金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti制備技術(shù)及其研究進(jìn)展

程玉潔，果春煥，周培俊，曹　陽，侯紅亮，王耀奇，姜風(fēng)春

(1. 哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)(2. 哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)(3. 北京航空制造工程研究所，北京 100024)

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金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti制備技術(shù)及其研究進(jìn)展

程玉潔1，果春煥1，周培俊1，曹陽2，侯紅亮3，王耀奇3，姜風(fēng)春1

(1. 哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 超輕材料與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)(2. 哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)(3. 北京航空制造工程研究所，北京 100024)

姜風(fēng)春

摘要：新型金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti具有高強(qiáng)度、高模量、高剛度、低密度以及高的斷裂韌性等優(yōu)異性能，在航空航天、武器裝備及地面軍用車輛的裝甲防護(hù)系統(tǒng)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。迄今為止，針對金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti的制備，人們發(fā)展了冷軋、熱軋、脈沖電流熱壓、真空燒結(jié)、無真空燒結(jié)和爆炸焊接等制備技術(shù)。概述了國內(nèi)外對新型輕質(zhì)高性能金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti的研究現(xiàn)狀，著重闡述了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti制備技術(shù)的工藝原理及其特點(diǎn)，為Ti/Al3Ti的發(fā)展和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。最后從不同研究方向展望了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti未來的主要研究趨勢。

關(guān)鍵詞：Al3Ti金屬間化合物；層狀復(fù)合材料；制備技術(shù)

Synthesis Techniques and Research Progress of theMetal-Intermetallic Laminate Composites Ti/Al3Ti

CHENG Yujie1，GUO Chunhuan1，ZHOU Peijun1，CAO Yang2，

1前言

隨著航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，對高溫結(jié)構(gòu)材料性能提出了更高的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)材料向著“更強(qiáng)、更剛、更耐熱和更輕”的方向發(fā)展[1]。Ti-Al系金屬間化合物基合金由于具有優(yōu)異的高溫比強(qiáng)度、比剛度、抗蠕變、抗氧化、抗燃燒以及耐磨性等優(yōu)異性能，成為近年來國際上輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料研究的熱點(diǎn)之一，是21世紀(jì)先進(jìn)輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料的明星。對于Ti-Al系金屬間化合物，目前研究較多的是TiAl基合金[2-5]。為克服金屬間化合物低溫脆性大、塑性差、斷裂韌性低、疲勞裂紋擴(kuò)展速率大等缺點(diǎn)，研究者進(jìn)行了大量探索性研究工作，主要采用合金化和熱機(jī)械處理等方法來獲得細(xì)小均勻、少偏析的合金組織。作為高溫結(jié)構(gòu)材料，TiAl合金在航空、航天、汽車等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[6-8]。

與其它幾種Ti-Al金屬間化合物相比，Al3Ti的密度最小、比強(qiáng)度最高、高溫抗氧化性能最好，逐漸的被人們所研究。近年來人們發(fā)展了以Al3Ti為基體，由高強(qiáng)度鈦合金(Ti-6Al-4V)增強(qiáng)的Ti/Al3Ti 層狀復(fù)合材料[9-30]。其利用金屬間化合物提供高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，利用韌性金屬改善金屬間化合物的脆性，使這類層狀復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能。由于金屬間化合物基層狀復(fù)合材料具有獨(dú)特的疊層結(jié)構(gòu)和特殊的失效形式，使其除了具有高強(qiáng)度、高模量、低密度的優(yōu)異性能，還具有強(qiáng)大的吸收沖擊功的能力。因此，金屬間化合物基層狀復(fù)合材料除了用作高溫結(jié)構(gòu)材料以外，國外發(fā)達(dá)國家已考慮將這種新型的結(jié)構(gòu)材料用于航空、航天、武器裝備及地面軍用車輛的裝甲防護(hù)系統(tǒng)，并開展了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究[14-20]。

本文針對金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti的發(fā)展歷史和各種制備技術(shù)，并展望了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti的主要研究方向。

2金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的發(fā)展

金屬間化合物作為一種特殊的金屬類別，不僅具有較低的密度，還擁有高熔點(diǎn)、高硬度、高剛度的特點(diǎn)以及優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗氧化腐蝕能力和抗蠕變能力，但是大多數(shù)金屬間化合物均具有低溫塑韌性差的缺點(diǎn)，是典型的脆性材料，這嚴(yán)重制約其在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。層狀復(fù)合材料作為脆性材料的增韌途徑是基于Clegg等人的原創(chuàng)性工作[31]發(fā)展起來的方法，在深入研究天然生物材料貝殼的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為的基礎(chǔ)上，根據(jù)貝殼材料特殊的強(qiáng)韌化原理，在脆性材料中加入軟質(zhì)材料層制備出了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料[15,32]。這類材料的增韌機(jī)制和傳統(tǒng)上通過消除缺陷來提高韌性的方法不同，它是一種能量耗散機(jī)制，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小了強(qiáng)度對缺陷的依賴性，成為一種耐缺陷材料。

20世紀(jì)90年代中期，美國Albany Research Center的研究人員采用真空燒結(jié)的方法最早制備出了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti[9-12]。21世紀(jì)初，美國加州大學(xué)圣迭戈分校開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無真空燒結(jié)制備金屬間化合物基層狀(Metal-Intermetallic Laminate, MIL)復(fù)合材料專利技術(shù)[13-14]，從而使MIL復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了低成本、商用化。在我國，河北工業(yè)大學(xué)在這方面較早地開展了類似的研究工作[33-34]，他們的研究主要集中在Ni/Al系金屬/金屬間化合物層狀復(fù)合材料的制備等方面。

作為一種新型的輕質(zhì)高性能空天結(jié)構(gòu)材料，金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti綜合了金屬間化合物Al3Ti的高溫強(qiáng)度及高蠕變抗力和韌性金屬Ti的高塑韌性等優(yōu)異性能，達(dá)到了改善金屬間化合物Al3Ti脆性的目的。本文作者曾發(fā)表文章對這類層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能做了全面的分析和綜述[35]。迄今為止，在金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備技術(shù)方面人們發(fā)展了各種各樣的制備技術(shù)，主要有：冷軋[36-38]、熱軋[39-42]、真空燒結(jié)[9-12,43-46]、無真空燒結(jié)[13-17,46]、爆炸焊接[48-49]、脈沖電流加工[50-51]等。本文將分別介紹分析、歸納總結(jié)這些制備技術(shù)及其特點(diǎn)。

3Ti/Al3Ti系金屬間化合物基層狀復(fù)合材料制備技術(shù)

3.1軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合工藝是指兩種或多種表面潔凈的金屬相互接觸，在壓力的作用下，通過加熱和塑性變形使原子間通過擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的復(fù)合方法。軋制復(fù)合技術(shù)一般按軋制次數(shù)可分為單道次軋制法和累積疊軋復(fù)合成型兩種。

3.1.1單道次軋制

單道次軋制包括冷軋復(fù)合+熱處理和熱軋復(fù)合兩種成形方式。

冷軋復(fù)合法是將金屬坯料在常溫下對其施加壓力進(jìn)行軋制變形，僅在壓力的作用下使不同金屬復(fù)合的工藝方法。北京航空航天大學(xué)孫彥波等[38]利用Ti/Al箔冷軋后熱處理的方法制備了Ti-Al系金屬間化合物基層狀復(fù)合材料板材。他們在制備過程中，將冷軋后的復(fù)合板在不同條件下進(jìn)行熱處理，最后通過熱壓法將板材致密化。經(jīng)過這一系列工序，成功制備出了致密性良好的Ti3Al/TiAl復(fù)合板材，其微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，經(jīng)冷軋+熱處理+熱壓的Ti3Al/TiAl復(fù)合板材，其內(nèi)部的孔洞基本消除，且界面結(jié)合良好。由此可見，冷軋復(fù)合法可以制備出較大長度和寬度的制品，這種方法對軋機(jī)功率要求高，軋制變形大，而且軋制后往往還需對材料進(jìn)行后續(xù)熱處理，但由于其生產(chǎn)成本相對較低，因此，適用于大批量、卷狀連續(xù)化生產(chǎn)。

圖1　冷軋+熱處理+熱壓的Ti3Al/TiAl復(fù)合材料的SEM照片(熱壓條件為：35 MPa，1 000 ℃,4 h)[38]Fig.1　SEM micrograph of Ti3Al/TiAl laminated composites by cold rolling+hot treating+hot pressing(processing parameter:35 MPa，1 000 ℃,4 h)[38]

熱軋復(fù)合法是將待復(fù)合的金屬坯料加熱到一定溫度，對其施加壓力進(jìn)行塑性變形，在熱和力的共同作用下使不同金屬接觸面相結(jié)合的工藝方法。一般熱軋復(fù)合法所需軋制力較小，對軋機(jī)要求不高，工藝比較簡單，成本較低，而且制備出的復(fù)合材料界面處結(jié)合牢固，但在軋制過程中難以控制層間距、層厚比，無法實(shí)現(xiàn)材料性能的調(diào)整和控制，若在空氣中生產(chǎn)還易在界面上產(chǎn)生氧化物，影響復(fù)合材料的性能，同時(shí)，軋制過程若無保溫措施，材料長度受到限制，還需對該復(fù)合法進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)化、理論化的研究探索，實(shí)現(xiàn)復(fù)合的大變形，因此熱軋復(fù)合技術(shù)適用于小批量、多品種、塊狀生產(chǎn)。徐磊等人[42]采用熱軋復(fù)合法制備了Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，其制造工藝是先將Ti/Al箔片表面清潔干凈后包套封裝處理，加熱至950 ℃后熱軋?zhí)幚恚詈蟮玫絋i/Al3Ti層狀復(fù)合材料。研究表明，通過該方法復(fù)合而成的Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料強(qiáng)韌性非常優(yōu)越。

3.1.2累積疊軋

累積疊軋復(fù)合法的主要過程是將板材疊合在一起，在一定溫度下以一定壓下量進(jìn)行軋制，并使板材結(jié)合為一個(gè)整體，以上過程可重復(fù)進(jìn)行。采用累積疊軋技術(shù)，多次軋制引入大的累積應(yīng)變，一方面使基體金屬和強(qiáng)化金屬的晶粒超細(xì)化，另一方面通過劇烈塑性變形的機(jī)械合金化效應(yīng)，提高異種金屬層間的結(jié)合強(qiáng)度，對改善層狀復(fù)合材料的力學(xué)性能大有益處。德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)Maier等[37]利用累積疊軋和后續(xù)熱處理的方法成功制備了Ti/Al層狀復(fù)合材料。其制備過程首先將兩種材料交替疊放，進(jìn)行累積疊軋?jiān)囼?yàn)(疊軋次數(shù)為4)，隨后將Ti/Al復(fù)合板分別在180，400，600 ℃下進(jìn)行后續(xù)退火熱處理。結(jié)果表明，在180 ℃和400 ℃下進(jìn)行退火處理，所得層狀復(fù)合材料界面結(jié)合較弱，且存在大量表面缺陷，當(dāng)溫度升高至600 ℃，界面結(jié)合處生成金屬間化合物Al3Ti。軋制復(fù)合方法也可用于TiAl基層狀復(fù)合材料的制備。美國阿拉巴馬大學(xué)Chaudhari等人[36]利用冷軋、熱處理和熱軋相結(jié)合的復(fù)合方法成功制備出γ-TiAl基層狀復(fù)合材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳玉勇課題組[52]利用熱裝軋制復(fù)合方法制備了Ti/TiAl層狀復(fù)合材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)耿琳課題組[53]利用熱軋復(fù)合和后續(xù)熱處理制備了TiB2/TiAl層狀復(fù)合材料。Zhang等[54]利用累積疊軋和后續(xù)兩步退火熱處理成功制備了Ti/Al/Nb層狀復(fù)合材料，結(jié)果表明，該層狀復(fù)合材料其納米機(jī)械性能得到顯著改善。近期，俄羅斯科學(xué)院的金屬超塑性問題研究所 Galeyev等人[40]利用擴(kuò)散壓合和熱軋復(fù)合方法制備了兩層(Ti+O合金)和三層(Ti+O+Ti合金)層狀復(fù)合材料。其中O合金為金屬間化合物合金，其成分為Ti-23Al-22.7Nb-1.1V-0.6Zr-0.2Si-0.3C (均指質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

3.2熱壓擴(kuò)散復(fù)合法

熱壓擴(kuò)散復(fù)合工藝是將異種金屬箔片交替疊放，在高溫下施加壓力進(jìn)行擴(kuò)散連接，使層與層之間產(chǎn)生金屬鍵結(jié)合，最終形成疊層交替連接的致密組織結(jié)構(gòu)。熱壓擴(kuò)散法一般包括真空燒結(jié)和無真空燒結(jié)兩種。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：對于同種或異種材料箔片，容易制備成整體大塊材料，能產(chǎn)生高質(zhì)量的界面，不需熔化母材，界面的力學(xué)性能能夠達(dá)到或接近母材力學(xué)性能。

20世紀(jì)90年代，Rawers等人[9-12]采用真空熱壓燒結(jié)法首先制備出了Ti/Al3Ti 層狀復(fù)合材料。他們首先將Al箔分別與Ti板交疊放置于真空熱壓爐中對其進(jìn)行熱壓復(fù)合處理，最終得到Ti/Al3Ti 層狀復(fù)合材料。中國科技大學(xué)彭良明等人[44-45]也利用真空熱壓燒結(jié)法成功制備了Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料。北京航空制造工程研究所蓋鵬濤等人[55]利用熱壓復(fù)合法在不同工藝參數(shù)下成功制備了Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，首先對TA1鈦板和1050鋁箔用Ti-6Al-4V鈦合金板材進(jìn)行包套處理，然后在萬能熱壓機(jī)上進(jìn)行熱壓復(fù)合試驗(yàn)。利用該方法，因在700 ℃時(shí)(Al的熔點(diǎn)以上)有液相存在，可實(shí)現(xiàn)Ti，Al的持續(xù)緊密接觸，加快反應(yīng)速度，促進(jìn)反應(yīng)順利進(jìn)行。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉江平等人[41]利用熱壓和后續(xù)退火處理復(fù)合工藝制備了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料，并采用有限元分析的方法對金屬間化合物的形成進(jìn)行了模擬。

真空熱壓方法的優(yōu)點(diǎn)是所制備板材近凈成形、界面結(jié)合牢固、無孔洞，是一種低溫快速成形技術(shù)；同時(shí)采用真空條件可以避免加工過程中材料的氧化，獲得較為均勻的組織結(jié)構(gòu)，但高溫下長時(shí)間的燒結(jié)會(huì)造成晶粒粗化、晶界污染等，而且真空條件成本較高，制品尺寸受到真空室的限制，在制備大尺寸微疊層復(fù)合材料方面受到限制。

美國加州大學(xué)圣地亞哥分校Vecchio和他的團(tuán)隊(duì)[13,15,22-23,26-27,29,56-58]利用無真空熱壓燒結(jié)技術(shù)最早制備了Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，其制備裝置如圖2所示[13]。主要制備過程是將Al和Ti箔材在500~700 ℃條件下加壓復(fù)合。在反應(yīng)過程中，Al與Ti完全反應(yīng)生成Al3Ti，Ti有剩余，最后生成了Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料。結(jié)果表明，Ti層和Al3Ti層分布均勻，界面干凈且結(jié)合良好。此外，他們還對這種層狀復(fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，利用這種方法他們采用不同類型的Ti板制備出了Ti體積分?jǐn)?shù)不同的Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，他們深入研究了Ti/Al的反應(yīng)機(jī)制以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。根據(jù)Ti-Al相圖，在 500～650 ℃時(shí)，應(yīng)有Al2Ti、AlTi3、AlTi、Al3Ti等金屬間化合物生成，但實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)只有Al3Ti生成，其他幾種金屬間化合物的缺失可以利用熱力學(xué)知識(shí)來解釋。從273～1 473 K溫度下的Ti/Al系材料自由能曲線(如圖3[59])可以看出，Al3Ti的自由能比AlTi3和AlTi的自由能低；此外，反應(yīng)燒結(jié)過程中存在充足的液態(tài)Al，因此可以預(yù)期到Ti和液態(tài)Al反應(yīng)時(shí)富Ti化合物AlTi3和AlTi是不會(huì)生成的。Al2Ti和Al5Ti2的形成需通過一系列的固-液和(或)固態(tài)反應(yīng)，因此Al2Ti和Al5Ti2的形成可以從熱動(dòng)力學(xué)的角度上排除。此外，他們還研究了這類層狀材料的阻力曲線、斷裂韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展行為等，分析了熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力對斷裂韌性的影響，以及材料內(nèi)部裂紋密度和分布、裂紋擴(kuò)展和損傷演化過程。

圖2　無真空熱壓燒結(jié)裝置示意圖[13]Fig.2　Schematic diagram of reactive foil sintering in air[13]

圖3　Ti/Al系材料在273～1 473 K溫度范圍內(nèi)的自由能曲線[59]Fig.3　Free energy curves of different Ti/Al intermetallic compounds at 273~1 473 K[59]

大量實(shí)驗(yàn)研究表明，與傳統(tǒng)的真空燒結(jié)技術(shù)相比，無真空燒結(jié)法簡單易行，而且在很大程度上降低了生產(chǎn)成本，但其也存在一定局限性，如制備過程中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氧化膜，減緩元素Ti和Al的反應(yīng)速率，進(jìn)而影響材料的綜合性能。

3.3爆炸焊接法

爆炸焊接法利用炸藥的爆炸力，在微秒級時(shí)間內(nèi)，使兩塊金屬板材在碰撞點(diǎn)附近產(chǎn)生高達(dá)106~107s-1的應(yīng)變速率和104MPa的高壓，從而實(shí)現(xiàn)異種金屬的焊接復(fù)合，其工藝過程如圖4所示[60]。由于加載壓力和界面高溫持續(xù)時(shí)間極短，阻礙了基體和復(fù)合用板金屬之間的化學(xué)反應(yīng)，焊合區(qū)的厚度常在幾十微米以內(nèi)。該法主要適合于單張面積較大且厚的復(fù)合板材產(chǎn)品或復(fù)合板坯、多層復(fù)合板和截面異型的復(fù)合板等。

圖4　爆炸復(fù)合法工藝示意圖[60]Fig.4　Schematic diagram of explosive welding techniques[60]

目前，在利用爆炸焊接法制備Ti-Al系金屬間化合物基層狀復(fù)合材料方面的研究相對較少。俄羅斯西伯利亞國立技術(shù)大學(xué)的Bataev[48]等采用爆炸焊接+回火的方法制備出了Al/Al3Ti/Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料，并研究了該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。俄羅斯托木斯克國立大學(xué)的研究人員[49]利用爆炸焊接加無壓燒結(jié)法制備了Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)過程中首先將Ti板和Al板使用爆炸焊接法交替結(jié)合起來，隨后將爆炸復(fù)合好的復(fù)合板在特定溫度下燒結(jié)，最終成功制備出Ti/Al3Ti層狀復(fù)合材料。近期，田廣民[61]對爆炸焊接復(fù)合法的機(jī)理、工藝技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。爆炸復(fù)合法的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)合界面上看不到明顯的擴(kuò)散層，產(chǎn)品性能穩(wěn)定；與無真空燒結(jié)法[15]相比，該制備過程可在空氣中進(jìn)行且無需壓力作用，實(shí)驗(yàn)設(shè)備無特殊要求，節(jié)約成本且操作簡單。其局限是：生產(chǎn)效率低，不適合大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)；生產(chǎn)過程中噪聲大、煙霧大，需采取特殊的環(huán)保措施；生產(chǎn)安全性差，需要特殊的措施和嚴(yán)格的操作規(guī)程確保生產(chǎn)安全性；另外，難以對薄層以及多層復(fù)合材料進(jìn)行控制爆炸成形。由于所使用原材料板材較厚，燒結(jié)過程中反應(yīng)未能完全進(jìn)行，影響層狀復(fù)合板材綜合性能。為解決這方面問題，還需繼續(xù)完善該方法。

3.4脈沖電流法

脈沖電流復(fù)合法是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種材料快速制備技術(shù)，包括放電等離子燒結(jié)與焊接、等離子活化燒結(jié)與焊接、脈沖大電流擴(kuò)散焊接等，其基本特征是脈沖大電流直接通過模具或樣品，使樣品溫度快速升高，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散成形。

日本大阪工業(yè)技術(shù)研究院的Mizuuchi等人[50-51]利用脈沖電流熱加工技術(shù)制備了Ti/Ti-Al化合物層狀復(fù)合材料，并研究了反應(yīng)溫度對材料性能的影響以及其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。利用該方法制得層狀復(fù)合材料掃描電鏡照片如圖5所示[50]。與傳統(tǒng)的燒結(jié)方法相比，脈沖電流燒結(jié)法具有以下特點(diǎn)：燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短、安全可靠、節(jié)省能源及成本低，所制備的材料晶粒細(xì)小均勻、致密度高、性能優(yōu)良，但針對不同的材料，需對應(yīng)不同的磨具(即磨具的重復(fù)利用率較低)，對于脈沖電流燒結(jié)法的工作原理還處于研究階段。

圖5　脈沖電流法制備的Ti/Al層狀復(fù)合材料SEM照片[50]Fig.5　SEM micrograph of Ti/Al laminated composites by pluse current hot pressing[50]

3.5其他方法簡介

3.5.1電子束物理氣相沉積法

電子束物理氣相沉積(EBPVD)是以電子束為熱源的一種蒸鍍方法，電子束通過磁場或電場聚焦在蒸發(fā)源錠子上，使材料熔化，而后在真空環(huán)境下蒸發(fā)源材料的氣相原子以直線形式從熔池表面運(yùn)動(dòng)到基體表面沉積成膜。電子束物理氣相沉積方法制備微疊層復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)分別將不同的材料進(jìn)行熔化蒸發(fā)，逐層沉積到基體材料表面，從而制備出單層厚度小、結(jié)合性能良好的微疊層復(fù)合材料。微疊層復(fù)合材料最大特點(diǎn)就是多界面特征，其層間距小且多界面效應(yīng)使其性能優(yōu)異，尤其是具有高溫韌性、抗蠕變性、抗氧化性、高溫?zé)岱€(wěn)定性好的金屬/金屬間化合物基微疊層復(fù)合材料，其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。但是這種復(fù)合技術(shù)也存在一定局限性：只能制備微疊層，不能用于制備大尺寸板材和較厚板材，而且還未廣泛應(yīng)用到金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti的制備過程中，其在制備TiAl基微疊層復(fù)合材料方面應(yīng)用較多。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬李等[62-63]采用電子束物理氣相沉積法制備了大尺寸Ti/TiAl微疊層復(fù)合材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓杰才等[64]采用電子束物理氣相沉積法制備出Nb/TiAl微疊層復(fù)合材料。

3.5.2激光沉積法

激光沉積工藝(PLD)一般采用激光逐點(diǎn)原位熔化粉末狀材料來實(shí)現(xiàn)各層材料的沉積合成。激光沉積過程具有設(shè)計(jì)柔性、加工快速、控制精確、材料性能優(yōu)異、原材料利用率高等特點(diǎn)。美國伊利諾伊大學(xué)Chung等[65]采用激光沉積方法在Si基體上制備出NbAl3/Al微疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。清華大學(xué)鐘敏霖等[66]利用激光沉積法制備出Al5-Nb3Al/B2微疊層結(jié)構(gòu)金屬間化合物基復(fù)合材料。

除以上兩種特種制備技術(shù)以外，有學(xué)者還采用磁控濺射沉積、自蔓延高溫合成等方法開展了制備層狀復(fù)合材料的研究。加利福尼亞大學(xué)Mara等人[67]利用真空磁控濺射方法制備了Cu/Nb微疊層復(fù)合材料；韓國昌原理工學(xué)院Chung等[68]利用自蔓延高溫合成法制備了Nb/NbAl微疊層復(fù)合材料。

4Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料制備技術(shù)的最新進(jìn)展

為了低成本地制造高性能的金屬基層狀復(fù)合材料，國際上發(fā)展了一些先進(jìn)的制備技術(shù)，其中最為先進(jìn)的是超聲波固結(jié)(Ultrasonic Consolidation)預(yù)成形工藝。超聲波固結(jié)技術(shù)是在超聲波振動(dòng)作用下，使材料表面相互摩擦而形成分子層并粘連在一起，該技術(shù)是近年來發(fā)展的一種高效能的制備金屬復(fù)合板材(箔材)的方法[19,69-79]。

研究表明，超聲波固結(jié)預(yù)成形技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：是一種固態(tài)成形技術(shù)，工作溫度低，節(jié)省能源，適合于低成本的快速制造；金屬箔材表面的氧化物易被超聲波破碎，形成潔凈的界面，因此不需對其進(jìn)行表面預(yù)處理[72]；經(jīng)超聲波固結(jié)預(yù)處理后的TiAl界面在隨后燒結(jié)過程中原子的擴(kuò)散速度加快，反應(yīng)時(shí)間縮短，生產(chǎn)效率大幅度提高；利用超聲波固結(jié)預(yù)成形技術(shù)制造的層狀復(fù)合材料毛坯在空氣中燒結(jié)時(shí)復(fù)合材料界面不產(chǎn)生氧化物；這種技術(shù)可用于制備多種層狀材料體系，如層狀復(fù)合材料、金屬蜂窩層復(fù)合板、金屬泡沫夾心結(jié)構(gòu)、電子封裝層狀復(fù)合材料等。

迄今為止，超聲波固結(jié)技術(shù)也逐漸應(yīng)用于層狀復(fù)合板材的制備，比如Al-Al[70,74]、Al-Cu[75]和Ti-Al[76]。美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室Sano等人[19,78]采用該方法制備出CP(Commercial Pure)-Ti/TiAl3/Al 層狀復(fù)合材料。在研究過程中，他們首先利用超聲波固結(jié)預(yù)成形技術(shù)將Ti板和Al板制成毛坯，然后將預(yù)制毛坯進(jìn)行后續(xù)熱處理，制備出了CP-Ti/TiAl3/Al層狀復(fù)合材料。此外，超聲波固結(jié)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和智能材料的制備等。

上述闡述的這些制備技術(shù)大都用于制備復(fù)合材料板材，近期，有學(xué)者開展了金屬間化合物基層狀復(fù)合材料Ti/Al3Ti曲面板材的研究[79]，這是值得注意的研究動(dòng)向，因?yàn)檫@種曲面復(fù)合材料的加工更為復(fù)雜和困難，但是更接近工程應(yīng)用。

5結(jié)語

Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料可作為高溫結(jié)構(gòu)材料、超高吸能裝甲防護(hù)材料，在航空航天、地面武器裝備的裝甲防護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。國外學(xué)者對Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備、性能和應(yīng)用開展了較多的研究工作，并且該材料已成功應(yīng)用于某些領(lǐng)域。但國內(nèi)對該復(fù)合材料尚欠廣泛和深入的研究，具體如下：①在低成本先進(jìn)制備技術(shù)方面，Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的制備及成形工藝還不夠成熟，探索新的低成本制備工藝及成形技術(shù)，進(jìn)一步提高材料的性能，降低成本，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化最重要的研究方向之一。②Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的成形工藝及使用性能研究較少，還需開展系統(tǒng)的研究工作，如Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料的成形性能、環(huán)境因素(外力、溫度等)等與材料性能之間的關(guān)系。③在材料設(shè)計(jì)方面，需開發(fā)相關(guān)模擬程序，模擬復(fù)合材料的力學(xué)性能與材料組元、結(jié)構(gòu)、加工工藝之間的關(guān)系。④在復(fù)合材料成形機(jī)理方面，需研究反應(yīng)熱力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料微觀組織與結(jié)構(gòu)等，結(jié)合工藝參數(shù)研究Ti/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料界面附近新相生成的條件、形貌及生成比例等，以及其對界面結(jié)合性能的影響。⑤在金屬間化合物Al3Ti本身的增韌方面，大量實(shí)驗(yàn)研究表明，這類層狀復(fù)合材料的失效均由脆性金屬間化合物內(nèi)部的大量脆性裂紋引起，單一的韌性金屬增韌已不能滿足材料的性能需求。為此，要改善脆性相Al3Ti本身的塑韌性，可通過纖維增強(qiáng)等手段實(shí)現(xiàn)金屬間化合物Al3Ti的增韌，從而提高復(fù)合材料的整體性能。⑥在曲面材料以及簡單零件直接成形工藝研究方面，由于這類層狀復(fù)合材料本身機(jī)械加工及成形難度較大，因此，開展曲面材料的直接成形和近等凈成形工藝研究具有非常重要的工程意義。

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(編輯惠瓊)

哈工大發(fā)現(xiàn)介電彈性材料讓關(guān)節(jié)更靈活

哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校和美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究者們最近發(fā)現(xiàn)，用介電彈性體材料制造而成的人造關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)角度彎曲，即能夠上下扇動(dòng)，這使得人造關(guān)節(jié)能像鳥類的翅膀一樣靈活。這一研究成果日前發(fā)表在美國物理聯(lián)合會(huì)的《應(yīng)用物理快報(bào)》上。

以往，研究者們通常用穩(wěn)定電壓激活人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。穩(wěn)定電壓只能使人造關(guān)節(jié)在某一個(gè)固定的角度范圍內(nèi)彎曲，而哈工大和加州大學(xué)的研究者們則想了解人造關(guān)節(jié)在周期性變化的交變電壓中是如何運(yùn)動(dòng)的。

在實(shí)驗(yàn)中，研究者們用交變方波電壓激發(fā)人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。交變方波是一種周期性開啟關(guān)閉的電壓，它不同于以往科學(xué)家“常用穩(wěn)定電壓研究人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)”。

通過在實(shí)驗(yàn)中測試不同的參數(shù)，如調(diào)整所加電壓值和頻率、改變?nèi)嗽礻P(guān)節(jié)的質(zhì)量，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的振動(dòng)現(xiàn)象：當(dāng)人造關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量或者所施加的電壓大到一定程度的時(shí)候，它能夠?qū)崿F(xiàn)超過90度的負(fù)角度彎曲，如鳥類的翅膀一樣上下扇動(dòng)。

“實(shí)現(xiàn)負(fù)角度彎曲時(shí)，人造關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變得更加復(fù)雜，所遵循的振動(dòng)規(guī)律也和常規(guī)不同,我們稱之為非線性振蕩。”研究人員說。

此外，介電彈性材料因其柔軟輕質(zhì)的內(nèi)在特點(diǎn)和優(yōu)秀的電動(dòng)機(jī)械性能，而被認(rèn)為是最接近人類肌肉的材料，近幾年廣受科學(xué)家們的青睞。

From http://www.cutech.edu.cn/cn/gxkj/2015/04/1428947587706592.htm

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第一作者：程玉潔，女，1989年生，博士研究生

HOU Hongliang3，WANG Yaoqi3，JIANG Fengchun1

(1. Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology，Ministry of Education，

College of Materials Science and Chemical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

(2. College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

(3. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China)

Abstract：The novel metal-intermetallic laminate(MIL)composite Ti/Al3Ti has excellent performances, such as high strength, high modulus, high stiffness, low density and high fracture toughness, and it has a broad potential application in aerospace, weapons and protective system of ground military vehicles. For fabricating Ti/Al3Ti metal-intermetallic laminate composite, various synthesis techniques were developed until today, mainly including hot rolling, pulse current hot pressing, sintering in vacuum and air conditions, and explosive welding technique, each of which has its advantages and limitations. The present work reviewed the current research progress of a novel Ti/Al3Ti metal-intermetallic laminate composite in domestic and abroad, with the emphasis focused on the development history, and processing methods of various synthesis techniques of the Ti/Al3Ti metal-intermetallic laminate composites, and could provide the foundation and assistance for the development and application of Ti/Al3Ti laminate composites. In the end, this review predicted research trends of the Ti/Al3Ti metal-intermetallic laminate composite from different research directions.

Key words：intermetallic Al3Ti；laminate composite；synthesis technique

中圖分類號(hào)：TB33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)04-0317-09

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.04.08

通訊作者：姜風(fēng)春，男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:fengchunjiang@hrbeu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51205376)；國防基礎(chǔ)科研基金(B2420133004);航空基金(201311P6001)資助項(xiàng)目

收稿日期：2014-01-10