图 1 平行放置法爆炸焊接复合板安装示意图
分享：金属复合板加工技术的研究现状及发展趋势
进入21世纪后，单一组元金属材料的性能已无法满足现代工业飞速发展的需求，而金属复合板作为替代产品不仅兼具基板和复合板各自的优点，而且大幅度减少了稀贵金属的使用量，降低了生产成本，具有极高的性价比，在舰艇船舶、海洋工程、石化装备等领域具有广泛的应用前景。钛/钢、哈氏合金/钢、超级奥氏体不锈钢/钢等高性能功能金属复合板及加工成型技术是《国家新材料发展指南》明确指出的高新技术产品和产业，也是各省市重点支持的前沿新材料产品和产业。本文介绍了爆炸、轧制和爆炸+轧制3种复合技术国内外研究进展及其优缺点，探索高性能功能金属复合板加工技术未来发展的方向，以期对后续新型金属复合板及其制造工艺的研发产生一定的指导作用。
1. 爆炸复合技术
1.1 爆炸复合工艺原理及优点
爆炸复合法是指将2种或2种以上的金属板叠放在一起，然后利用炸药爆炸产生的冲击作用，使得复板与基板之间形成冶金结合[1−2]。图1为平行放置法爆炸焊接复合板安装示意图，图2为爆炸焊接复合板生产工艺流程示意图。大量研究结果表明，爆炸焊接技术具备诸多优点，其中最大的优点体现在2个方面：（1）生产工艺简单，能够使热膨胀系数差异较大的金属牢固组合在一起；（2）由于爆炸焊接过程极短，瞬时产生高温高压，避免了金属间化合物的产生，使得复合板具有较高的界面结合强度和优良的后续加工性能。
下载: 
1.2 爆炸复合工艺的发展历史
爆炸复合的理论最早由美国科学家Carl提出，而第一次爆炸焊接试验则由美国科学家Philichuk在1959年完成，他成功制备出世界上第一块爆炸焊接铝/钢复合板[3−4]。我国则于1963年开始研究爆炸成型工艺，在中科院力学研究所等部门的通力合作下，3年后成功研发出我国第一块爆炸焊接试验板，并于1968年将爆炸焊接技术正式用于工业生产中[5−6]。此后，大连爆炸加工研究所在1970年开展了海军舰艇换热器用爆炸焊接金属复合板的研发并取得成功，首次实现了爆炸焊接技术在军工产品上的应用[7]。在近60年的发展和研究过程中，我国爆炸复合技术日益更新，不断成熟，陆续开展了80多种材料组合方面的爆炸焊接产品开发工作，成功研发出不锈钢/钢[8]、钛/钢[9]、钛/钢/钛[10]等30多种爆炸焊接金属复合板。据统计，2014年我国爆炸焊接复合板产能就已经突破100万t[11]，产品具有薄型、力学强度不减等优良的综合性能，远销海外。
1.3 爆炸复合工艺的研究现状
当前爆炸复合工艺的研究热点有低爆速低猛度炸药配方与制备、双面多块同步爆炸复合工艺研发等。在临界爆速炸药配方与制备方面，安徽理工大学研制了低密度、高爆速的膨化硝铵炸药，有效避免了因爆轰荷载过大而产生界面过熔或开裂失效等问题的出现[12]。江苏润邦新材料公司和中国人民解放军陆军工程大学在“产学研”合作中，利用ANSYS软件分析了爆轰波、波速等关键参数对多块复合板位置、间距的影响，获得了多板复合位置和间距参数理论模型，并在此基础上发明了多点多块金属板材同时爆炸焊接方法[13]，复合板安装示意图如图3所示。双立爆炸法与传统的平行放置法布药方式相比，可节省20%的炸药用量，实现了爆炸复合工艺的高效化生产，图4为江苏润邦新材料公司运用双立式爆炸焊接法制备出的哈氏合金/钢（C276/Q345R）复合板。
1.4 爆炸复合工艺存在的问题
近年来，随着压力容器等设备往大型化、专业化方向发展，大幅面复合板呈现供不应求的状态，然而市场的火爆却让生产爆炸焊接复合板的企业面临着非常棘手的问题。理论上爆炸焊接技术可生产任意尺寸的复合板，但复合板尺寸越大，意味着爆轰波需要传递到更远距离。金属复合板爆炸焊接过程中爆轰稳定性是决定爆炸焊接质量的重要因素之一[14−15]，而爆轰稳定性随着板幅面积的增加而衰减，导致大幅面复合板在爆炸复合的过程中常常存在边部不贴合等质量问题。若采用小板幅复合板拼焊成大板幅，则不仅会增加生产成本，压缩订单利润，而且焊缝接头处容易开裂，使整板的剪切强度下降，对于企业来说实在是两难的选择。
此外，随着产品尺寸的增大，使用的炸药量也会成倍增加。原来16 m2爆炸复合板使用的炸药量为600~700 kg；当面积增至25 m2后，炸药用量已达到900~1000 kg[16]。炸药量的增加会带来一系列问题，首先民用炸药的管理较为复杂，虽然有管理条例对炸药的生产和使用进行了严格的限定，但是在炸药的拌和等方面还存在着安全问题，炸药量的增加会加大危险发生的概率。其次，爆炸产生的冲击波、噪声、粉尘等环境污染问题随着起爆药量成比例的提高而变得愈发严重，使爆炸加工企业受到更多的限制。因此，如何减少炸药的使用量，提高爆炸复合工艺的机械化水平，从而推动爆炸焊接工业技术进步，是未来几年爆炸加工企业需要重点思考的两个问题。
2. 轧制复合技术
2.1 轧制复合工艺原理及优点
轧制复合工艺属于金属塑性加工工艺，其原理即“薄膜破裂理论”，具体是指将2种或2种以上的金属材料待复合表面清理干净并叠放在一起后，通过轧机的压力作用，使得待复合面金属表层薄膜破碎，露出新鲜光洁的金属，从而实现2种金属之间的紧密结合[17−18]。图5为轧制复合板生产工艺流程图。轧制复合工艺的优势主要有：（1）不受气候、环境等外界因素影响，可规模化工业生产；（2）生产效率高、交货周期短；（3）产品幅面大，厚度可自由组合等。
2.2 轧制复合工艺的研究现状
20世纪50年代美国率先开始研究轧制复合理论，并提出轧制的核心工艺是表面处理、轧制复合和退火3个步骤[19]。随后，前苏联和欧美等发达国家也陆续进行了轧制复合工艺的研究。Abbasi和Toroghinejad [20]认为复合板界面结合强度与轧制温度、首道次压下率成正比，而与轧制速度成反比。Mohamed和Washburn[21]研究表明轧制复合板界面结合强度不仅受轧制工艺参数的影响，还与金属间硬度差异等材料本身理化性能相关。Manesh和Shahabi[22]研究了总压下量、轧制道次和摩擦因数等参数对界面结合质量的影响，并表示“薄膜破裂理论”相比“再结晶理论”能够更好地解释复杂的轧制复合机理。
2.3 轧制复合工艺的分类
目前轧制金属复合板制备方法主要分为热轧复合法、冷轧复合法、异步轧制复合法和真空轧制复合法4大类[23]。
2.3.1 热轧复合法
将组合好的金属坯料加热到指定温度后送入轧机，在高温高压下，坯料发生塑性变形，使得异种金属间能够牢固焊合的工艺方法称为热轧复合法[24]。该工艺自20世纪50年代问世以来，发展到今天，在工业生产中得到了广泛应用，技术已经相当成熟。由于坯料是在高温下进行轧制，因此热轧复合法存在2个明显的缺点：（1）在高温加热过程中，坯料待复合面极易氧化，影响界面结合质量，严重时出现界面脱层，导致产品报废；（2）当复合板终轧温度有严格限定时，为了保证轧制温度满足要求，坯料连续轧制的长度同样被严格限制。
2.3.2 冷轧复合法
由于热轧复合法是高温轧制且并无保护气氛，轧制过程中界面容易氧化并产生金属间脆性化合物，难以对界面复合效果进行有效控制。因此，针对热轧复合法的不足，美国在20世纪60年代首先提出“大变形复合+扩散退火”理论，开始研究冷轧复合法。
冷轧复合工艺通常分两步完成，第一步在室温下将坯料送入轧机，在轧机强大的压力作用下，层叠在一起的金属产生原子结合，使复合界面达到一定的强度。第二步将轧好的坯料进行低温长时间热处理，保证复合界面获得稳定的性能[25−26]。与热轧复合的高温高压不同，冷轧是在室温下完成的，避免了界面高温氧化。美中不足的是，冷轧复合工艺最显著的特点是首道次压力率高达70%左右，极大的变形率对轧机来说是个巨大的挑战，同时，轧制成材率、一次轧制复合率较低等问题一定程度上也限制了冷轧复合法的推广使用。
2.3.3 异步轧制复合法
虽然冷轧法具有致命的缺陷，但是“即组（坯）即轧（制），无需加热”的优点令许多学者念念不忘，不断尝试找出解决冷轧法完成大变形方面能力不足的方案。20世纪80年代初，研究者们将冷轧复合的原理进行改良演变，提出了一种新兴的板材轧制生产思路——“异步轧制工艺”。该法的特征是依靠改变轧机上下辊辊径和转速，使上下辊辊速产生差异，然后充分利用辊速不同给坯料带来的“搓揉”作用，加速金属原子间的扩散，降低轧制压力，增大轧制变形量[27−28]。
若采用异步轧制法制备钢/铝复合板，其界面剪切强度最好可达100 MPa，比采用常规同步轧制方法提高了2倍左右，同时将轧制压力降低至原来的1/2，减小了对轧机的损坏[29]。研究结果表明：轧辊辊速不同产生的剪切作用，使得薄板材料冷复合时，在较小的轧制压力作用下获得了结合强度较高的冷轧复合板。虽然国内外学者对异步轧制已经开展了40余年的研究工作，取得了颇为丰富的研究成果，但不同金属间轧制异步比、轧制变形规律等一些关键技术问题尚未得到充分论证，导致无法进行大规模工业化生产。
2.3.4 真空轧制复合法
无论是热轧复合还是冷轧复合工艺，轧制过程中坯料结合界面都会发生一定程度的氧化，阻碍金属间的结合，只是热轧过程氧化情况更严重。有鉴于此，前苏联科学家在1955年针对易氧化金属间的复合率先开始研究真空轧制工艺，并取得重大突破。紧接着，德国、日本、美国等发达国家争相开展此项技术的研发。30年后，日本JFE公司在1985年将真空电子束焊接技术与热轧法融合在一起，组成了相对成熟的真空轧制法[30−32]。除了在真空室进行坯料组装焊接外，还可以采用小孔抽真空制坯的方法，利用机械泵将坯料内部空气抽出，使真空度达到10−2 Pa，其复合板板坯焊接封装预处理流程如图6所示。图7所示为江苏润邦新材料公司采用小孔抽真空制坯再热轧的复合方法生产的304L/Q345R复合板。
与室外作业的爆炸复合法相比，真空轧制法生产效率更高、对环境几乎零污染，可生产板宽超过3000 mm的薄复层金属复合板。其中小孔抽真空热轧复合法工艺简单、无需斥巨资建设高真空生产车间，生产成本相对较低，适用于中小型企业；而真空室制坯再热轧的复合工艺，不仅能够让界面保持高真空状态，得到较高的界面强度和成材率，而且真空电子束焊接与手工埋弧焊相比，焊缝热影响区小、焊接残余应力小，国内南钢、济钢等大型国有钢厂利用真空室制坯热轧复合技术（VRC）成功制备了钛/钢复合板[33]，产品性能优异，界面复合率达到了99%，剪切强度超过200 MPa，高于国家相关标准，说明真空轧制复合法有效阻碍了金属间氧化物的形成，大幅度提高了界面结合强度。表1为爆炸焊接和轧制复合2种工艺优缺点对比表。
表 1 爆炸复合和轧制复合2种工艺简要对比总结
| 项目 | 爆炸法 | 轧制法 |
| 界面结合率 | 95%～100% | 99.9%～100% |
| 生产条件 | 受天气及场地影响；生产效率不高，难以形成生产规模 | 不受天气环境影响；可以规模化生产，生产效率高，但设备投资大 |
| 对环境影响 | 粉尘、噪音、冲击波对生态环境造成破坏 | 对环境几乎零污染 |
| 表面质量 | 爆炸时复板表面容易灼伤或产生麻坑 | 表面光滑平整、无缺陷 |
| 产品规格 | 复层厚度一般要大于3 mm，产品尺寸不宜过大，但可生产总厚度达几百mm的复合板 | 可生产宽度超过3000 mm、复层厚度低至0.1 mm的大板幅复合板材，但不能生产厚度超过50 mm的复合板 |
| 产品种类 | 可生产几十种金属任意组合而成的双金属复合材料，包括复合板和复合管。 | 可生产的金属复合板种类远少于爆炸复合法，且不便于生产圆形等特殊形状的复合板 |
3. 爆炸+轧制复合技术
截止到目前，爆炸焊接技术已经发展到可生产数十种甚至上百种金属组合的层状复合板，但是对于大板幅、厚度较薄和表面质量要求较高的金属复合板，爆炸焊接法显得“捉襟见肘”；而轧制复合技术虽然能够生产大板幅和薄复层金属复合板，但是轧制复合板组元成分的种类以及界面结合强度往往没有爆炸复合板高。因此，在综合爆炸以及轧制法的优点后，学者们提出了一种新的联合技术：爆炸+轧制复合法，即将基板和复板先通过爆炸法制成较厚的坯料，再利用轧机将坯料热轧成所需的尺寸。该法的优点体现在以下几个方面：（1）爆炸法制坯能够保证界面具有良好的结合强度；（2）后续的轧制工艺既进一步增加了界面抗剪强度，又能够保证复合板成品具有良好的表面质量。而爆炸+轧制复合法的缺点则是工序繁琐、生产成本高[34−35]。
需要注意的是，由于爆炸焊接在前，因此爆炸工艺参数的确定对于整板质量尤为重要。若参数选择不当，产生大波状结合界面，导致界面处出现部分未结合区域，则会对后续的热轧处理带来一系列麻烦，主要体现在基复层材料不能够同时变形，未结合区域在轧制过程中面积逐渐扩大，严重时甚至导致基复层脱落[36]。所以，在选择爆炸焊接参数时，尽量使结合界面出现均匀的微小波状。
而轧制工艺参数的选择同样很重要，此处以用爆炸+轧制复合法生产钛/铝复合板为例。因为钛、铝本身变形抗力较大，加上前道的爆炸复合工艺使结合界面存在“黏滞效应”，轧制过程中易变形金属铝牵引着难变形金属钛一起流动变形，如果轧制速度过快，变形量较大，产生不均匀变形，则会使钛板表层出现裂缝，影响表面质量。
除了爆炸、轧制以及爆炸+轧制这3种复合技术外，金属复合板的制造工艺还有很多，比如堆焊复合法、离心铸造复合法等，碍于本文篇幅，此处不再赘述。
4. 结论与展望
采用高耐蚀材料是军用舰艇船舶、耐强酸反应釜、核电用大回路管、电力脱硫烟囱等关键部件提高寿命的主要手段。因此，兼有高耐蚀性能及高性价比的金属复合板材市场需求广阔。目前国内外生产金属复合板的方法有很多，但使用频次较高的无外乎爆炸焊接法、轧制法以及爆炸+轧制法这3大类复合工艺，它们各有优缺点。对于企业来说，选择合适的复合方法，有助于降低生产成本的同时，提高复合板整体性能。在持续不断地探索中，金属复合工艺研究虽然取得了丰富的研究成果，但同时还有许多关键问题需要科研工作者去思考，比如如何解决热轧过程中界面氧化问题，如何提高冷轧复合板的成材率等等。随着生产设备不断更新和技术理论不断发展，实现多种、多层先进功能结构一体化材料的有效组合，是金属复合板加工技术未来发展的重点方向。
下一篇：已经是最后一篇了
上一篇：分享：Ti-1023钛合金棒材的组织与性能
