陳興章

摘要：根據(jù)2016年10月由上海市有色金屬學(xué)會于上海舉行的“2016國際層狀金屬復(fù)合材料論壇暨第四屆中國鋁基復(fù)合材料技術(shù)與應(yīng)用研討會”上26位中國專家的演講交流，綜述了近期中國金屬復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新成果以及發(fā)展趨勢.

關(guān)鍵詞： 金屬； 復(fù)合材料； 技術(shù)創(chuàng)新； 發(fā)展趨勢； 綜述

中圖分類號： TG 249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Review of Laminar Composite Metal Material

Manufacturing Technique

CHEN Xingzhang

（Nonferrous Metals Society of Shanghai， Shanghai 200070， China）

Abstract：According to the speech of the 26 Chinese experts from the “2016 International Laminated-metal Composite Materials Forum and the Fourth Chinese Aluminum Matrix Composite Technology and Application Seminar” held by Nonferrous Metals Society of Shanghai in Shanghai in October 2016，this paper summarizes the recent achievements of Chinese metal composite materials in technical innovation and the development of technological trends.

Keywords：metal； composite material； technical innovation； development trend； review

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)，對材料提出了更為嚴(yán)苛的要求.金屬基復(fù)合材料在設(shè)計上綜合了各組元的優(yōu)點，彌補(bǔ)了各組元的不足，具有單一金屬或合金無法比擬的優(yōu)異綜合性能，成為當(dāng)今材料科學(xué)的一個研究熱點.

層狀金屬復(fù)合材料是利用復(fù)合技術(shù)使兩種或兩種以上物理、化學(xué)和力學(xué)性能不同的金屬之間實現(xiàn)牢固冶金結(jié)合而得到的新型材料.其中的各層金屬仍保持各自原有的特性，但其整體物理、化學(xué)和力學(xué)性能比單一金屬有了很大的提高，因而可以滿足特殊環(huán)境下對材料性能的要求.例如AA3003/AA4004鋁合金復(fù)合材料，外層為4系鋁合金，內(nèi)層為3系鋁合金，這兩種鋁合金復(fù)合制得的材料，既能發(fā)揮3系鋁合金耐腐蝕的優(yōu)點，又能利用4系鋁合金可焊性好的特點實現(xiàn)零件之間的良好連接，是制備汽車散熱器等部件的理想材料.再如鋁/鈦復(fù)層材料，因其具有高強(qiáng)度、高硬度、高剛度和低密度以及較好的斷裂韌性，成為航空航天領(lǐng)域最有應(yīng)用潛力的輕質(zhì)高性能復(fù)合材料之一.

我國層狀金屬復(fù)合材料及其制備技術(shù)的研發(fā)有較長的歷史，尤以汽車熱交換器用鋁合金復(fù)合材料的開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用最為迅猛.20多年來，相繼建成了格朗吉斯鋁業(yè)（上海）有限公司、無錫銀邦金屬復(fù)合材料股份有限公司、長沙眾興鋁業(yè)有限公司、上海華峰日輕鋁業(yè)有限公司、鄒平齊星工業(yè)鋁材有限公司和昆山斯萊特鋁業(yè)有限公司等較大型的層狀鋁基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè).除鋁/鋁復(fù)合材料外，我國研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料還有鋁/鋼、鋁/銅、鋁/鉛、鈦/銅、銅/鋁/銅、鋁/銅/不銹鋼、銅/鉬/銅、鈦/鋼、不銹鋼/碳鋼等，甚至出現(xiàn)了金屬與非金屬復(fù)合材料的研究和應(yīng)用.上海交通大學(xué)、東北大學(xué)、昆明理工大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、上海大學(xué)、大連理工大學(xué)、湖南大學(xué)、上海理工大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)等高校和寶山鋼鐵股份有限公司、洛陽銅金屬材料有限公司、蘇州釬谷焊接材料科技有限公司等企業(yè)，在金屬復(fù)合材料品種和制備工藝技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新方面均取得了豐碩成果.

1 釬焊式熱交換器用鋁合金復(fù)合材料

基于鋁合金的低密度、高熱導(dǎo)率、良好的力學(xué)性能及耐腐蝕性能等特性，基于20世紀(jì)70年代初的以鋁代銅的使用、20世紀(jì)70年代后期的真空釬焊技術(shù)發(fā)展以及20世紀(jì)80年代無腐蝕性釬劑的發(fā)明，自1990年以來，鋁合金復(fù)合材料逐步取代銅成為熱交換器的主要材料，汽車鋁熱交換器被歐美國家廣泛應(yīng)用.在我國，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，鋁熱交換材料的應(yīng)用日益增加.目前汽車熱交換器鋁化率已達(dá)到90%以上，汽車行業(yè)已成為應(yīng)用鋁合金復(fù)合材料的最大市場.2015年鋁合金復(fù)合材料的國內(nèi)用量達(dá)20萬t（全球60萬t）.在電站、工程機(jī)械、家用及商用空調(diào)領(lǐng)域，鋁合金復(fù)合材料的國內(nèi)用量分別為2.5萬t（全球4萬t）、2.5萬t（全球5萬t）、1萬t（全球2萬t）.

在完成了對外來產(chǎn)品的模仿和消化、建立完善的生產(chǎn)線實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)、提供符合市場需求的鋁合金復(fù)合材料后，我國的鋁基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)重點開展了以下的技術(shù)創(chuàng)新工作并取得成果.

1.1 超薄鋁散熱器用非復(fù)合翅片材料

近年來，汽車行業(yè)為改善燃油效率和汽車性能，提出了鋁熱交換器小型化和輕量化的要求.滿足這一需求的最基本方法是對熱交換器材料厚度減薄，為此，上海華峰日輕鋁業(yè)有限公司開發(fā)了超薄鋁散熱器用非復(fù)合翅片材料.所開發(fā)的鋁合金成分較標(biāo)準(zhǔn)AA3003鋁合金和市場高強(qiáng)度非復(fù)合翅片合金含更高的硅（0.7%～1.2%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）和鐵（0.7%～1.2%）.合金組織為密集細(xì)小的彌散相，強(qiáng)度高（H14熱作模具鋼，抗拉強(qiáng)度165～205 MPa，屈服強(qiáng)度>125 MPa），導(dǎo)電率達(dá)45%IACS；翅片材料釬焊性良好，沒有熔蝕，具有高的焊后強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度144 MPa，屈服強(qiáng)度55 MPa）和細(xì)小的晶粒組織，箔材厚度為40～50 μm.

1.2 釬焊式熱交換器用鋁合金復(fù)合材料

釬焊鋁合金復(fù)合材料是目前熱交換器領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的原材料，由芯材與皮材堆疊緊密結(jié)合而成，芯材承擔(dān)主要使用功能，皮材承擔(dān)焊接或其他（如防腐）輔助功能.常用的芯材為鋁錳合金，為熱交換器部件提供必要的強(qiáng)度與耐蝕性能.具有低熔點的鋁硅合金，作為皮材在釬焊時先于芯材熔化，冷卻時凝固形成焊接接頭，使熱交換器各部件（翅片、扁管、箱體等）產(chǎn)生連接.鋁制熱交換器（散熱器、蒸發(fā)器、冷凝器、加熱器、油冷器等）在汽車行業(yè)中的應(yīng)用飛速發(fā)展.為適應(yīng)汽車不斷要求的輕量化，使組成鋁制熱交換器的主要材料壁厚日趨減薄，同時，提高鋁質(zhì)熱交換器的耐腐蝕性能也是發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一.無錫銀邦復(fù)合金屬股份有限公司復(fù)合金屬材料研究院從釬焊式熱交換器用鋁合金復(fù)合材料的腐蝕機(jī)理和影響因素研究入手，優(yōu)化汽車水箱用翅片料、扁管料及主板料主流牌號的合金化設(shè)計：芯材添加微量銅元素（0.3%～0.5%），適當(dāng)提高錳含量（1.5%）；皮材添加適量鋅元素（1.5%）.以此提高材料的耐蝕性，從而延長鋁質(zhì)熱交換器使用壽命.

1.3 新一代多層管料和折疊鋁扁管

開發(fā)具有超強(qiáng)抗腐蝕性能的新一代多層管料合金復(fù)合材料，研究折疊鋁扁管在制冷空調(diào)行業(yè)微通道換熱器中的應(yīng)用.格朗吉斯鋁業(yè)是世界領(lǐng)先的軋制鋁釬焊換熱器材料生產(chǎn)商，全球市場份額約20%.1996年在上海建立的格朗吉斯鋁業(yè)（上海）有限公司是主要的生產(chǎn)基地和研發(fā)中心之一，為鋁釬焊換熱器制造商提供換熱器集流管、扁管、翅片、邊板和帽蓋等部件的整套釬焊卷材，尤其是致力于滿足客戶的差異化需求.該公司對我國軋制鋁釬焊換熱器材料的發(fā)展起了先導(dǎo)作用.近年來，該公司研發(fā)中心針對制冷及空調(diào)行業(yè)釆用微通道換熱器需要應(yīng)對的復(fù)雜腐蝕環(huán)境，開發(fā)了折疊鋁扁管復(fù)合材料.此材料由5層組成，兩面的最外層是釬焊層，中心是芯材層，芯材層與釬焊層之間有一層隔層（中間層），隔層系防腐層，作為陽極優(yōu)先于芯材腐蝕.所開發(fā)的新一代多層管料合金復(fù)合材料用于折疊扁管制造微通道換熱器，經(jīng)承壓性能和換熱性能測試，顯示出優(yōu)良的性能指標(biāo).目前，多孔折疊鋁扁管主要用于汽車行業(yè)，但此項技術(shù)更適合于家用和商用的制冷及空調(diào)系統(tǒng).

2 新型金屬基復(fù)合材料

2.1 銅/鋁、銅/鋁/銅復(fù)合材料

中鋁洛陽銅業(yè)有限公司與河南科技大學(xué)合作，采用半熔態(tài)鑄軋復(fù)合技術(shù)（其工藝為：銅板、鋁合金溶液—半溶態(tài)鑄軋成型—不同壓下率冷軋—冷軋板退火—界面層組織及復(fù)合板性能檢測—加工成市場需求的復(fù)合板、帶、箔材產(chǎn)品）生產(chǎn)出寬度>1 000 mm、厚度0.08 mm的銅/鋁、銅/鋁/銅復(fù)合板帶材和箔材，填補(bǔ)了寬幅銅/鋁復(fù)合材和復(fù)合箔材的世界空白，并成功應(yīng)用于高低壓電力電器、電子信息、通訊等企業(yè).該類復(fù)合材料在電力、軌道交通、電子通訊、建筑裝飾、電熱廚具和新能源汽車等行業(yè)有很好的應(yīng)用前景和市場需求.

2.2 軋制鋼復(fù)合板、卷材

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼）是我國高端碳鋼、不銹鋼和特殊合金產(chǎn)品的提供者，寶鋼具有很好的原材料、裝備和工藝技術(shù)綜合條件開發(fā)軋制復(fù)合材.寶鋼自2008年開始研究復(fù)合軋制技術(shù)以來，大生產(chǎn)試制和技術(shù)取得突破，2014年開始商業(yè)化供貨并不斷開發(fā)新的復(fù)合工藝和新產(chǎn)品，產(chǎn)品形態(tài)涵蓋復(fù)合厚板、熱軋復(fù)合卷和冷軋復(fù)合卷.軋制復(fù)合板品種包括耐蝕系列和耐磨系列：前者有奧氏體不銹鋼與碳鋼單面、奧氏體不銹鋼與碳鋼雙面、超級奧氏體不銹鋼與碳鋼單面、鐵素體不銹鋼與碳鋼單面、鎳基合金與碳鋼單面、鈦合金與碳鋼單面；后者有雙相不銹鋼與碳鋼單面、馬氏體不銹鋼與碳鋼單面（既耐磨又耐蝕）、中高級耐磨鋼與碳鋼以及碳錳鋼與普碳鋼.

2.3 鋁/鉛復(fù)合材料

鋁/鉛復(fù)合材料開發(fā)的目標(biāo)市場是鉛酸蓄電池極柵和濕法冶金極板.鉛有良好的耐腐蝕性能，鋁密度小、導(dǎo)電性好、強(qiáng)度和剛度較高.鋁、鉛兩金屬之間有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，兩者復(fù)合制備的鋁/鉛復(fù)合材料是制作濕法冶金陽極板的優(yōu)良材料.然而鋁/鉛屬非混溶合金體系，固態(tài)、液態(tài)均不互溶，也不生成化合物，鋁/鉛難以形成結(jié)合界面，給制備鋁/鉛復(fù)合材料帶來很大困難.昆明理工大學(xué)通過界面熱力學(xué)分析、理論計算和計算機(jī)模擬，找出形成共格或半共格界面的熱力學(xué)條件，成功解決了鋁/鉛界面復(fù)合問題，掌握了工業(yè)生產(chǎn)條件下制備鋁/鉛復(fù)合材料的技術(shù).電鋅生產(chǎn)應(yīng)用表明，鋁/鉛復(fù)合陽極板與傳統(tǒng)鉛/銀陽極板相比，質(zhì)量減少24.4%，彎曲強(qiáng)度提高102.3%，極化電位降低18.1%，析氧電位降低5.2%，槽電壓降低7.2%，電流效率提高2.8%，能耗降低4.03%，腐蝕速率降低47.5%，產(chǎn)鋅量增加10%，使用效果良好.

3 復(fù)合材料制備新技術(shù)

3.1 鋁合金鑄造復(fù)合技術(shù)

東北大學(xué)研究開發(fā)的鋁合金鑄造復(fù)合技術(shù)有連續(xù)澆鑄法、雙結(jié)晶器連鑄法和充芯連鑄法，突破固態(tài)支撐層潤濕、表材同水平分流和三角區(qū)（水冷板與結(jié)晶器壁圍成的三向冷卻器）快速凝固3大技術(shù).工業(yè)試驗的3004/4045鋁合金鑄造復(fù)合錠尺寸厚630 mm，寬1 500 mm，長5 500 mm，重13 t.鑄錠厚度中，芯材（3004鋁合金）厚420 mm，皮材（4045鋁合金）單面厚105 mm.釆用鑄造復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)復(fù)合釬焊箔，可減少熱軋和表面處理等工序，綜合成材率提高15%～20%，生產(chǎn)成本降低10%～15%.東北大學(xué)研發(fā)的鑄造復(fù)合材料品種還有純鋁/7075鋁合金、7151/7152鋁合金、3003/4045鋁合金復(fù)合棒、鋼/鋁合金復(fù)合軸瓦帶、不銹鋼/鋁復(fù)合帶和鋁/不銹鋼復(fù)合管材.

3.2 半固態(tài)成形技術(shù)應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料制備

金屬半固態(tài)成形技術(shù)（SSM）是一種介于金屬液態(tài)成形（鑄造）和金屬固態(tài)成形（鍛造）之間的成形技術(shù)，其核心是在金屬凝固過程中控制形核和長大以獲得組織細(xì)小、分布均勻、非枝晶的半固態(tài)合金漿料/坯料.SSM技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料的方法有半固態(tài)攪拌鑄造法、半固態(tài)電磁攪拌連鑄法（如制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料）、半固態(tài)壓力浸滲法和半固態(tài)壓力復(fù)合法（用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和多層復(fù)合板狀材料）.

3.3 離心復(fù)合鑄造技術(shù)

北京科技大學(xué)基于層狀復(fù)合材料的制備工藝，提出了特殊層狀復(fù)合材料制備的新思路：釆用離心復(fù)合鑄造法制備雙金屬復(fù)合管坯技術(shù)；釆用離心復(fù)合管坯+熱擠壓/熱軋+冷軋工藝制備熱軋雙金屬復(fù)合管和精密復(fù)合管技術(shù)；釆用離心復(fù)合管坯+縱剖+熱軋+冷軋工藝制備冷熱軋雙金屬復(fù)合板材技術(shù).此外，還提出并開發(fā)了釆用復(fù)合材料制備技術(shù)生產(chǎn)難變形金屬的工藝以及大變形鑄鐵板材和管材的制備技術(shù).離心復(fù)合鑄造法制備雙金屬復(fù)合管坯技術(shù)可生產(chǎn)界面完全冶金結(jié)合的復(fù)合管坯；離心復(fù)合管坯+熱擠壓/熱軋+冷軋工藝技術(shù)為油井管、化工用液體（或氣體）管、石油天然氣輸送管、鍋爐管、熱交換器管、耐腐蝕結(jié)構(gòu)管等高性能復(fù)合管材生產(chǎn)提供了低成本、短流程工業(yè)化生產(chǎn)工藝；離心復(fù)合管坯+縱剖+熱軋+冷軋技術(shù)則為高性能、多層復(fù)合板材生產(chǎn)提供了低成本、短流程工業(yè)化生產(chǎn)工藝.

3.4 固液復(fù)合鋁/鋁、鋁/銅雙金屬材料制備技術(shù)

上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心研發(fā)的固液復(fù)合鋁/鋁、鋁/銅雙金屬材料制備技術(shù)，是將鋁條或銅條經(jīng)適當(dāng)表面處理后置入鑄型，澆注鋁液，通過重力鑄造或擠壓鑄造的固液復(fù)合技術(shù).采用該技術(shù)制備了界面具有良好冶金結(jié)合的6101/A356鋁合金、純鋁/6101鋁合金和純鋁/純銅雙金屬復(fù)合材料.此技術(shù)可望應(yīng)用于銅/鋁接頭、導(dǎo)電排和復(fù)合管等場合，也可拓寬到其他雙金屬體系的固液復(fù)合鑄造和加工.

4 層狀金屬復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展趨勢

經(jīng)過較長時間的研究開發(fā)，我國層狀金屬復(fù)合材料的制備和生產(chǎn)工藝日趨完善.各種固相或者液相之間的復(fù)合技術(shù)不斷出現(xiàn)，不同組元組合而成的新型復(fù)合材料不斷更新，以滿足越來越高的產(chǎn)品發(fā)展需求.未來的層狀金屬復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展趨勢將包括新的復(fù)合加工方法、復(fù)合機(jī)制、材料性能和工程應(yīng)用等方面的深入系統(tǒng)研究.

4.1 熱交換器用鋁合金復(fù)合材料發(fā)展趨勢

滿足高性能熱交換器發(fā)展的低成本、小型化、高可靠性、高熱傳導(dǎo)性、長使用壽命和耐高溫（對中冷器）要求；進(jìn)一步提高鋁合金性能，使鋁合金復(fù)合材料具有更小的厚度、更高的釬焊后強(qiáng)度、更好的耐腐蝕性及成形性[1]，其中包括翅片合金有更高的熱傳導(dǎo)性和更好的抗塌陷性能，管料合金有更高的疲勞強(qiáng)度[2]；鋁合金復(fù)合材料應(yīng)可回收利用.為此，要優(yōu)化鋁合金成分，優(yōu)化釬焊后晶粒組織[3]；開發(fā)中溫釬料鋁合金工藝、連續(xù)復(fù)合鑄造工藝、冷軋復(fù)合工藝、擠壓復(fù)合管技術(shù)和預(yù)涂釬劑工藝等.

4.2 研發(fā)新的金屬復(fù)合工藝技術(shù)以制取新的金屬基復(fù)合材料

新型金屬基復(fù)合材料研發(fā)有賴于原有復(fù)合工藝技術(shù)的改進(jìn)和新的復(fù)合工藝技術(shù)開發(fā).金屬基復(fù)合材料制備的固固復(fù)合技術(shù)、固液復(fù)合技術(shù)、半固態(tài)半固態(tài)復(fù)合技術(shù)、液液復(fù)合技術(shù)、組合復(fù)合技術(shù)（復(fù)合鑄造+軋制）在我國的多所大學(xué)已有研究，并開發(fā)了多種復(fù)合工藝.例如：固固復(fù)合技術(shù)的旋鍛復(fù)合、爆炸復(fù)合、真空熱壓、累積疊軋工藝；固液復(fù)合技術(shù)的鑄軋復(fù)合、復(fù)合鑄造、熱浸鍍、噴射沉積工藝；液液復(fù)合技術(shù)的液液鑄軋、柔性連續(xù)鑄軋、單機(jī)雙流鑄軋、充芯連鑄（水平、垂直）工藝等[4].這些新型復(fù)合工藝技術(shù)都有各自的特點和優(yōu)勢，尤其是在縮短工藝過程、降低制造成本和制備特種復(fù)合材料方面.要對這些新技術(shù)新工藝?yán)^續(xù)開展機(jī)理性、應(yīng)用性的深入研究，穩(wěn)定工藝技術(shù)參數(shù)，開展工業(yè)試驗和產(chǎn)品性能檢驗，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造條件.

連續(xù)鑄造法所制備的金屬復(fù)層材料界面結(jié)合良好，且易于實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，因而受到越來越廣泛的重視，已衍生出軋輥復(fù)層連鑄法、液固鑄軋法、復(fù)合線材鑄拉法、反向凝固連鑄法、水平磁場制動復(fù)合連鑄法、雙流澆注連鑄法、雙結(jié)晶器連鑄法等工藝.要通過試驗，選擇優(yōu)勢工藝方法加以深化研究，取得成果，擴(kuò)大應(yīng)用.

5 結(jié)束語

近年來，國家大力支持復(fù)合材料發(fā)展.2012年，國務(wù)院發(fā)布的“‘十二五國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”中就明確“大力發(fā)展新型功能材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料.加快推廣高性能復(fù)合材料在航空航天、風(fēng)電設(shè)備、汽車制造、軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用”.國家發(fā)改委在“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄”中把“有色金屬復(fù)合材料技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用”列入優(yōu)先支持范圍.“十三五”規(guī)劃指導(dǎo)方針將新材料作為高新技術(shù)的基礎(chǔ)和先導(dǎo).2016年，國家自然科學(xué)基金委亦將“有色金屬材料設(shè)計、制備、加工和應(yīng)用中的關(guān)鍵問題”“多維、多尺度、多層次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的優(yōu)化設(shè)計原理及制備方法”作為重點支持項目，足見金屬復(fù)合材料及其制備工藝技術(shù)研究開發(fā)的重要性和發(fā)展前景.

參考文獻(xiàn)：

[1] 凌亞標(biāo)，孫興隆.提高汽車鋁散熱器耐腐蝕性的途徑[J].汽車零部件，2014：12-13.

[2] 劉禹，王祝堂.汽車熱交換鋁材概覽[J].輕合金加工技術(shù)，2011，39（5）：1-16.

[3] 周江，趙世慶.鋁合金材料組織與金相圖譜[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[4] 黃崇祺.中國金屬導(dǎo)體制造業(yè)的創(chuàng)新開發(fā)與發(fā)展趨向[J].有色金屬材料與工程，2016，37（3）：63-71.