Al/Mg/Al金屬疊層復(fù)合板材制造技術(shù)研究

黃飛宇

摘要：本文主要針對(duì)汽車領(lǐng)域輕量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用。金屬材料疊層板是指利用復(fù)合新型技術(shù)使兩種或兩種以上性能不同的金屬材料層板緊密結(jié)合在一起得到的一種新型材料。在結(jié)構(gòu)性能上充分彌補(bǔ)了各自金屬元素的不足，綜合了各組元的不同優(yōu)點(diǎn)，具有單一金屬或其他合金不可比擬的特殊性能，成為了當(dāng)今新型科技材料和信息時(shí)代的研究熱點(diǎn)。Al/Mg/Al疊層材料結(jié)合鋁的耐腐蝕性與鎂比強(qiáng)度高、密度小、阻尼減震性好、剛性好等幾大特點(diǎn)，節(jié)約能源和資源的同時(shí)，也減輕了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了產(chǎn)品的使用性能。極大滿足了汽車領(lǐng)域所需要的輕質(zhì)材料的廣泛需求，在民用航空、航天和汽車等各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛的發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：金屬疊層復(fù)合材料;新型材料;Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TG335.81 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0040-02

1 ?金屬疊層復(fù)合材料及鋁基復(fù)合材料概述

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)材料有了更高要求。單一組元材料性能已難以滿足人們對(duì)材料更高技術(shù)需求，新型材料的研發(fā)已經(jīng)成為材料研究領(lǐng)域日趨迫切的趨勢(shì)。金屬疊層復(fù)合材料能夠兼?zhèn)涓鹘M元的優(yōu)異性能，通過(guò)合理工藝設(shè)計(jì)可充分利用各組元的優(yōu)勢(shì)滿足復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用需求，因此疊層復(fù)合材料具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

金屬疊層材料是由多層性能不同的金屬材料相互結(jié)合而成的一種新型復(fù)合材料[1-2]。金屬疊層復(fù)合材料雖保持各自元素的相對(duì)性和獨(dú)立性，但其綜合性能得到優(yōu)化，適合一些特殊場(chǎng)合工作應(yīng)用環(huán)境。目前，金屬疊層材料已成為世界各國(guó)競(jìng)相投入研發(fā)的一種新型材料，有著特殊的技術(shù)研究應(yīng)用價(jià)值。金屬疊層復(fù)合材料可通過(guò)合理選擇組元，科學(xué)的設(shè)計(jì)，滿足不同的新型材料及汽車領(lǐng)域的應(yīng)用需求[3]，金屬層狀復(fù)合材料具有如下優(yōu)異特點(diǎn)：

①熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好、尺寸穩(wěn)定、耐磨性好;②具有高比模量、比強(qiáng)度;③具有優(yōu)良的耐高溫性能，能在溫度較高的氧化性氣氛中正常工作;④具有成本低廉的特點(diǎn)，可以用于批量生產(chǎn)。

金屬疊層復(fù)合材料可以合理利用和充分發(fā)揮各類金屬的特殊性能，大量節(jié)約稀有珍貴金屬以降低生產(chǎn)成本[4]。通過(guò)對(duì)金屬疊層板成分的科學(xué)分析及選擇合適的加工工藝，可以最大程度獲得滿足各種需求的金屬層狀復(fù)合材料[5]。

鋁具有質(zhì)量輕、密度小、可塑性好等重要特點(diǎn)。本文主要研究鋁及其合金作為基體的金屬層狀復(fù)合材料。鋁基復(fù)合技術(shù)易于掌握、加工，是我國(guó)鋁基金屬?gòu)?fù)合材料技術(shù)研究的重要基礎(chǔ)。與其他金屬?gòu)?fù)合組成層狀基體復(fù)合材料，層狀復(fù)合材料化學(xué)性能取決于材料基體中鋁及其他金屬增強(qiáng)物的化學(xué)特性、含量、分布等。

此外，鋁基復(fù)合材料比強(qiáng)度和剛度高，高溫耐蝕性能好，耐持久耐疲勞更耐磨，阻尼性好，熱脹和膨脹阻力系數(shù)低。同其他金屬?gòu)?fù)合材料一樣，它們也能用于組合特定的流體力學(xué)和機(jī)械物理性能，便于滿足不同產(chǎn)品的應(yīng)用需要。因此，鋁基基層復(fù)合材料已發(fā)展成為有色金屬和鋁基基層復(fù)合材料中最常用的、最重要的復(fù)合材料之一。按照顆粒增強(qiáng)體的不同，鋁基固體復(fù)合材料大致可以細(xì)分為纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

鋁基金屬?gòu)?fù)合材料在我國(guó)汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及研究起步最早。上個(gè)世紀(jì)，日本豐田公司成功用一種復(fù)合材料工藝制備了新型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣活塞。美國(guó)項(xiàng)目研制組提出用一種顆粒疊加增強(qiáng)型的鋁基金屬?gòu)?fù)合材料設(shè)計(jì)制造汽車增壓制動(dòng)盤，不僅減輕車身整體質(zhì)量，散熱快，而且大大提高了耐磨性能，減小行車噪音;同時(shí)該公司還用了一種顆粒疊加增強(qiáng)型的鋁基金屬?gòu)?fù)合材料設(shè)計(jì)制造了各種汽車增壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃油活塞和汽車齒輪箱等多種汽車制動(dòng)零部件。用這種復(fù)合材料加工制成的新型汽車傳動(dòng)齒輪箱在傳動(dòng)強(qiáng)度和機(jī)械耐磨性能等方面均比普通鋁合金汽車齒輪箱要具有明顯的大幅提高。

目前，正是汽車需求量不斷增長(zhǎng)的階段[6]，本文針對(duì)汽車輕量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用技術(shù)，成功研制高性能疊層復(fù)合材料，以滿足汽車領(lǐng)域所需輕質(zhì)板材的需求[7]。

2 ?鋁/鎂/鋁疊層板材的研究

20世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)分別開始嘗試用熱軋法生產(chǎn)制造由兩種金屬組元組成的金屬?gòu)?fù)合板，蘇聯(lián)、美國(guó)、日本相繼開始了金屬疊層板的研究并成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。中國(guó)先后深入研究并提出了通過(guò)分子真空和熱擴(kuò)散技術(shù)結(jié)合多種方法制備新型鋁/鎂合金層狀復(fù)合板先進(jìn)技術(shù)。同時(shí)，開展了鈦/鋁、鋁/鎂/鈦及Al/Mg/Al疊層板材的制備工藝研究，在異種復(fù)合金屬疊層材料和大中小面積金屬?gòu)?fù)合疊層材料的制備工藝研究與實(shí)際應(yīng)用推廣方面已經(jīng)取得了巨大的成功[8]。

鎂合金憑借其結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、良好減振等性能優(yōu)勢(shì)在流體結(jié)構(gòu)學(xué)和輕量化應(yīng)用領(lǐng)域備受業(yè)界關(guān)注，但其結(jié)構(gòu)抗壓和腐蝕性差、室溫下可塑性低的性能始終限制其在汽車輕量化應(yīng)用的推廣。為此，考慮對(duì)這種鎂合金表面直接疊加一層耐高溫耐腐蝕性的鋁面板，形成Al/Mg/Al疊層結(jié)構(gòu)，其中在組成單元板間未直接形成金屬原子間與層次間的連接，以避免引入腐蝕鋁鎂層間連接的脆性化合物。Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料充分結(jié)合了其他鋁鎂合金整體密度小、比強(qiáng)度高、剛性好、阻尼減震性好以及其他鋁合金耐磨和抗蝕、價(jià)廉的幾大主要優(yōu)點(diǎn)，不僅有效地節(jié)約了資源和能源，而且很大程度減輕了其他同類產(chǎn)品重量，提高了產(chǎn)品的使用性能。

2.1 累積疊軋法對(duì)鋁/鎂/鋁金屬疊層復(fù)合材料影響的研究

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，鋁/鎂/鋁金屬?gòu)?fù)合材料的軋制過(guò)程可以通過(guò)金屬鋁鎂材料實(shí)現(xiàn)軋制機(jī)械性的結(jié)合與擴(kuò)散性的結(jié)合，但由于鋁/鎂/鋁金屬?gòu)?fù)合材料的軋制結(jié)合強(qiáng)度比通過(guò)累積擠壓疊軋復(fù)合制備的金屬鋁鎂多層復(fù)合材料的結(jié)合次數(shù)強(qiáng)度小的多，復(fù)合材料的金屬鎂和金屬鋁兩層在累積疊軋結(jié)合次數(shù)強(qiáng)度少于三次時(shí)具良好的連續(xù)性，在累積疊軋結(jié)合次數(shù)強(qiáng)度多于三次時(shí)，疊層板之間又有明顯的縱向起伏，可能會(huì)出現(xiàn)收縮與斷裂。

2.2 工藝參數(shù)對(duì)鋁/鎂層狀復(fù)合板結(jié)合界面組織影響的研究

研究結(jié)果顯示，鋁/鎂/鋁金屬鋁的復(fù)合材料也可通過(guò)真空加熱擴(kuò)散的方法進(jìn)行制備。鎂鋁結(jié)合界面的擴(kuò)散溶解層主要組成成分有偏鎂側(cè)層Mg2Al3、中間層Mg3Al2和偏鋁側(cè)層MgAl三層。擴(kuò)散溶解層的成分分布與含量均會(huì)受到加熱溫度的直接影響，當(dāng)偏鎂側(cè)層溫度處在470℃時(shí)，界面中含有較多的Mg3Al2相。當(dāng)加熱溫度為470～480℃時(shí)，中間層的主要相為Mg2Al3和Mg3Al2，Mg2Al3和Mg3Al2兩相具有較好的熱穩(wěn)定性能。加熱溫度低于470℃時(shí)，偏鋁側(cè)層中存在較多的MgAl相，且MgAl在偏鋁側(cè)層中的含量隨著加熱溫度的升高增加。

2.3 爆炸復(fù)合法制備鋁/鎂復(fù)合材料結(jié)合界面的成分和性能與不同處理方法之間關(guān)系

研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[9]，爆炸離子復(fù)合法加工制備的鋁/鎂金屬離子復(fù)合材料未被進(jìn)行熱處理時(shí)在結(jié)合界面呈現(xiàn)波浪狀，并未發(fā)現(xiàn)任何有利的金屬離子化合物生成，鋁鎂相互結(jié)合情況良好，具有70.4MPa的結(jié)合強(qiáng)度。鋁、鎂兩種金屬?gòu)?fù)合材料通過(guò)低溫長(zhǎng)期氧化熱處理后，在鋁鎂金屬結(jié)合處存在一些元素?cái)U(kuò)散性的現(xiàn)象，并逐漸形成了鎂鋁的金屬固溶體。固溶體隨著使用時(shí)間和熱處理材料溫度的不斷增加發(fā)生變化成為由Mg17Al12和Al2Mg3組成的金屬間化合物，鋁/鎂金屬板等復(fù)合材料經(jīng)過(guò)短時(shí)間高溫?zé)崽幚砗螅X/鎂金屬材料接觸面間隙處也可能會(huì)緩慢出現(xiàn)金屬間復(fù)雜化合物[10]。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散層深度隨著時(shí)間和材料熱處理過(guò)程溫度的增加不斷增加[11]，擴(kuò)散層深度及成分也直接影響著金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度，鋁/鎂固溶體未發(fā)生變化成為其他金屬化合物時(shí)，鋁鎂之間結(jié)合強(qiáng)度顯著增強(qiáng);而鎂、鋁材料之間的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)隨著金屬間化合物的增多快速降低，結(jié)合斷裂斷口也由韌性轉(zhuǎn)變成脆性[12]。

2.4 制備7075/AZ31/7075的Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能的研究

研究表明，金屬?gòu)?fù)合材料的剛度與強(qiáng)度會(huì)隨著鋁合金的相對(duì)厚度的增加而增加，當(dāng)厚度比為Al：Mg：Al=1：2：1時(shí)，材料性能最佳。復(fù)合材料結(jié)合界面的過(guò)程由機(jī)械結(jié)合、表面裂口和原子擴(kuò)散三階段組成。復(fù)合材料在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用已初步制備了部分成熟產(chǎn)品，同時(shí)也在不斷創(chuàng)新新型技術(shù)產(chǎn)品。

3 ?疊層板材制備工藝方案

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案：

4 ?鋁/鎂/鋁疊層復(fù)合板材設(shè)計(jì)指標(biāo)

ρ≤2.2g/cm3;Rm≥380MPa，Rp0.2≥240MPa，A≥8%;E≥60GPa;耐腐蝕性與鋁合金相當(dāng);抗彈性較2024鋁合金提高一倍;建立寬600mm（寬）×（3-5mm厚）疊層板示范生產(chǎn)線。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)汽車領(lǐng)域輕量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al疊層復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備和應(yīng)用技術(shù)，成功研制了高性能疊層復(fù)合材料，以滿足汽車領(lǐng)域所需輕質(zhì)板材的需求。Al/Mg/Al疊層板材可以有效規(guī)避鋁鎂合金力學(xué)性能低、模量不足、耐蝕性很差、裝配難度大、修復(fù)困難的關(guān)鍵缺陷，顯著增大鎂合金的適用環(huán)境和應(yīng)用領(lǐng)域。Al/Mg/Al疊層板材不僅可以廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空航天和汽車領(lǐng)域，促進(jìn)我國(guó)高性能鋁鎂合金的應(yīng)用推廣水平，還可使我國(guó)的高性能鋁鎂合金有機(jī)會(huì)出口美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。

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