多層金屬復合材料的制備工藝

    根據多層復合材料在制備過程中組員材料的不同物理狀態，可以將多層復合材料的制備方法大體分為三類：固相-固相復合、液相-固相復合、液相-液相復合。固相-固相復合的方法主要有爆炸焊接法，軋制法、擴散法，以及不同的方法組合，我司研制的真空熱壓燒結設備以及sps燒結設備也可應用在該領域。液相-固相復合主要包括鑄軋法、反向凝固法、堆焊法、噴射沉積法等。液相-液相復合主要包括電磁連鑄法等。本期著重介紹固相-固相復合的方法。

 

    爆炸焊接法：爆炸焊接法是以炸藥作為能源，利用爆炸產生的高速沖擊作用于不同的連接組元之間，在極短的時間內發生劇烈的碰撞、變形、甚至熔化，從而實現界面的牢固連接。由于界面之間的作用時間極短，不會出現明顯的擴散層，也不會生成脆性的金屬間化合物，該工藝對設備要求不高，工藝相對簡單，成本較低，特別適用于強度、熔點等差異較大的合金和金屬復合材料的制備。但是由于爆炸高能快速的特點，在界面多呈現波浪形、結合強度較低、可控性差，且不合適制備厚度較薄的板帶材的制備。另外，爆炸產生的噪聲污染與環保問題往往是限制其應用的重要因素。

 

    軋制法：軋制法分為熱軋復合和冷軋復合。其基本原理是，在軋機極大壓力的作用下（或者耦合高溫的熱效應），使得不同材料組元表面的氧化膜破碎，裸露出新鮮的金屬表面。在連續且較大的塑性變形作用下，使得裸露處新鮮接觸表面形成機械咬合及原子間的鍵合，從而形成牢固的結合界面。在熱軋復合的過程中，界面氧化問題是影響界面結合的一大問題。為了防止熱軋過程中界面的氧化，目前多采用預先焊接的方法，即先將組元按照一定的順序裝配在一起，再通過焊接將四周密封來最大限度地降低氧化現象。而對于冷軋復合來說，往往存在一個臨界下壓量值，當變形量超過該臨界值后才能獲得良好的界面結合。傳統認為首道次的下壓量大于５０％時就能獲得良好的界面，但對于某些材料而言，單道次下壓量并不是充要條件，同時對總下壓量也有相應的要求。目前多采用三步法工藝，即“表面處理＋乳制＋退火”，來獲得界面結合良好、尺寸精度高的復合材料板坯。整體而言，軋制法對組元材料成分、表面質量、工藝參數要求比較嚴格，工藝相對比較復雜，且對材料尺寸有所限制。

 

    擴散法：擴散法是把經過表面清理的金屬板材按照一定的順序堆疊在一起，在高溫下保持一定的時間，通過原子間的互擴散將不同材料結合在一起，形成牢固的結合。在擴散的過程中，往往會附加一定的壓力，使得不同組元之間保持一種壓緊的狀態，但該壓力并未使不同組元發生明顯的宏觀塑性變形，在界面附近的殘余應力較少。在異質金屬固態擴散的過程中，界面的結合先后經歷點接觸、面接觸及體接觸三個階段。在擴散的初期，主要是多點的物理接觸階段。在界面附近的原子依靠變形，使得異質原子之間的距離逐漸變小，達到形成微弱的化學鍵的條件。第二階段為化學交互作用階段。隨著擴散進行，接觸位置直接由點接觸變為面接觸，并形成激活中心，在界面兩側產生物理和化學的交互作用，最終形成穩定的化學鍵。在形成面接觸之后，通過結合面向界面周圍三維立體空間擴散，最終形成冶金結合，該階段為“體”擴散階段。

 

    累積疊軋法（ＡＲＢ）：累積疊軋法是一種基于劇烈塑性變形來制備超細晶結構材料的方法。主要的工藝流程為：母材預處理＋堆疊＋軋制＋對半切割＋堆疊＋軋制…，每完成一個工藝循環就稱為一個道次。通過這種方法獲得的樣品厚度與初始樣品的厚度相同，但是層數卻逐漸增加，且每一層均產生巨大的變形。若初始層數為２層，經過ｎ道次后，最后的層數為２ⁿ。通過ＡＲＢ方法，一方面可以實現異質材質的結合，另一方面也可以實現多層復合材料的劇烈塑性變形，獲得多層復合材料的超細晶組織。

 

熱壓燒結法：

 

    具體過程是把松散粉末或粉末壓坯同時施加高溫和外壓，在石墨模具中的松散粉末在高壓下被加熱燒結，從而形成固定形狀的產品。加熱方式有電阻式、感應式等方法；加壓主要用機械加壓或液壓加壓等。熱壓燒結的特點：熱壓燒結由于加熱加壓同時進行，粉料處于熱塑性狀態，有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質過程的進行，因而成型壓力僅為冷壓的1/10；還能降低燒結溫度，縮短燒結時間，從而抵制晶粒長大，得到晶粒細小、致密度高和機械、電學性能良好的產品。無需添加燒結助劑或成型助劑，可生產超高純度的陶瓷產品。熱壓燒結的缺點是過程及設備復雜，生產控制要求嚴，模具材料要求高，能源消耗大，生產效率較低，生產成本高。

 

圖1上海皓越生產的熱壓燒結爐（左）外觀（右）爐內構造

 

    放電等離子（SPS）燒結法：放電等離子燒結（SPS）是一種低溫、短時的快速燒結法，可用來制備金屬、陶瓷、納米材料、非晶材料、復合材料、梯度材料等。它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結的加壓燒結法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用。燒結過程中，電極通入直流脈沖電流時瞬間產生的放電等離子體，使燒結體內部各個顆粒均勻的自身產生焦耳熱并使顆粒表面活化。SPS燒結過程可以看作是顆粒放電、導電加熱和加壓綜合作用的結果。除加熱和加壓這兩個促進燒結的因素外，在SPS技術中，顆粒間的有效放電可產生局部高溫，可以使表面局部熔化、表面物質剝落；高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質（如去處表面氧化物等）和吸附的氣體。

 

圖2上海皓越生產的放電等離子燒結爐（左）外觀（右）爐內構造

 

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