季策，許石民，黃華貴

金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)研究進(jìn)展

季策，許石民，黃華貴

（燕山大學(xué) a. 國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心；b. 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

金屬包覆材料屬于典型層狀金屬?gòu)?fù)合材料，是航空航天、石油化工、電力電子等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，其高效成形與性能控制技術(shù)一直是行業(yè)難點(diǎn)和國(guó)際研究熱點(diǎn)。首先系統(tǒng)梳理了目前國(guó)內(nèi)外金屬包覆材料的典型制備工藝，并且根據(jù)初始時(shí)基體與覆層物理狀態(tài)的不同將其分為3類，分別是固-固相復(fù)合法、固-液相復(fù)合法和液-液相復(fù)合法，對(duì)比分析了各種制備工藝的成形原理和主要特點(diǎn)。隨后，從工藝原理、成形機(jī)理、復(fù)合機(jī)理、工藝優(yōu)化等方面重點(diǎn)介紹了金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)的最新研究進(jìn)展。分析結(jié)果表明，以固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)為代表的融合塑性變形的固-液相復(fù)合工藝將成為行業(yè)未來(lái)一個(gè)重要發(fā)展方向，并且以固-液相復(fù)合法和液-液相復(fù)合法進(jìn)行初態(tài)復(fù)合組坯，以固-固相復(fù)合法進(jìn)行終態(tài)性能調(diào)控的一體化組合成形工藝具有良好發(fā)展前景。

金屬包覆材料；鑄軋復(fù)合；固-固相復(fù)合；固-液相復(fù)合；液-液相復(fù)合

銅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原料，廣泛應(yīng)用于電力、電子、機(jī)械及冶金、交通等領(lǐng)域，在我國(guó)有色金屬材料的消費(fèi)中僅次于鋁。2020年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)雖然遭受疫情影響，但最終市場(chǎng)增長(zhǎng)速度依然表現(xiàn)較好，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年銅加工材綜合產(chǎn)量為1897萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)4.5%，其中管棒線材為1385萬(wàn)t，占比達(dá)73%。中國(guó)作為銅消費(fèi)第一大國(guó)，銅資源自給率僅為20%左右，供給形勢(shì)一直十分嚴(yán)峻[1]。因此，“以鋁代銅、以鋁節(jié)銅”等為代表的利用廉價(jià)金屬代替貴重金屬的理念已成為行業(yè)的共識(shí)，擴(kuò)大高導(dǎo)電金屬包覆材料的工業(yè)應(yīng)用不但可以節(jié)約銅材，還能在一定程度上化解目前國(guó)內(nèi)普碳鋼、電解鋁等基礎(chǔ)材料產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題，已經(jīng)成為行業(yè)未來(lái)重要發(fā)展方向[2—5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在制備新工藝研發(fā)方面開(kāi)展了大量工作并取得了一定進(jìn)展，成功制備了銅包鋼[6]、銅/鈦復(fù)合管[7]、黃銅包覆純銅絞線[8]、銅包NbTi合金[9]、銀包鋁[10]、鈦包鋼[11]等產(chǎn)品，能夠服役于航空航天、電力電子、軌道交通等領(lǐng)域。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，現(xiàn)有產(chǎn)品種類、尺寸規(guī)格、生產(chǎn)效率等亟待提高，在獲得良好界面結(jié)合效果的同時(shí)，兼顧高效率、短流程、低能耗的工業(yè)化制備工藝已成為加快工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程的重點(diǎn)。

金屬包覆材料屬于典型層狀金屬?gòu)?fù)合材料，高頻、強(qiáng)電流、高溫和疲勞載荷等惡劣服役環(huán)境要求其具有集高導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐腐蝕和可成形性等功能和結(jié)構(gòu)為一體的綜合性能，其高效成形與性能控制技術(shù)一直是行業(yè)難點(diǎn)和國(guó)際研究熱點(diǎn)。文中旨在梳理現(xiàn)有金屬包覆材料制備工藝類型和特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)的最新進(jìn)展，為后續(xù)探討金屬包覆材料工業(yè)化進(jìn)程中面臨的重大問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

1 金屬包覆材料制備技術(shù)

1.1 固-固相復(fù)合法

固-固相復(fù)合法指初始時(shí)基體金屬與覆層金屬均為固態(tài)，在復(fù)合前二者需要進(jìn)行預(yù)裝配組坯，然后通過(guò)冷、熱變形加工或特殊成形方法使其發(fā)生塑性變形，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)合或冶金結(jié)合。該類方法最大的限制是大長(zhǎng)徑比時(shí)預(yù)裝配組坯過(guò)程對(duì)組元尺寸精度、形狀精度等要求較高，影響連續(xù)生產(chǎn)效率。

1.1.1 拉拔復(fù)合工藝

拉拔復(fù)合工藝是指將基體金屬與覆層金屬預(yù)裝配組坯，然后利用錐模對(duì)復(fù)合坯料沿軸向進(jìn)行縮徑拉拔，經(jīng)塑性變形和彈性回復(fù)后，基體金屬與覆層金屬間形成緊密結(jié)合[12]。其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，成形效率高，尤其適合生產(chǎn)小直徑產(chǎn)品，但大長(zhǎng)徑比時(shí)預(yù)裝配組坯較為困難，并且復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度通常不高。

1.1.2 旋壓復(fù)合工藝

旋壓復(fù)合工藝是通過(guò)旋轉(zhuǎn)使預(yù)制復(fù)合坯料受力由點(diǎn)到線、由線到面，同時(shí)旋輪沿軸向推進(jìn)，使覆層金屬產(chǎn)生塑性變形并與基體金屬緊密結(jié)合。旋壓復(fù)合工藝屬于局部連續(xù)性的加工，瞬時(shí)變形區(qū)小，因此總成形力相對(duì)較小，生產(chǎn)效率高，并且可加工復(fù)雜形狀產(chǎn)品。

1.1.3 擠壓復(fù)合工藝

傳統(tǒng)擠壓復(fù)合工藝是通過(guò)擠壓壓頭對(duì)裝入擠壓模具中的預(yù)制復(fù)合坯料施加外力，從而使其通過(guò)擠壓?？壮尚螢槟繕?biāo)產(chǎn)品。優(yōu)點(diǎn)是在極高壓力和高溫作用下復(fù)合界面可以形成冶金結(jié)合，且擠壓過(guò)程為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以發(fā)揮金屬的最大塑性，適合批量化生產(chǎn)，但易受最大行程限制，操作連續(xù)性差，成形力較大，能耗較高[13—14]。

連續(xù)擠壓包覆法是通過(guò)擠壓輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)模腔內(nèi)的覆層金屬進(jìn)行連續(xù)擠壓，同時(shí)在型腔中連續(xù)喂入基體金屬，使覆層金屬與基體金屬同時(shí)從擠壓模孔中擠出，實(shí)現(xiàn)二者的連續(xù)擠壓復(fù)合成形[15—17]。擠壓過(guò)程同樣為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，不受最大行程限制，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，按其擠壓模具安裝位置可以分為徑向式和切向式，但由于該方法利用摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力，因此模具磨損較為嚴(yán)重。

1.1.4 軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合工藝是指異質(zhì)金屬在強(qiáng)大的軋制壓力作用下發(fā)生顯著塑性變形和延伸，金屬表層破裂后裸露出潔凈且活化的新鮮金屬，從而使復(fù)合界面形成冶金結(jié)合。目標(biāo)產(chǎn)品截面形狀決定著軋輥類型，例如扁排類產(chǎn)品通常采用平輥軋制[18]，長(zhǎng)軸類產(chǎn)品通常采用孔型軋制[19—22]。該工藝特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，產(chǎn)量大，適合規(guī)?；a(chǎn)。

1.1.5 旋鍛復(fù)合工藝

旋鍛復(fù)合工藝如圖1a所示，鍛模環(huán)繞預(yù)制復(fù)合坯料的軸線高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行高頻鍛打，從而使預(yù)制復(fù)合坯料發(fā)生顯著塑性變形，實(shí)現(xiàn)基體和覆層結(jié)合。按照鍛模徑向鍛打方式和坯料軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，可將其分為進(jìn)料式和凹進(jìn)式[23]，如圖1b和c所示。該工藝具有加工范圍廣、材料利用率高、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但旋鍛溫度過(guò)低時(shí)覆層金屬易破裂，因此臨界單道次變形量小，當(dāng)旋鍛溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)因變形抗力下降嚴(yán)重導(dǎo)致無(wú)法旋入，或因界面氧化嚴(yán)重而降低復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度[24]。

1.1.6 爆炸復(fù)合工藝

爆炸復(fù)合工藝常規(guī)裝配方式如圖2a所示，是利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的沖擊波和高溫高能，使覆層金屬與基體金屬沿爆轟方向撞擊產(chǎn)生塑性變形，從而形成良好的冶金結(jié)合[25—26]。為了改善因邊界效應(yīng)導(dǎo)致的爆轟末端復(fù)合棒直徑明顯縮小現(xiàn)象，改進(jìn)的將縮徑區(qū)引出裝配方式如圖2b所示[27]。主要特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，一次性瞬間成形，結(jié)合強(qiáng)度高，適用材料范圍廣，但比較危險(xiǎn)，且存在化學(xué)和噪聲污染。

圖1 旋鍛復(fù)合工藝示意[23—24]

1.1.7 包覆焊接工藝

包覆焊接工藝是指利用覆層薄帶包覆基體金屬的同時(shí)，高頻焊接薄帶的縱縫制備復(fù)合坯料，后續(xù)通

常還需要進(jìn)行多道次拉拔和熱處理來(lái)提高界面結(jié)合強(qiáng)度以達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求[28]。該工藝所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，產(chǎn)線典型布置如圖3所示，目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)化、自動(dòng)化和智能化[29]，但產(chǎn)品焊縫處為薄弱位置。

1.2 固-液相復(fù)合法

固-液相復(fù)合法指初始時(shí)基體金屬為固態(tài)而覆層金屬為液態(tài)，通過(guò)特殊的澆鑄/成形方法使液態(tài)覆層金屬均勻包覆在基體金屬的內(nèi)層或外層。其優(yōu)點(diǎn)是避免了預(yù)裝配組坯過(guò)程從而縮短了工藝流程，并且通過(guò)固-液柔性包覆可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，但當(dāng)制備過(guò)程無(wú)成形力作用時(shí)，易出現(xiàn)縮孔或疏松等缺陷。

圖2 爆炸復(fù)合工藝示意[27]

圖3 包覆焊接工藝示意[28]

1.2.1 反向凝固工藝

反向凝固工藝是指經(jīng)預(yù)處理和預(yù)熱的高熔點(diǎn)基體金屬穿過(guò)凝固器中低熔點(diǎn)液態(tài)覆層金屬，低熔點(diǎn)覆層金屬在高熔點(diǎn)基體金屬的表面凝固生長(zhǎng)，即凝固生長(zhǎng)方向從內(nèi)到外，與普通凝固生長(zhǎng)方向相反。該工藝具有低成本、低能耗、連續(xù)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，適合制備復(fù)合薄帶或小直徑復(fù)合線材[30—31]。

熱浸鍍工藝與反向凝固工藝原理相似，只是通常覆層金屬厚度更薄，目前已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)鍍層鋼鐵產(chǎn)品（鍍鋅、鍍鋁、鍍錫）、無(wú)氧銅桿、銅包鋼等，熱浸鍍工藝生產(chǎn)無(wú)氧銅桿的生產(chǎn)流程如圖4所示[32—33]。

1.2.2 電鍍復(fù)合工藝

電鍍復(fù)合工藝是利用電解原理在基體金屬表面鍍上薄層覆層金屬的過(guò)程，電鍍過(guò)程中，覆層金屬做陽(yáng)極，基體金屬做陰極，覆層金屬的陽(yáng)離子在基體金屬表面被還原形成鍍層。該工藝廣泛用于金屬表面改性，例如防止金屬氧化（如銹蝕），提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性、抗腐蝕性等作用，但覆層與基體之間屬于電沉積結(jié)合，結(jié)合力較弱[34]。

圖4 熱浸鍍工藝生產(chǎn)無(wú)氧銅桿生產(chǎn)流程示意[32—33]

1.2.3 熱噴涂復(fù)合工藝

熱噴涂復(fù)合工藝是指將液態(tài)覆層金屬霧化后噴射到基體金屬表面，賦予基體金屬?zèng)]有但服役環(huán)境所必須的表面性能的方法[35]。該工藝作為重要的表面工程技術(shù)之一，形成了系列化制備方法，例如激光熔覆、等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂、普通火焰噴涂等，適合制備極薄覆層，目前已經(jīng)成功應(yīng)用在眾多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

1.2.4 鑄造復(fù)合工藝

鑄造復(fù)合工藝是指在固態(tài)基體金屬表面澆鑄液態(tài)覆層金屬，通過(guò)液相凝固、元素?cái)U(kuò)散、局部重熔等實(shí)現(xiàn)界面冶金結(jié)合。該工藝特點(diǎn)是工藝類型豐富，包括離心鑄造、電渣重熔、電磁連續(xù)澆注等，材料適用范圍廣，并且適用于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，既適合大型件按需定制，又適合小型件批量生產(chǎn)，是生產(chǎn)復(fù)合材料最常用的方法[36]。

1.3 液-液相復(fù)合法

液-液相復(fù)合工藝指初始時(shí)基體金屬和覆層金屬均為液態(tài)，通過(guò)控制基體金屬和覆層金屬的凝固順序，利用高溫下的界面擴(kuò)散或局部熔合現(xiàn)象，使基體金屬與覆層金屬間形成冶金結(jié)合。其特點(diǎn)是工藝流程更短，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，但因基體金屬和覆層金屬均需凝固，為保證鑄造質(zhì)量，較長(zhǎng)的冷卻過(guò)程將導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。

1.3.1 半連續(xù)鑄造復(fù)合工藝

半連續(xù)鑄造復(fù)合工藝如圖5所示，是指率先澆注液態(tài)基體金屬并使之控溫凝固，然后再澆注液態(tài)覆層金屬使之與基體金屬實(shí)現(xiàn)鑄造復(fù)合[37]。相比鑄造復(fù)合工藝，流程更短、能耗更低，但因該工藝基體金屬為澆注成形，因此芯部易出現(xiàn)鑄造缺陷。

1.3.2 連續(xù)鑄造復(fù)合工藝

充芯連續(xù)鑄造復(fù)合工藝原理如圖6所示，是指同時(shí)且分別澆注液態(tài)的基體金屬和覆層金屬，通過(guò)控溫技術(shù)使基體金屬先凝固，覆層金屬后凝固，二者實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合后由牽引裝置持續(xù)拉坯，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。該工藝根據(jù)牽引方向可以分為水平式和垂直式，目前已廣泛應(yīng)用于有色金屬?gòu)?fù)合棒材、管材的生產(chǎn)[38—41]。

2 固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)研究進(jìn)展

分析技術(shù)整體發(fā)展趨勢(shì)可知，固-固相復(fù)合法雖然通常情況下流程較長(zhǎng)，但成形原理相對(duì)簡(jiǎn)單且生產(chǎn)效率相對(duì)較高，而液-液相復(fù)合法通常情況下流程較短，但成形原理相對(duì)復(fù)雜且生產(chǎn)效率相對(duì)較低。固-液相復(fù)合法處于固-固相復(fù)合法與液-液相復(fù)合法之間，通常兼具短流程與高效率優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)有技術(shù)水平有望能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)柔性包覆和連續(xù)成形。對(duì)于固-液相復(fù)合法，成形過(guò)程不僅決定著復(fù)合界面，還決定著覆層金屬性能。當(dāng)成形過(guò)程無(wú)塑性變形時(shí)，覆層金屬易出現(xiàn)疏松、縮孔等現(xiàn)象，而成形過(guò)程有塑性變形時(shí)則可實(shí)現(xiàn)致密化變形，提升覆層金屬性能。

圖5 半連續(xù)鑄造復(fù)合工藝示意[37]

圖6 連續(xù)鑄造復(fù)合工藝示意[38—41]

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)，其特點(diǎn)是能在較短時(shí)間內(nèi)完成從鑄造到軋制的冷卻-凝固-成形全過(guò)程，被譽(yù)為21世紀(jì)冶金工業(yè)最具革命性的技術(shù)，而在其基礎(chǔ)上發(fā)展的固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)廣泛用于制備層狀金屬?gòu)?fù)合板帶，但無(wú)法直接用于制備具有圓形截面特征的金屬包覆材料?？仔蛙堉萍夹g(shù)已經(jīng)成功用于管材和棒材生產(chǎn)，但均為固相成形，并且常為多機(jī)架連軋，孔型形狀主要有圓孔型、橢圓孔型以及多弧邊孔型等，側(cè)壁處一般利用圓角或直線過(guò)渡，輥系間孔型未完全貼合，因此，開(kāi)發(fā)用于制備金屬包覆材料的固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)仍具有一定挑戰(zhàn)性。

2.1 工藝原理及核心結(jié)構(gòu)

基于層狀金屬?gòu)?fù)合板帶固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)和孔型軋制技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，率先提出了雙輥布置模式的金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合工藝，如圖7a所示，鑄軋輥表面開(kāi)設(shè)圓形孔型，為了避免孔型側(cè)壁處產(chǎn)生金屬液側(cè)漏現(xiàn)象，采用無(wú)過(guò)渡的正圓孔型[42]?？仔丸T軋輥、仿形側(cè)封和基體金屬共同構(gòu)成近似環(huán)形熔池，基體金屬經(jīng)由導(dǎo)位裝置導(dǎo)入鑄軋輥孔型中，并利用特殊的環(huán)形布流裝置將液態(tài)覆層金屬連續(xù)且均勻地向熔池澆注，在較高的溫度和軋制壓力共同作用下實(shí)現(xiàn)界面結(jié)合。

固-液鑄軋復(fù)合工藝中的布流至關(guān)重要，為了解決覆層金屬周向均勻分布的問(wèn)題，借鑒傳統(tǒng)板帶鑄軋技術(shù)中布流器多級(jí)分流思想，設(shè)計(jì)了特殊的環(huán)形布流器，并且和仿形側(cè)封配合形成模塊化裝配，如圖7b所示。環(huán)形布流器采用單側(cè)澆鑄，經(jīng)三級(jí)環(huán)形階梯分流，最終分為周向均勻的8個(gè)出口，隨后經(jīng)錐形緩沖區(qū)匯流，最終在布流器出口處實(shí)現(xiàn)環(huán)形均勻布流。該方案中基體金屬和覆層金屬僅在鑄軋區(qū)內(nèi)接觸傳熱，因此可以控制鑄軋區(qū)入口處的基體金屬溫度。

2.2 截面演變及成形機(jī)理

通過(guò)急停軋卡和快速水冷的方式獲得的固-液鑄軋區(qū)縱截面宏觀形貌如圖8a所示，液態(tài)覆層金屬由環(huán)形布流器澆注到鑄軋區(qū)后，與鑄軋輥、仿形側(cè)封和基體金屬進(jìn)行固-液接觸換熱并逐漸冷凝形成坯殼，當(dāng)達(dá)到凝固點(diǎn)以下時(shí)進(jìn)入固-固軋制復(fù)合過(guò)程，覆層金屬致密化變形并與基體金屬結(jié)合。

圖7 金屬包覆材料雙輥固-液鑄軋復(fù)合工藝示意[42]

圖8 固-液鑄軋區(qū)截面宏觀形貌演變[43]

固-液鑄軋區(qū)等距橫截面宏觀形貌演變?nèi)鐖D8b所示，鑄軋區(qū)幾何形狀周向分布不均，由近似橢圓形逐漸演變?yōu)閳A形。在凝固點(diǎn)以上，截面Ⅰ處TD側(cè)出現(xiàn)孔洞缺陷，截面Ⅱ時(shí)孔洞消失但邊部表面出現(xiàn)了微小裂紋。在凝固點(diǎn)以下，截面Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ處的復(fù)合界面和邊部均未發(fā)現(xiàn)孔洞，到達(dá)截面Ⅴ時(shí)覆層金屬已經(jīng)基本成為圓形。演變過(guò)程中，TD側(cè)覆層金屬厚度雖然基本沒(méi)有變化，但是ND側(cè)覆層金屬會(huì)在鑄軋輥?zhàn)饔孟孪騎D側(cè)流動(dòng)，仿形側(cè)封處會(huì)出現(xiàn)擠壓效果。

固-液鑄軋復(fù)合工藝集鑄造-軋制-擠壓為一體，包括凝固成形和塑性成形兩個(gè)過(guò)程，其成形原理也分為兩部分，即液態(tài)金屬充型流動(dòng)連續(xù)性和固態(tài)金屬塑性變形連續(xù)性[43]。在凝固點(diǎn)以上，重力作用下的液態(tài)覆層金屬的充型流動(dòng)性保證了凝固成形過(guò)程中圓周方向上的供給連續(xù)性。在凝固點(diǎn)以下，封閉變形孔型中固態(tài)覆層金屬在軋制-擠壓耦合作用下的三維塑性變形流動(dòng)保證了塑性成形過(guò)程中圓周方向上的變形連續(xù)性。

2.3 界面演變及復(fù)合機(jī)理

沿鑄軋區(qū)高度方向依次取樣觀察復(fù)合界面微觀形貌演變過(guò)程，并且根據(jù)溫度和壓力演變過(guò)程分析金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合機(jī)理，如圖9所示，可將完整的復(fù)合界面演變過(guò)程細(xì)分為4個(gè)階段：固-液接觸換熱階段、固-糊（半固態(tài)）鑄造階段、固-固軋制復(fù)合階段和固-固壓力擴(kuò)散階段[44]。因金屬包覆材料具有圓形截面特征，離開(kāi)固-液鑄軋區(qū)之后基體-覆層間仍存在顯著的配合應(yīng)力作用，因此固-固壓力擴(kuò)散階段是制備金屬包覆材料與層狀金屬?gòu)?fù)合板帶的差異所在。

圖9 金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合機(jī)理示意[44]

固-液鑄軋復(fù)合工藝是在擴(kuò)散結(jié)合、反應(yīng)結(jié)合、機(jī)械嚙合等共同作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)合界面的冶金結(jié)合，實(shí)際中復(fù)合界面的演變過(guò)程與基體和覆層材料的物理化學(xué)性能以及高溫下相互作用力學(xué)行為密切相關(guān)，通常是上述某些過(guò)程的有機(jī)組合。

基體與覆層材料的物理化學(xué)性能決定著固-液階段和固-糊階段的擴(kuò)散程度和產(chǎn)物類型，例如在相同工況下制備了鈦/鋁、鋼/鋁和銅/鋁3種復(fù)合管，因鈦的穩(wěn)定性要高于鋼和銅，鈦/鋁間僅形成了機(jī)械結(jié)合，而鋼/鋁間和銅/鋁間則能夠形成明顯擴(kuò)散層。

高溫下復(fù)合界面相互作用的力學(xué)行為主要取決于凝固點(diǎn)高低，界面處存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，剪應(yīng)力有利于固-固軋制復(fù)合階段的界面相對(duì)滑移，產(chǎn)生新鮮金屬，而正壓力和溫度是固-固壓力擴(kuò)散階段的兩大主要因素，二者共同作用有利于促進(jìn)界面間元素?cái)U(kuò)散，例如當(dāng)凝固點(diǎn)較高時(shí)，界面相對(duì)滑移顯著，初始擴(kuò)散層能夠完全破碎、鑲嵌，進(jìn)而形成新生界面，但當(dāng)凝固點(diǎn)較低時(shí)，界面相對(duì)滑移較弱，初始擴(kuò)散層只能發(fā)生局部破碎甚至未能破碎，無(wú)法形成新生界面。

2.4 工藝優(yōu)化及設(shè)備布置

金屬包覆材料由基體金屬和覆層金屬通過(guò)界面復(fù)合形成，基體金屬性能、覆層金屬性能和復(fù)合界面性能共同決定著產(chǎn)品綜合性能，因產(chǎn)品具有典型圓形截面特征，制備過(guò)程中的周向性能均勻性已經(jīng)成為金屬包覆材料真正進(jìn)入服役階段之前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于雙輥布置模式時(shí)鑄軋區(qū)幾何結(jié)構(gòu)周向分布不均，傳熱、凝固和變形均勻性很難調(diào)控，周向性能均勻性成為技術(shù)提升瓶頸。

基于多輥孔型軋制技術(shù)提出了三輥布置模式和四輥布置模式，原理如圖10a所示，改進(jìn)核心是通過(guò)增加鑄軋輥數(shù)量調(diào)控鑄軋區(qū)幾何結(jié)構(gòu)，由多個(gè)鑄軋輥共同組成圓形孔型。與雙輥布置模式相比，成形原理與復(fù)合機(jī)理相同，但多輥布置模式周向的傳熱、傳質(zhì)、凝固和變形的連續(xù)性和均勻性顯著改善，從而最終保障產(chǎn)品周向性能的均勻性[45]。此外，環(huán)形布流過(guò)程采用液位高度控制時(shí)，基體和覆層率先進(jìn)行固-液換熱，如圖10b所示，基體溫度表層高而芯部低，既有利于界面復(fù)合又可以保證較高基體強(qiáng)度。

多輥連軋管工藝的軋輥傳動(dòng)方案有兩種方式，分別是單軸驅(qū)動(dòng)和多軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，并且實(shí)際生產(chǎn)中二輥配置、三輥配置和四輥配置均已有成功應(yīng)用案例。對(duì)于金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合工藝而言，理論上，鑄軋輥數(shù)量越多，周向上的傳熱傳質(zhì)均勻性越好，但鑄軋輥通常為輥套和輥芯配合方式，由內(nèi)部循環(huán)冷卻水帶走鑄軋區(qū)內(nèi)的大量熱量，設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮加工制造的可行性，例如鑄軋輥冷卻水道結(jié)構(gòu)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)接頭尺寸等，因此鑄軋輥數(shù)量并不能無(wú)限增多。綜合考慮周向傳熱傳質(zhì)均勻性和加工制造可行性，最終確定的設(shè)備方案為單軸驅(qū)動(dòng)三輥傳動(dòng)布置模式，如圖11a所示，該方案結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、成本節(jié)約，采用的旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖11b所示。

圖10 金屬包覆材料多輥固-液鑄軋復(fù)合工藝示意[45]

圖11 多輥固-液鑄軋復(fù)合設(shè)備示意[45]

2.5 力學(xué)問(wèn)題及產(chǎn)品缺陷

固-液鑄軋復(fù)合工藝的鑄軋區(qū)內(nèi)覆層金屬物理狀態(tài)發(fā)生變化，鑄軋輥-基體-覆層間相互作用，力學(xué)行為及接觸狀態(tài)演變過(guò)程較為復(fù)雜。利用FLUENT軟件對(duì)固-液鑄軋復(fù)合工藝進(jìn)行熱-流耦合分析，確定了凝固點(diǎn)周向分布和軋制復(fù)合計(jì)算區(qū)域，假設(shè)基體為剛性體，可將固相軋制復(fù)合變形階段視為純減壁帶芯棒軋制過(guò)程，并依此推導(dǎo)了軋制力工程計(jì)算公式，為金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合裝備設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[46—47]。

鑄軋區(qū)內(nèi)顯著塑性變形有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度和覆層金屬性能，但當(dāng)工藝控制不當(dāng)時(shí)反而會(huì)造成相應(yīng)產(chǎn)品缺陷。當(dāng)基體為棒材時(shí)，典型缺陷為邊部側(cè)耳，如圖12a和圖13a所示，其產(chǎn)生的主要原因是設(shè)備存在較大配合間隙，可通過(guò)一體化配加工和調(diào)控凝固點(diǎn)高度抑制側(cè)耳形成。當(dāng)基體為管材時(shí)，典型缺陷為芯管壓扁，如圖12b所示，二輥布置模式時(shí)芯管壓扁的主要原因是周向幾何條件不均引起的變形不均，而三輥布置模式時(shí)芯管壓扁的主要原因是澆注引起的局部變形不均，此外三輥布置模式時(shí)還會(huì)出現(xiàn)芯管褶皺現(xiàn)象，如圖13b所示。鑄軋區(qū)內(nèi)基體的溫度和載荷處于時(shí)變狀態(tài)，芯管在復(fù)雜熱-力條件演變過(guò)程中的失穩(wěn)判據(jù)尚有待闡明。

a 邊部側(cè)耳 b 芯管壓扁

a 邊部側(cè)耳 b 芯管褶皺

3 技術(shù)現(xiàn)狀概述及展望

經(jīng)過(guò)理論、模擬與實(shí)驗(yàn)研究，金屬包覆材料固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)的可行性和優(yōu)越性已被初步證實(shí)，相關(guān)研究成果對(duì)解決金屬包覆材料高品質(zhì)、高效率、短流程制備行業(yè)難題和豐富成形工藝?yán)碚摼哂兄匾饬x。由于技術(shù)研發(fā)是一項(xiàng)連續(xù)性、系統(tǒng)性工程，目前該技術(shù)尚處于基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究階段，真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化中試前仍有許多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決，例如特種孔型內(nèi)復(fù)雜應(yīng)力作用下的塑性變形機(jī)制、鑄軋裝備信息感知與智能控制等[48—49]。

金屬包覆材料由于結(jié)構(gòu)特殊性及較高產(chǎn)品性能均勻性要求，需要將性能需求與制備工藝特點(diǎn)相結(jié)合，以固-液鑄軋復(fù)合技術(shù)為典型代表的帶有塑性變形的固-液相復(fù)合工藝將成為行業(yè)未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。除此以外，以固-液相復(fù)合法和液-液相復(fù)合法進(jìn)行初態(tài)復(fù)合組坯，以固-固相復(fù)合法進(jìn)行終態(tài)性能調(diào)控的一體化組合成形工藝同樣具有良好發(fā)展前景。面對(duì)日益嚴(yán)峻的資源問(wèn)題和復(fù)雜服役環(huán)境，金屬包覆材料發(fā)展過(guò)程中將面臨著如下挑戰(zhàn)。

1）產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)及檢測(cè)。亟待開(kāi)發(fā)復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度快速檢測(cè)方法、覆層均勻性及尺寸精度在線檢測(cè)設(shè)備，并且針對(duì)具體組元匹配開(kāi)展復(fù)合界面性能調(diào)控研究和依據(jù)服役性能需求制定復(fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度表征標(biāo)準(zhǔn)。

2）金屬包覆材料產(chǎn)品極限制造。大直徑、極薄覆層、異形截面、多層包覆、多種組元等極限制造中的尺寸效應(yīng)、宏觀形狀控制、微觀界面調(diào)控、性能均勻性控制等差異顯著，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)踐基礎(chǔ)進(jìn)行特種制備技術(shù)的集成與創(chuàng)新將成為研究熱點(diǎn)。

3）制備-熱處理-深加工協(xié)同發(fā)展。從復(fù)雜異形/異質(zhì)金屬包覆材料的形性一體化控制機(jī)制及均勻性控制方法出發(fā)，以產(chǎn)品服役性能需求為目標(biāo)的制備-熱處理-深加工協(xié)同發(fā)展模式將成為金屬包覆材料真正邁入工業(yè)應(yīng)用的必經(jīng)階段。

4）金屬包覆材料全生命周期理論。亟待構(gòu)建貫穿材料性能需求分析、成套裝備設(shè)計(jì)、成形工藝優(yōu)化、服役特性評(píng)估、綠色回收處理等過(guò)程的“性能-制備-服役-回收”全生命周期設(shè)計(jì)理論，對(duì)于推進(jìn)金屬包覆材料綠色工業(yè)化進(jìn)程具有重要意義。

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Research Progress of Solid-Liquid Cast-Rolling Bonding Technology for Metal Cladding Materials

JI Ce, XU Shi-min, HUANG Hua-gui

(a. National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling; b. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Metal cladding materials as typical laminated metal cladding materials are key materials in aerospace, petrochemical engineering, power electronics, etc. Its efficient forming and performance control technology have always been an industry difficulty and international research hotspot. Firstly, typical fabrication processes of metal cladding materials at home and abroad were systematically introduced. According to the difference in the physical state of the substrate and cladding at the initial stage, the existing fabrication processes were divided into three categories: solid-solid bonding, solid-liquid bonding, and liquid-liquid bonding. The forming principles and main characteristics of preparation processes were comparatively analyzed. Then, the latest research progress of solid-liquid cast-rolling bonding technology for metal cladding materials was introduced emphatically from the aspects of process principle, forming mechanism, bonding mechanism and process optimization. The analysis results show that the solid-liquid bonding method with plastic deformation represented by the solid-liquid cast-rolling bonding technology will become an important development direction of the industry in the future. Meanwhile, the integrated bonding forming process, in which solid-liquid and liquid-liquid bonding methods are used to prepare cladding billets in the initial state and solid-solid bonding method is used to control the performance of the final state, has a good development prospect.

metal cladding materials; cast-rolling bonding; solid-solid bonding; solid-liquid bonding; liquid-liquid bonding

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.002

TG306

A

1674-6457(2021)06-0012-11

2021-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51974278）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0707303）

季策（1990—），男，博士生，主要研究方向?yàn)閷訝罱饘購(gòu)?fù)合材料成形工藝及裝備。

許石民（1967—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樗苄猿尚喂に嚰把b備。