異質(zhì)輕金屬層狀復(fù)合板制備工藝及性能研究進展

苑瀟逸，寧江利，陶世潔

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

1 概述

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的發(fā)展，新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)對材料綜合性能的要求日益提高。鎂合金密度小、比強度高、易于加工、鎂儲量大，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。然而鎂合金為密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下變形能力較弱，延展性差，化學(xué)活性高而耐腐蝕性差，這些嚴(yán)重制約了鎂合金的應(yīng)用[4-5]。而由兩種以上金屬組成的某些金屬復(fù)合板具有耐磨、耐腐蝕、抗沖擊、成本低等優(yōu)點[6-7]。其中，鋁合金具有高延展性和良好的耐腐蝕性，Al/Mg復(fù)合板可將Al的高延展性與Mg的高比強度相結(jié)合[8-9]。鈦合金力學(xué)性能優(yōu)良，具有高比強度、高伸長率和耐腐蝕性，被廣泛用于航空航天及高耐蝕性的化工領(lǐng)域，將它與鎂合金復(fù)合可以彌補鎂合金的缺陷[10]。目前已有將鎂合金與Al、Ti等金屬復(fù)合的報道[1-3,8-10]，所得到的復(fù)合板均具有較高的力學(xué)性能和界面結(jié)合強度。本文綜述了Mg/Al、Mg/Al/Ti等異質(zhì)輕金屬層狀復(fù)合板制備工藝和性能的研究現(xiàn)狀。

2 復(fù)合板制備方法及研究進展

2.1 軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合法(rolling)是以一定順序堆疊兩個或多個金屬板，在軋機壓力的作用下使金屬復(fù)合處的表面發(fā)生塑性變形，潔凈金屬從表層露出，在界面處形成冶金結(jié)合的方法。圖1為軋制復(fù)合的示意圖。由于軋制過程中的熱擴散作用，軋制后界面間往往存在幾微米至十幾微米的元素擴散層，形成穩(wěn)固的結(jié)合層[11-12]。擴散層的厚度會隨著軋后熱處理溫度的升高而增加。軋制復(fù)合具有工藝簡單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點[1-2]。目前軋制復(fù)合是鎂合金復(fù)合板生產(chǎn)的主要方式之一，具有較好的研究價值與發(fā)展前景。

圖1 軋制復(fù)合示意圖Fig.1 Schematic diagram of rolling

隨著軋制復(fù)合研究的不斷深入，人們通過改良傳統(tǒng)軋制工藝以提升復(fù)合板的性能。累積疊軋(accumulative roll bonding)[13]是在軋制復(fù)合的基礎(chǔ)上進行改進得到。與傳統(tǒng)軋制復(fù)合不同的是，累積疊軋通常對復(fù)合板進行多次軋制，具有較大的壓下量，能夠使性質(zhì)差異較大的金屬板實現(xiàn)復(fù)合。已有文獻(xiàn)[9,14-16]通過累積疊軋合成了Mg/Al、Mg/Ti、Al/Ti/Mg等復(fù)合板，多道次疊軋使得部分區(qū)域發(fā)生頸縮或斷裂，形成非平直的不規(guī)則界面，增大了金屬間的接觸面積，提升了整體的結(jié)合性能[17-18]。且軋制中施加的巨大載荷使得金屬晶粒細(xì)化，并產(chǎn)生了加工硬化，實現(xiàn)了基體組織的強化，可以提升整體的力學(xué)性能[9,18]。

除了累積疊軋外，還可以對復(fù)合板進行異步軋制[3,19]。通過改變上下軋輥轉(zhuǎn)速或輥徑等，實現(xiàn)軋輥之間線速度的差異，使得不同金屬板間產(chǎn)生相對滑動，通過板之間的摩擦產(chǎn)生搓軋區(qū)產(chǎn)生額外的剪切變形，可以提升復(fù)合界面的結(jié)合強度。Liu等[20]分別在350 ℃下通過常規(guī)單道次軋制和異步軋制復(fù)合成AZ31/1060復(fù)合板，結(jié)果表明異步軋制后，鎂合金界面處具有更細(xì)小的晶粒，經(jīng)過室溫拉伸后界面仍能保持較好的結(jié)合。

2.2 爆炸焊接法

爆炸焊接法(Explosive welding)是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的能量使復(fù)板碰撞基板，并通過塑性變形、熔化、擴散等將金屬焊接在一起，如圖2。爆炸焊接復(fù)合速度快，強度高，界面處脆性中間相少[7]，對于復(fù)合力學(xué)性能相差較大的金屬效果較好。相比于軋制復(fù)合，爆炸焊接的特點：

圖2 爆炸焊接示意圖[22,25]Fig.2 Schematic diagram of explosive welding

1)波浪形界面[21-22]。爆炸時炸藥所提供高溫與巨大的載荷作用在材料表面，部分熔點較低的金屬如Mg、Al等熔化，界面間形成沿載荷方向運動的熔態(tài)射流，形成波浪形的界面(如圖3所示)。不同金屬的接觸面積增大，從而提升了界面處的硬度和結(jié)合強度[23]。波浪的大小與深度等可能與基板與復(fù)板的性能差距有關(guān)。經(jīng)過爆炸焊接合成的AZ31/1060復(fù)合板，其界面處的硬度約為基板的3-4倍，剪切強度約為62.2 MPa[24]。

圖3 爆炸焊接后Mg/Al復(fù)合板的波浪形界面[22]Fig.3 Wave-shaped interface of Mg/Al composite after explosive welding[22]

2)界面處組織呈現(xiàn)梯度分布。以Mg/Al復(fù)合板為例，爆炸焊接后鎂合金一側(cè)通常呈現(xiàn)出絕熱剪切帶和孿晶，距界面較近的部分晶粒大幅細(xì)化，晶粒尺寸沿深度方向梯度分布[24-26]。相應(yīng)的，鋁合金一側(cè)的硬度也呈現(xiàn)梯度分布，硬度的增加主要取決于爆炸后位錯密度的增加與晶粒的細(xì)化。界面處較高的硬度有助于提升結(jié)合強度，同時有利于元素的擴散[22]。

然而，爆炸會損傷復(fù)板材料的表面，在制備過程中會產(chǎn)生噪音和有害氣體，不適合連續(xù)生產(chǎn)，安全系數(shù)較低[2,27]。且爆炸焊接工藝較為復(fù)雜，影響爆炸載荷與界面熔融程度的因素較多?；迮c復(fù)板的間距，炸藥的品種與量等都會影響復(fù)合過程[28-29]。這些是目前爆炸焊接仍需研究的問題。

2.3 其他方法

除了軋制復(fù)合和爆炸焊接，目前還有其他制備方法應(yīng)用于復(fù)合板的制備，如熱壓法、擴散焊接等[3]。熱壓法(hot pressing)將金屬板按基板在下，復(fù)板在上的順序疊好，中間置入部分共晶粉末或合金粉末焊料作為中間連接層，在一定溫度下通過熱壓機加壓并保持一段時間，界面處的中間層會發(fā)生擴散反應(yīng)形成擴散層，從而實現(xiàn)不同板材之間的結(jié)合[8,30-31]。熱壓裝置如圖4所示[8]。

圖4 熱壓裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the hot pressing

擴散焊接(Diffusion bonding)[32-33]與熱壓法原理類似。將清洗干燥后的試板疊合，在不同溫度與壓力下進行一段時間的壓制，以實現(xiàn)不同試板界面間元素的擴散。界面擴散的質(zhì)量與保溫時間與壓力等參數(shù)有關(guān)。

3 高性能輕金屬復(fù)合板的研究現(xiàn)狀

目前研究較多的異質(zhì)輕金屬復(fù)合板有Mg/Al和Mg/Al/Ti等。相比于其他金屬，Mg和Al的熔點等性質(zhì)相差較小，經(jīng)過較大載荷如累積疊軋[9,14-15]、爆炸焊接[21,23]后，界面處的Mg和Al破碎或者熔化，從而提高了界面結(jié)合率，所得到的Mg/Al復(fù)合板可將鎂合金的高比強度和鋁合金的高塑性韌性結(jié)合到一起。Zhang等[23]通過爆炸焊接合成了AZ31B/6061復(fù)合板。爆炸產(chǎn)生的劇烈應(yīng)變使得界面處形成了波浪形界面，界面附近的部分晶粒由于應(yīng)變的作用大幅細(xì)化，形成了梯度結(jié)構(gòu)，有助于提升界面結(jié)合強度。經(jīng)測定，界面處合金的納米壓痕硬度最高達(dá)1.22 GPa，界面剪切強度達(dá)201.2 MPa。

然而，Mg/Al復(fù)合板通常具有較低的抗拉強度[8,20,34]。通過優(yōu)化基材，如選用強度較高的稀土鎂合金[35]和7×××系鋁合金[9,32-33]等可以實現(xiàn)復(fù)合板抗拉強度的提升。此外，還可以選用其他強度更高的輕金屬基材，如鈦合金。鈦合金具有塑性好、質(zhì)輕、高強等優(yōu)點[10]，然而Mg與Ti的性質(zhì)相差較大，常規(guī)條件下幾乎不生成金屬間化合物，且相互的固溶度很低[36]。而Al與Mg、Ti均可結(jié)合形成金屬間化合物，在Mg與Ti之間加入Al中間層可以提高復(fù)合板的整體性能。Nie等[37]在450 ℃下單道次軋制得到Mg/Al/Ti復(fù)合板，軋制前Mg、Al、Ti的厚度分別為2.7 mm、0.35 mm和0.5 mm。Ti的加入提升了復(fù)合板的強度，軋制后復(fù)合板抗拉強度和伸長率達(dá)580 MPa和38%。部分輕金屬復(fù)合板的加工工藝和力學(xué)性能見表1。

表1 部分高性能復(fù)合板Table 1 High-performance composite laminate

4 影響復(fù)合板組織與性能的因素

4.1 軋制工藝的影響

4.1.1 軋制溫度

軋制溫度影響合金晶粒尺寸與再結(jié)晶程度，進而影響復(fù)合板的延展性。對于Mg/Al復(fù)合板，軋制溫度為350 ℃時，Mg層呈現(xiàn)熱軋態(tài)組織，此時仍具有較強的基面織構(gòu)，說明再結(jié)晶程度較低[1,34]。而當(dāng)溫度升高至400 ℃后，Mg層呈現(xiàn)明顯的動態(tài)再結(jié)晶組織，這說明隨著軋制溫度增加會促進再結(jié)晶，對提高復(fù)合板的延展性有利。經(jīng)過400 ℃軋制的Mg/Al復(fù)合板強度約為250 MPa～300 MPa[17,38]，具有不錯的力學(xué)性能。而對于Al/Ti界面，400 ℃軋制所形成的擴散層深度較淺。提高溫度可以提升界面擴散層的深度，實現(xiàn)更好的結(jié)合[39-40]。然而，軋制溫度高于500 ℃時鎂合金的穩(wěn)定性較差，可能會導(dǎo)致突然失效等。因此對于Mg/Al/Ti復(fù)合板，較好的軋制溫度可能為450℃。目前已有文獻(xiàn)[37,41-42]報道經(jīng)過450 ℃軋制得到的Mg/Al/Ti復(fù)合板均具有較高的力學(xué)性能與較好的結(jié)合性能。

4.1.2 壓下量

軋制壓下量影響著金屬塑性變形的程度。增加壓下量會使得Mg層的塑性變形程度增加，產(chǎn)生更大的應(yīng)變，隨之會進一步激發(fā)動態(tài)再結(jié)晶[3]，實現(xiàn)細(xì)晶強化。Wang、Mi等[2-3]在不同壓下量下通過熱軋合成了Ti/Al/Mg/Al/Ti輕金屬復(fù)合板，并研究不同壓下量對復(fù)合板組織性能的影響。結(jié)果表明，壓下量由40%增加至50%時，Mg層中再結(jié)晶晶粒比例增加，說明壓下量的增大有利于再結(jié)晶的發(fā)生。此外，壓下量同樣影響復(fù)合板界面。Wang等[43]通過EDS在400 ℃分別對壓下量為19%～44%的Mg/Al/Ti復(fù)合板的Mg/Al和Mg/Ti界面進行了研究。結(jié)果顯示元素擴散的深度隨壓下量的增加緩慢上升。元素擴散量的增加意味著更多金屬化合物的產(chǎn)生，一定程度上加強了復(fù)合板的界面結(jié)合能力。

4.1.3 累積疊軋

疊軋次數(shù)對復(fù)合板的微觀組織與性能影響較大。疊軋1道次后Mg/Al界面[17-18]、Mg/Ti界面[14-15]、Al/Ti[39]界面仍保持平直。而隨著疊軋道次的增加，金屬板受到的載荷也逐步增大。此時復(fù)合板內(nèi)界面出現(xiàn)彎曲、頸縮等現(xiàn)象，平直的界面逐漸變?yōu)椴灰?guī)則曲線形，增大了不同金屬間的接觸面積[15-16]。且金屬中的晶粒組織在軋制過程中受外力擠壓破碎，促進了再結(jié)晶形成細(xì)小晶粒的過程[44]，形成細(xì)晶強化效應(yīng)。

4.2 退火工藝的影響

4.2.1 退火溫度

不同溫度下退火會對復(fù)合板的微觀組織產(chǎn)生影響。Zhang等[22]分別對爆炸焊接后的Mg/Al復(fù)合板進行200 ℃～400 ℃退火2 h。經(jīng)過退火后，Mg一側(cè)界面附近的絕熱剪切帶和孿晶減少或消失，說明退火使得界面附近受到劇烈應(yīng)變的鎂合金發(fā)生了再結(jié)晶。200 ℃2 h退火后Mg-Al元素擴散層約2 μm～3 μm，而溫度升至300 ℃～400 ℃后擴散層的深度升至10 μm～15 μm。Wu等[10]分別在200 ℃～400 ℃下對軋制得到的Mg/Al/Ti復(fù)合板退火1 h，并觀察了其組織變化。分析發(fā)現(xiàn)200 ℃退火后，組織轉(zhuǎn)變不大，晶粒分布不均勻，復(fù)合板中仍存在較大的殘余應(yīng)力。而退火溫度升高至300 ℃以上時，再結(jié)晶程度明顯增高，晶粒出現(xiàn)長大趨勢。這說明退火溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變發(fā)生越完全，有助于消除材料內(nèi)的殘余應(yīng)力。

4.2.2 退火時長

Macwan等[45]研究了400 ℃下退火時長對軋制Mg/Al界面的影響。隨著退火時間由0.5 h升至2 h，擴散層的厚度由40 μm逐漸升至120 μm。擴散層厚度的增加使得金屬間化合物含量增加，在一定程度上可以提升界面結(jié)合強度。

然而，在較高溫度下長時間退火可能會導(dǎo)致Mg和Al晶粒過度生長和組織軟化，使得復(fù)合板的整體性能下降[22,26]。在軋制后的Al/Ti界面也觀察到類似現(xiàn)象[39,46]。隨著退火時間的延長，合金的伸長率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。由于界面兩側(cè)原子濃度梯度的存在，長時間退火促進了TiAl3相的形核與長大，在界面間形成了密集的析出相。拉伸斷裂形貌顯示長時間退火后界面兩側(cè)出現(xiàn)分離。這說明退火時間過長可能會使復(fù)合板受外力作用更易出現(xiàn)失效。

4.3 其他工藝的影響

4.3.1 爆炸焊接工藝

爆炸提供的載荷是影響復(fù)合板力學(xué)性能的重要因素。爆炸載荷的增大可能會影響界面結(jié)合的形貌，進而影響界面的結(jié)合性能[47]。影響爆炸載荷的因素如下：

1)炸藥參數(shù)。炸藥的類型和裝藥密度影響著爆炸時作用在金屬板上的載荷，從而影響金屬板碰撞時的速度[48-49]。對于炸藥參數(shù)的選取通常結(jié)合實際經(jīng)驗，通過公式計算得到。

2)合金種類。不同的金屬板對于爆炸波與載荷的傳遞效率存在差異，而密度和力學(xué)性能不同的金屬板在受到載荷沖擊時，移動的速度也有差異，從而導(dǎo)致兩塊或多塊金屬板復(fù)合時界面的結(jié)合能力產(chǎn)生差異[48,50]。

3)基板與復(fù)板間的間隙寬度。金屬板間的距離影響復(fù)合板沖擊時的速度。寬度過小會導(dǎo)致復(fù)合板沖擊速度低，載荷過小，結(jié)合強度不高；寬度過大可能會導(dǎo)致基板出現(xiàn)裂紋[28,49]。

4.3.2 擴散焊接工藝

擴散焊接時的溫度是制備過程中影響復(fù)合板性能的重要因素。根據(jù)Arrhenius方程[8,22]，溫度與金屬的相互擴散系數(shù)成正比。提高溫度有助于界面間金屬原子的擴散，從而增大界面擴散層厚度，提高結(jié)合性能。Afghahi等[32]分別在不同溫度下對Mg/Al輕金屬復(fù)合板進行擴散焊接，并研究了溫度對結(jié)合強度的影響。分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度由430 ℃提升至440 ℃，材料的擴散層厚度由約10 μm增加到約15 μm，結(jié)合強度由30 MPa升至38 MPa。

4.4 金屬間化合物的影響

對于異種金屬復(fù)合板而言，金屬間化合物主要產(chǎn)生于不同金屬的界面附近，并對界面組織和整體力學(xué)性能產(chǎn)生影響。以Mg/Al復(fù)合板為例，經(jīng)過熱軋或爆炸焊接后，界面金屬原子擴散形成一定厚度的元素擴散層。同時部分Mg、Al原子通過金屬鍵結(jié)合，在擴散層中形成金屬間化合物。金屬間化合物的成分與原子占比與形成位置的不同原子濃度相關(guān)。通常在Al一側(cè)容易生成含Al較多的Al3Mg2相，而Mg一側(cè)更易產(chǎn)生Mg17Al12相[26]。

由于熱軋、爆炸焊接等變形時間相對較短，所得到的擴散層厚度較薄，界面結(jié)合強度較低。通過對復(fù)合板進行熱處理可以改善金屬間化合物層的厚度。根據(jù)公式，界面擴散層厚度與退火溫度的關(guān)系可由(1)式確定[45]：

x=kDt

(1)

式中：

x—擴散距離即擴散層厚度；

t—擴散時間；

D—相互擴散系數(shù),與溫度相關(guān)，可根據(jù)Arrhenius方程確定；

k—常數(shù)。

由此可見，通過退火處理對復(fù)合板進行一定時間的保溫，可以促進界面擴散深度的增加與金屬間化合物的生成[51]。Zhang等[22]分別對爆炸焊接AZ31B/6061復(fù)合板退火0～2 h，發(fā)現(xiàn)300 ℃1 h退火后，擴散層的總厚度為不到20 μm，而2 h退火后達(dá)到近30 μm。而400 ℃退火1 h和2 h后界面擴散層總厚度進一步提升，分別為30 μm和約60 μm。值得一提的是，擴散層中的Al3Mg2層厚度通常大于Mg17Al12層的[22,37]。這是因為相同條件下Al3Mg2相的生長速率要高于Mg17Al12相的，因此Al3Mg2相優(yōu)先在界面中生長[52]。

金屬間化合物的出現(xiàn)說明不同金屬板之間成功實現(xiàn)了冶金結(jié)合，然而其中的脆性相含量過高或尺寸較大時容易成為斷裂時的裂紋源，對材料的延展性不利[53]。Yang等[21]分別在不同溫度下對6061/AZ31B/6061復(fù)合板退火1 h。隨著退火溫度從200 ℃增加至300 ℃，復(fù)合板的伸長率得到了較好的改善，由14.5%增至18.5%左右。隨著退火溫度的升高,擴散層的厚度增加，同時使組織均勻化，材料韌性得到了改善。而退火溫度升高至400 ℃時，復(fù)合板的強度和伸長率均出現(xiàn)下降。強度的下降與退火后基體金屬的軟化有關(guān)，在其他研究[25]中也觀察到類似現(xiàn)象。而伸長率的大幅下降與界面間金屬間化合物的長大有關(guān)。斷裂形貌分析表明，較大尺寸的Mg-Al金屬間化合物是導(dǎo)致材料斷裂的主要因素。

5 結(jié)論

1)軋制得到的Mg/Al、Mg/Al/Ti復(fù)合板具有較為平直整齊的界面，界面間存在幾微米厚的擴散層。目前軋制復(fù)合存在界面結(jié)合強度不高，擴散層較淺等問題。通過多道次累積疊軋的方式可以增大金屬的接觸面積，進而強化不同板之間的結(jié)合力。而擴散層的厚度可以通過后續(xù)不同溫度及時長的退火進行調(diào)控。

2)爆炸焊接對金屬板表面施加巨大載荷，得到的復(fù)合板通常具有波浪形的界面，增大了金屬的接觸面積。經(jīng)過巨大載荷后Mg一側(cè)的界面處通常具有較細(xì)的晶粒和孿晶，可以大幅提升界面附近的硬度。然而爆炸焊接目前仍存在一些問題，如安全系數(shù)較低、生產(chǎn)效率不高、爆炸載荷和爆破速度不可控等。爆炸參數(shù)的控制仍需要進一步研究。

3)金屬間化合物主要分布于界面擴散層中。通過退火可以提升擴散層厚度，并促進金屬間化合物的形成。適當(dāng)?shù)慕饘匍g化合物與擴散層可提升對復(fù)合板界面的結(jié)合性能，然而脆性相過多時容易成為斷裂的裂紋源。因此需要通過調(diào)控退火溫度與時長，控制脆性相的含量。

鎂合金與Al、Ti等輕金屬復(fù)合后改善了原有的力學(xué)性能，同時自身具有輕質(zhì)、抗沖擊性能好等特色，所得到的復(fù)合板具有較高的比強度，具有不錯的應(yīng)用前景。后續(xù)的研究重點是現(xiàn)有工藝的優(yōu)化以及新復(fù)合工藝的開發(fā)，深入研究相應(yīng)的復(fù)合機理及對性能的影響因素，為擴大輕金屬復(fù)合板的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論和技術(shù)依據(jù)。