田廣民，李選明，趙永慶，劉彩利，賀林娜，劉嘯鋒

(西北有色金屬研究院，陜西 西安710016)

1 前言

近年來，金屬復合材料逐漸地從軍事國防向民用領域滲透，如今已在陸上運輸、民航、工業(yè)和體育休閑產業(yè)等諸多領域實現(xiàn)了商業(yè)化應用，形成了年產量近5 000 t、年產值近20億美元的工業(yè)部門。2008年全世界的金屬基復合材料市場總量達到4 400 t，并且在2013年以前將保持5.9%的年增長率。金屬復合材料可應用于陸上運輸、電子/熱控、航空航天、工業(yè)、消費品等5大領域，如圖1所示[1]，其中陸上運輸(包括汽車和軌道車輛)和高附加值散熱組件仍然主導市場，用量占比分別超過60%和30%。

層狀金屬復合材料是采用高能率加工技術，把兩種甚至多種用普通加工技術(如焊接等)不能連接的不同金屬材料復合成為一體的新型功能材料和高新技術產品。層狀金屬復合材料綜合了各組元優(yōu)點，彌補了各自的不足，可改善材料的力學性能、熱電性能、磁性、成形性、焊接性、耐腐蝕性等諸多性能，有優(yōu)異的綜合性能，廣泛用于汽車、機械、船舶、冶金、礦山、航空、航天、航海、民用產品、生活用品、石油化工、能源、電力、環(huán)保設備和化工設備等方面[2]。經過多年研究，其在爆炸焊接復合、軋制復合和爆炸－軋制復合等加工制備方法、理論研究和應用方面都有了很大的發(fā)展。

圖1 金屬基復合材料全球市場及展望Fig.1 Global markets and the prospect of metal matrix composites

2 爆炸焊接復合法

爆炸焊接是用炸藥作能源進行金屬間焊接的一門新興的邊緣學科和很有實用價值的高新技術。它的最大用途是制造大面積的各種組合、各種形狀、各種尺寸和各種用途的雙金屬及多金屬復合材料。其復合法與其它方法的區(qū)別在于[3]:瞬間高溫高壓和高的冷卻速率;高的應變速率;作用載荷的局部性和移動性;復合板復合界面呈現(xiàn)波狀結合;不受材料熔點、塑性限制，復合尺寸規(guī)格靈活。爆炸焊接復合法主要適合于單張面積較大、厚的復合板材產品或復合板坯、多層復合板的生產。采用爆炸焊接復合法已經能夠成功地進行300多種金屬的復合，有50多種實用的金屬組合正在投入實際使用，如鈦/鋼、鈦/鋼/不銹鋼、鈦/不銹鋼、鈦/銅、不銹鋼/鋼、銅/鋼、銅/銀等。

2.1 爆炸焊接復合法機理研究

爆炸焊接是以炸藥為能源進行金屬間焊接的方法，它可將性能不同、特別是互不相熔的金屬復合成一體。這種焊接是利用雷管引爆炸藥爆轟，爆炸產生的高壓脈沖載荷作用在復板上，驅動復板在數(shù)微秒內被加速到每秒幾百米的速度;從引爆位置開始，復層板依次與基層板形成高速傾斜碰撞。兩金屬相撞產生的壓力大大超過金屬的動態(tài)屈服極限，在碰撞點鄰近區(qū)域內，產生高速而劇烈的塑性形變(形變率可達99.99%以上)。這是一個絕熱過程，兩種待結合的金屬表面，在瞬間形成類似于流體一樣的行為，形成兩股運動方向相反的金屬射流，位于碰撞點前的自由射流向未結合區(qū)的空間高速噴出，沖刷掉兩金屬待結合表面的氧化膜、污染物等，顯露出潔凈的活性表面，為實現(xiàn)焊接提供了必要條件;其后的金屬射流在高壓下形成波狀的冶金結合。見下圖2。

圖2 爆炸焊接原理圖Fig.2 Schematic diagram of explosive welding

迄今為止，能夠全面、準確地解釋爆炸焊接結合機理的理論尚未形成。1961年，Philipchuk提出爆炸熔化焊接理論，認為高速金屬射流的動能在瞬間為交界面金屬的熔化提供了足夠的熱能，使交界面金屬熔化焊合。1970年，Grossland等提出爆炸壓力焊接理論，認為只要高水平的爆炸壓力維持足夠長時間，交界面就會產生很大塑性變形，金屬射流就會使金屬體產生擴散運動，從而實現(xiàn)結合。1984年，Hammerschmidt等提出熔化焊理論的另一種解釋，認為熔化后的高速冷卻作用使金屬得以結合。然而熔化焊接理論無法解釋非常薄的金屬板的爆炸焊接現(xiàn)象。鄭遠謀[4－5]則認為，波狀結合面的形成是爆炸荷載以波的形式向前傳遞并作用在復板上，使復板產生波狀塑性變形的結果，并由此提出爆炸焊接是壓力焊、熔化焊和擴散焊“三位一體”的綜合作用機理。然而，如何確定3種作用以及射流對爆炸焊接的貢獻等問題，目前尚無相關報道。史長根等[6]對爆炸焊接結合界面的3種形式進行了研究，認為界面熔化是爆炸焊接產生的結果，不是爆炸焊接結合的原因，同時指出爆炸焊接是一種特殊的壓力焊。

有關爆炸焊接機理人們提出了多種解釋，但由于爆炸焊接過程的瞬態(tài)性、爆炸焊接動力過程的復雜性以及實驗手段和儀器方面的欠缺，現(xiàn)有的各種理論均不能全面、準確、恰當?shù)亟忉尡ê附拥淖饔眠^程和成波機理，爆炸焊接理論仍有待于進一步探索和完善。

2.2 爆炸焊接復合法工藝技術研究

2.2.1 布藥工藝

爆炸焊接的布藥工藝直接影響爆炸荷載的強度及作用方式，進而影響復合板的質量。周春化等[7－8]研究表明，不等厚度布藥工藝產品的質量明顯優(yōu)于等厚度布藥工藝，原因在于不等厚度布藥能夠使復板各點處的爆炸荷載基本保持不變，從而使復板、基板的碰撞速度也基本保持不變，進而有效地避免了焊接界面因碰撞速度前后起伏過大而導致的間隙、空洞等缺陷，提高了復合板的結合質量。爆炸焊接復合板的邊界往往會出現(xiàn)不結合區(qū)，尤其是厚復板的爆炸焊接，這種現(xiàn)象稱爆炸焊接的邊界效應。采取不等厚布藥工藝雖能改善交界面的結合質量，但卻不能消除邊界效應，王飛等[9]通過增加布藥寬度以及減薄飛板邊部厚度、開應力槽等方法，較好地解決了邊界效應問題。陳青術[10]認為，炸藥爆炸時兩側裝藥寬度以及起爆端的稀疏波所引起的裝藥邊界能量不足是造成復合板邊界效應的關鍵因素，為此設計了倒四棱臺型裝藥結構。黃銅－A3鋼的爆炸焊接試驗表明，這種裝藥結構能夠有效消除邊界效應。這種新型裝藥結構可提高大板、超大板的爆炸焊接質量和復合板的成材率。

2.2.2 起爆方式

目前，用于爆炸焊接的起爆方式有中心起爆和邊緣起爆兩種。史長根等[11]進行了兩種起爆方式下SA266－304的爆炸焊接試驗，產品質量的對比測試發(fā)現(xiàn)，在相同焊接參數(shù)條件下，采用中心起爆方式可獲得最佳的焊接界面。但是這種結論對管狀材料的爆炸焊接則不適用[12]，而且焊接質量的好壞還受到布藥工藝等多個因素的影響，因此有關起爆方式問題還有待系統(tǒng)研究。

2.2.3 炸藥配制

爆炸焊接所用炸藥多為現(xiàn)場配置的低爆速炸藥。陳青術[10]向2#巖石硝銨炸藥中添加食鹽和膨脹珍珠巖，配制出一種爆速可調的爆炸焊接專用低爆速炸藥，該炸藥具有很好的小直徑起爆感度。黃銅－A3鋼爆炸焊接試驗表明，該炸藥爆速穩(wěn)定，且能保證焊接產品的質量，但是否適用于其他金屬的爆炸焊接，還有待于研究。實踐表明，粉狀炸藥布藥時密度很難控制，導致爆炸速度不穩(wěn)定，尤其是管狀材料焊接時布藥更為困難。

目前，用于各種材料爆炸焊接的炸藥基本上是通過常用工業(yè)炸藥加工而成，存在爆速不穩(wěn)定、不容易鋪設等問題，從而影響焊接質量，因此急需研制適合爆炸焊接特點、價格低廉、爆速穩(wěn)定、便于各種形狀金屬焊接布藥需要的可塑性專用炸藥。

2.2.4 工藝參數(shù)選擇

爆炸焊接工藝參數(shù)有數(shù)十個、甚至上百個之多，包括炸藥特征參數(shù)、緩沖材料參數(shù)、焊接安裝參數(shù)、動態(tài)(碰撞)參數(shù)、結合面(界面)參數(shù)以及溫度參數(shù)等，由此可見爆炸焊接問題的復雜性。廟延鋼等[13]進行了銅－鈦爆炸焊接工藝的試驗研究，通過在炸藥和復板之間增加緩沖層，獲得了較好質量的銅/鈦/銅復合板;文獻[14－15]對影響爆炸焊接質量的因素進行了比較系統(tǒng)的分析，提出了“最佳焊接窗口藥量”的觀點，由此確定的炸藥用量比采用傳統(tǒng)可焊窗口下限動態(tài)參數(shù)確定的藥量減少15%～20%。不難看出，爆炸焊接工藝參數(shù)的研究都是針對某兩種或多種金屬的焊接進行的，一套工藝參數(shù)對某兩種金屬的焊接可能合適，而對另外兩種金屬就不一定適用，這也是爆炸焊接問題復雜性的一種表現(xiàn)，因此探索爆炸焊接工藝參數(shù)選擇的普適性指導理論是當前面臨的問題之一。

目前爆炸焊接的實驗研究主要集中在對焊接產品的性能指標、界面結合狀態(tài)的后期研究方面，而如何準確地記錄爆炸焊接的作用過程，將是爆炸焊接的機理研究能夠得到突破的關鍵。因此，需要運用現(xiàn)代科學技術手段，逐步建立爆炸焊接超動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，為爆炸焊接技術的實驗研究提供有力支撐。同時需要建立科學的爆炸焊接產品質量指標體系和檢測方法體系，為爆炸焊接參數(shù)的設計和爆炸焊接產品的質量檢測提供依據(jù)。

2.3 應用研究

隨著現(xiàn)代科技對特殊合成材料需求的不斷增長，人類對爆炸焊接技術應用新領域的探索步伐進一步加快。Hokamoto等[16]研制了水下爆炸焊接裝置，通過水下爆炸加載方式使0.1 mm厚的鋁板以800 m/s的速度與陶瓷容器焊接，有效地解決了金屬與陶瓷爆炸焊接時陶瓷材料容易開裂、破碎的問題，這種通過水下沖擊波向焊接材料傳遞爆炸能量的做法，為爆炸焊接技術的推廣應用開闊了思路。爆炸焊接技術在制造任意金屬組合的復合材料方面具有獨特的優(yōu)勢，通過在金屬基體內增加金屬纖維或其它高強度纖維提高復合材料力學性能、耐腐蝕性能和抗疲勞性能等是現(xiàn)代復合材料的發(fā)展方向[17]。在備受國內外關注的新型功能材料——非晶態(tài)合金研究領域，爆炸焊接技術也大顯身手。非晶態(tài)合金因其高強度、高耐腐蝕性、高儲氫性、高磁導率和良好軟磁性等許多獨特優(yōu)異的性能而被廣泛用于電力、電子、信息、防盜等領域。利用爆炸焊接技術制備塊體非晶態(tài)合金是爆炸焊接技術一個嶄新的應用領域。

爆炸焊接技術的應用研究目前主要集中在金屬間的爆炸焊接，而金屬與陶瓷等非金屬的爆炸焊接，非晶態(tài)合金的爆炸加工以及具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞、高強度、高磁導率等特性的優(yōu)質金屬或合金的爆炸加工等研究工作才剛剛展開，還有許多關鍵技術尚未掌握。

3 軋制復合法

根據(jù)軋制復合溫度參數(shù)，軋制復合法可分為熱軋復合法和冷軋復合法;冷軋復合法中，根據(jù)軋機軋輥的轉速或輥徑的差異，可分為等輥徑等輥速復合法和異步軋制復合法。

3.1 熱軋復合法

熱軋復合法是將待復合的金屬坯料加熱到一定溫度，對其施加大的壓下量進行軋制變形，在受到熱和力的同時作用而使不同金屬復合的一種工藝方法。采用熱軋法生產復合板，首先要將待復合的表面進行合適的處理，以達潔凈、活化的目的。熱軋復合時界面復合機制非常復雜，也是長期爭論與研究的課題?，F(xiàn)在得到公認的機制有[19]:表面層裂縫機制、再結晶機制、擴散機制。

相對于其他復合工藝，熱軋復合法的優(yōu)點為:軋制力較小，對軋機的要求不高;工藝簡單，成本低;界面結合牢固。缺點為:當復合金屬為活性金屬(如Al，Ti)時，加熱時容易在界面形成脆性的金屬間化合物;在軋制時如沒有保溫措施，復合金屬板的長度受到限制;復合板的厚度難以控制，生產一致性和穩(wěn)定性差，多適合于生產厚的復合板材及板坯。

3.2 等輥徑等輥速冷軋復合法

在20世紀50年代，美國首先提出了表面清理、大變形復合、復合界面熱擴散處理的工藝路線[20]。此后，冷軋復合工藝在工業(yè)生產中得到了大量應用，在某些產品的制備方面甚至取代了傳統(tǒng)的復合工藝。同時這種復合工藝可以結合清洗、刷面、熱處理等工藝組合成流水式生產成卷的復合材生產線，生產效率高。

復合前，待結合表面的處理主要是借助化學或物理的方法清除板材受到污染的表面;采取一道次大變形率是為了達到金屬的臨界變形率，實現(xiàn)兩層金屬原子之間的冶金結合，一般需要高達60%～70%的變形率[21];擴散熱處理是在一定溫度下通過金屬原子之間的進一步擴散使擴散層增厚，增強界面結合力。

隨著等輥徑等輥速冷軋技術的研究和應用，人們對于雙金屬復合機制的研究也逐步深入。其中，應用最廣泛的界面結合機制主要是裂口作用機制[22]。該機制認為，金屬表面在進行表面清理過程中會形成一層加工硬化層，它的塑性低于基體金屬。在強烈的金屬塑性變形過程中，塑性差的硬化層會優(yōu)先破裂露出底層新鮮的基體金屬。界面兩側的新鮮金屬在巨大的正壓力作用下通過硬化層的裂縫擠出并且相互接觸形成牢固的冶金結合。因為在壓力作用下，只有當金屬表面的裂口達到一定寬度時才能完成上述過程，所以金屬界面初結合需要較大的臨界變形率。有研究認為[23－24]，并非所有的金屬組合都會在待復合表面產生裂口擠出基體金屬，有些金屬組合只會在其中較軟的金屬組分發(fā)生裂口并且擠出金屬，而另外較硬的一層只會在表面產生裂口而不會擠出金屬。這樣，只有較軟的一層金屬基體通過表面裂口擠入了較硬金屬層表面的裂口，實現(xiàn)了金屬間的結合。

由于等輥徑等輥速冷軋復合法要求較大的一次壓下率，這樣大的壓下率往往超過了一般軋機的承受能力，板面越寬，軋制負荷越大，冷軋固相復合越困難。另外，隨著人們對材料性能要求的提高，層狀復合材料組分之間的性能差異越來越大，軋制復合難度進一步增加。近些年來，國內外研究者都千方百計的尋求降低軋制臨界變形率的方法[24]。國內研究了對基、復材采用不同的軋制溫度的異溫軋制復合技術，并采用只對鋁層進行加熱的工藝完成了鈦/鋁復合板的試制;國外推出了控制氣氛軋制復合工藝，既可以分別控制基、復材軋制坯料的加熱溫度，又可以采用帶式法生產成卷的復合板帶材。

3.3 異步軋制復合法

異步軋制是20世紀60年代開始興起的一種板帶軋制生產技術[25]。異步軋制復合法是20世紀70年代提出來的一種復合板生產技術，包括我國在內的許多國家都投入了相當?shù)目蒲辛α窟M行基礎研究和推行產業(yè)化。經過30多年的發(fā)展，雖然已經取得了一定進展，但是離大規(guī)模的實際生產應用還有一定的距離。

異步軋制具有以下特點:上下軋輥對金屬板接觸表面的摩擦力方向相反，快速輥產生的摩擦力向前，慢速輥產生的摩擦力向后，在板材中間形成“搓軋區(qū)”;單位壓力分布均勻，變化平緩;對兩層金屬施加不同的張力，可以增強結合界面處的搓軋作用，而這種搓軋作用有利于降低軋制復合所需要的臨界變形力。因此，異步軋制復合法可以生產出復合強度高、表面光潔的冷軋復合薄板[26]。

異步軋制復合正是充分利用了“搓軋區(qū)”內的相對滑動:一方面，相對滑動的界面摩擦生熱，為界面的結合提供能量;另一方面，相對滑動有利于接觸表面的污染層和氧化膜破碎和擠出，促進新鮮表面的生成。因此，相對滑動有利于提高界面結合強度，降低平均軋制壓力。

對心電圖從業(yè)人員進行規(guī)范化培訓是建設現(xiàn)代化心電學強國的基礎，而規(guī)范化操作所得的心電圖是臨床做出準確診治的重要依據(jù)[1]。隨著遠程心電診斷的興起，12導聯(lián)同步記錄心電圖檢查在偏遠地區(qū)得到普及，廣大居民在當?shù)卦\所就能得到大城市三級醫(yī)院心電專家的心電指導。然而在讀圖過程中，常會遇到一些肢體導聯(lián)錯接、與臨床表現(xiàn)不符的心電圖，直接影響診斷的速度及準確性。

4 爆炸－軋制復合法

爆炸焊接復合法可以生產不同金屬組合的層狀復合板，而且通過調整爆炸工藝參數(shù)復合板面積可以達到十幾到幾十平方米。但是，爆炸復合法對于生產較薄的(≤6 mm)和對表面質量要求較高的層狀金屬復合板則比較困難;軋制復合法雖然可以生產不同厚度和表面質量較高的層狀復合板，但是復合板的組元成份和寬度受到軋機軋制能力限制。人們綜合這兩種生產方法的優(yōu)缺點后，采用先通過爆炸復合法制備較厚的復合板坯，再根據(jù)不同的要求，通過熱軋或冷軋或熱軋+冷軋的工藝軋制成所需的復合板。一般來說，制備3 mm以下的層狀復合板時，軋制工藝包括熱軋和冷軋兩個步驟。熱軋主要是為了獲得要求的板材厚度，總加工量較大;冷軋主要是為了獲得最終精確的板材厚度尺寸和理想的表面，總加工量較小。

爆炸焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇對于復合板的后續(xù)加工至關重要，主要表現(xiàn)在:爆炸焊接易于在結合界面產生脆性中間化合物的金屬組合時，爆炸焊接工藝參數(shù)的選擇尤為關鍵，否則在爆炸焊接中形成的中間化合物會給隨后的熱軋工序帶來一些特殊的困難，如脆性相的破碎、材料強度提高以及表面破裂等;選擇合適的爆炸工藝參數(shù)使復合板的界面呈現(xiàn)均勻的小波紋或平面狀結合，因為界面波的狀態(tài)決定著軋制時上下層金屬相互之間的牽引力是否均勻。在軋制過程中，金屬層之間均勻的牽引力是保證復層和基層金屬能夠同步變形的重要條件之一，如果爆炸焊接參數(shù)選擇不當造成界面波過大，往往會導致復合板的復層金屬上表面明顯可見周期性變化的高低起伏的波紋，影響復合板的表面質量;而且使界面處有一定面積的未復合層存在，在軋制過程中未復合區(qū)域很可能會擴大，造成復合板結合區(qū)大面積脫粘。

軋制工藝參數(shù)的確定同樣非常重要，如道次壓下量、潤滑方式、熱軋溫度、軋制速度以及軋制方向等。對于兩種性質和變形抗力相差較大的金屬組合如鈦/鋁、鋼/鋁等，在軋制過程中由于兩種金屬流動性的差異以及爆炸結合界面的粘滯作用，使得易變形金屬層在變形的同時牽引著難變形金屬層一起流動變形，這種變形稱作牽引變形[18]。如果變形量適當，在均勻牽引力的作用下兩層金屬會同步變形;當變形量大到一定程度時兩種金屬的流動變形速度相差很大，界面牽引力就會隨著變形速度非均勻地變化，產生不均勻牽引變形力。難變形金屬層在不均勻牽引變形力的作用下發(fā)生間歇性破壞，表現(xiàn)為難變形金屬層表面出現(xiàn)間歇性裂縫流出另一層金屬。

5 結語

金屬復合材料已成功走向市場，并在諸多應用領域占有一席之地，廣泛而深入的研究為復合材料生產的低成本、高效率提供了有力的技術支撐，然而，目前金屬基復合材料的結構和功能相對還都比較簡單，不能滿足高性能化和多功能化的挑戰(zhàn)，因此必然朝著結構復雜化的方向發(fā)展，重點在如下方面將有所突破。

(1)復合材料結構設計。復合材料結構設計將受到更多的重視，重點是通過調控增強體的空間分布實現(xiàn)材料的強韌化;通過將非連續(xù)增強復合材料分化區(qū)隔為增強體顆粒富集區(qū)(脆性)和一定數(shù)量、一定尺寸、不含增強體基體區(qū)(韌性)，純基體區(qū)域作為韌化相具有阻止裂紋擴展、吸收能量的作用，使復合材料的損傷容限得到提高，實現(xiàn)復合材料的韌化。

(2)結構－功能一體化。傳統(tǒng)的材料科學與工程把材料劃分為兩大類，即結構材料和功能材料。高技術的發(fā)展要求材料不再是單一的結構材料或功能材料，新趨勢是結構材料和功能材料的相互滲透、綜合集成。

(4)智能化。智能材料是結構材料、功能材料和微電子工業(yè)聯(lián)合發(fā)展的產物，它的出現(xiàn)是結構設計的巨大變革，今后的結構設計不僅僅要考慮承載強度，更突出考慮的是結構的智能性。由材料、結構和電子相互融合而構成的智能材料與結構，是當今材料與結構高新技術發(fā)展的方向。

(5)低成本化。21世紀復合材料將以更快速度發(fā)展，而加快發(fā)展的關鍵在于降低成本。復合材料的研究重點已從過去主要關心性能與質量轉到降低成本，強調低成本生產技術。低成本生產技術包括原材料、復合工藝和質量控制等各個方面。

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