层状金属复合材料的研究现状.pdf

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1、中国有色金属加工工业协会铝加工高新技术文集层状金属复合材料的研究现状张胜华(中南大学材料系湖南长沙4 1 0 0 8 3)摘要：复合材料以其优异的性能受到人们的关注，发展迅速。随着科学技术发展以及对材料越来越高的要求，各种复合材料不断涌现，固相复合型复合材料，基本上形成了自己的理论体系，正日趋完善成熟，国内外均已工业化生产。本文简述国内外层状复合材料的研究现状，各种复合板，复合棒，复合管等的成形方法，以及范围，供科研和生产单位参考。关键词：层状复合材料；轧制复合；挤压复合；拉拔复合科学技术的不断发展和各种新兴技术、新产业的出现，对材料性能的要求越来越高，单一组元材料的性能很难胜任这些需求。近几

2、十年来，层状金属复合材料的生产、研制和应用越来越引起人们的注意。层状金属复合材料是由几层不同性能的金属复合而成的，与单组元合金相比，经过合理设计组合后的材料可以获得相对较高的强度、耐蚀、导电、导热、导磁等优秀的综合性能j 并应用于特殊要求的工作环境。到目前为止，层状金属复合材料已经在宇航、石油、机械、化工、轻工、汽车、造船、建筑、电力、电子、核能及日用品等领域得到了应用。l 加工技术金属层状复合材料的加工方法按照材料复合过程中是否施加外力，可分为无压复合与压力复合；若按照复合过程是否需要加热可分为室温复合与高温复合；若按照复合晷过程中，金属组元的状态不同，又可差分为固固复合、液固复合、液籍液复

3、合等。工业生产中常用的金属吞层状复合材料的加工技术如图1 所“示。其中有些方法如自蔓延(S H S)、粉末烧结、喷射沉积等是近年来发展起来的新技术，由于它压力加l鲴丽瓯l 合方法图1 层状复合材料结合方法分类一一一一一一一一一一一一，一一一一圈圈硇圆圈一一逖丽鼬丽一一隔4 2 4 铝加工高新技术文集中国有色金属加工工业协会们受到组元性能、产品性能、生产成本的限制，主要应用于特殊场合o1 1 固、液凝固法匿、液凝固法分敷浇法穗熔合法两种。双浇法是把两种需要复合的金属分别熔化，然后顺序把两种金属液浇铸在同一个模子中，冷却凝固后，形成双金属材料。其工艺流程如图2 所示。熔合法是先将低熔点合金加热到熔

4、融状态，使其熔焊在高熔点合金上，其工艺流程如图3 所示。该方法主要适用于制造合金组元熔点差异悬殊，而一般的热复合法又不能使之结合的层状金属复合材料。固、液凝固复合法已有被其它复合方法取代的趋势。固赢降卧悭塑呲划图2 双浇法工艺流程图1 2 粉末冶金复合法(1)粉末轧制法圈3 熔合法流程圈粉未轧制法有两种：一种是在基体金属带坯上松装铺粉，然后通过粉末轧制成型、烧结，形成双金属复合材料；另一种是用两个漏斗同时供粉，轧制形成双金属粉末带坯，再经过进一步烧结、轧制，以获得双金属复合材料。(2)喷射沉积法喷射沉积是将熔融的液态金属或合金在气压或金属液体自重的作用下，由坩埚底部或侧面导流管流出形成稳定的金

5、属液流。金属液流经过雾化器时，被高压高速的惰性气体(缸)或半惰性气体(N：)分散为极细小的金属液体颗粒射流。射流中部分小的颗粒冷凝固结，部分大的颗粒则能保持液相，处于半固、半液态。这种射流高速喷向下方基体材料，产生撞击、聚结、凝圊，大部分形成沉积层。沉积层附着在基体上，便形成复合材。，+喷射沉积可分为以下五个过程：液态金属与气体的输送过程；液态金属的雾化过程；雾化熔滴向基体的输运过程；基体表面的沉积过程；沉积层的冷却与凝固过程。该工艺与传统冶金法褶毖具有以下特点：经济性好。该技术工艺简单，周期短，效率高，成本低。成分均匀，组织细小o 性能优异。强度和韧性均高，远优于铸锭冶金工艺生产的材料。塑性

6、毙粉末冶金工艺生产的材料高。多样性，通用性好。可制备各种形状和尺寸的产品，对不同的产I 疆不需对设备做大的调整。中国有色金属加工工业协会铝加工高新技术文集4 2 5 喷射沉积可以生产铝基合金、铜基合金、钢铁材料和高温合金等。喷射沉积的局限是：沉积物在顶部形成过厚的液相层，将蜕化为一般铸造组织，故难以制备厚壁产品；另外，由于金属射流中物质分布不均，沉积层的尺寸精度低；只适合制备回转体，对于板材等产品的制备有困难；难于精确控制喷射沉积层的组织和性能。，1 3 高能复合法(1)爆炸复合法爆炸复合法利用炸药的爆炸力，在微秒级时间内，使两块金属板在碰撞点附近产生高达1 0 6-1 0 7 s-1 的应变

7、速率和1 0 4 M P a 的高压，从而实现异种金属的焊接复合。由于加载压力和界面高温持续时间极短，阻碍了基、复合用板金属之间的化学反应，焊合区的厚度常在几十微米以内，因此该法适于大部分金属对之间的焊接，如图4所示o爆炸复合主要适合于单张面积较大、厚的复合板材产品或复合板坯，多层复合板(最多可达1 0 0 多层)和截面异型的复合板等。对于稀有、难熔金属，它们与钢的结合区容易生成脆性的金属间化合物。避免或减少这类缺陷的方法是采用中间夹层金属，如钽、银、镍、钒等o，我国2 0 世纪6 0 年代开始，以西北有色金属研究院为主，开展了大量的金属爆炸复合法研究工作，7 0 年代转入试生产，已生产了钛钢

8、及其它金属复合板材约4k t，现可生产的单张板材面积达2 0m 2 0 目前，我国金属爆炸复合产品已实现规格化、系厂广(a)6V d卜：f 万4 2 6 铝加工高新技术文集中国有色金属J j n-r z r _ 址协会声大，需采取特殊的环保措施；生产安全性差，需要特殊的措施和严格的操作规程确保生产安全性d，(2)电磁成型复合。，一电磁成型是2 0 世纪6 0 年代国内外兴起的一种新型复合技术。电磁复合是靠瞬间的强脉冲磁场作为能量，使异种材料产生高速碰撞来实现复合，如图5 所示。与爆炸复合相比，电磁复合具有以下特点：不需要一系列复杂的安全设备，噪音小，不污损金属表面，不破坏其光洁度。故可以不加缓

9、冲层，节约能量o金属可以在加热态进行复合。可以把金属复合到非金属上而不损坏非金属。，能量控制精确，重复性好，易于实现机械化、自动化。需要完善的供电装置。，图5 电磁成形复合示意图(b)(a)管件的复合；l 基管；硝善模；3-r 作线圈；4-复管；5-电容器；6-间隙开关(b)板件的复合1，零件；键E 圈；4-开关；5-电容器；6 _ 充电电源系统；7 支座基于上述特点，电磁复合目前主要应用于小件金属与金属，金属与陶瓷，或金属与高聚物的连接，特别是对于中空异型件的连接是唯一的方法。随着超导、自动控制等技术的发展，电磁成型复合会朝着大型化、自动化的方向发展，并且由于没有噪音和安全方面的局限，有可能

10、部分取代爆炸复合方法。，1 4 压力j n-r 复合法压力加工复合法是指在较大的压力作用下，或者与热作用相结合，使待复合的两金属在整个金属结合面上发生塑性变形，使待复合表面塑性变形破裂，并继续在较大压力作用下形成平面状的冶金结合l o 在后续的扩散热处理中结合面继续扩大，形成稳固结合。压力加工复合法中研究得最多、应用得最广泛的是轧制复合法，而轧中国有色金属加工工业协会铝加工高新技术文集4 2 7 制复合法根据复合条件的变化又有多种类型。根据轧制复合温度参数，可分为热轧复合和冷轧复合。热轧复合是在加热的条件下进行；冷轧复合是在室温下进行。由于受到加热设备以及操作上的限制，热轧复合一般都是块式法生

11、产，并且在生产中容易出现下列问题：板迭焊缝在轧制过程中容易破裂，造成报废；总厚度及厚度难以控制；加热温度、保温时间、压下量不当容易造成结合面氧化及生成脆性中间化合物；生产一致性和稳定性差。因此，热轧复合多用于生产厚的复合板材及板坯。冷轧复合则可以采用带式法生产成卷的复合材。并且可以结合清洗、刷面、热处理等工艺组合成流水式生产线，生产效率较高。这一模式已成为目前先进复合板技术的发展方向之一。t 随着对材料性能要求的提高，层状复合材料组元之间的性能差异越来越大，轧制复合难度进一步增加。有些学者开始研究对基、复材采用不同的轧制温度的轧制复合工艺。在此基础上，国外近年来推出了控制气氛轧制复合工艺，并建

12、设了生产线。控制气氛轧制复合工艺综合了传统热轧复合工艺的优点，一方面可以分别控制基、复材轧制坯料的加热温度，另一方面又可以采用带式法生产成卷的复合材。轧制复合中，各工作辊的工作状态一般近似相同。但是，通过控制工作辊对之间的不同表面状态，以及工作辊与坯料之间的不同摩擦状态，可以实现异步轧制o：*目前，国外正在研制在控制气氛轧制复合生产线上引入异步轧制的复合工艺。可以预见，轧制复合将朝着适用范围更广，自动化程度更高的方向发展。挤压、拉拔、锻造复合一般用于生产复合棒、管、线、型及复杂形状产品。2 金属复合材料的成形方法2 1 金属复合板的主要性能结合状态按A S T MA 5 7 8 特殊用途的复合

13、钢板直声束探伤法或G B 7 7 3 4-S 7(复合钢板超声波探伤法或超声波测厚仪等检测复合板的结合状态。_ 般，压力容器用复合板，要求面积结合率 9 8；简体、封头用复合板，面积结合率 9 5 o力学性能复合板在冷热成型、机加工及焊接过程中是否分层，与加工制造分不开，一般实际结合强度大于标准值5 0。常用复合板剪切强度标准值见表l。，工艺性能评价复合板具有的加工适应性。一般要求：冷弯曲，扭转实验(无标准参照钢板)；特殊要求：疲劳，冲击强度等。：。使用性能耐腐蚀性；导电导热性：无论哪种复合板，其结合区均呈原子间冶金结合，界面间的电阻值可以忽略不计，见表2。4 2 8 铝加工高新技术文集中国有

14、色金属加工工业协会表1 常用复合板剪切强度标准值复合材料钛一钢钽一钢铜一钢黄钢一钢不锈钢铝一钢镰一钢剪切强度l 耱圭9 睡l 1 4 01 5 05 01 5 0规定值M P a，表2 常用复食材料结合送的电阻实测僮材料组合铝铜铝一钢钛一钢钛一铜钛一不锈钢铜一钢铝一不锈钢备注电阻1 0 4 f l e m 21 8 28 1 22 7 11 3 53 7 29 8 34 5 1测燕距离努0 5n L r r l金属复合板的应用广泛应用在化工、轻工、冶金、造船、机械、石化、宇航等工业。，钛一钢复合板应用实例：大化肥尿素二氧化碳汽提塔：管板、管箱、筒体等大面积钛一铜板制成(列管式换热器)；石油化工

15、中直径1 2 0 01 T i m，高2 0m 的成螭釜，氧化塔6 9 5m z 的冷凝器、冷却器；联合制碱法主设备的外冷器、电解槽、反应器等；真空制盐的主体设备，加热室、蒸发罐D-4 0 0 0-6 5 0 0m l n，H=1 0-1 5m o2 2 双金属复合板成形方法。：主要方法：轧制复合、爆炸复合、爆炸一轧制o2 2 1 轧制复合法、。|，基本原理在轧梳强大压力作用下，或与热作用相结合，使两金属在整个截面上发生塑性变形，形成平面状冶金结合。见图6。图6 热轧复台用板坯示意图鑫)一攀一复会叛矮；b)一缀会耪瓣援坯轧制复合法按温度分有热轧、冷轧；按轧机分有普通轧制(同步)、异步轧制o(1

16、)同步轧制一热轧复合缺点：当复合金属为活性金属(A l、T i)时，易在界面形成脆性金属间化合物；配料长度受限制，头尾切边导致成品率低。冷轧复合特点：8 6 0；连续进行，成品率高；复合后要进行扩散处理；冷轧复合困难的材料，可采用温轧复合(或异温轧制复合)，见图7。轧制复合的接点材料：1特点：负荷电流小(m A 级)；接触压力小；接触电阻小而且稳定。中国有色金属加工工业协会铝加工高新技术文集要求：化学稳定性好，表面不易氧化。导电性好；导热性好；熔点高；沸点高；耐磨性好；强度高；可加工性及焊接性好。能满足这些要求的金属材料只有贵金属，但贵金属昂贵，为了节省贵金属，采用廉价金属上覆上很小很薄的贵金

17、属。用途：集成电路引线框架、仪器仪表、通讯、计算机、电接头元件。材料：贵金属(A uA gP tP d)及其合金与铜基等廉价金属复合。轧制复合接点带材的断面形式如图8 所示：白色部分表示廉金属，黑色部分表示贵金属。制造方法：热压轧制复合法；带材连续轧制法o。+：金属A图8 弱电接点材料1 一接点材料(贵金属：g，A u，P t)；2-支撑材料(廉价金属：铜系，青铜系)热压轧制复合法流程：铣槽清刷热压冷轧。连续轧制复合法：热压复合材料为银及银合金，广泛用于制造各类开关和继电器接点。工艺为：厚板(1 0-1 5m m)上铣槽一+热轧复合(加热加压法：在热与压力下，使两金属扩散而结合；扩散热轧法：惰

18、性气体保护长时间扩散后热轧使之结合)+冷轧。o。热轧复合的优点：工艺简单，成本低，结合牢固。缺点：镶嵌金属轧制时流变，不能控制复合条的定位精度；多次中间退火，形成宽的扩散区，不能获得极薄的包覆层；受热压尺寸限制，不能制造很长的成品带材(L 层内，然后通过调质热处理实现复合成形。另一种是缩管拉拔法。该法利用具有不同变形抗力的材料在塑性变形后产生残余应力的特点实现机械结合的一种双金属管复合法。优点：成本低，设备简单，实用性强；缺点：内外层界面的结合是机械结合。改善措施：缩管时仃(外)仃。(内)，扩管时盯。(外)盯(内)；对于高温下适用的双金属管，应考虑内外管的热胀铝加工高新技术文集中国有色金属加工

19、工业协会系数和选择适当复合加工温度；对应力腐蚀裂纹敏感材料应防止应力过大产生裂纹；尽量选择弯曲小的成形加工方法与合适的矫直方法；不宜采用变形抗力相差很大的材料o2 4 包覆材料2 4 1 分类单芯：电线、电缆、高强度导线、耐蚀导线、异型复材；多芯：低温超导多芯复合线。各种异型包覆导电材料见图1 5 0图1 5 各种异型包覆导电材料(a)铜包铝导线；(b)铝包钢电车导线钢铝2 4 2 单芯包覆成形方法，(1)挤压(或挤压一拉拔)各种包覆材料挤压成形法见图1 6。，一，鬓一材一一中国有色金属加工工业协会铝加工高新技术文集，4 3 5 a 普通挤压法图1 6 中(a)、【b)为复合坯料挤压法，包覆材

20、与芯材同时产生塑性变形，(c)、(f)为单纯包覆法，芯材不产生塑性变形。b 连续挤压法1 9 7 2 年，英国B T W 有限公司获得专利；1 9 7 6 年，批准制造C o n f o r m 机；1 9 8 5 年，我国列为国家重点“七五”科技攻关项目。其基本原理是利用摩擦力(有效摩擦挤压)和热效应，使铝材变形，通过改变模具获得各种形状管、棒、型、线材。C o n f o r m 连续挤压包覆法：用于包铝软芯线束(光学纤维有线电视)、铝包钢丝(架空高压线导线等)的生产。见表4，表5。表4 生产C A T V 和O P G W 线的原料及成品表5 铝包钢线原料及成品的规格和性能蟹荃塾堕曼镪莶

21、堑蹙曼4,9 5 0-0 2m m4,3 5 1 8 0m m4,5 O-2 0m m4,9 5 0-0 2m m 直径公差：1 5 芯材4,4-8 5m mo b 9 0 M P a5 簇言嘉盯：螂h 篇淼瓣搽黼10 伽1 5n 蛐n n用该工艺生产的产品，复层厚度一般为成品半径的1 2-1 6，即O 1 5 0 5m m o成品规格和性能满足标准A S T MB 4 1 5-1 9 8 1 和A S T M B 5 2 0 一1 9 8 4 的要求。该法特点：成卷、连续、高速包覆、长度无限长。缺点：挤压后需拉拔，拉模(压力模)很昂贵，尚需进口，有待进一步消化吸收国外模具。(2)烧结法(烧结

22、一拉拔)该法是在已进行表面清洗处理的钢线周围洒上A l粉，用4 个滚筒在2 个方向上进行压缩成形然后加热烧结_ 滚筒压延_+拉伸(3)滚式压接法(铜包铝导线)该法工艺流程如下：铜条(表面处理铝棒(表面处理_ 压接一去毛刺_ 压延。(4)带式熔接法(焊接法)工艺流程为经表面处理的铜带和铝棒进入包覆机，铜带接缝用T i G 焊接然后压缩、拉伸(咖I 8 0)。工艺见图1 7。t(5)浸镀法(铜或铝)包钢线原理见图1 8。工艺流程为：放线一表面清洗。助镀剂(或助焊剂)一镀层_ 冷却一收线。镀层厚度与线速度与液面高度有关。线速度越高，镀层越厚；液面降低，镀层厚度减小。(6)铸拉法铸拉法是热浸镀、连续铸

23、造和拉伸变形的结晶。其优点：表面质量好0 r b 大，导电性好，设备简单，投资少，产品规格多，能实现连续生产。原理见图1 9。各种单芯包覆线材见表6。，t-4 3 6 铝加工高新技术文集中国有色金属加工工业协会清洗图1 7 带式熔接法复合工艺示意图图1 8、浸簿津生产铝粤锣警原理君意图l 一卷取；Z 一冷却；，3-刮刀；4-浸镀箱；5-预热炉；6-表面预处理；7-开卷；8 一保温炉图1 9 铸拉工艺原理示意图1 一钢线；2 一保温炉；3-结晶器；4-拉拔模3国内外层状复合材料生产单位及生产方法。3 I 美国主要研究单位：斯坦福大学、加利福尼亚大学、杜邦公司等。主要生产厂家：美国铝业公司，G O

24、 C 冲心有限公司，耐蚀材料有限公司；杜邦东方不锈钢爆炸的制品公司，美国国家铝业公司，A M E T E K 公司特种金属产品部，动态材料公司：产品范围：五十多种牌号。生产方法：爆炸复合、轧制复合。3 邑j i 日本：ij 主要研究单位：东京大学、大阪大学、横滨工业大学、大阪工业大学。主要生产厂家：日本钢管(N K K)公司；神户制钢公司(K O B E)；旭化成工业公司；新日本制铁公司(N S C)；住友金属工业公司(s M)；川畸制铁公司(K S C)；三菱重工业公司每生产方法以轧制法为主，厚板坯复合采用爆炸法o：、产品范围：以不锈钢和钛钢复合材为主。r 中阑有色金属加工工业协会铝加工高新

25、技术文集4 3 彳-表6 各种革芯包覆线材类别芯材包覆树包覆层比例()用途。特。点玻鸵N o 如&电灯泡蹒灯丝、2 瞻3 0璃4 7 N i F bC u二级管F o N i 合金线膨身长系数的特弹密5 0 N i F bC u性与踟的导电，导热性、钎焊封线e 狂5 0 N i 一 奄功率鑫豁謦羧兼恧有之C u2 9 N i 一1 7 G o F l e。，7 0整流片耐C uT i+1 0 2 0电镀母线T i 与不锈钢耐腐蚀性、不锈饮，蚀导孔镀用黪电架、渡的强度、铜的静电性兼蔼有毫C H不锈钢l O 眩晶电撬、筠，卺灯毫之。不锈镪毽覆宥弱予疆离糕高强池弹簧转、弯曲件的溅度度 J轻量、耐饮轴

26、综合利用不锈钢的耐蚀、耐磨线苓锈镶熬慧赵懿鬣密发l 8 0同轴皋缆综合利用c u j 舭的导电馋岛。A iC uA l 的低密度，7铰、锯|l 乳5 0综合剽用铜的鼯电挂与铁、钢电线、嚣簧、电车线的强度和耐蘑像电综合利用铜的导电性(特男q 是不锈钢“+精密导线、电车线高频导电性)与不锈钢的剐羧、蘩瘗缝，线综合利用铝的鼯电性、耐饿性钢A l1 队5 0姆钢的强度，。输电线、悬缆线装练会剽用嫩、N i 会金、如的镑傩T iN i鼹镜框絮辫缝、电镀缝、寝西精摇王缝用N i 合金c u与吼的低密度、高强度j。3 3 俄罗斯(苏联、)主要研究单位：科学院黑色研究院、轻金属研究院、巴顿焊接研究所、莫斯科钢

27、：铁学院、伏尔加工学院、新西伯利亚科学院落等。主要生产厂家：K O I l H a P e K m 冶金工厂，K y3 H e 联鬟毽夔瀹金工厂，霹丹诺夫斯克冶金联合企业等。生产方法以轧制法为主。产品范围：铝及食金复合，铜铝复合，铝不锈钢复合，钛铝：不锈钢复合等s：3 4 中国主要研究单位：西北有色金属研究院、洛阳7 2 5 所、科学院力学所、国防科大、申南大学、东j 艺大学等。主要的生产厂家：宝鸡有色金属加工厂、西北有色金属研究院、7 2 5 所、大连造船厂、宣宾复合板厂、太原钢铁公i 武汉钢铁公司、佛山精密电王合金有限公司、重庆仪表厂。4 3 8 铝加工高新技术文集中国有色金属加工工业协会

28、产品范围：耐蚀复合材、轴瓦复合材、热双金属材、复合板、复合管、复合棒(丝)等。生产方法：轧制法、爆炸法、粉末冶金法等。4 应用金属复合材的主要目的采用金属复合材的目的是节约稀有贵重金属，降低总体材料的价格，生产出具有多种特殊性能的新材料。可以复合的金属材料见表7。表7 可以复合的金属组合铝铜薹钢l镁钼镍薹 重镍铬镍银不碳合合铂 银锈钢钽钛 钨锌锆金坌萎坌塞金金钢及坌铝铍黄 青合铜 铜铜铜金铝、q、V、铝合金、q、q、铋合金、黄铜、青铜、镉、，、钙qq、铜及铜合金、q、金及合金、铟、铁，铁制珏、膨胀合金、铅及铅合金、镁、镍及镍合金、钯及钯合金、V、铂及铂合金、V银及镪合垒、V、V不锈钢、V、，、V低碳钢、钽、锡及锡合金、V、钛、锌、5 结束语随着科学技术日新月异的发展，人们对材料提出了许多新的需求以及更为苛刻的使用条件。复合材料综合了不同材料组元的物理、化学性能，克服了单一组元材料在性能上的先天不足节省了贵重稀有金属。通过合理的材料设计和先进生产工艺，可以获得既能充分发挥各组元材料的优异特点，又有良好综合性能的低价格新型材料。