金屬?gòu)?fù)合板加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

供稿|周杰，史和生，楊文芬，史航，王高天

內(nèi)容導(dǎo)讀

在全球工業(yè)和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的時(shí)代背景下，單一組元的金屬材料越來(lái)越難滿足嚴(yán)苛的使用環(huán)境。于是科研工作者研究出一種將2 種或2 種以上的金屬材料組合到一起，制成金屬?gòu)?fù)合板再加工成設(shè)備的方法，使其能夠在高溫重載、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等極端工況條件下使用。金屬?gòu)?fù)合板兼具基板和復(fù)板兩種材料的性能，降低了稀貴金屬使用量，在石油化工、海洋船舶、電力環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了目前金屬?gòu)?fù)合板加工領(lǐng)域主流的3 種復(fù)合工藝的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。最后作者指出隨著研究的不斷深入，實(shí)現(xiàn)多種、多層先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)一體化材料的有效組合，是金屬?gòu)?fù)合板加工技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

進(jìn)入21 世紀(jì)后，單一組元金屬材料的性能已無(wú)法滿足現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展的需求，而金屬?gòu)?fù)合板作為替代產(chǎn)品不僅兼具基板和復(fù)合板各自的優(yōu)點(diǎn)，而且大幅度減少了稀貴金屬的使用量，降低了生產(chǎn)成本，具有極高的性價(jià)比，在艦艇船舶、海洋工程、石化裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鈦/鋼、哈氏合金/鋼、超級(jí)奧氏體不銹鋼/鋼等高性能功能金屬?gòu)?fù)合板及加工成型技術(shù)是《國(guó)家新材料發(fā)展指南》明確指出的高新技術(shù)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)，也是各省市重點(diǎn)支持的前沿新材料產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)。本文介紹了爆炸、軋制和爆炸+軋制3 種復(fù)合技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及其優(yōu)缺點(diǎn)，探索高性能功能金屬?gòu)?fù)合板加工技術(shù)未來(lái)發(fā)展的方向，以期對(duì)后續(xù)新型金屬?gòu)?fù)合板及其制造工藝的研發(fā)產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用。

爆炸復(fù)合技術(shù)

爆炸復(fù)合工藝原理及優(yōu)點(diǎn)

爆炸復(fù)合法是指將2 種或2 種以上的金屬板疊放在一起，然后利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊作用，使得復(fù)板與基板之間形成冶金結(jié)合[1-2]。圖1 為平行放置法爆炸焊接復(fù)合板安裝示意圖，圖2 為爆炸焊接復(fù)合板生產(chǎn)工藝流程示意圖。大量研究結(jié)果表明，爆炸焊接技術(shù)具備諸多優(yōu)點(diǎn)，其中最大的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在2 個(gè)方面：(1)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，能夠使熱膨脹系數(shù)差異較大的金屬牢固組合在一起；(2)由于爆炸焊接過(guò)程極短，瞬時(shí)產(chǎn)生高溫高壓，避免了金屬間化合物的產(chǎn)生，使得復(fù)合板具有較高的界面結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)良的后續(xù)加工性能。

爆炸復(fù)合工藝的發(fā)展歷史

爆炸復(fù)合的理論最早由美國(guó)科學(xué)家Carl 提出，而第一次爆炸焊接試驗(yàn)則由美國(guó)科學(xué)家Philichuk 在1959 年完成，他成功制備出世界上第一塊爆炸焊接鋁/鋼復(fù)合板[3-4]。我國(guó)則于1963 年開(kāi)始研究爆炸成型工藝，在中科院力學(xué)研究所等部門的通力合作下，3 年后成功研發(fā)出我國(guó)第一塊爆炸焊接試驗(yàn)板，并于1968 年將爆炸焊接技術(shù)正式用于工業(yè)生產(chǎn)中[5-6]。此后，大連爆炸加工研究所在1970 年開(kāi)展了海軍艦艇換熱器用爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板的研發(fā)并取得成功，首次實(shí)現(xiàn)了爆炸焊接技術(shù)在軍工產(chǎn)品上的應(yīng)用[7]。在近60 年的發(fā)展和研究過(guò)程中，我國(guó)爆炸復(fù)合技術(shù)日益更新，不斷成熟，陸續(xù)開(kāi)展了80 多種材料組合方面的爆炸焊接產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，成功研發(fā)出不銹鋼/鋼[8]、鈦/鋼[9]、鈦/鋼/鈦[10]等30 多種爆炸焊接金屬?gòu)?fù)合板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014 年我國(guó)爆炸焊接復(fù)合板產(chǎn)能就已經(jīng)突破100 萬(wàn)t[11]，產(chǎn)品具有薄型、力學(xué)強(qiáng)度不減等優(yōu)良的綜合性能，遠(yuǎn)銷海外。

爆炸復(fù)合工藝的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前爆炸復(fù)合工藝的研究熱點(diǎn)有低爆速低猛度炸藥配方與制備、雙面多塊同步爆炸復(fù)合工藝研發(fā)等。在臨界爆速炸藥配方與制備方面，安徽理工大學(xué)研制了低密度、高爆速的膨化硝銨炸藥，有效避免了因爆轟荷載過(guò)大而產(chǎn)生界面過(guò)熔或開(kāi)裂失效等問(wèn)題的出現(xiàn)[12]。江蘇潤(rùn)邦新材料公司和中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)在“產(chǎn)學(xué)研”合作中，利用ANSYS 軟件分析了爆轟波、波速等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)多塊復(fù)合板位置、間距的影響，獲得了多板復(fù)合位置和間距參數(shù)理論模型，并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了多點(diǎn)多塊金屬板材同時(shí)爆炸焊接方法[13]，復(fù)合板安裝示意圖如圖3 所示。雙立爆炸法與傳統(tǒng)的平行放置法布藥方式相比，可節(jié)省20%的炸藥用量，實(shí)現(xiàn)了爆炸復(fù)合工藝的高效化生產(chǎn)，圖4 為江蘇潤(rùn)邦新材料公司運(yùn)用雙立式爆炸焊接法制備出的哈氏合金/鋼(C276/Q345R)復(fù)合板。

爆炸復(fù)合工藝存在的問(wèn)題

近年來(lái)，隨著壓力容器等設(shè)備往大型化、專業(yè)化方向發(fā)展，大幅面復(fù)合板呈現(xiàn)供不應(yīng)求的狀態(tài)，然而市場(chǎng)的火爆卻讓生產(chǎn)爆炸焊接復(fù)合板的企業(yè)面臨著非常棘手的問(wèn)題。理論上爆炸焊接技術(shù)可生產(chǎn)任意尺寸的復(fù)合板，但復(fù)合板尺寸越大，意味著爆轟波需要傳遞到更遠(yuǎn)距離。金屬?gòu)?fù)合板爆炸焊接過(guò)程中爆轟穩(wěn)定性是決定爆炸焊接質(zhì)量的重要因素之一[14-15]，而爆轟穩(wěn)定性隨著板幅面積的增加而衰減，導(dǎo)致大幅面復(fù)合板在爆炸復(fù)合的過(guò)程中常常存在邊部不貼合等質(zhì)量問(wèn)題。若采用小板幅復(fù)合板拼焊成大板幅，則不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本，壓縮訂單利潤(rùn)，而且焊縫接頭處容易開(kāi)裂，使整板的剪切強(qiáng)度下降，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)實(shí)在是兩難的選擇。

此外，隨著產(chǎn)品尺寸的增大，使用的炸藥量也會(huì)成倍增加。原來(lái)16 m2爆炸復(fù)合板使用的炸藥量為600～700 kg；當(dāng)面積增至25 m2后，炸藥用量已達(dá)到900～1000 kg[16]。炸藥量的增加會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，首先民用炸藥的管理較為復(fù)雜，雖然有管理?xiàng)l例對(duì)炸藥的生產(chǎn)和使用進(jìn)行了嚴(yán)格的限定，但是在炸藥的拌和等方面還存在著安全問(wèn)題，炸藥量的增加會(huì)加大危險(xiǎn)發(fā)生的概率。其次，爆炸產(chǎn)生的沖擊波、噪聲、粉塵等環(huán)境污染問(wèn)題隨著起爆藥量成比例的提高而變得愈發(fā)嚴(yán)重，使爆炸加工企業(yè)受到更多的限制。因此，如何減少炸藥的使用量，提高爆炸復(fù)合工藝的機(jī)械化水平，從而推動(dòng)爆炸焊接工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，是未來(lái)幾年爆炸加工企業(yè)需要重點(diǎn)思考的兩個(gè)問(wèn)題。

軋制復(fù)合技術(shù)

軋制復(fù)合工藝原理及優(yōu)點(diǎn)

軋制復(fù)合工藝屬于金屬塑性加工工藝，其原理即“薄膜破裂理論”，具體是指將2 種或2 種以上的金屬材料待復(fù)合表面清理干凈并疊放在一起后，通過(guò)軋機(jī)的壓力作用，使得待復(fù)合面金屬表層薄膜破碎，露出新鮮光潔的金屬，從而實(shí)現(xiàn)2 種金屬之間的緊密結(jié)合[17-18]。圖5 為軋制復(fù)合板生產(chǎn)工藝流程圖。軋制復(fù)合工藝的優(yōu)勢(shì)主要有：(1)不受氣候、環(huán)境等外界因素影響，可規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)；(2)生產(chǎn)效率高、交貨周期短；(3)產(chǎn)品幅面大，厚度可自由組合等。

軋制復(fù)合工藝的研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)50 年代美國(guó)率先開(kāi)始研究軋制復(fù)合理論，并提出軋制的核心工藝是表面處理、軋制復(fù)合和退火3 個(gè)步驟[19]。隨后，前蘇聯(lián)和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家也陸續(xù)進(jìn)行了軋制復(fù)合工藝的研究。Abbasi 和Toroghinejad[20]認(rèn)為復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度與軋制溫度、首道次壓下率成正比，而與軋制速度成反比。Mohamed 和Washburn[21]研究表明軋制復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度不僅受軋制工藝參數(shù)的影響，還與金屬間硬度差異等材料本身理化性能相關(guān)。Manesh 和Shahabi[22]研究了總壓下量、軋制道次和摩擦因數(shù)等參數(shù)對(duì)界面結(jié)合質(zhì)量的影響，并表示“薄膜破裂理論”相比“再結(jié)晶理論”能夠更好地解釋復(fù)雜的軋制復(fù)合機(jī)理。

軋制復(fù)合工藝的分類

目前軋制金屬?gòu)?fù)合板制備方法主要分為熱軋復(fù)合法、冷軋復(fù)合法、異步軋制復(fù)合法和真空軋制復(fù)合法4 大類[23]。

熱軋復(fù)合法

將組合好的金屬坯料加熱到指定溫度后送入軋機(jī)，在高溫高壓下，坯料發(fā)生塑性變形，使得異種金屬間能夠牢固焊合的工藝方法稱為熱軋復(fù)合法[24]。該工藝自20 世紀(jì)50 年代問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展到今天，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。由于坯料是在高溫下進(jìn)行軋制，因此熱軋復(fù)合法存在2 個(gè)明顯的缺點(diǎn)：(1)在高溫加熱過(guò)程中，坯料待復(fù)合面極易氧化，影響界面結(jié)合質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)界面脫層，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢；(2)當(dāng)復(fù)合板終軋溫度有嚴(yán)格限定時(shí)，為了保證軋制溫度滿足要求，坯料連續(xù)軋制的長(zhǎng)度同樣被嚴(yán)格限制。

冷軋復(fù)合法

由于熱軋復(fù)合法是高溫軋制且并無(wú)保護(hù)氣氛，軋制過(guò)程中界面容易氧化并產(chǎn)生金屬間脆性化合物，難以對(duì)界面復(fù)合效果進(jìn)行有效控制。因此，針對(duì)熱軋復(fù)合法的不足，美國(guó)在20 世紀(jì)60 年代首先提出“大變形復(fù)合+擴(kuò)散退火”理論，開(kāi)始研究冷軋復(fù)合法。

冷軋復(fù)合工藝通常分兩步完成，第一步在室溫下將坯料送入軋機(jī)，在軋機(jī)強(qiáng)大的壓力作用下，層疊在一起的金屬產(chǎn)生原子結(jié)合，使復(fù)合界面達(dá)到一定的強(qiáng)度。第二步將軋好的坯料進(jìn)行低溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理，保證復(fù)合界面獲得穩(wěn)定的性能[25-26]。與熱軋復(fù)合的高溫高壓不同，冷軋是在室溫下完成的，避免了界面高溫氧化。美中不足的是，冷軋復(fù)合工藝最顯著的特點(diǎn)是首道次壓力率高達(dá)70%左右，極大的變形率對(duì)軋機(jī)來(lái)說(shuō)是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)，軋制成材率、一次軋制復(fù)合率較低等問(wèn)題一定程度上也限制了冷軋復(fù)合法的推廣使用。

異步軋制復(fù)合法

雖然冷軋法具有致命的缺陷，但是“即組(坯)即軋(制)，無(wú)需加熱”的優(yōu)點(diǎn)令許多學(xué)者念念不忘，不斷嘗試找出解決冷軋法完成大變形方面能力不足的方案。20 世紀(jì)80 年代初，研究者們將冷軋復(fù)合的原理進(jìn)行改良演變，提出了一種新興的板材軋制生產(chǎn)思路——“異步軋制工藝”。該法的特征是依靠改變軋機(jī)上下輥輥徑和轉(zhuǎn)速，使上下輥輥速產(chǎn)生差異，然后充分利用輥速不同給坯料帶來(lái)的“搓揉”作用，加速金屬原子間的擴(kuò)散，降低軋制壓力，增大軋制變形量[27-28]。

若采用異步軋制法制備鋼/鋁復(fù)合板，其界面剪切強(qiáng)度最好可達(dá)100 MPa，比采用常規(guī)同步軋制方法提高了2 倍左右，同時(shí)將軋制壓力降低至原來(lái)的1/2，減小了對(duì)軋機(jī)的損壞[29]。研究結(jié)果表明：軋輥輥速不同產(chǎn)生的剪切作用，使得薄板材料冷復(fù)合時(shí)，在較小的軋制壓力作用下獲得了結(jié)合強(qiáng)度較高的冷軋復(fù)合板。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)異步軋制已經(jīng)開(kāi)展了40 余年的研究工作，取得了頗為豐富的研究成果，但不同金屬間軋制異步比、軋制變形規(guī)律等一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未得到充分論證，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

真空軋制復(fù)合法

無(wú)論是熱軋復(fù)合還是冷軋復(fù)合工藝，軋制過(guò)程中坯料結(jié)合界面都會(huì)發(fā)生一定程度的氧化，阻礙金屬間的結(jié)合，只是熱軋過(guò)程氧化情況更嚴(yán)重。有鑒于此，前蘇聯(lián)科學(xué)家在1955 年針對(duì)易氧化金屬間的復(fù)合率先開(kāi)始研究真空軋制工藝，并取得重大突破。緊接著，德國(guó)、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相開(kāi)展此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)。30 年后，日本JFE 公司在1985 年將真空電子束焊接技術(shù)與熱軋法融合在一起，組成了相對(duì)成熟的真空軋制法[30-32]。除了在真空室進(jìn)行坯料組裝焊接外，還可以采用小孔抽真空制坯的方法，利用機(jī)械泵將坯料內(nèi)部空氣抽出，使真空度達(dá)到10-2Pa，其復(fù)合板板坯焊接封裝預(yù)處理流程如圖6 所示。圖7 所示為江蘇潤(rùn)邦新材料公司采用小孔抽真空制坯再熱軋的復(fù)合方法生產(chǎn)的304L/Q345R 復(fù)合板。

與室外作業(yè)的爆炸復(fù)合法相比，真空軋制法生產(chǎn)效率更高、對(duì)環(huán)境幾乎零污染，可生產(chǎn)板寬超過(guò)3000 mm 的薄復(fù)層金屬?gòu)?fù)合板。其中小孔抽真空熱軋復(fù)合法工藝簡(jiǎn)單、無(wú)需斥巨資建設(shè)高真空生產(chǎn)車間，生產(chǎn)成本相對(duì)較低，適用于中小型企業(yè)；而真空室制坯再熱軋的復(fù)合工藝，不僅能夠讓界面保持高真空狀態(tài)，得到較高的界面強(qiáng)度和成材率，而且真空電子束焊接與手工埋弧焊相比，焊縫熱影響區(qū)小、焊接殘余應(yīng)力小，國(guó)內(nèi)南鋼、濟(jì)鋼等大型國(guó)有鋼廠利用真空室制坯熱軋復(fù)合技術(shù)(VRC)成功制備了鈦/鋼復(fù)合板[33]，產(chǎn)品性能優(yōu)異，界面復(fù)合率達(dá)到了99%，剪切強(qiáng)度超過(guò)200 MPa，高于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明真空軋制復(fù)合法有效阻礙了金屬間氧化物的形成，大幅度提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。表1 為爆炸焊接和軋制復(fù)合2 種工藝優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表。

表1 爆炸復(fù)合和軋制復(fù)合2 種工藝簡(jiǎn)要對(duì)比總結(jié)

爆炸+軋制復(fù)合技術(shù)

截止到目前，爆炸焊接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可生產(chǎn)數(shù)十種甚至上百種金屬組合的層狀復(fù)合板，但是對(duì)于大板幅、厚度較薄和表面質(zhì)量要求較高的金屬?gòu)?fù)合板，爆炸焊接法顯得“捉襟見(jiàn)肘”；而軋制復(fù)合技術(shù)雖然能夠生產(chǎn)大板幅和薄復(fù)層金屬?gòu)?fù)合板，但是軋制復(fù)合板組元成分的種類以及界面結(jié)合強(qiáng)度往往沒(méi)有爆炸復(fù)合板高。因此，在綜合爆炸以及軋制法的優(yōu)點(diǎn)后，學(xué)者們提出了一種新的聯(lián)合技術(shù)：爆炸+軋制復(fù)合法，即將基板和復(fù)板先通過(guò)爆炸法制成較厚的坯料，再利用軋機(jī)將坯料熱軋成所需的尺寸。該法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)爆炸法制坯能夠保證界面具有良好的結(jié)合強(qiáng)度；(2)后續(xù)的軋制工藝既進(jìn)一步增加了界面抗剪強(qiáng)度，又能夠保證復(fù)合板成品具有良好的表面質(zhì)量。而爆炸+軋制復(fù)合法的缺點(diǎn)則是工序繁瑣、生產(chǎn)成本高[34-35]。

需要注意的是，由于爆炸焊接在前，因此爆炸工藝參數(shù)的確定對(duì)于整板質(zhì)量尤為重要。若參數(shù)選擇不當(dāng)，產(chǎn)生大波狀結(jié)合界面，導(dǎo)致界面處出現(xiàn)部分未結(jié)合區(qū)域，則會(huì)對(duì)后續(xù)的熱軋?zhí)幚韼?lái)一系列麻煩，主要體現(xiàn)在基復(fù)層材料不能夠同時(shí)變形，未結(jié)合區(qū)域在軋制過(guò)程中面積逐漸擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致基復(fù)層脫落[36]。所以，在選擇爆炸焊接參數(shù)時(shí)，盡量使結(jié)合界面出現(xiàn)均勻的微小波狀。

而軋制工藝參數(shù)的選擇同樣很重要，此處以用爆炸+軋制復(fù)合法生產(chǎn)鈦/鋁復(fù)合板為例。因?yàn)殁?、鋁本身變形抗力較大，加上前道的爆炸復(fù)合工藝使結(jié)合界面存在“黏滯效應(yīng)”，軋制過(guò)程中易變形金屬鋁牽引著難變形金屬鈦一起流動(dòng)變形，如果軋制速度過(guò)快，變形量較大，產(chǎn)生不均勻變形，則會(huì)使鈦板表層出現(xiàn)裂縫，影響表面質(zhì)量。

除了爆炸、軋制以及爆炸+軋制這3 種復(fù)合技術(shù)外，金屬?gòu)?fù)合板的制造工藝還有很多，比如堆焊復(fù)合法、離心鑄造復(fù)合法等，礙于本文篇幅，此處不再贅述。

結(jié)論與展望

采用高耐蝕材料是軍用艦艇船舶、耐強(qiáng)酸反應(yīng)釜、核電用大回路管、電力脫硫煙囪等關(guān)鍵部件提高壽命的主要手段。因此，兼有高耐蝕性能及高性價(jià)比的金屬?gòu)?fù)合板材市場(chǎng)需求廣闊。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)金屬?gòu)?fù)合板的方法有很多，但使用頻次較高的無(wú)外乎爆炸焊接法、軋制法以及爆炸+軋制法這3 大類復(fù)合工藝，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇合適的復(fù)合方法，有助于降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高復(fù)合板整體性能。在持續(xù)不斷地探索中，金屬?gòu)?fù)合工藝研究雖然取得了豐富的研究成果，但同時(shí)還有許多關(guān)鍵問(wèn)題需要科研工作者去思考，比如如何解決熱軋過(guò)程中界面氧化問(wèn)題，如何提高冷軋復(fù)合板的成材率等等。隨著生產(chǎn)設(shè)備不斷更新和技術(shù)理論不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多種、多層先進(jìn)功能結(jié)構(gòu)一體化材料的有效組合，是金屬?gòu)?fù)合板加工技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。