數法和上限法.

3.1.1 工程法

工程法是一種近似解析法，又稱切片法或主應力法.其基本流程分為3步：首先根據金屬的塑性流動規(guī)律切取若干單元體，并對單元體的應力狀態(tài)進行簡化假設;其次對每個單元體建立以主應力表示的平衡微分方程，按照塑性條件求解得到有關軋制的力能參數值;最后將單元體進行拼合，進而得到整個問題的解.工程法的特點是簡便快捷，但不能獲得力的三維空間分布情況.

關于工程法的研究，Afonja等[87]于1973年預測了3層金屬對稱軋制時的軋制力和扭矩，但是其模型不能得出相對結合長度以及相對滑動距離等參數，而這些參數對于層合板的結合質量有重要影響.為了改善精度，Tzou等[88]提出了一種較為完善的模型，重點研究了材料變形率、層間屈服應力比以及前后拉應力等參數對相對結合長度的影響.在滑動問題的處理上，文獻[89-90]假定軋制時較硬的金屬發(fā)生塑性變形后，界面兩側的金屬將不再產生相對滑動，并以此為基礎利用工程法計算了軋制變形區(qū)的應力分布.但是其所作的假定與實際中金屬的變形行為存在較大差距，不利于正確分析軋制復合過程中的一些規(guī)律.另外，針對一些模型求解耗時長的問題，Hwang等[91]將模型合理優(yōu)化使其求解時間大大減少.2017年，在已有研究的基礎上，王春陽等[92]采用工程法計算了鋁/鋼軋制復合時變形區(qū)內剪切應力的分布，分析了鋁層和鋼層厚度比變化的原因并獲得經驗公式，研究結果可為鋁/鋼層合板的軋制工藝制定提供理論參考.

3.1.2 流函數法

流函數法是根據輥縫中軋件體積不變的規(guī)律，假定固態(tài)軋件為流體，并以流量一定的原則建立表達式，利用塑性變形條件和邊界條件得出軋件的速度場、應力場等參數.流函數法的應用與計算機的發(fā)展密切相關.

關于雙金屬軋制復合的研究，1996年，Hwang等[93]建立流函數模型對雙金屬非對稱復合軋制進行了理論分析，但是沒有考慮軋輥的壓扁變形，而且模型本身的精度不高，因此分析結果與實驗結果存在較大差距.兩年后，佘旭凡等[94]對文獻[93]提出的流函數模型進行了改進.新模型在理論上認為，隨著逼近空間維數的增大，所設定的速度場可以無限地接近真實速度場，從而得到較精確的理論解.該模型為研究結合界面的摩擦規(guī)律提供了新的途徑，不足之處是計算量較大.2000年，Jiang等[95]利用流函數法研究了雙層帶鋼的軋制復合行為，不僅成功得到軋后板材的曲率、厚度比以及軋制力，還準確算出中性點和起始結合點的所在位置.另外，相對較小的初始包覆率可使起始結合點更靠近輥縫入口處.研究結果對工業(yè)生產領域通過調整相關工藝參數來獲得理想的復合效果具有重要意義.在3層金屬軋制復合的研究方面，Hwang等[96]提出一種能自動滿足體積不變以及速度邊界條件的流函數模型，并利用該模型系統(tǒng)分析了不同條件對軋制力、軋制功率、軋制變形區(qū)長度以及軋后板材厚比的影響，理論計算與實驗結果基本吻合.在此基礎上，文獻[97]進一步對該模型進行了擴展，重點闡述了不同條件對相對結合長度、相對滑動距離以及新產生表面比的影響.

3.1.3 上限法

上限法是基于理想塑性材料的極值原理，以運動許可的速度場為計算基礎，得到功率的上限值，進而利用塑性力學的基本關系式來求出變形參數和力能參數.上限法不能直接求出靜水壓力，也得不到應力應變的分布情況，其在分析問題時多與流函數法結合使用.

在上限法的研究方面，Manesh等[98]提出基于上限法的雙金屬冷軋數學模型，通過建立內部流場來描述金屬塑性變形中的流動規(guī)律.Haghighat等[99]構建各速率分量間的數學關系，并將內功、剪切功和摩擦功的表達式應用到上限模型中，利用該模型準確預測了不同條件下的軋制力矩.對于層合板結合性能的研究，Arabi等[100]利用上限法計算出銅/鋼軋制復合時的最優(yōu)工藝參數，即在壓下率為59%時，層合板的結合效果最好，理論計算與實驗結果較為吻合. Maleki等[101]將變形區(qū)假設為三角形，通過上限法分析了雙層帶鋼冷軋過程中的結合行為及臨界變形量，研究結果對于預測層合板的結合性能有重要參考意義.

這里需要指出的是，在分析金屬層合板軋制復合的相關問題時，有時也會用到滑移線法等其他方法，由于這些方法使用較少，這里不再詳細說明.

3.2 軋制復合工藝有限元仿真

3.2.1 待復合界面假設

金屬層合板軋制復合的數值模擬是大變形、非線性的熱力耦合過程[102]，包括剛塑性有限元模擬和彈塑性有限元模擬，軋件咬入有楔形端板料咬入、軋輥直接壓下和強迫咬入等.與單層板的軋制模擬不同，層合板的軋制模擬涉及到兩種金屬的綁定以及邊界處理等問題，因此更加復雜，其有限元模型大致分為以下幾種.

1)粘合模型.粘合模型是將兩種金屬粘在一起，在軋制過程中金屬間無摩擦作用且不產生相對滑動.該模型認為軋制前兩金屬已經復合，卻忽略了軋制后兩金屬分離的可能性，與實際情況差別較大.由于粘合模型的建模過程簡單容易，因而也被很多人采用，文獻[103-104]應用該模型分別模擬了不銹鋼/碳鋼和鋁/銅層合板的軋制復合.

2)共節(jié)點模型.共節(jié)點模型的特點是上、下層金屬在交界面共用一組節(jié)點，對應節(jié)點在各個方向具有相同位移，且交界面沒有摩擦作用.該模型實際上是將層合板坯當作一塊整體的金屬板處理只是金屬板的不同部分具有不同的材料屬性，可反映各層金屬之間的協(xié)調變形情況，但不能反映層間的受力情況.共節(jié)點模型多用來模擬已實現(xiàn)復合的層合板的后續(xù)道次軋制，一般不用作第1道次的軋制模擬[105].

3)接觸模型.接觸模型是在基板與覆板之間設置摩擦系數，兩金屬直接接觸且允許產生相對滑動.但是此種模型兩金屬間除摩擦作用外無其他條件，與實際軋制情況不符.為了更好地模擬真實條件，一些學者在接觸模型的基礎上提出另外一種改進模型，即基板與覆板之間不僅設置摩擦，其頭部也進行綁定，并使其在軋制過程中不分開.該模型在近年來被廣泛用作金屬層合板軋制復合的數值模擬[106-107].

4)程序控制模型.程序控制模型是利用二次開發(fā)的方法通過子程序實現(xiàn)對兩金屬接觸狀態(tài)的控制.具體是設置分離應力，使金屬節(jié)點在受到超過其抗拉強度的拉應力時自動分離，反之則相互粘結.程序控制模型的相對滑動量較接觸模型小，能夠使金屬在軋制時發(fā)生合理的變形，與實際工況吻合度較高，但操作起來較為復雜[108].

5)內聚力模型.上述4種模型在建模時均未引入界面單元層，原因是界面單元層在軋制過程中極易發(fā)生畸變，從而導致模擬失敗.界面單元層可以在內聚力模型中實現(xiàn)，如圖5所示，兩層金屬通過一層很薄的界面單元進行連接[109].內聚力模型最初是由Kebriaei等[110]引入到金屬層合板軋制復合的仿真計算中，經過多年的優(yōu)化與發(fā)展，Khaledi等[3]在2019年提出了一個較為成熟的模型(Khaledi模型).

圖5 內聚力模型[109]

綜上所述，粘合模型和共節(jié)點模型雖然考慮了金屬間的結合問題，但在軋制過程中可能限制金屬的流動，因此其模型是機械且非動態(tài)的.接觸模型、程序控制模型和內聚力模型在金屬層合板的多場耦合數值模擬中逐漸突顯其重要性.

3.2.2 復合判據

在仿真分析過程中，為了判斷組元板材是否實現(xiàn)復合，需要指定相關物理量的定值或函數關系作為衡量指標，并對界面處網格進行特殊條件處理實現(xiàn)復合評判，目前常見的判據主要有以下幾種.

1)應力場.1988年，Masuda等[111]提出一種基于結合界面垂直應力的預測模型.該模型在消除特厚板顯微縮孔的基礎上進行研究，通過計算界面處的最大垂直應力與其金屬組元的變形抗力的比值，判別層合板是否發(fā)生結合.若比值大于1，則認為發(fā)生結合.由于界面最大垂直應力較難確定，故文獻[111]應用下式來計算該比值.

其中:

a=0.004r+1.8,

c=0.018r-0.05 (5

c=0.006r+0.07 (10≤r<20).

式中：σymax為界面最大垂直應力;K0為變形抗力;R為軋輥半徑;r為道次壓下率;t0為軋前板厚.

隨著有限元技術的發(fā)展與成熟，界面垂直應力可以借助有限元運算方便快速地得到，且比值大于1的單元越多，層合板的結合效果越好[112-113].2010年，高亞男等[108]在上述理論的基礎上利用子程序成功實現(xiàn)了金屬間節(jié)點的粘接與分離，為金屬層合板軋制復合的數值模擬提供了新的思路.

2)應變場.金屬層合板的軋制復合是非穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉變的過程.在初軋階段，由于組元金屬中軟金屬的變形抗力小于硬金屬，軟金屬先于硬金屬發(fā)生塑性變形，導致軟金屬的變形大于硬金屬.此時兩種金屬間只存在擠壓和摩擦作用，并未發(fā)生真正結合.隨著軋制過程進行，兩種金屬的變形相互制約，促使兩種金屬開始結合且在界面處的變形趨于一致.但實際上，兩種金屬性能上的差異使得其等效應變不可能完全相等，一般等效應變相差較小時就會發(fā)生結合.等效應變差值的選取須綜合考慮計算精度、軋制條件以及實際工況等因素，通常認為該差值小于0.01時，兩種金屬已達到有效結合.

3)速度場.金屬層合板軋制復合仿真模型若無界面單元層，則理論上兩種金屬在界面處的流動速度達到相等時就已發(fā)生結合.考慮到實際情況，一般在模擬時設定相對速度臨界值，小于該臨界值則認為兩種金屬發(fā)生結合.2020年，Rezaii等[114]基于層速度相等的準則利用子程序成功預測了鋼/鋁軋制復合的起始結合點.

3.2.3 軋制復合工藝仿真

在鑄軋復合工藝的數值模擬方面，田捍衛(wèi)等[115]建立銅/鋁層合板鑄軋過程二維穩(wěn)態(tài)有限體積模型，并利用正交模擬法研究了走坯速度、鋁液澆注溫度、鑄軋區(qū)長度和銅帶預熱溫度對鋁液液相率分布的影響.結果表明，鋁液凝固受鑄軋區(qū)長度和走坯速度的影響較大，整體溫度分布主要受銅帶預熱溫度的影響.黃華貴等[116]通過數值模擬分析了銅/鋁鑄軋復合過程的溫度場和流場，并根據鑄軋區(qū)內金屬物理狀態(tài)的不同將其分為固-液接觸換熱區(qū)、固-半固態(tài)鑄造粘連區(qū)和固-固軋制復合區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)KISS點(鑄軋區(qū)內固液界面最低點)高度決定3個區(qū)域的空間分配，且軋制溫度和壓下率對層合板的結合效果起主導作用.另外，Wang等[117]利用數值仿真得出銅/鋁鑄軋時的最優(yōu)工藝參數，并通過物理實驗驗證了模擬分析的正確性以及指導生產的可行性.

其他方面，Huang等[118]研究了冷軋銅/鋁層合板結合界面的速度場.結果表明，軋制速度越大，變形區(qū)出口處界面金屬流動的同步性越差，結合強度越低.作者進一步分析了銅/鋁的異步軋制過程并得到最佳異步速比.肖楠等[119]通過數值模擬獲得了高頻電流加熱-軋制復合過程中的動態(tài)溫度場，驗證了實驗條件下板寬、板厚、軋制速度、電流強度和頻率等工藝參數組合的可行性，研究結果對于實際生產中的工藝參數優(yōu)化具有指導意義.

4 新型波紋軋制復合工藝

針對傳統(tǒng)軋制復合工藝存在的層合板結合強度低、板形差、殘余應力大等瓶頸問題，黃慶學等[120-121]提出一種基于波紋型軋輥的新型軋制復合工藝(corrugated-flat rolling，CFR)(如圖6所示).該工藝第1道次為粗軋，采用“波紋輥+平輥”的軋制方案，其中上輥為波紋輥，對應難變形金屬；下輥為平輥，對應易變形金屬.其基本原理是通過上下軋輥的不同形狀，對軋件形成階躍性變化載荷，促進金屬表面的氧化膜和加工硬化層破裂，潔凈而活化的新鮮金屬從裂縫擠出，新鮮金屬的原子相互擴散并形成冶金結合.波紋輥的輥型曲線可采用正余弦曲線、樣條曲線等.后續(xù)精軋道次上下軋輥均采用平輥，可將軋件表面軋平，并根據產品要求軋制到相應厚度.

圖6 波紋軋制復合工藝示意圖[122]

波紋輥+平輥軋制復合工藝可在較小的壓下率下實現(xiàn)兩金屬的高強度結合，并將層合板的結合界面形狀由傳統(tǒng)的二維提升至三維空間(如圖7所示)，大幅提高層合板的抗拉、抗剪、抗沖擊等多種性能，有效改善板形質量(如圖8所示)，減小殘余應力.通過粗軋道次的波紋起皺和精軋道次的平輥整平，可以增大累積塑性變形量，細化層合板的晶粒尺寸.目前已采用波紋軋制復合工藝成功制備出性能優(yōu)良的鎂/鋁、銅/鋁等層合板[123-125].

為了研究波紋軋制塑性變形規(guī)律，團隊采用有限元方法建立了三維熱力耦合仿真模型，提取了一道次波紋粗軋和二道次平輥精軋在完整波形周期內單元的等效塑性應變，如圖9所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別對應波峰、波谷、波谷、波峰.從圖9中可以看出，一道次粗軋和二道次精軋后等效應變均呈正弦變化規(guī)律，應變最小值出現(xiàn)在波峰處，應變最大值分布在波谷處.由于兩道次壓下率相等，所以應變波峰和波谷的幅值差基本一致，而隨著軋制過程中板材延伸，二道次精軋后波長增大，等效應變曲線趨于平滑[125].

圖7 波紋軋制復合工藝界面示意圖[123]

圖8 傳統(tǒng)平軋與波紋軋制的板形[125]

Fig.8 Shapes of laminated composite sheets produced by conventional flat rolling and CFR[125]

圖9 粗軋和精軋板材不同位置的等效應變分布[125]

Fig.9 Effective strain distribution at different positions of rough and finish rolled sheets[125]

5 結論與展望

金屬層合板因其優(yōu)異的性能已成為材料領域的研究熱點，國內外專家和學者對其進行了不懈的探索研究，取得了一定的積極成果.但是目前軋制復合工藝仍存在理論研究不足、產業(yè)集中度不高等問題，今后需要重點關注以下幾個方面：

1)軋制復合新工藝方面，針對提出的新型復合工藝開展復合機理研究，把局部強拉、強剪、強壓等應力狀態(tài)的急劇變化與界面氧化膜破裂、金屬流動、組織演變、元素擴散等聯(lián)系起來，提出更合理的界面復合機理.

2)軋制復合工藝數值仿真方面，重點針對界面進行“宏觀-介觀-微觀”不同尺度下的模擬分析，建立基于異種金屬冶金結合判據的軋制過程高精度動態(tài)復合模擬模型，開展板材性能與組元材料、工藝參數以及組織結構關系研究.

3)結合界面方面，基于材料熱力學、動力學理論的計算相圖技術以及相關電鏡分析技術，預測和表征界面附近新相生成的條件、形貌及比例等，把層合板的力學性能與對應的微觀組織結構進行耦合分析，構建復合界面的強韌化控制方法.

4)輔助工藝方面，分析金屬層合板在不同能場(包括電場、磁場等)作用下，微觀組織結構、位錯運動、相變、再結晶等變化規(guī)律，開展復合能場對界面及基體的強化機制研究.

5)服役性能方面，開展金屬層合板失效分析，優(yōu)化設計原則，提升服役性能，制定相應的標準或規(guī)范，為推進產業(yè)化進程提供系統(tǒng)理論.