進(jìn)入21世紀(jì)后，單一組元金屬材料的性能已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展的需求，而金屬復(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，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、超級奧氏體不銹鋼/鋼等高性能功能金屬復(fù)合板及加工成型技術(shù)是《國家新材料發(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)國內(nèi)外研究進(jìn)展及其優(yōu)缺點，探索高性能功能金屬復(fù)合板加工技術(shù)未來發(fā)展的方向，以期對后續(xù)新型金屬復(fù)合板及其制造工藝的研發(fā)產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用。

1.   爆炸復(fù)合技術(shù)

1.1   爆炸復(fù)合工藝原理及優(yōu)點

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，其中最大的優(yōu)點體現(xiàn)在2個方面：（1）生產(chǎn)工藝簡單，能夠使熱膨脹系數(shù)差異較大的金屬牢固組合在一起；（2）由于爆炸焊接過程極短，瞬時產(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)合強度和優(yōu)良的后續(xù)加工性能。

1.2   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科學(xué)家Carl提出，而第一次爆炸焊接試驗則由美國科學(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]。我國則于1963年開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)出我國第一塊爆炸焊接試驗板，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年開展了海軍艦艇換熱器用爆炸焊接金屬復(fù)合板的研發(fā)并取得成功，首次實現(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)展和研究過程中，我國爆炸復(fù)合技術(shù)日益更新，不斷成熟，陸續(xù)開展了80多種材料組合方面的爆炸焊接產(chǎn)品開發(fā)工作，成功研發(fā)出不銹鋼/鋼[8]、鈦/鋼[9]、鈦/鋼/鈦[10]等30多種爆炸焊接金屬復(fù)合板。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國爆炸焊接復(fù)合板產(chǎn)能就已經(jīng)突破100萬t[11]，產(chǎn)品具有薄型、力學(xué)強度不減等優(yōu)良的綜合性能，遠(yuǎn)銷海外。

1.3   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大而產(chǎn)生界面過熔或開裂失效等問題的出現(xiàn)[12]。江蘇潤邦新材料公司和中國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)明了多點多塊金屬板材同時爆炸焊接方法[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，實現(xiàn)了爆炸復(fù)合工藝的高效化生產(chǎn)，圖4為江蘇潤邦新材料公司運用雙立式爆炸焊接法制備出的哈氏合金/鋼（C276/Q345R）復(fù)合板。

1.4   爆炸復(fù)合工藝存在的問題

近年來，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。金屬復(fù)合板爆炸焊接過程中爆轟穩(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)合的過程中常常存在邊部不貼合等質(zhì)量問題。若采用小板幅復(fù)合板拼焊成大板幅，則不僅會增加生產(chǎn)成本，壓縮訂單利潤，而且焊縫接頭處容易開裂，使整板的剪切強度下降，對于企業(yè)來說實在是兩難的選擇。

此外，隨著產(chǎn)品尺寸的增大，使用的炸藥量也會成倍增加。原來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]。炸藥量的增加會帶來一系列問題，首先民用炸藥的管理較為復(fù)雜，雖然有管理條例對炸藥的生產(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題，炸藥量的增加會加大危險發(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)合工藝的機械化水平，從而推動爆炸焊接工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，是未來幾年爆炸加工企業(yè)需要重點思考的兩個問題。

2.   軋制復(fù)合技術(shù)

2.1   軋制復(fù)合工藝原理及優(yōu)點

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，通過軋機的壓力作用，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)勢主要有：（1）不受氣候、環(huán)境等外界因素影響，可規(guī)?；I(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。

2.2   軋制復(fù)合工藝的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代美國率先開始研究軋制復(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個步驟[19]。隨后，前蘇聯(lián)和歐美等發(fā)達(dá)國家也陸續(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)合機理。

2.3   軋制復(fù)合工藝的分類

目前軋制金屬復(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]。

2.3.1   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，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年代問世以來，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個明顯的缺點：（1）在高溫加熱過程中，坯料待復(fù)合面極易氧化，影響界面結(jié)合質(zhì)量，嚴(yán)重時出現(xiàn)界面脫層，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢；（2）當(dāng)復(fù)合板終軋溫度有嚴(yán)格限定時，為了保證軋制溫度滿足要求，坯料連續(xù)軋制的長度同樣被嚴(yán)格限制。

2.3.2   冷軋復(fù)合法

由于熱軋復(fù)合法是高溫軋制且并無保護(hù)氣氛，軋制過程中界面容易氧化并產(chǎn)生金屬間脆性化合物，難以對界面復(fù)合效果進(jìn)行有效控制。因此，針對熱軋復(fù)合法的不足，美國在20世紀(jì)60年代首先提出“大變形復(fù)合+擴散退火”理論，開始研究冷軋復(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，在軋機強大的壓力作用下，層疊在一起的金屬產(chǎn)生原子結(jié)合，使復(fù)合界面達(dá)到一定的強度。第二步將軋好的坯料進(jìn)行低溫長時間熱處理，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是首道次壓力率高達(dá)70%左右，極大的變形率對軋機來說是個巨大的挑戰(zhàn)，同時，軋制成材率、一次軋制復(fù)合率較低等問題一定程度上也限制了冷軋復(fù)合法的推廣使用。

2.3.3   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），無需加熱”的優(yōu)點令許多學(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的“搓揉”作用，加速金屬原子間的擴散，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，同時將軋制壓力降低至原來的1/2，減小了對軋機的損壞[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，在較小的軋制壓力作用下獲得了結(jié)合強度較高的冷軋復(fù)合板。雖然國內(nèi)外學(xué)者對異步軋制已經(jīng)開展了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)問題尚未得到充分論證，導(dǎo)致無法進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

2.3.4   真空軋制復(fù)合法

無論是熱軋復(fù)合還是冷軋復(fù)合工藝，軋制過程中坯料結(jié)合界面都會發(fā)生一定程度的氧化，阻礙金屬間的結(jié)合，只是熱軋過程氧化情況更嚴(yán)重。有鑒于此，前蘇聯(lián)科學(xué)家在1955年針對易氧化金屬間的復(fù)合率先開始研究真空軋制工藝，并取得重大突破。緊接著，德國、日本、美國等發(fā)達(dá)國家爭相開展此項技術(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，利用機械泵將坯料內(nèi)部空氣抽出，使真空度達(dá)到10−2 Pa，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、對環(huán)境幾乎零污染，可生產(chǎn)板寬超過3000 mm的薄復(fù)層金屬復(fù)合板。其中小孔抽真空熱軋復(fù)合法工藝簡單、無需斥巨資建設(shè)高真空生產(chǎn)車間，生產(chǎn)成本相對較低，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，國內(nèi)南鋼、濟(jì)鋼等大型國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%，剪切強度超過200 MPa，高于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明真空軋制復(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)合強度。表1為爆炸焊接和軋制復(fù)合2種工藝優(yōu)缺點對比表。

3.   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，但是對于大板幅、厚度較薄和表面質(zhì)量要求較高的金屬復(fù)合板，爆炸焊接法顯得“捉襟見肘”；而軋制復(fù)合技術(shù)雖然能夠生產(chǎn)大板幅和薄復(fù)層金屬復(fù)合板，但是軋制復(fù)合板組元成分的種類以及界面結(jié)合強度往往沒有爆炸復(fù)合板高。因此，在綜合爆炸以及軋制法的優(yōu)點后，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)板先通過爆炸法制成較厚的坯料，再利用軋機將坯料熱軋成所需的尺寸。該法的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）爆炸法制坯能夠保證界面具有良好的結(jié)合強度；（2）后續(xù)的軋制工藝既進(jìn)一步增加了界面抗剪強度，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，則會對后續(xù)的熱軋?zhí)幚韼硪幌盗新闊?，主要體現(xiàn)在基復(fù)層材料不能夠同時變形，未結(jié)合區(qū)域在軋制過程中面積逐漸擴大，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致基復(fù)層脫落[36]。所以，在選擇爆炸焊接參數(shù)時，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。因為鈦、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)”，軋制過程中易變形金屬鋁牽引著難變形金屬鈦一起流動變形，如果軋制速度過快，變形量較大，產(chǎn)生不均勻變形，則會使鈦板表層出現(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，金屬復(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。

4.   結(jié)論與展望

采用高耐蝕材料是軍用艦艇船舶、耐強酸反應(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比的金屬復(fù)合板材市場需求廣闊。目前國內(nèi)外生產(chǎn)金屬復(fù)合板的方法有很多，但使用頻次較高的無外乎爆炸焊接法、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。對于企業(yè)來說，選擇合適的復(fù)合方法，有助于降低生產(chǎn)成本的同時，提高復(fù)合板整體性能。在持續(xù)不斷地探索中，金屬復(fù)合工藝研究雖然取得了豐富的研究成果，但同時還有許多關(guān)鍵問題需要科研工作者去思考，比如如何解決熱軋過程中界面氧化問題，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，是金屬復(fù)合板加工技術(shù)未來發(fā)展的重點方向。

文章來源——金屬世界