季 策 黃華貴 孫靜娜 劉文文

1.燕山大學(xué)國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，秦皇島，066004

0 引言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，海洋工程、航空航天工程以及電力電子、橋梁建筑等領(lǐng)域科技均獲得了重要突破，但惡劣的服役條件和巨大的市場需求對服役材料提出了防腐抗蝕、輕量化、高可靠性等要求。傳統(tǒng)基礎(chǔ)金屬材料已經(jīng)很難滿足高端產(chǎn)品綜合性能需求，同時面臨著總體產(chǎn)能嚴(yán)重過剩、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、高端應(yīng)用領(lǐng)域尚不能完全實現(xiàn)自給等三大突出問題。面對原有設(shè)備基礎(chǔ)薄弱和技術(shù)封鎖兩大限制，我國傳統(tǒng)金屬材料行業(yè)難以轉(zhuǎn)型進入特殊高端材料行列，因此迫切需要發(fā)展高性能、輕量化、功能化的先進基礎(chǔ)材料，推動基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展[1-2]。

層狀金屬復(fù)合材料是一種新型結(jié)構(gòu)和功能材料，它將物理、力學(xué)等性能不同的金屬組元通過復(fù)合技術(shù)在界面處形成牢固結(jié)合，使其兼具各組元金屬的優(yōu)異性能[3-4]。層狀金屬復(fù)合材料產(chǎn)品類型豐富，包含復(fù)合板帶、復(fù)合管棒線材以及復(fù)合異形件等，能夠滿足各種服役性能需求，從而有效解決基礎(chǔ)材料產(chǎn)能過剩問題。

目前，層狀金屬復(fù)合材料以層狀金屬復(fù)合板帶應(yīng)用最為廣泛，且現(xiàn)有制備技術(shù)相對比較成熟，如爆炸復(fù)合、熱軋復(fù)合等，逐步實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[5-7]。隨著綠色可持續(xù)化工業(yè)進程的推進，以鑄軋復(fù)合技術(shù)為代表的高效率、短流程、低能耗、低成本的層狀金屬復(fù)合板帶制備技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)的重點發(fā)展方向，近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在制備工藝模式、產(chǎn)品質(zhì)量控制、復(fù)合機理分析等方面開展了大量工作并取得了重要進展。

1 鑄軋復(fù)合工藝類型及研究現(xiàn)狀

雙輥鑄軋技術(shù)是集快速凝固和熱軋變形為一體的近終態(tài)成形技術(shù)，它在板帶成形領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，為鑄軋復(fù)合制備層狀金屬復(fù)合板帶提供了實踐依據(jù)。根據(jù)基體和覆層金屬初始物理狀態(tài)的不同，可將現(xiàn)有鑄軋復(fù)合工藝分為固-液鑄軋復(fù)合工藝和液-液鑄軋復(fù)合工藝[8]。

1.1 固-液鑄軋復(fù)合工藝

典型的固-液鑄軋復(fù)合工藝根據(jù)軋制方向可分為垂直式和水平式，如圖1所示。通常是在中間澆注液態(tài)金屬，在一側(cè)或兩側(cè)喂入固態(tài)基體板帶，制備兩層或三層復(fù)合板帶。單質(zhì)金屬鑄軋工藝主要側(cè)重鑄軋過程的快速凝固，即利用鑄軋輥的高速冷卻作用保障金屬的可成形性，因此通常Kissing點(鑄軋區(qū)內(nèi)固-液界面最低點，也稱凝固點)較低，鑄軋力較小，但對于層狀金屬復(fù)合板帶鑄軋復(fù)合工藝而言，界面元素反應(yīng)擴散、界面溫度、界面壓力是固-液相復(fù)合的三個基本要素，因此，在實現(xiàn)快速凝固的同時還需保證一定的Kissing點高度，以實現(xiàn)界面的冶金結(jié)合。

(a)垂直式

(b)水平式圖1 固-液鑄軋復(fù)合工藝Fig.1 Solid-liquid cast-rolling bonding process

垂直式固-液鑄軋復(fù)合工藝為目前最常用的鑄軋復(fù)合工藝，如圖1a所示，可以根據(jù)組元金屬間固-液互擴散特性和固-固壓力擴散特性，通過合理控制熔池高度和Kissing點高度，實現(xiàn)界面冶金結(jié)合。GRYDIN等[9]將帶鋼和液態(tài)鋁同時喂入輥縫，成功制備了擴散層厚度為3 μm的鋼/鋁復(fù)合板帶，并對其進行了深沖實驗，界面結(jié)合效果及二次成形性均較為理想。HUANG等[10-11]成功制備了銅/鋁復(fù)合板，折彎和剝離實驗表明界面為冶金結(jié)合，擴散層厚度約為5 μm，他們在此基礎(chǔ)上成功制備了鈦/鋁復(fù)合板，并利用生死單元法模擬了鑄軋復(fù)合過程，獲得了界面溫度和壓力分布。VIDONI等[12]將固-液鑄軋復(fù)合工藝應(yīng)用到異質(zhì)鋼種復(fù)合上，成功制備了奧氏體不銹鋼/碳鋼復(fù)合板帶，并對復(fù)合界面微觀形貌、擴散層厚度和界面剪切強度進行了系統(tǒng)表征；隨后MüNSTER等[13-14]成功制備了25 m長的高錳鋼/奧氏體不銹鋼復(fù)合板帶，并研究了軋制、熱處理以及軋制加熱處理等后續(xù)處理工藝對界面結(jié)合強度的影響。

水平式固-液鑄軋復(fù)合工藝如圖1b所示，利用特制的澆注裝置率先實現(xiàn)液態(tài)金屬在固態(tài)金屬板帶上的浸潤，根據(jù)基體和覆層間熔點差異和反應(yīng)擴散能力合理調(diào)整浸潤時間，結(jié)合鑄軋區(qū)內(nèi)快速冷卻與軋制復(fù)合作用，可實現(xiàn)界面冶金結(jié)合。張鵬等[15-17]利用半固態(tài)鑄軋復(fù)合工藝制備了鋼/Al-28Pb復(fù)合板，復(fù)合界面由比例恰當(dāng)?shù)蔫F鋁化合物和鐵鋁固溶體交替構(gòu)成，消除了脆化現(xiàn)象，他們成功地將該方法擴展到鋼/Al-20Sn和鋼/Al-7石墨復(fù)合板上。CHEN等[18-19]利用水平式雙輥鑄軋復(fù)合工藝制備了擴散層為3 μm的鋼/鋁復(fù)合板，隨后分析了熱處理及冷軋對擴散層厚度和界面結(jié)合強度的影響，研究表明非對稱換熱邊界會縮小工藝窗口，并且鑄軋區(qū)內(nèi)的擴散層厚度取決于固-液的接觸時間，接觸時間越長，擴散層厚度越大。謝敬佩等[20-23]制備了銅/鋁復(fù)合板，結(jié)果表明擴散層厚度隨復(fù)合板厚度增大而增大，但達(dá)到一定厚度后，復(fù)合界面處金屬間化合物的形成會降低結(jié)合強度，他們也系統(tǒng)分析了熱處理工藝對擴散層厚度和界面剪切強度的影響，為復(fù)合板性能控制提供了理論依據(jù)。

基于固-液鑄軋復(fù)合工藝，董伊康[8]、黃華貴等[24]探索了銅/鋁電工排和異形截面復(fù)合板帶的近終成形工藝，如圖2所示，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了液-固-液夾芯鑄軋復(fù)合工藝，如圖3所示，即在鑄軋輥中間喂入固態(tài)金屬板帶，在兩側(cè)同時澆注同質(zhì)或異質(zhì)金屬板帶，最終實現(xiàn)三層金屬復(fù)合板帶近終成形，基于上述原理，成功制備了銅/殷鋼/銅復(fù)合板。

(a)銅/鋁電工排

(b)異形截面復(fù)合板帶圖2 銅/鋁電工排和異形截面復(fù)合板帶近終成形Fig.2 Near end forming of Cu/Al electrical products and heteromorphic clad strip

圖3 液-固-液夾芯鑄軋復(fù)合工藝Fig.3 Liquid-solid-liquid sandwich cast-rolling bonding process

綜上所述，隨著基礎(chǔ)理論的發(fā)展與成熟，固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)的形式愈加豐富，產(chǎn)品種類范圍日益多元化，澆注的覆層金屬由最初的銅、鋁、鎂等低熔點有色金屬擴展到普碳鋼、高錳鋼等高熔點黑色金屬，也從傳統(tǒng)意義上的雙金屬復(fù)合板帶拓展至多層金屬復(fù)合板帶。

1.2 液-液鑄軋復(fù)合工藝

以固-液鑄軋復(fù)合工藝為基礎(chǔ)，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作來進一步縮短層狀金屬復(fù)合板帶制備工藝流程，形成了一系列液-液鑄軋復(fù)合新工藝，為層狀金屬復(fù)合材料發(fā)展作出了重要貢獻。

HAGA等[25]在液-液鑄軋復(fù)合工藝開發(fā)方面開展了大量實驗研究，提出拖拉式雙輥鑄軋復(fù)合法和溢流式雙輥鑄軋法，如圖4所示，成功制備出了A1050/Al-12%Si復(fù)合板帶，但A1050和Al-12%Si兩種金屬易混合，無法精確控制組元金屬厚度，因此后續(xù)又提出了帶有刮板的鑄軋復(fù)合工藝[26]，如圖5所示，采用該工藝成功制備了AA3003/A356/AA3003復(fù)合板，組元金屬厚度和復(fù)合板帶表面質(zhì)量均有所改進，但復(fù)合界面仍易出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

在智能柜臺前，客戶按電腦提示把身份證放在智能柜臺掃描區(qū)，隨后在自助發(fā)卡機前拍張照，不到兩分鐘，就拿到了一張借記卡。智能柜臺采取 " 客戶自主、柜員協(xié)助 " 的服務(wù)模式，操作簡便、界面流程清晰，可一站式辦理跨境匯款、開戶開卡、打印流水、購買理財?shù)榷喾N非現(xiàn)金業(yè)務(wù)。與傳統(tǒng)柜面相比，辦理速度得到大幅提升：使用智能柜臺辦理個人開卡業(yè)務(wù)并完成網(wǎng)上銀行、手機銀行的注冊僅需3分鐘，傳統(tǒng)柜面至少需要8分鐘；重置密碼只需2分鐘，傳統(tǒng)柜面需要15分鐘；打印流水只需1分鐘，傳統(tǒng)柜面打印一份兩年的交易流水需要20分鐘。智能柜臺大幅縮減了排隊等候時間和業(yè)務(wù)辦理時間，從根本上消除了排長隊現(xiàn)象，使客戶體驗得到明顯改善。

(a)水平式

(b)單輥式

(c)垂直式圖4 拖拉式鑄軋復(fù)合工藝Fig.4 Liquid-liquid cast-rolling bonding process

圖5 帶刮板的液-液鑄軋復(fù)合工藝Fig.5 Liquid-liquid cast-rolling bonding process equipped with scrapers

圖6 異徑液-液鑄軋復(fù)合工藝Fig.6 Liquid-liquid cast-rolling bonding process using unequal diameters

異徑鑄軋復(fù)合工藝[27]如圖6所示，該工藝通過兩個異徑鑄軋單元實現(xiàn)AA4045/AA3003/AA4045等多種復(fù)合板帶的近終成形，可保證組元金屬厚度和產(chǎn)品表面質(zhì)量，生產(chǎn)效率高，但由于鑄軋設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)致液態(tài)金屬布流和液位控制難度較大，并且基體與覆層金屬熔點差異不宜過大。

基于上述研究，人們開發(fā)了垂直串聯(lián)式和水平串聯(lián)式鑄軋復(fù)合工藝[28-30]，如圖7所示，其原理是單質(zhì)金屬鑄軋和固-液鑄軋復(fù)合的有機結(jié)合，利用該技術(shù)成功制備出了AA6022/AA8079/AA6002等多種復(fù)合板帶。該工藝結(jié)構(gòu)緊湊，具有顯著的高效率、短流程特點。然而，對于鑄軋工藝而言，開澆啟動階段至關(guān)重要，是制約高效連續(xù)生產(chǎn)的主要因素，因此該工藝實際操作難度較大。

(a)垂直串聯(lián)式

(b)水平串聯(lián)式圖7 多級串聯(lián)式鑄軋復(fù)合工藝Fig.7 Multistage tandem cast-rolling bonding process

國內(nèi)對于液-液相鑄軋復(fù)合工藝也開展了大量的研究。針對拖拉式雙輥鑄軋復(fù)合工藝存在的問題，沈啟明[31]提出一種溢流式雙輥鑄軋復(fù)合工藝(圖8)，利用控制堰與鑄軋輥之間的位置來控制兩者之間液面穩(wěn)定性及金屬液的流動狀態(tài)，進而實現(xiàn)對凝固板帶厚度的控制，提高層狀金屬復(fù)合板帶組元厚度的均勻性。

圖8 溢流式鑄軋復(fù)合法Fig.8 Overflow cast-rolling bonding method

黃華貴等[32]將兩套異徑鑄軋設(shè)備融合為一體，提出了單機雙流鑄軋復(fù)合工藝(圖9a)，該工藝充分利用了異徑鑄軋[33]、異溫軋制[34]的優(yōu)點，組元金屬板帶厚度可控，但在實際研究中發(fā)現(xiàn)，在2個主鑄軋輥形成的軋制復(fù)合區(qū)內(nèi)，組元金屬協(xié)調(diào)變形困難，容易出現(xiàn)金屬堆疊[35]，因此，黃華貴等[36]又提出了一種雙金屬復(fù)合板帶電流強化鑄軋復(fù)合工藝，如圖9b所示。該系統(tǒng)由一個單質(zhì)異徑鑄軋單元和一個固-液同徑鑄軋復(fù)合單元組成，解決了單機雙流鑄軋復(fù)合工藝中金屬堆疊問題，同時高頻脈沖電流可以細(xì)化組元板帶凝固形成的晶粒[37]，改善固-液相鑄軋復(fù)合過程中非對稱換熱邊界導(dǎo)致的晶粒尺寸差異，同時增強固-液復(fù)合界面浸潤性和擴散復(fù)合效果，提高界面結(jié)合性能。

(a)單機雙流鑄軋復(fù)合工藝

(b)電流強化鑄軋復(fù)合工藝Fig.9 單機雙流鑄軋復(fù)合工藝和電流強化鑄軋復(fù)合工藝Fig.9 Single-machine dual-flow cast-rolling bonding process and current intensified cast-rolling bonding process

2 鑄軋復(fù)合機理研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的界面結(jié)合形式主要有兩類：第一類是固-固相界面結(jié)合，該類結(jié)合主要依靠基體或覆層的塑性變形，包括軋制復(fù)合、爆炸復(fù)合等；第二類是固-液相界面結(jié)合，主要是指各類鑄造復(fù)合，過程中無塑性變形。

固-固相界面結(jié)合研究較為成熟，形成了再結(jié)晶理論、金屬鍵理論、能量理論、薄膜理論、擴散理論和N. Bay機理等[38]，這些理論均從不同的角度闡釋了固-固相界面結(jié)合的過程，各具優(yōu)點但也各有其局限性。由于在異質(zhì)金屬復(fù)合過程中，單一的結(jié)合機理難以全面闡述界面間的結(jié)合過程，近年來很多學(xué)者綜合上述幾種理論總結(jié)出三階段理論。該理論認(rèn)為，在復(fù)合過程中主要存在物理接觸階段、接觸表面的激活階段和擴散階段，它包含了多種復(fù)合形式共有的一些理論，成為目前公認(rèn)的固-固相復(fù)合機理。

固-液界面結(jié)合主要分為熔合結(jié)合和擴散結(jié)合兩類[39-40]。熔合結(jié)合指液態(tài)金屬與固態(tài)金屬基體接觸后，固相金屬基體局部熔化，并與液態(tài)金屬混合后冷凝形成合金，實現(xiàn)金屬界面的復(fù)合。擴散結(jié)合主要靠液態(tài)金屬與固態(tài)金屬基體之間的潤濕性和擴散機制實現(xiàn)界面結(jié)合。

黃華貴等[41]通過數(shù)值模擬分析了鑄軋復(fù)合過程的溫度場和流場，并根據(jù)鑄軋區(qū)內(nèi)基體和覆層物理狀態(tài)不同將其分為固-液接觸換熱區(qū)、固-糊鑄造復(fù)合區(qū)、固-固異溫軋制復(fù)合區(qū)。GRYDIN等[42]通過對比軋制復(fù)合工藝和鑄軋復(fù)合工藝發(fā)現(xiàn)，鑄軋復(fù)合過程主要取決于溫度條件，例如整體鑄軋溫度和高溫下的保持時間，而軋制復(fù)合過程主要取決于軋制力和總壓下量。

董伊康[8]、HUANG等[10]在利用固-液鑄軋復(fù)合工藝制備銅/鋁復(fù)合板帶時通過急停軋卡和快速冷卻獲得了鑄軋區(qū)內(nèi)復(fù)合界面宏觀演變過程，如圖10所示，通過掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀等觀察鑄軋區(qū)入口區(qū)域到出口區(qū)域內(nèi)復(fù)合界面的微觀形貌和組織演變規(guī)律，得到的鑄軋復(fù)合機理示意圖(圖11)。

圖10 固-液鑄軋區(qū)復(fù)合界面宏觀演變Fig.10 Macro-evolution of the bonding interface in solid-liquid cast-rolling zone

DL—擴散層 L—液相 S—固相圖11 固-液鑄軋復(fù)合機理示意圖Fig.11 Schematic diagram of bonding mechanism of solid-liquid cast-rolling bonding

在初始階段，鋁液與銅帶在熔池頂部形成固-液接觸，無軋制壓力的作用，初始滲鋁層快速產(chǎn)生于銅帶表面，初步形成物理結(jié)合狀態(tài)，如圖11a所示。然而，根據(jù)Cu-Al二元合金相圖，Cu/Al界面在高溫驅(qū)動下發(fā)生劇烈的反應(yīng)擴散，鋁原子向銅基體中擴散致使銅側(cè)快速溶解首先形成富銅相，即CuAl2相；擴散層由α(Al)+CuAl2組成，并在隨后的過程中變形生長。

隨著鑄軋過程的進行，在Kissing點以下區(qū)域，變形開始作用于復(fù)合界面。但是在固-固接觸界面形成初期，溫度起主導(dǎo)作用，界面層有增大趨勢，如圖11b所示；隨著軋制壓力的增大，在軋制延伸作用下，易碎的擴散層逐漸被擠壓破碎甚至沿軋制方向呈不連續(xù)分布狀態(tài)，如圖11c和圖11d所示。

隨后，較高的軋制變形量使得新鮮金屬從裂口中擠出并形成結(jié)合點。最后，在反應(yīng)擴散、機械嚙合和裂口機制共同作用下，復(fù)合界面達(dá)到冶金結(jié)合狀態(tài)，擴散層厚度變得薄而均勻，實現(xiàn)較高的界面結(jié)合強度，如圖11e所示。

綜上所述，傳統(tǒng)固-液復(fù)合工藝，對于Cu/Al等易發(fā)生反應(yīng)擴散的金屬組合來說，復(fù)合過程由于沒有塑性變形作用，界面處會產(chǎn)生較厚的金屬間化合物層，進而影響產(chǎn)品質(zhì)量。相反，鑄軋復(fù)合工藝中高溫和變形同時存在，高溫有利于組元金屬間發(fā)生反應(yīng)擴散，而塑性變形則可避免連續(xù)金屬間化合物層的產(chǎn)生進而保證界面結(jié)合強度，最終實現(xiàn)鑄軋復(fù)合技術(shù)顯著的高效性和優(yōu)越性。

3 總結(jié)與展望

經(jīng)過大量的理論和實驗研究，層狀金屬復(fù)合板帶鑄軋復(fù)合技術(shù)的可行性和優(yōu)越性已經(jīng)得到證實，引起了行業(yè)的高度重視并成為研究的熱點方向之一。然而，在真正工業(yè)化應(yīng)用前仍有大量技術(shù)難點需要解決，未來的主要發(fā)展趨勢如下。

(1)層狀金屬復(fù)合板帶的極限規(guī)格。如寬幅、極薄覆層、異形截面等層狀金屬復(fù)合板帶的制備。寬幅層狀金屬復(fù)合板帶在裝飾、汽車等領(lǐng)域有巨大需求，但復(fù)合板帶的邊部裂紋、板形調(diào)控等問題亟待解決；極薄覆層復(fù)合板帶主要用于防腐蝕、節(jié)約貴重金屬等場合，如何保證覆層金屬的均勻性和避免鑄軋復(fù)合過程中的軋漏現(xiàn)象至關(guān)重要；除此之外，異形截面復(fù)合材料鑄軋復(fù)合成形[43-47]也將會成為熱點研究方向之一。

(2)層狀金屬復(fù)合板帶產(chǎn)品種類。目前鑄軋復(fù)合工藝澆注的液態(tài)金屬主要以銅、鋁、鎂等低熔點金屬為主，廣泛用于電力電子、熱交換、輕量化等領(lǐng)域，關(guān)于普碳鋼、不銹鋼等高熔點金屬的研究還較少，但在實際應(yīng)用中普碳鋼/不銹鋼、普碳鋼/鈦合金等層狀復(fù)合板帶在石油化工管道、反應(yīng)容器、建筑裝飾等領(lǐng)域具有巨大的市場需求，亟待開展相關(guān)研究工作。

(3)復(fù)合機理及復(fù)合界面性能調(diào)控?，F(xiàn)有研究揭示了鑄軋區(qū)內(nèi)復(fù)合界面的演變過程，但各工藝因素對復(fù)合界面性能的影響尚無法量化表征，無法對實際生產(chǎn)真正起到指導(dǎo)作用，復(fù)合界面強度表征尚未形成系列化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前多采用拉剪、剝離等方法，但并不適用于所有產(chǎn)品規(guī)格。此外，組元金屬組合形式不同時復(fù)合界面產(chǎn)物、擴散層厚度等均不同，因此，針對具體材料開展復(fù)合界面性能調(diào)控研究和制定界面結(jié)合強度表征標(biāo)準(zhǔn)將成為工業(yè)化推進過程中的重點。

(4)層狀金屬復(fù)合材料全生命周期理論。層狀金屬復(fù)合板帶工業(yè)化生產(chǎn)之后，在成為產(chǎn)品過程中還面臨著深加工以及服役之后的回收問題，因此亟待構(gòu)建貫穿復(fù)合材料性能需求分析、成套裝備設(shè)計、成形工藝優(yōu)化、服役特性評估、綠色回收處理等過程的全生命周期設(shè)計理論。