層狀鎂/鋁復合板軋制工藝研究進展

李莎，賈燚，劉欣陽，牛輝，韓建超，王濤,2

金屬層狀復合材料軋制成形技術與裝備專題

層狀鎂/鋁復合板軋制工藝研究進展

李莎1a,1b，賈燚1a,1b，劉欣陽1c，牛輝1a,1b，韓建超1a,1b，王濤1a,1b,2

（太原理工大學 a. 機械與運載工程學院；b. 先進金屬復合材料成形技術與裝備教育部工程研究中心；c. 材料科學與工程學院，太原 030024；2. 太原重型機械（集團）有限公司，太原 030027）

鎂/鋁復合板具有密度小、比強度高和耐腐蝕性好等優點，廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域。軋制法是目前生產鎂/鋁復合板最為廣泛的一種方法，該法設備簡單、操作容易、成本低廉。介紹了普通軋制法、異步軋制法、爆炸+軋制法、累積疊軋法、固-液鑄軋法、波-平軋制法6種軋制工藝，以及這些工藝在制備鎂/鋁復合板時的優缺點。波-平軋制工藝可以提高復合板的平直度，有利于板材后續加工成形。也研究了軋制溫度、軋制壓下率、軋制速度、軋后退火處理對鎂/鋁復合板力學性能的影響，鎂/鋁界面金屬間化合物的形成因素，以及化合物層厚度對鎂/鋁復合板力學性能的影響。

鎂/鋁復合板；軋制法；工藝參數；力學性能

隨著航空航天、電子科技、石油化工、電力等新興產業的快速發展，傳統單一金屬材料已經很難滿足這些產業對材料綜合性能的需求[1—3]，因此，層狀金屬復合材料受到了人們的廣泛關注。層狀金屬復合材料是通過特定的制備工藝將兩種或多種金屬板結合起來，綜合了組元材料的優良性能，成為一種能夠滿足性能要求的新型材料。這種金屬材料具有制備方法簡單、節約經濟、結合強度高等優點，已經成為近年來研究的熱點話題。

鎂是一種質量輕、比強度高、比剛度高的金屬元素[4]，廣泛應用于航空航天、機械電力等領域[5—6]。由于鎂自身的結構特殊，如腐蝕電位低（=?2.73 V），形成的表面氧化膜疏松多孔，室溫塑性變形能力差，易脆裂，在常溫下難成形，導致鎂的生產成本較高，極大限制了鎂及其合金的使用。鋁是一種質輕的環保型材料（密度為2.72 g/cm3），是地球上含量最多的金屬元素。鋁的化學性質較為活潑，易與空氣中的氧氣反應生成致密的氧化薄膜，具有較好的耐蝕性和塑性變形能力，適用于多種成形加工方法。鋁及其合金廣泛用于交通運輸、海洋船舶、人造衛星等領域。將金屬鎂與金屬鋁結合起來制成鎂/鋁層狀金屬復合板，可以充分發揮鎂和鋁的優勢，具有更小的密度、更高的強度和良好的耐腐蝕性。

目前，通過軋輥制備鎂/鋁復合板的方法有很多，例如軋制法、爆炸+軋制法、異步軋制法、累積疊軋法、鑄軋法等。軋制復合過程對復合機制的理論解釋有薄膜理論（也叫N. Bay理論）[7]、再結晶理論[8]、能量理論[9]和擴散理論[10]。20世紀80年代，丹麥學者N. Bay首次提出薄膜理論，該理論認為，待結合金屬表面的氧化層在軋制力的作用下發生破碎，金屬表面出現大量裂縫，新鮮金屬從這些裂縫中擠出并擠入對方基體中實現冶金結合。1953年，Parks提出的再結晶理論認為發生大塑性變形后金屬的再結晶溫度會下降，發生大塑性變形金屬界面的溫度要高于遠離界面的金屬，這就促使界面金屬發生再結晶，從而引起界面金屬原子重新排列，形成新的晶體，使兩層金屬實現冶金結合，但該理論不適用于再結晶溫度相差較大的金屬。1958年，西米奧洛夫提出了能量理論，該理論認為，待結合金屬表面的原子能夠獲得足夠大的能量且克服能量勢壘時，才能形成金屬鍵，從而到達金屬間的結合。1963年，Earl認為發生塑性變形時，兩金屬要產生變形熱，這會造成局部溫度升高，金屬原子被激活，另外塑性變形產生的位錯等晶體缺陷為原子擴散提供通道，使結合界面處形成一層薄薄的擴散層，從而實現金屬間的結合，這一現象被稱為擴散理論。

為了解軋制鎂/鋁復合板國內外研究狀況，文中從制備工藝、工藝參數對復合板性能的影響、金屬間化合物的形成因素以及力學性能等方面進行了研究。

1 鎂/鋁復合板制備方法

1.1 普通軋制法

美國于1860年開始對層狀金屬復合板進行研究，并提出了軋制三步法，即“表面處理-軋制結合-軋后退火”。表面處理是對待結合金屬進行打磨，去除氧化物等雜質，獲得潔凈且具有一定粗糙度的金屬基材；軋制復合是將金屬板坯放入軋機輥縫中進行軋制；軋后退火是通過保溫處理的方式去除金屬殘余應力和加工硬化現象，從而得到綜合性能優良的金屬復合板[11]。根據軋前板材是否加熱到一定溫度，將軋制復合法分為冷軋和熱軋[12]。冷軋是金屬在再結晶溫度以下進行的軋制復合，一般板坯在送入軋輥前無需進行加熱處理，這易導致復合板內部形成較大的殘余應力，并且所需軋制力較大，易降低軋機使用壽命。熱軋法是指將板坯進行金屬再結晶溫度以上的加熱后再送入軋輥進行的復合，熱軋可以提高板材塑性變形能力，降低軋制力，延長軋機使用壽命，熱軋復合過程如圖1所示。

圖1 熱軋復合過程示意[10]

大量研究表明，具有密排六方結構（Hexagonal closed pack，HCP）的金屬鎂在室溫下易脆斷，因此多采用熱軋法來制備鎂/鋁復合板。熱軋鎂/鋁復合板可以細化板材界面處的晶粒，提高金屬鎂和鋁的協同變形能力，最終提高板材力學性能。Nie等[13]在400 ℃條件下，通過熱軋復合法制備了3層復合板（Al/Mg/ Al），此過程總共分為4個道次且總壓下率為71%，并對軋后的3層復合板進行了200 ℃保溫1 h的退火處理，結果發現鎂合金晶粒由于發生了再結晶現象而呈現等軸狀，鋁側主要是以尺寸不均的拉長晶粒為主。羅長增等[14]在400 ℃條件下，利用兩道次熱軋法也實現了3層復合板（Al/Mg/Al）的結合，觀察發現第1道次軋制后界面無金屬間化合物，但卻在第2道次軋制后出現，并以細碎不連續的狀態分布。作者認為金屬間化合物這種分布狀態可以限制裂紋的繼續傳播，消耗裂紋擴展所需的能量，從而最終達到提高復合板結合強度的目的。徐希軍等[15]對鋁/鎂/鋁3層復合板進行了軋制實驗，結果表明，界面結合強度隨軋制壓下率的升高而增大，當軋制溫度為465 ℃、壓下率為50%，并采取350 ℃保溫2 h退火的工藝制備復合板時，可以獲得性能最好的層狀金屬復合板。盡管熱軋法是制備鎂/鋁復合板的主要方法，但是軋后板材翹曲嚴重、不利于后續成形，結合強度低等問題仍舊存在。

也有少量研究中使用冷軋法制備鎂/鋁復合板，Matsumoto等[16]在室溫、50%壓下率條件下，通過冷軋法制備出純鋁/Mg-Li合金/純鋁復合板，然后對其進行100～300 ℃保溫1 h的退火處理。研究表明，當退火溫度低于200 ℃時，界面處無金屬間化合物產生，并且呈現較好的彎曲性能，而當退火溫度超過250 ℃時，界面出現金屬間化合物。祖國胤等[17]也通過冷軋的方式制備出了鋁/Mg-Li合金/鋁3層復合板，研究中確定了該復合板可以實現結合的壓下率為50%，壓下率在60%～65%之間時可以得到最佳的結合強度。冷軋鎂/鋁復合板需要較大的壓下率才能使其發生結合，室溫下鎂合金易脆斷，成材率較低，浪費資源，不適合連續化工業生產。

1.2 異步軋制法

異步軋制法興起于20世紀70年代，通過改變上下軋輥的直徑或速度造成不同線速度，從而實現異步軋制過程。軋制過程中，一般把相對較硬的金屬與快速軋輥接觸，相對較軟的金屬與慢速軋輥接觸[18]，由于上下軋輥的線速度不同，造成軋輥與板材表面有速度差，速度差的存在會導致變形區內的中性點與垂直方向出現了一定角度，快速輥一側的中性點向變形區出口側偏移，慢速輥一側中性點向變形區入口側偏移，復合板上下兩表面的摩擦力方向相反，界面處形成“搓軋區”。“搓軋區”的形成可以改變板材的應力、應變分布情況，加速待結合金屬表面氧化層的破碎和新鮮金屬的擠出，同時界面產生大量熱量能夠加速界面金屬原子的運動，細化晶粒[19]。輥徑相同，水平線速度不等的異步軋制復合過程如圖2所示。

圖2 輥徑相同，水平線速度不等的異步軋制復合[19]

劉子健等[20]通過上下工作輥直徑不同的異步軋制法成功制備出鎂/鋁復合板，可將板材的臨界壓下率降低至30%，結合界面處變形劇烈，鎂合金晶粒得到顯著細化，在350 ℃、38%壓下率下制得的復合板性能最佳，抗拉強度達到230 MPa。Afrouz等[21]則建立了異步軋制雙金屬復合板材的應力模型，研究發現工作區域內剪應力分布不均勻，而壓應力卻均勻分布，并且在剪切應力作用下，軟質金屬板會率先發生臨界變形。近年來，異步軋制主要用來研究單種鎂合金材料的微觀組織和成形性能[22—24]，對于鎂/鋁復合板的研究還較少，還需進一步探究。

相比于同步軋制，異步軋制有利于降低異種金屬復合所需的臨界壓下率，可以降低軋制力，促進復合板結合界面剪切變形，增強異種金屬間的機械嚙合，提高界面結合質量[25—26]。異步軋制法也存在很多缺點，比如力矩分配不均、自動咬入困難、軋機易發生震顫等現象，并且異步軋制通常采用單道次、大變形來進行，這會導致復合板加工硬化嚴重，不利于后續板材成形。

1.3 爆炸+軋制法

爆炸+軋制法是先將金屬板材進行爆炸焊接，然后再進行軋制復合的工藝。該方法適用于生產大尺寸的層狀金屬板材，目前太鋼、上海浦鋼等均采用此方法來制備金屬復合板[27]。爆炸+軋制復合法示意圖如圖3所示。

圖3 爆炸+軋制復合示意

Yang等[28]通過爆炸+熱軋的方法成功制備出最終厚度為1.78 mm的鋁/鎂/鋁3層復合板，其抗拉強度為235 MPa，伸長率為8.5%。Chen等[29]對爆炸后的鎂/鋁復合板在400 ℃條件下進行了5道次熱軋，最終得到2.14 mm厚的板材，并且對其進行軋后退火處理。結果發現，隨著退火溫度和時間的延長，界面擴散層厚度增加，力學性能呈現先增加后下降的趨勢。當對復合板進行200 ℃軋后退火處理時，復合板呈現優良的力學性能，抗拉強度和伸長率分別達到285 MPa和24.5%。王東亞[30]指出，界面處產生的厚硬脆金屬間化合物（Mg2Al3和Mg17Al12）會嚴重降低復合板的協調變形能力以及力學性能，因此選用400 ℃保溫5 min的軋前預熱工藝來控制界面擴散層的厚度。

1.4 累積疊軋法

累積疊軋法1998年由日本學者Saito[31]提出，將經過一道次軋制的復合板從中間切開，重新堆疊進行軋制，重復循環此過程，最終獲得滿足要求的復合板，是傳統軋制方法的循環過程。累積疊軋法是一種強塑性變形，可以使材料中的位錯缺陷形成位錯胞和亞晶粒等，細化基體金屬晶粒，提高板材結合強度[32]。累積疊軋法制備鎂/鋁復合板如圖4所示。

圖4 累積疊軋示意[33]

Chang等[34—35]累積疊軋3次制備出純鎂/純鋁復合板，每次壓下率均為50%，由于強塑性應變的發生，金屬鎂、鋁晶粒得到顯著細化，界面形成了150 nm厚的金屬間化合物層。隨著疊軋次數的增加，不管是軋向還是橫向，復合板的屈服強度和抗拉強度均逐漸增加，伸長率下降。Ebrahimi等[36]通過累積疊軋法制備了鎂/鋁復合板，結果表明ARB工藝能使第二相分布均勻，晶粒尺寸減小，并且在前2次循環塑性變形過程中，沒有任何頸縮或斷裂發生。

累積疊軋工藝是一種有效提高鎂鋁復合板結合強度的方法，對設備無特殊要求，但是操作過程中不能使用潤滑劑，在熱軋鎂/鋁復合板時，極可能發生黏輥現象，降低了軋輥的使用壽命，導致較高的生產成本[37—38]。

1.5 固-液鑄軋法

固-液鑄軋法主要適用于不同熔點金屬之間的連接，將一種液態金屬澆鑄在另一種固態金屬表面，待液態金屬冷卻至半固態時進行軋制，實現異種金屬的復合，示意圖如圖5所示。Bae等[39]在25%壓下率條件下，利用雙輥鑄軋法以及軋后退火處理工藝制備了鎂/鋁復合板，板材界面形成了金屬間化合物，在板材彎曲過程中裂紋萌生點出現在金屬間化合物多的位置，并擴展至鎂合金基板上，降低了板材力學性能。楊世杰等[40]通過鑄軋法得到了鎂/鋁復合板，結果表明界面過渡層的寬度隨著鋁合金溫度的升高而增加。

該工藝制備復合板成形速度快、成本低，但是由于固態基體金屬在預熱到較高溫度過程中極易氧化，這會導致結合界面形成孔洞、裂紋等缺陷，而且鑄軋過程中極易發生粘輥現象。各種軋制方法的優缺點見表1。

圖5 固-液鑄軋示意

表1 各種軋制方法的優缺點

Tab.1 Advantages and disadvantages of various rolling techniques

2 工藝參數對復合板性能的影響

2.1 軋制溫度

鎂合金在室溫條件下僅有2個滑移系被激活，塑性變形能力極差，因此需要在較高溫度下進行鎂/鋁復合板的制備。軋制溫度對于鎂/鋁復合板變形能力和結合性能的好壞起著關鍵作用。軋制溫度過低，鎂板由于其固有的脆性易發生斷裂；軋制溫度過高，鎂板表面易被氧化，不利于結合，而且還會導致金屬黏著在軋輥上，嚴重損害軋輥表面質量，降低板材結合質量。

翟龍等[41]發現，在壓下率為45%，軋制溫度為350～550 ℃條件下，軋制鎂/鋁復合板時具有良好的性能。選擇合適的軋制溫度還可以改善復合板的翹曲情況，申潞潞[42]對爆炸焊接的鎂/鋁復合板進行多道次軋制，指出前6道次軋制溫度均為375 ℃，第7，8道次軋制溫度為350 ℃時，復合板的板形較為平直。

2.2 軋制壓下率

金屬在較大壓力下才能發生塑性變形，因此壓下率是決定復合板能否實現結合的關鍵因素，使金屬實現結合的最小壓下率稱為臨界壓下率。當復合板變形率低于臨界壓下率時，待結合金屬表面的氧化層不易發生破碎，限制了新鮮金屬的暴露，復合板無法實現冶金結合[43]。在合適的壓下率范圍內，復合板結合強度隨壓下率的增加而增大，但是壓下率過大時，板材易發生錯動，還會產生嚴重的邊裂，不利于復合板的結合，降低成材率。

Jamaati等[44]發現較高的壓下率、較小的板材初始厚度是提高金屬復合板結合強度的關鍵，但是如果壓下率超過一定限值，鎂合金表面會出現邊裂現象，甚至會出現板材的斷裂，降低成材率。陳志青等[45]在400 ℃條件下對通過爆炸焊接得到的鎂/鋁復合板進行壓下率分別為20%，30%，40%，50%的熱軋實驗，研究發現板材翹曲程度隨壓下率的上升出現先減小后增加的趨勢，當壓下率為30%時，板材翹曲程度最小。當壓下率為40%時，鎂合金板開始出現邊裂現象，且隨著壓下率的增加邊裂現象越嚴重。

2.3 軋制速度

軋制速度也是影響復合板界面結合的重要因素，軋制速度過快會降低板材復合的時間，導致板坯在短時間內無法實現新鮮金屬的大面積接觸，降低界面結合質量[46]。軋制速度較慢又會導致板材溫降較大，尤其對于常溫下難變形的金屬鎂來說，會出現軋件斷裂的情況，進而嚴重影響產品成材率。

2.4 軋后退火處理

軋制金屬板材屬于強塑性變形，軋后板材殘余應力增加，板材內部位錯密度也增加，不利于后續成形，因此，要對軋制板材進行退火處理來降低其殘余應力和加工硬化現象，提高復合板結合強度。軋后退火溫度和時間是影響復合板結合性能的重要參數，復合板界面結合強度隨退火時間的增加和退火溫度的升高出現先升高后下降的趨勢，這是由于基體金屬原子受熱激活形成擴散作用，在結合界面處形成擴散層，而當溫度和時間不斷增大時，界面處會產生脆性的金屬間化合物，過厚的金屬間化合物會降低復合板界面結合性能[47]。

3 界面金屬間化合物研究

3.1 化合物的形成

金屬間化合物是由2種或2種以上的金屬元素按照一定的原子比例組成，其原子間的鍵合方式包括金屬鍵、離子鍵和共價鍵[48]。金屬間化合物與基體金屬之間的結構不同，是具有長程有序的超點陣結構，其組元原子各占據點陣的固定陣點，最大程度地形成異類原子之間的結合。

由圖6所示的鎂-鋁合金二元相圖可知[49]，溫度為437 ℃時，鋁在鎂中的最大固溶度為11.8%（原子數分數），溫度為450 ℃時，鎂在鋁中的最大固溶度為18.9%（原子數分數）。鎂/鋁復合板進行一定溫度保溫的初始階段，鎂原子和鋁原子在界面處相互擴散速度較低，這減緩了化合物的形核和長大。隨著擴散過程的繼續進行，界面處形成了靠近鋁板的鋁基固溶體和靠近鎂板的鎂基固溶體。繼續保溫處理，γ-Mg17Al12和β-Mg2Al3兩種金屬間化合物開始形核并生長，靠近金屬鎂側的是Mg17Al12，靠近金屬鋁側的是Mg2Al3。在相同條件下，Mg17Al12較Mg2Al3來說更容易生成，但是Mg2Al3的生長速度高于Mg17Al12，這也就能解釋Mg2Al3的厚度大于Mg17Al12。金屬間化合物的形成是復合板實現冶金結合的一個標志，當界面存在少量的化合物時可以提高復合板的結合性能，但是，過厚的硬脆金屬間化合物的存在會削弱復合板的界面結合質量。

圖6 鎂-鋁合金二元相圖[49]

3.2 影響化合物形成的因素

眾多研究表明，溫度和時間是影響鎂/鋁金屬間化合物生成和長大的重要因素。較高的溫度能夠降低化合物的激活能，增大原子的擴散速率，有利于界面化合物的形成和生長。對于層狀金屬復合板而言，在高溫條件下，界面處產生的脆性金屬間化合物會降低復合板界面結合強度，導致板材無法進行后續成形，限制其使用范圍。盡管如此，也不能完全認為金屬間化合物只能降低復合板的結合性能，有研究指出[48]，當金屬間化合物層厚度在1.6 μm左右時，能有效改善鎂/鋁復合板界面結合性能，因此在制備金屬復合板時，要避免過厚的金屬間化合物形成。

Yang等[28]研究發現，當退火溫度升高時，界面擴散層厚度的平方呈指數增長，而且，擴散層厚度的平方與退火時間呈線性關系，這可以解釋為什么隨著退火溫度的升高，擴散層厚度迅速增加。Luo等[50]通過兩道次熱軋的方法制備出3層鋁/鎂/鋁復合板，并對其進行了軋后退火處理，當退火溫度低于200 ℃時，界面處沒有觀察到反應層，200 ℃退火1 h后在界面處能觀察到大約6 μm厚的不連續分布的新相。當退火溫度達到300 ℃時，界面生成了連續的金屬間化合物Mg17Al12和Mg2Al3，隨著退火溫度的升高，界面化合物的生長速率增大，如圖7所示。根據阿累尼烏斯經驗公式得出金屬間化合物厚度隨時間變化為二次拋物線關系，其動力學方程為：

式中：y為界面擴散層厚度（μm）；T為熱力學溫度（K）；R為玻爾茲曼常數，R=8.314 J/(mol·K)；t為擴散時間（s）。

4 軋制鎂/鋁復合板的力學性能

4.1 拉伸性能

Nie等[51]采用熱軋的方法，分別對一道次33%壓下率和四道次71%壓下率條件下制備的3層鋁/鎂/鋁復合板進行了200 ℃保溫1 h的退火處理，并對復合板進行了軋向拉伸測試，前者的抗拉強度為102 MPa，遠小于后者的230 MPa。又通過EBSD技術測得一道次復合板鎂合金的基面織構強度為15.1，四道次復合板鎂合金的基面織構強度為9.8，得出鎂合金織構強度和再結晶程度對復合板力學性能有重要影響。Habila等[33]通過累積疊軋5次的方法制備了鋁/鎂/鋁3層復合板，并且研究了不同疊軋次數下復合板的拉伸性能，結果表明，疊軋1—3次復合板的抗拉強度和屈服強度逐漸上升，這是因為隨著疊軋次數的增加，復合板的應變強化效果加強以及晶粒細化顯著。然而，繼續增加疊軋次數到4次和5次時，界面出現的硬脆金屬間化合物會極大地削弱復合板的抗拉強度和屈服強度。

大量研究表明，軋后退火處理也會對鎂/鋁復合板的拉伸性能產生重要影響。Zheng等[52]通過軋制方法制備出3層Al/Mg/Al復合板，并對退火態復合板的拉伸性能進行了研究，結果表明，在150～350 ℃內退火2 h時，隨著退火溫度的升高，抗拉強度從264 MPa降低到189 MPa，屈服強度從240 MPa下降到102 MPa，伸長率從4%升高到22%。當退火溫度超過200 ℃時，由于回復和再結晶產生軟化效應，復合板強度降低、伸長率上升。隨著退火溫度的升高，晶粒回復和再結晶的速度上升，加工硬化也被弱化。Nie等[53]對軋制后得到的鎂/鋁復合板在200～400 ℃內進行了1～4 h的退火處理。結果表明，在200 ℃退火時，復合板有較好的抗拉強度和伸長率，抗拉強度為223～240 MPa，伸長率為21%～26%，當退火溫度高達400 ℃時，界面生成較厚的化合物會降低板材的抗拉強度和伸長率。

4.2 界面結合強度

在大量研究中，通過拉剪實驗來測量復合板的界面結合強度，在切取試樣的上下兩側各切一個槽口，測試過程中，兩槽口之間的界面受到拉力作用而發生分離，實驗測得的最大載荷值除以兩槽口之間的面積，即是該復合板的界面剪切強度。Zhang等[54]通過拉剪實驗測試了單道次軋制Al/Mg/Al復合板的界面結合強度，研究發現，界面結合強度隨軋制壓下率的增加而增強。當壓下率為30%時，結合強度僅為10 MPa，壓下率為50%時，結合強度超過了40 MPa。根據薄膜理論，兩金屬板材由于受到軋制力的作用而發生變形，待結合金屬表面產生大量裂紋，新鮮金屬從這些裂紋中擠出并擠進對方基體中形成結合。

膠粘實驗也是測量金屬復合板界面結合強度的一種重要方法，該方法不受復合板厚度的限制，可以準確測出復合板界面結合強度。用粘接劑將復合板樣品的異種金屬分別粘在夾頭上，對兩端的夾頭施加載荷，復合板界面在載荷的作用下發生分離。Chen等[55]通過膠粘實驗測試了軋制鎂/鋁復合板的界面結合強度，結果表明，當軋后退火溫度低于350 ℃時，界面結合強度隨退火溫度的升高而升高。原子的活性隨退火溫度的升高而增大，這加速了原子的擴散，復合板界面從機械結合轉向冶金結合，提高了復合板結合強度。同樣，Wei等[56]也采用膠粘實驗測試了一道次軋制Al/Mg/Al板材的界面結合強度，研究發現，當軋制壓下率小于40%時，結合強度隨壓下率的增大而增大，這是因為較大的軋制力導致待結合金屬表面裂紋擴展面積和裂紋數量增加。當壓下率超過40%，結合強度降低。當軋制溫度為400 ℃、壓下率為40%時，復合板界面結合強度達到最大20 MPa。

4.3 彎曲性能

三點彎曲測試是將樣品放在兩個支撐點上，在兩支撐點的中點上方對樣品施加載荷，樣品的3個接觸點形成相等的兩個力矩時即發生三點彎曲。Liu等[57]通過熱軋法制備出鎂/鎂雙層復合板和鎂/鋁/鎂3層復合板（原始材料為AZ31B鎂合金板和1060鋁合金板），并且對30%和50%壓下率條件下制備的2種材料進行了三點彎曲性能測試。結果表明，30%壓下率下，由于1060鋁合金的強度低，鎂/鋁/鎂3層復合板的最大彎曲載荷小于鎂/鎂2層復合板；50%壓下率時，最大彎曲載荷的情況正好相反。圖8為復合板彎曲后樣品的側視圖，在壓下率為30%的情況下，鎂/鎂復合板彎曲斷裂的層間分層更大，當裂紋到達各層界面時，由于存在層間分層現象，裂紋發生偏轉，相比之下，鎂/鋁/鎂3層復合板的分層較少。Abbasi等[58]在不同溫度下通過累積疊軋法制備出鎂/鋁復合板，通過三點彎曲實驗測試其彎曲性能得出，疊軋1—4次，復合板均出現了大面積的裂紋和斷裂現象。

圖8 彎曲測試后樣品側視[57]

5 波紋輥-平輥軋制方法

目前生產鎂/鋁復合板的方法主要是傳統平輥軋制復合法，但是這種方法需要大的軋制壓下率才能實現良好結合，并且這種方法生產的復合板板形翹曲，嚴重影響板材的后續成形，而且大的軋制壓下率還會損壞軋機，降低軋機使用壽命。針對這些問題，筆者團隊的Wang等[59—60]在2019年首次采用波-平軋制（Corrugated+flat rolling，CFR）技術制備鎂/鋁復合板，該方法主要分為2個軋制道次，第1道次為波紋

輥軋制，即上軋輥采用波紋型軋輥，下軋輥采用普通平軋輥，將進行過預熱處理的鎂/鋁板坯放入調好輥縫的軋機中進行第1道次波紋軋制實驗。在該軋制過程中，鎂合金板與上波紋軋輥接觸，鋁合金板與下平輥接觸，軋后得到了鎂合金表面為波紋、結合界面為微波紋的波紋狀鎂/鋁復合板。然后將第1道次波紋輥軋制得到的鎂/鋁復合板進行保溫熱處理，并進行第2道次軋制，第2道次軋制是采用上下軋輥均為普通平輥的軋機，最后得到上下表面平整，界面波紋形狀的鎂/鋁復合板。實際軋制出的板材如圖9所示。

圖9 波平軋制法制備鎂/鋁復合板[59]

筆者對第1道次波紋軋制得到的波紋鎂/鋁復合板[61]和第2道次平軋得到的平直鎂/鋁復合板[59]進行了界面微觀結構和力學性能的研究。400 ℃保溫15 min，壓下率為35%條件下，第1道次波紋軋得到的波紋鎂/鋁復合板界面結合緊密，無孔洞、裂紋等缺陷，并且其室溫橫向抗拉強度為278 MPa，斷裂伸長率約為14%。第2道次平輥軋制得到的鎂/鋁復合板表面平直、界面波紋，從界面SEM圖（見圖10）也能看出，第2道次平軋后，界面出現斷續分布的金屬間化合物，這是由于兩道次軋制中間進行保溫處理后，界面產生了硬脆的金屬間化合物，第2道次平軋時，隨著板材的延長，金屬間化合物發生斷裂，并且，界面波峰和波谷位置處化合物的形貌不同，在波峰處金屬間化合物出現裂紋，在波谷處金屬間化合物發生嚴重斷裂且界面處形成了新的結合區域，這是由于波紋輥特殊的形狀使界面波谷處受到的塑性應變大于界面波峰處。

圖10 平直鎂/鋁復合板界面SEM[59]

波-平軋制法可以在相對較小的壓下率下實現鎂/鋁復合板的結合，可以提高軋機的使用壽命，節約成本，提高生產效率。同時，波紋軋輥的特殊形狀可以使上下2層金屬的待結合表面發生劇烈的剪切變形，促進金屬表面氧化層破裂，暴露出大量的新鮮金屬并擠進對方基體中形成緊密結合，可以將結合面形狀由傳統的二維提升至三維，這能有效提高金屬鎂和金屬鋁之間的協調變形能力，改善板形質量。

6 結論與展望

鎂/鋁層狀金屬復合板因其比強度高、比剛度高、質輕、耐腐蝕等優點已經成為金屬復合板領域研究的熱點話題，國內外專家學者對其制備工藝和界面結合強度等進行了大量研究，但是仍有一些影響因素和性能指標需要進一步的探究。主要結論以及對未來的展望主要歸結為以下3點。

1）軋制復合法是目前生產鎂/鋁復合板應用最廣泛的一種方法，該法生產設備簡單、操作容易、工藝成熟、不易帶來環境污染問題，適合連續工業化生產。選擇適當的軋制工藝參數對減少鎂合金邊裂，提高鎂/鋁復合板界面結合強度有極其重要的作用。

2）波-平新工藝的提出可以有效改善板材的平直度，有利于復合板后續加工成形，但界面金屬間化合物的形成與控制，以及其對鎂/鋁復合板結合強度的影響仍是研究的重點。

3）層厚比是影響層狀金屬復合板力學性能的一個重要指標，其精確控制是未來的研究方向之一。此外，軋前處理方式對層狀金屬復合板界面結合性能有重要影響，但是如何將基礎數學模型與之相結合仍是研究的重點與難點，希望在未來的研究中可以多關注與數學模型的結合。最后，在提高層狀金屬復合板生產自動化和智能化方面，也是值得同行和從業工作人員思考的一個方向。

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Research Progress on Rolling Process of Laminated Mg/Al Clad Plate

LI Sha1a,1b, JIA Yi1a,1b, LIU Xin-yang1c, NIU Hui1a,1b, HAN Jian-chao1a,1b, WANG Tao1a,1b,2

(1. a. College of Mechanical and Vehicle Engineering; b. Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment, Ministry of Education; c. College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Taiyuan Heavy Machinery (Group) Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

Mg/Al clad plates are widely used in aerospace and automobile manufacturing industries due to the advantages of low density, high specific strength and good corrosion resistance. Rolling technique is one of the most widely used methods in the production of Mg/Al clad plates, which has the advantages of simple equipment, easy operation and low cost. Six rolling processes were introduced, including common rolling, asynchronous rolling, explosion + rolling, accumulative rolling, solid-liquid casting rolling and corrugated-flat rolling. The advantages and disadvantages of these processes in preparing Mg/Al clad plates were also studied. Corrugated-flat rolling process improved the flatness of the clad plates, which was conducive to the subsequent processing and forming of plates. The effects of rolling temperature, rolling reduction ratio, rolling speed and annealing treatment on the mechanical properties of Mg/Al clad plates, the formation factors of intermetallic compound at Mg/Al interface and the influence of intermetallic compounds thickness on the mechanical properties of Mg/Al clad plates were also analyzed.

Mg/Al clad plate; rolling technique; process parameters; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.001

TG335.81

A

1674-6457(2021)06-0001-11

2021-07-06

國家自然科學基金（U1710254，51904205）；山西省科技重大專項（20181101008）；山西省應用基礎研究（201801D221221）；中國博士后科學基金（2018M641681，2018M641680）

李莎（1993—），女，博士生，主要研究方向為鎂/鋁復合板軋制工藝。

韓建超（1989—），男，博士，副教授，主要研究方向為復合板波紋輥軋制工藝開發及優化、顯微組織與力學性能評價、界面力學行為等。