多层金属复合材料的制备工艺

根据多层复合材料在制备过程中组员材料的不同物理状态，可以将多层复合材料的制备方法大体分为三类：固相-固相复合、液相-固相复合、液相-液相复合。固相-固相复合的方法主要有爆炸焊接法，轧制法、扩散法，以及不同的方法组合，我司研制的真空热压烧结设备以及sps烧结设备也可应用在该领域。液相-固相复合主要包括铸轧法、反向凝固法、堆焊法、喷射沉积法等。液相-液相复合主要包括电磁连铸法等。本期着重介绍固相-固相复合的方法。

爆炸焊接法：爆炸焊接法是以炸药作为能源，利用爆炸产生的高速冲击作用于不同的连接组元之间，在极短的时间内发生剧烈的碰撞、变形、甚至熔化，从而实现界面的牢固连接。由于界面之间的作用时间极短，不会出现明显的扩散层，也不会生成脆性的金属间化合物，该工艺对设备要求不高，工艺相对简单，成本较低，特别适用于强度、熔点等差异较大的合金和金属复合材料的制备。但是由于爆炸高能快速的特点，在界面多呈现波浪形、结合强度较低、可控性差，且不合适制备厚度较薄的板带材的制备。另外，爆炸产生的噪声污染与环保问题往往是限制其应用的重要因素。

轧制法：轧制法分为热轧复合和冷轧复合。其基本原理是，在轧机极大压力的作用下（或者耦合高温的热效应），使得不同材料组元表面的氧化膜破碎，裸露出新鲜的金属表面。在连续且较大的塑性变形作用下，使得裸露处新鲜接触表面形成机械咬合及原子间的键合，从而形成牢固的结合界面。在热轧复合的过程中，界面氧化问题是影响界面结合的一大问题。为了防止热轧过程中界面的氧化，目前多采用预先焊接的方法，即先将组元按照一定的顺序装配在一起，再通过焊接将四周密封来最大限度地降低氧化现象。而对于冷轧复合来说，往往存在一个临界下压量值，当变形量超过该临界值后才能获得良好的界面结合。传统认为首道次的下压量大于５０％时就能获得良好的界面，但对于某些材料而言，单道次下压量并不是充要条件，同时对总下压量也有相应的要求。目前多采用三步法工艺，即“表面处理＋乳制＋退火”，来获得界面结合良好、尺寸精度高的复合材料板坯。整体而言，轧制法对组元材料成分、表面质量、工艺参数要求比较严格，工艺相对比较复杂，且对材料尺寸有所限制。

扩散法：扩散法是把经过表面清理的金属板材按照一定的顺序堆叠在一起，在高温下保持一定的时间，通过原子间的互扩散将不同材料结合在一起，形成牢固的结合。在扩散的过程中，往往会附加一定的压力，使得不同组元之间保持一种压紧的状态，但该压力并未使不同组元发生明显的宏观塑性变形，在界面附近的残余应力较少。在异质金属固态扩散的过程中，界面的结合先后经历点接触、面接触及体接触三个阶段。在扩散的初期，主要是多点的物理接触阶段。在界面附近的原子依靠变形，使得异质原子之间的距离逐渐变小，达到形成微弱的化学键的条件。第二阶段为化学交互作用阶段。随着扩散进行，接触位置直接由点接触变为面接触，并形成激活中心，在界面两侧产生物理和化学的交互作用，最终形成稳定的化学键。在形成面接触之后，通过结合面向界面周围三维立体空间扩散，最终形成冶金结合，该阶段为“体”扩散阶段。

累积叠轧法（ＡＲＢ）：累积叠轧法是一种基于剧烈塑性变形来制备超细晶结构材料的方法。主要的工艺流程为：母材预处理＋堆叠＋轧制＋对半切割＋堆叠＋轧制…，每完成一个工艺循环就称为一个道次。通过这种方法获得的样品厚度与初始样品的厚度相同，但是层数却逐渐增加，且每一层均产生巨大的变形。若初始层数为２层，经过ｎ道次后，最后的层数为２ⁿ。通过ＡＲＢ方法，一方面可以实现异质材质的结合，另一方面也可以实现多层复合材料的剧烈塑性变形，获得多层复合材料的超细晶组织。

热压烧结法：

具体过程是把松散粉末或粉末压坯同时施加高温和外压，在石墨模具中的松散粉末在高压下被加热烧结，从而形成固定形状的产品。加热方式有电阻式、感应式等方法；加压主要用机械加压或液压加压等。热压烧结的特点：热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，因而成型压力仅为冷压的1/10；还能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的产品。无需添加烧结助剂或成型助剂，可生产超高纯度的陶瓷产品。热压烧结的缺点是过程及设备复杂，生产控制要求严，模具材料要求高，能源消耗大，生产效率较低，生产成本高。

图1上海皓越生产的热压烧结炉（左）外观（右）炉内构造

放电等离子（SPS）烧结法：放电等离子烧结（SPS）是一种低温、短时的快速烧结法，可用来制备金属、陶瓷、纳米材料、非晶材料、复合材料、梯度材料等。它是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的加压烧结法。通-断式直流脉冲电流的主要作用是产生放电等离子体、放电冲击压力、焦耳热和电场扩散作用。烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在SPS技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，可以使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击清除了粉末颗粒表面杂质（如去处表面氧化物等）和吸附的气体。

图2上海皓越生产的放电等离子烧结炉（左）外观（右）炉内构造

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