Al/Mg/Al金屬疊層復合板材制造技術研究

黃飛宇

摘要：本文主要針對汽車領域輕量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al疊層復合材料的設計、制造及應用。金屬材料疊層板是指利用復合新型技術使兩種或兩種以上性能不同的金屬材料層板緊密結合在一起得到的一種新型材料。在結構性能上充分彌補了各自金屬元素的不足，綜合了各組元的不同優點，具有單一金屬或其他合金不可比擬的特殊性能，成為了當今新型科技材料和信息時代的研究熱點。Al/Mg/Al疊層材料結合鋁的耐腐蝕性與鎂比強度高、密度小、阻尼減震性好、剛性好等幾大特點，節約能源和資源的同時，也減輕了產品質量，提高了產品的使用性能。極大滿足了汽車領域所需要的輕質材料的廣泛需求，在民用航空、航天和汽車等各個領域中都有廣泛的發展前景和研究價值。

關鍵詞：金屬疊層復合材料;新型材料;Al/Mg/Al疊層復合材料

中圖分類號：TG335.81 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0040-02

1 ?金屬疊層復合材料及鋁基復合材料概述

隨著現代科學技術的發展和各種新技術、新產業的不斷出現，人們對材料有了更高要求。單一組元材料性能已難以滿足人們對材料更高技術需求，新型材料的研發已經成為材料研究領域日趨迫切的趨勢。金屬疊層復合材料能夠兼備各組元的優異性能，通過合理工藝設計可充分利用各組元的優勢滿足復雜的工業應用需求，因此疊層復合材料具有十分廣闊的應用前景。

金屬疊層材料是由多層性能不同的金屬材料相互結合而成的一種新型復合材料[1-2]。金屬疊層復合材料雖保持各自元素的相對性和獨立性，但其綜合性能得到優化，適合一些特殊場合工作應用環境。目前，金屬疊層材料已成為世界各國競相投入研發的一種新型材料，有著特殊的技術研究應用價值。金屬疊層復合材料可通過合理選擇組元，科學的設計，滿足不同的新型材料及汽車領域的應用需求[3]，金屬層狀復合材料具有如下優異特點：

①熱膨脹系數小、導熱性能好、尺寸穩定、耐磨性好;②具有高比模量、比強度;③具有優良的耐高溫性能，能在溫度較高的氧化性氣氛中正常工作;④具有成本低廉的特點，可以用于批量生產。

金屬疊層復合材料可以合理利用和充分發揮各類金屬的特殊性能，大量節約稀有珍貴金屬以降低生產成本[4]。通過對金屬疊層板成分的科學分析及選擇合適的加工工藝，可以最大程度獲得滿足各種需求的金屬層狀復合材料[5]。

鋁具有質量輕、密度小、可塑性好等重要特點。本文主要研究鋁及其合金作為基體的金屬層狀復合材料。鋁基復合技術易于掌握、加工，是我國鋁基金屬復合材料技術研究的重要基礎。與其他金屬復合組成層狀基體復合材料，層狀復合材料化學性能取決于材料基體中鋁及其他金屬增強物的化學特性、含量、分布等。

此外，鋁基復合材料比強度和剛度高，高溫耐蝕性能好，耐持久耐疲勞更耐磨，阻尼性好，熱脹和膨脹阻力系數低。同其他金屬復合材料一樣，它們也能用于組合特定的流體力學和機械物理性能，便于滿足不同產品的應用需要。因此，鋁基基層復合材料已發展成為有色金屬和鋁基基層復合材料中最常用的、最重要的復合材料之一。按照顆粒增強體的不同，鋁基固體復合材料大致可以細分為纖維增強鋁基復合材料和顆粒增強鋁基復合材料。

鋁基金屬復合材料在我國汽車領域的廣泛應用及研究起步最早。上個世紀，日本豐田公司成功用一種復合材料工藝制備了新型發動機進氣活塞。美國項目研制組提出用一種顆粒疊加增強型的鋁基金屬復合材料設計制造汽車增壓制動盤，不僅減輕車身整體質量，散熱快，而且大大提高了耐磨性能，減小行車噪音;同時該公司還用了一種顆粒疊加增強型的鋁基金屬復合材料設計制造了各種汽車增壓發動機燃油活塞和汽車齒輪箱等多種汽車制動零部件。用這種復合材料加工制成的新型汽車傳動齒輪箱在傳動強度和機械耐磨性能等方面均比普通鋁合金汽車齒輪箱要具有明顯的大幅提高。

目前，正是汽車需求量不斷增長的階段[6]，本文針對汽車輕量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al疊層復合材料的設計、制備和應用技術，成功研制高性能疊層復合材料，以滿足汽車領域所需輕質板材的需求[7]。

2 ?鋁/鎂/鋁疊層板材的研究

20世紀以來，各國分別開始嘗試用熱軋法生產制造由兩種金屬組元組成的金屬復合板，蘇聯、美國、日本相繼開始了金屬疊層板的研究并成功應用于工業化生產。中國先后深入研究并提出了通過分子真空和熱擴散技術結合多種方法制備新型鋁/鎂合金層狀復合板先進技術。同時，開展了鈦/鋁、鋁/鎂/鈦及Al/Mg/Al疊層板材的制備工藝研究，在異種復合金屬疊層材料和大中小面積金屬復合疊層材料的制備工藝研究與實際應用推廣方面已經取得了巨大的成功[8]。

鎂合金憑借其結構輕質、良好減振等性能優勢在流體結構學和輕量化應用領域備受業界關注，但其結構抗壓和腐蝕性差、室溫下可塑性低的性能始終限制其在汽車輕量化應用的推廣。為此，考慮對這種鎂合金表面直接疊加一層耐高溫耐腐蝕性的鋁面板，形成Al/Mg/Al疊層結構，其中在組成單元板間未直接形成金屬原子間與層次間的連接，以避免引入腐蝕鋁鎂層間連接的脆性化合物。Al/Mg/Al疊層復合材料充分結合了其他鋁鎂合金整體密度小、比強度高、剛性好、阻尼減震性好以及其他鋁合金耐磨和抗蝕、價廉的幾大主要優點，不僅有效地節約了資源和能源，而且很大程度減輕了其他同類產品重量，提高了產品的使用性能。

2.1 累積疊軋法對鋁/鎂/鋁金屬疊層復合材料影響的研究

實驗研究結果顯示，鋁/鎂/鋁金屬復合材料的軋制過程可以通過金屬鋁鎂材料實現軋制機械性的結合與擴散性的結合，但由于鋁/鎂/鋁金屬復合材料的軋制結合強度比通過累積擠壓疊軋復合制備的金屬鋁鎂多層復合材料的結合次數強度小的多，復合材料的金屬鎂和金屬鋁兩層在累積疊軋結合次數強度少于三次時具良好的連續性，在累積疊軋結合次數強度多于三次時，疊層板之間又有明顯的縱向起伏，可能會出現收縮與斷裂。

2.2 工藝參數對鋁/鎂層狀復合板結合界面組織影響的研究

研究結果顯示，鋁/鎂/鋁金屬鋁的復合材料也可通過真空加熱擴散的方法進行制備。鎂鋁結合界面的擴散溶解層主要組成成分有偏鎂側層Mg2Al3、中間層Mg3Al2和偏鋁側層MgAl三層。擴散溶解層的成分分布與含量均會受到加熱溫度的直接影響，當偏鎂側層溫度處在470℃時，界面中含有較多的Mg3Al2相。當加熱溫度為470～480℃時，中間層的主要相為Mg2Al3和Mg3Al2，Mg2Al3和Mg3Al2兩相具有較好的熱穩定性能。加熱溫度低于470℃時，偏鋁側層中存在較多的MgAl相，且MgAl在偏鋁側層中的含量隨著加熱溫度的升高增加。

2.3 爆炸復合法制備鋁/鎂復合材料結合界面的成分和性能與不同處理方法之間關系

研究實驗結果顯示[9]，爆炸離子復合法加工制備的鋁/鎂金屬離子復合材料未被進行熱處理時在結合界面呈現波浪狀，并未發現任何有利的金屬離子化合物生成，鋁鎂相互結合情況良好，具有70.4MPa的結合強度。鋁、鎂兩種金屬復合材料通過低溫長期氧化熱處理后，在鋁鎂金屬結合處存在一些元素擴散性的現象，并逐漸形成了鎂鋁的金屬固溶體。固溶體隨著使用時間和熱處理材料溫度的不斷增加發生變化成為由Mg17Al12和Al2Mg3組成的金屬間化合物，鋁/鎂金屬板等復合材料經過短時間高溫熱處理后，鋁/鎂金屬材料接觸面間隙處也可能會緩慢出現金屬間復雜化合物[10]。

同時發現，擴散層深度隨著時間和材料熱處理過程溫度的增加不斷增加[11]，擴散層深度及成分也直接影響著金屬復合材料的結合強度，鋁/鎂固溶體未發生變化成為其他金屬化合物時，鋁鎂之間結合強度顯著增強;而鎂、鋁材料之間的結合強度會隨著金屬間化合物的增多快速降低，結合斷裂斷口也由韌性轉變成脆性[12]。

2.4 制備7075/AZ31/7075的Al/Mg/Al疊層復合材料，并對其力學性能的研究

研究表明，金屬復合材料的剛度與強度會隨著鋁合金的相對厚度的增加而增加，當厚度比為Al：Mg：Al=1：2：1時，材料性能最佳。復合材料結合界面的過程由機械結合、表面裂口和原子擴散三階段組成。復合材料在汽車制造領域的應用已初步制備了部分成熟產品，同時也在不斷創新新型技術產品。

3 ?疊層板材制備工藝方案

本項目設計方案：

4 ?鋁/鎂/鋁疊層復合板材設計指標

ρ≤2.2g/cm3;Rm≥380MPa，Rp0.2≥240MPa，A≥8%;E≥60GPa;耐腐蝕性與鋁合金相當;抗彈性較2024鋁合金提高一倍;建立寬600mm（寬）×（3-5mm厚）疊層板示范生產線。

5 ?結語

本文主要針對汽車領域輕量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al疊層復合材料的設計、制備和應用技術，成功研制了高性能疊層復合材料，以滿足汽車領域所需輕質板材的需求。Al/Mg/Al疊層板材可以有效規避鋁鎂合金力學性能低、模量不足、耐蝕性很差、裝配難度大、修復困難的關鍵缺陷，顯著增大鎂合金的適用環境和應用領域。Al/Mg/Al疊層板材不僅可以廣泛應用于我國航空航天和汽車領域，促進我國高性能鋁鎂合金的應用推廣水平，還可使我國的高性能鋁鎂合金有機會出口美國、德國和日本等發達國家。

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