張 婷，許 浩，李仲杰，董安平，邢 輝，杜大帆，孫寶德

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院上海市先進(jìn)高溫材料及其精密成形重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)材料綜合性能要求的不斷提升，在很多領(lǐng)域，單一材料已經(jīng)很難滿足使用需求.近二三十年來，復(fù)合材料一直受到科研工作者們的廣泛關(guān)注，各種復(fù)合材料及其制備方法得到蓬勃發(fā)展，其中一個(gè)很重要的分支就是層狀金屬復(fù)合材料（Laminated metal composites, LMCs）.LMCs是通過采用各種復(fù)合技術(shù)使兩種或兩種以上物理、化學(xué)及力學(xué)性能不同的金屬在界面上實(shí)現(xiàn)牢固冶金結(jié)合而制備的一種復(fù)合材料[1].LMCs具有將各組成材料的優(yōu)良性能整合到一起的潛能，在保持各組成金屬或合金特性的同時(shí)具有“相補(bǔ)效應(yīng)”[2]，可以彌補(bǔ)各自的不足, 經(jīng)過恰當(dāng)?shù)慕M合可以得到優(yōu)異的綜合性能.

1 LMCs的發(fā)展歷程

LMCs的起源可以追溯到公元前幾百年.研究發(fā)現(xiàn)[3]公元前800年的阿喀琉斯盾（Achilles shield）就是典型的LMCs，該盾由兩層青銅、兩層錫和一層金構(gòu)成，順序是青銅/錫/金/錫/青銅，就算是最鋒利的矛也很難刺穿該盾.此外，很多古代的刀劍也運(yùn)用了LMCs的原理，如中世紀(jì)的波紋刀、著名的大馬革士刀、唐刀、日本武士刀等.從歷史上看，LMCs疊層材料產(chǎn)生的原因可以歸納為兩點(diǎn)，一是提高制件的綜合機(jī)械性能，二是在貴金屬外包覆較便宜的金屬材料以降低經(jīng)濟(jì)成本.

文獻(xiàn)報(bào)道的有關(guān)LMCs的近現(xiàn)代研究始于二十世紀(jì)六十年代，美國率先提出了“表面處理–冷軋復(fù)合（Cold roll bonding, CRB） –退火強(qiáng)化”的生產(chǎn)工藝流程[4]，從此掀開了LMCs的研究熱潮，中國、日本、法國、德國、巴西、印度等眾多國家都展開了對(duì)LMCs的研究.但在很長(zhǎng)的一段時(shí)間，高昂的制造成本都限制著LMCs的工業(yè)應(yīng)用.LMCs的實(shí)際工程應(yīng)用始于前蘇聯(lián)，莫斯科鋼鐵和合金研究院提出了一種獨(dú)一無二的徑向剪切螺旋軋制技術(shù)用于形成Steel/Steel LMCs，被廣泛用于大型管道[5]和大型壓力容器[6].薄鋼板被緊緊地包裹在一起并焊接成同心殼體，層間的內(nèi)部界面通過幾種不同的工藝限制了裂紋的傳播，延長(zhǎng)了使用壽命.除了 Steel/Steel LMCs，在這一時(shí)期莫斯科高溫研究所和新西伯利亞高速流體力學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)研究所分別提出了爆炸復(fù)合法和焊接法兩種雙材料LMCs制備技術(shù)，成功制備了包括Al/Steel、Cu/Steel和Al/Steel在內(nèi)的一系列LMCs[5].1999年，Saito等[7]在CRB的基礎(chǔ)上提出了一種更經(jīng)濟(jì)有效的方法——累積軋制結(jié)合（Accumulative roll bonding, ARB）工藝來制造LMCs.圖1給出了ARB工藝的示意圖.ARB法可以通過常規(guī)的軋制設(shè)備較為容易地進(jìn)行，對(duì)材料的限制較小，并且具有大規(guī)模生產(chǎn)片材的能力，從而使LMCs真正走出實(shí)驗(yàn)室，開始大范圍應(yīng)用.進(jìn)入21世紀(jì)，關(guān)于LMCs制備技術(shù)、材料體系的研究更加繁榮，物理氣相沉積、熱壓擴(kuò)散、粉末冶金等技術(shù)逐漸被用于制備LMCs.LMCs材料已廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金、汽車、船舶和航空航天等諸多領(lǐng)域[8].

圖1 ARB 制備多層板材示意圖[9]Fig.1 Schematic of the preparation of multi-layer plate by ARB[9]

2 LMCs的制備方法

到目前為止，很多傳統(tǒng)的材料成形方法都可用于LMCs的制備，根據(jù)工藝屬性的不同，主要包括以下幾種：爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法、熱壓擴(kuò)散法和沉積復(fù)合法.

2.1 爆炸復(fù)合法

爆炸復(fù)合法制備LMCs與爆炸焊接原理相似，利用炸藥爆炸過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫和高沖擊作用，使被焊金屬表面產(chǎn)生塑性變形、熔化和擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)兩種或多種金屬板材的焊合，且界面結(jié)合強(qiáng)度較高.缺點(diǎn)是該方法不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，也不能生產(chǎn)薄板，會(huì)導(dǎo)致薄板嚴(yán)重變形，爆炸產(chǎn)生的二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳等有毒氣體，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[2].盡管如此，爆炸復(fù)合法在中厚復(fù)合板的制備上具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[10].

2.2 軋制復(fù)合法

軋制法是通過軋輥的壓力使不同的金屬板材發(fā)生塑性變形而焊合在一起，是應(yīng)用最為廣泛的LMCs制備方法.軋制法又可以分為很多不同種類，包括冷軋（CRB、ARB）、溫軋、熱軋和液態(tài)金屬軋制法等.冷扎法需要的首次壓下量比較大，一般高達(dá)60%～70%[2]，適合于塑性較好的材料，由于軋制完的材料具有較大殘余應(yīng)力，需要后續(xù)熱處理消除應(yīng)力，調(diào)控性能.溫軋和熱軋是在加熱條件下對(duì)材料進(jìn)行軋制，適合于塑性較差的金屬.熱軋要求材料表面清潔、活化，但活化表面在軋制過程中容易氧化，影響復(fù)合結(jié)果，通常需要通氬氣進(jìn)行保護(hù)[11].液態(tài)金屬軋制法將兩種不同的金屬液分別從雙輥鑄機(jī)上、下輥側(cè)邊的澆注口注入，隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，未凝固的金屬液體在鑄機(jī)入口附近形成混合層，當(dāng)上下軋輥咬合時(shí)，上下兩層金屬被軋制成形[2].該方法省去了澆注、軋板等過程，可直接制備雙金屬LMCs材料.這些軋制法中，冷軋法應(yīng)用最為廣泛，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以批量生產(chǎn)較大尺寸的LMCs板，且生產(chǎn)成本較低.

2.3 熱壓擴(kuò)散法

熱壓擴(kuò)散是在低于材料熔點(diǎn)的溫度下（約0.5Tm～0.8Tm,Tm為熔點(diǎn)溫度），以及不使材料出現(xiàn)變形的壓力下（約 0.5～50 MPa），使金屬板材緊密接觸，利用界面出現(xiàn)的原子擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)結(jié)合[12].該方法的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)性能和尺寸相差很大的材料進(jìn)行復(fù)合，成本效益高且操作簡(jiǎn)單.其次，由于壓力較小，金屬片層沒有發(fā)生宏觀變形，殘余應(yīng)力小.熱壓擴(kuò)散制備的LMCs需要較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)界面較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，因此熱壓擴(kuò)散法制備LMCs的周期較長(zhǎng).在較高的加工溫度下，晶粒尺寸會(huì)變大，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，所以熱壓擴(kuò)散法制備的LMCs的強(qiáng)度始終不能令人滿意，通常熱壓擴(kuò)散之后再通過軋制提高界面結(jié)合強(qiáng)度[13].

2.4 沉積復(fù)合法

沉積復(fù)合法是一類“自下而上”的層狀材料制備方法，主要包括物理氣相沉積、電化學(xué)沉積和噴射沉積.物理氣相沉積是在真空條件下，將材料源— —固體或液體表面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體沉積在基體表面上的技術(shù).物理氣相沉積最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在納米尺度范圍內(nèi)精確控制LMCs單個(gè)層的厚度.電化學(xué)沉積是指在外加電場(chǎng)的作用下電流通過電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的遷移并在電極上發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)而形成鍍層的技術(shù).對(duì)于由常規(guī)加工技術(shù)很難加工的金屬，如高熔點(diǎn)高硬度的金屬鎢、陶瓷等，電化學(xué)沉積技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)LMCs的制備[14].這些方法通常耗時(shí)較長(zhǎng)，而且不適合生產(chǎn)大規(guī)模、大尺寸的片材或體材，通常用來制備工程材料表面的功能涂層.噴射沉積法其基本原理是將一種金屬溶解霧化后，將其噴射到另一種金屬基材上，從而獲得成分均勻、組織細(xì)密的復(fù)合板材[15].

除了上面提到的幾種沉積技術(shù)，直接能量沉積（DED）技術(shù)也是極具潛力的LMCs制備方法，DED技術(shù)的同軸送粉特征使得該技術(shù)在材料的設(shè)計(jì)和制備上具有很高的自由度，圖2給出了直接激光沉積技術(shù)（DLD）制備LMCs的示意圖，交替改變打印粉末的種類，便可得到所需的層狀材料.目前的DED設(shè)備最多具有四個(gè)同軸送粉的粉末料斗，可以制備由2～4種材料組成的LMCs.

3 LMCs的研究現(xiàn)狀

3.1 爆炸復(fù)合法研究現(xiàn)狀

圖2 DLD 制備 LMCs 示意圖Fig.2 Schematic of LMCs prepared by DLD

爆炸復(fù)合法由于條件比較苛刻，近些年的研究報(bào)道相對(duì)較少.國內(nèi)洛陽船舶材料研究所和洛陽孫瑞金屬包覆材料有限公司對(duì)爆炸法制備鎂合金層狀材料進(jìn)行了大量研究，包括AZ31/（1060，5083，TA2，S31603 和 Q345 R）等材料體系[16].此外，東北大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、太原理工大學(xué)、沈陽理工大學(xué)和空軍工程大學(xué)等高校也有報(bào)道對(duì)爆炸復(fù)合法制備LMCs的研究，其研究?jī)?nèi)容包括對(duì)工藝、組織、界面行為、力學(xué)性能、疲勞性能、電化學(xué)腐蝕性能等的研究，除了Mg/Al，還包括 Ti/Steel、Ti/Steel/Ti、Al/steel和哈氏合金/Steel等材料體系.就材料體系而言，爆炸復(fù)合法制備的LMCs在國內(nèi)主要應(yīng)用于軍工、船舶等領(lǐng)域.目前國外從事爆炸復(fù)合材料生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)主要有美國的DMC公司和日本的旭化成公司，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電力、化工、濕法冶金和近海工程等領(lǐng)域[17].

3.2 ARB 技術(shù)研究現(xiàn)狀

近三十多年來，關(guān)于LMCs的研究從未停止，科研工作者針對(duì)不同的材料體系、不同的制備技術(shù)及工藝參數(shù)進(jìn)行了大量研究，ARB技術(shù)被認(rèn)為是生產(chǎn)兩種或多種組分LMCs最合適的方法.許多雙金屬結(jié)構(gòu)，例如 Al/Al、Al/Cu、Al/Ti、Al/Ni、Cu/Ta、Cu/Zn和Zn/Sn等都可以通過ARB工藝很好地制備.Li等[18]總結(jié)了所有可以通過CRB或ARB制備的雙金屬體系以及它們的晶體結(jié)構(gòu)，如圖3所示.除了雙金屬結(jié)構(gòu)，很多三金屬結(jié)構(gòu)，如Al/Ti/Al、Al/Cu/Sn、Al/Cu/Sn 和 Al/Ti/Mg 等，也可以通過ARB工藝生產(chǎn).與單種材料相比，LMCs通常具有更好的疲勞強(qiáng)度.對(duì)于不同類型金屬材料的組合，界面處存在強(qiáng)度和彈性模量的梯度，這將導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展在接近軟–硬材料界面處受到阻礙而發(fā)生分支，從而延長(zhǎng)材料的疲勞壽命.此外，ARB技術(shù)的大塑性變形特征導(dǎo)致很多材料體系通過ARB工藝都可以獲得超細(xì)晶微觀結(jié)構(gòu)，與原始的粗晶材料相比，其強(qiáng)度和疲勞性能進(jìn)一步提高[19?22].

圖3 可以通過CRB或ARB制備的雙金屬體系以及它們的晶體結(jié)構(gòu)[18]Fig.3 Chart of metals suitable for cold bonding by rolling and/or by applying pressure and ARB, according to lattice structure and hardness of metals[18]

近五年來，除了針對(duì)不同材料體系的研究，軋制過程中的塑性不穩(wěn)定問題也被廣泛提及和研究.在軋制過程中，LMCs材料各層顯微組織變化有兩種模式：一種是在軋制過程中保持層間連續(xù)性，并根據(jù)整體宏觀應(yīng)變減小各組分的厚度；另一種是由于較硬層在塑性變形期間發(fā)生塑性不穩(wěn)定的頸縮和破碎，連續(xù)層不能保持，而形成離散的強(qiáng)化顆粒[23].軋制結(jié)合過程中的塑性失穩(wěn)和斷裂是限制層壓板生產(chǎn)工藝及機(jī)械性能的關(guān)鍵因素.Mashhadi等研究了ARB制備的多種體系LMCs的微觀組織和力學(xué)性能與軋制循化的關(guān)系，包括Zn/Sn[24]、Cu/Zn/Al[25]和 Al/Cu/Sn[26]等.他們發(fā)現(xiàn)這些體系在經(jīng)過很少軋制循環(huán)后較硬層便出現(xiàn)明顯的頸縮（圖4），導(dǎo)致材料強(qiáng)度和塑性急劇降低，其他很多研究也報(bào)道了這種塑性不穩(wěn)定性問題[20, 27?28].表1 列出了文獻(xiàn)報(bào)道的幾種層狀材料ARB過程中的組織和力學(xué)性能變化.LMCs的優(yōu)異性能大多源自于界面處的協(xié)調(diào)變形，幾何必須位錯(cuò)在界面處的累積產(chǎn)生背應(yīng)力強(qiáng)化，提高材料的強(qiáng)度和塑性.一旦較硬層出現(xiàn)塑性失穩(wěn)，這種協(xié)調(diào)變形機(jī)制將不復(fù)存在，導(dǎo)致強(qiáng)度塑性降低.另外，Kümmel等[20]研究證明，層狀界面處明顯的硬度梯度是LMCs產(chǎn)生裂紋分叉的先決條件，若硬層出現(xiàn)頸縮失穩(wěn)，硬度梯度被破壞，材料的疲勞性能也會(huì)變差.

Reihanian與Naseri[29]利用解析模型預(yù)測(cè)金屬ARB結(jié)合過程中硬層發(fā)生頸縮和斷裂的臨界應(yīng)變，他們利用失穩(wěn)判據(jù)確定頸縮的臨界應(yīng)變，根據(jù)Cockcroft判據(jù) 和Latham判據(jù)預(yù)測(cè)斷裂的臨界應(yīng)變.該模型預(yù)測(cè)出頸縮和斷裂的臨界應(yīng)變隨硬層厚度比、強(qiáng)度系數(shù)比和加工硬化指數(shù)的增大而增大，隨軟層加工硬化指數(shù)的增大而減小.利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型，結(jié)果如圖5所示，除了Al/Cu預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為接近外，其他材料體系預(yù)測(cè)值都遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值甚至是預(yù)應(yīng)變.ARB每道次的等效應(yīng)變都很大（0.5～0.8）[18]，實(shí)驗(yàn)過程中很難觀測(cè)到頸縮發(fā)生的臨界點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的偏差.此外ARB過程中重復(fù)的切割、堆垛和軋制連接也給模型的建立帶來了巨大的挑戰(zhàn).除了解析模型，Wang等[30]提出了一種新的有限元模型，采用映射解法（網(wǎng)格再劃分分析法）將變形解從變形網(wǎng)格中轉(zhuǎn)移到一個(gè)新的循環(huán)網(wǎng)格中，可以很好地模擬ARB中的不連續(xù)過程.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型對(duì)Al/Al層狀材料具有很好的適應(yīng)性（圖6），對(duì)于其他材料體系的適應(yīng)性如何還未見報(bào)道.

圖4 Zn/Sn 復(fù)合材料 ARB 制備過程中的 SEM 照片.（a）0 循環(huán)（最初的三明治結(jié)構(gòu)）；（b）一個(gè)循環(huán)；（c）兩個(gè)循；（d）三個(gè)循環(huán)；（e）四個(gè)循環(huán)；（f）五個(gè)循環(huán)；（g）六個(gè)循環(huán)；（h）七個(gè)循環(huán)[24]Fig.4 SEM micrographs of ARB processed Zn/Sn composites after: (a) zero cycle (primary sandwich); (b) one cycle; (c) two cycles; (d) three cycles;(e) four cycles; (f) five cycles; (g) six cycles; (h) seven cycles[24]

表1 不同層狀材料ARB過程中組織和性能的變化Table 1 Changes in structure and properties of different layered materials in the process of ARB

圖5 解析模型預(yù)測(cè)結(jié)果[29]Fig.5 Prediction results of analytical model[29]

3.3 熱壓擴(kuò)散法制備 LMCs 研究現(xiàn)狀

關(guān)于熱壓擴(kuò)散法制備LMCs的報(bào)道，近年來主要是針對(duì)Ti/Al材料的研究.Ti–Al金屬間化合物因?yàn)榫哂懈叩谋葟?qiáng)度、抗腐蝕、抗蠕變等性能，成為航空航天領(lǐng)域極具潛力的結(jié)構(gòu)材料，但金屬間化合物的本質(zhì)導(dǎo)致Ti–Al塊體材料韌性極差，嚴(yán)重削弱了其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).Rohatgi等[31]通過Ti元素和鋁箔，在高溫高壓下制備了Ti/TiAl3 LMCs，發(fā)現(xiàn)該LMCs在斷裂韌性上比塊體Al3Ti有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高.表現(xiàn)出了優(yōu)異的剛度、韌性和比強(qiáng)度組合.之后物理磁濺射、噴射氣相沉積、物理氣相沉積、電鍍、爆炸焊接等方法都被用于制備Ti–Al LMCs，但大多數(shù)工藝都需要昂貴復(fù)雜的工具，限制了其應(yīng)用.近年來，熱壓結(jié)合工藝也被成功地用于生產(chǎn)鈦鋁復(fù)合材料.Fan等[32]利用真空熱壓擴(kuò)散技術(shù)制備了Ti/Al LMCs，并對(duì)其疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于較厚的元素?cái)U(kuò)散層和優(yōu)異的協(xié)調(diào)變形能力，Ti/Al LMCs表現(xiàn)出增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度和更好的綜合疲勞性能.Zhu等[13]研究了真空熱壓擴(kuò)散法制備的TC4/TiAl層狀復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其抗彎強(qiáng)度較單一TiAl材料提高了約90%，拉伸強(qiáng)度提高了約20 MPa.Liu等[33]利用超聲波固化輔助熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了碳纖維增強(qiáng)Ti/TiAl層狀材料，研究發(fā)現(xiàn)相比于未加碳纖維的Ti/TiAl層狀材料，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率都有所提高.

3.4 沉積法制備 LMCs 研究現(xiàn)狀

近年來，電化學(xué)沉積法在制備層狀復(fù)合涂層方面取得了不錯(cuò)成績(jī)，研究發(fā)現(xiàn)多層復(fù)合涂層具有很多優(yōu)于單種涂層的性能.Torabinejad等[34]研究了Fe/Ni/Al2O3多層涂層的耐磨性能，指出層狀結(jié)構(gòu)可以改善納米晶涂層的機(jī)械性能，特別是耐磨性.Elias[14]和Allahyarzadeh[35]等研究了電沉積法制備的層狀Ni/W涂層的電化學(xué)腐蝕性能，結(jié)果表明與單種涂層相比，多層復(fù)合涂層具有更好的抗局部腐蝕能力，對(duì)基體具有更好的保護(hù)作用.如圖7所示，對(duì)于層狀復(fù)合涂層，腐蝕介質(zhì)在層間界面橫向擴(kuò)散，極大地減緩了孔蝕的深度，對(duì)基材具有很好的保護(hù)作用；而對(duì)于單層合金涂層，孔蝕很快破壞涂層，腐蝕介質(zhì)很快到達(dá)基體，造成基材的腐蝕.在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，Peng等[36]利用軸向磁場(chǎng)增強(qiáng)電弧離子鍍工藝在316不銹鋼基材上制備TiCu/TiCuN多層復(fù)合涂層，研究證明該涂層具有良好的耐腐蝕性能、可比的機(jī)械性能、優(yōu)異的抗菌能力以及良好的生物相容性.

圖6 Al/Al層狀材料有限元預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[30].（a）3 道次之后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線；（b）、（d）實(shí)驗(yàn)過程中 AA1050/AA6061 LMC 1 道次、3道次拉伸試驗(yàn)拉伸斷口光鏡照片；（c）、（e）AA1050/AA6061 LMC 1道次、3道次拉伸試樣模擬結(jié)果Fig.6 Comparison of finite element prediction results and experimental results of Al/Al LMCs[30]: (a) strain-stress curves obtained from tensile tests of 3-ARB processed composites; tensile fracture for (b) 3-ARB, and (d) 1-ARB AA1050/AA6061 observed by OM in the experiment; simulated in the tensile sample of (c) 3-ARB, and (e) 1-ARB AA1050/AA6061

圖7 涂層腐蝕示意圖.（a）層狀復(fù)合涂層；（b）單種合金涂層腐蝕示意圖[14]Fig.7 Corrosion schematic diagram: (a) multilayer coatings; (b) monolayer coatings[14]

除了電化學(xué)沉積技術(shù)，其他沉積技術(shù)的研究報(bào)道相對(duì)較少.在能源領(lǐng)域，高強(qiáng)度導(dǎo)體因其強(qiáng)度與導(dǎo)電性的結(jié)合而備受關(guān)注，在大型集成電路、高場(chǎng)磁體、微電子器件領(lǐng)域具有很大的技術(shù)意義[37].10年前，Ghalandari與 Moshksar[38]利用 ARB工藝將具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的銀、銅兩種金屬結(jié)合，首次制成了具有極高導(dǎo)電性和高強(qiáng)度的Ag/Cu LMCs，表2總結(jié)了Ag/Cu材料的相關(guān)性能.Huo等[39]利用磁控濺射的方法制備Ag/Cu LMCs，并對(duì)其進(jìn)行退火處理，發(fā)現(xiàn)與沉積態(tài)相比，退火后Ag/Cu LMCs硬度提高了6%～16%，電阻率降低了6%～12%，說明通過熱處理可以進(jìn)一步提高高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的良好結(jié)合.

表2 Ag/Cu 層狀復(fù)合材料的性能Table 2 Properties of Ag/Cu LMCs

近年來，增材制造技術(shù)在功能梯度材料的制備上掀起了研究熱潮.在航空航天領(lǐng)域，科研工作者們對(duì)Ti6Al4V–Inconel 718、Ti6Al4V–SS 316/SS 304L、SS304 L–Inconel 625 和 SS316– Inconel 718等功能梯度材料進(jìn)行了大量研究，取得了不錯(cuò)的成果[40].在生物醫(yī)用領(lǐng)域，Lima等[41]利用DLD技術(shù)制造了一種新型 Ti–35Nb–15Zr/ Ti–25Nb–8Zr/CP–Ti模量梯度骨科植入材料，實(shí)現(xiàn)了模量在75～110 GPa的漸變.Behera等[42]利用DLD技術(shù)在Ti6Al4V表面制備了TiO2–HA（羥基磷灰石）功能梯度涂層，以增強(qiáng)整形外科植入物的生物相容性和生物活性.Liu與DuPont[43]通過DLD技術(shù)制備了TiC–Ti功能梯度材料，提高了CP–Ti的耐磨性能.Zhang等[44]通過DLD技術(shù)制備了Ti6Al4V/Ti36Nb2Ta3Zr0.2O層狀材料，研究表明該層狀鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能.南陽理工大學(xué)的Markandan等[45]利用一種新的增材制造技術(shù)— —選擇性熱熔化（Selective heat melting，SHM）制備出了 Cu/Fe LMCs，如圖8所示.此外，隨著設(shè)備的不斷發(fā)展更新，具有兩個(gè)或多個(gè)粉末缸的SLM設(shè)備已經(jīng)問世，選擇性激光熔融（SLM）也是一種潛在的制備功能梯度金屬材料或?qū)訝畈牧系男录夹g(shù).

圖8 SHM 法制備的 Cu/Fe 層狀材料[45].（a）側(cè)視圖；（b）等軸側(cè)視圖[45]Fig.8 Cu/Fe fabricated using the SHM technique[45]: (a) side view; (b) isometric view[45]

4 結(jié)論與展望

以上文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明，LMCs由于具有單一材料難以實(shí)現(xiàn)的綜合優(yōu)異性能的結(jié)合，從古至今都占據(jù)重要地位.不同的LMCs制備技術(shù)具有各自不可替代的優(yōu)點(diǎn)，所制備的材料在軍工、船舶、航空航天、汽車和能源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在醫(yī)療領(lǐng)域也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力.現(xiàn)有關(guān)于LMCs的研究主要包括以下幾個(gè)方面：（1）原有材料體系性能優(yōu)化；（2）針對(duì)新的性能要求開發(fā)新的材料體系；（3）解決現(xiàn)存的問題，如ARB過程中的塑性穩(wěn)定現(xiàn)象等；（4）新制備技術(shù)的探索.

近年來，很多文獻(xiàn)報(bào)道通過外加磁場(chǎng)[46]、超聲波[47]等手段提高增材制造技術(shù)制備材料的性能，若將這一思路引入LMCs的制備，或許對(duì)提高其性能有所幫助.此外，多種LMCs制備方法結(jié)合，也有望實(shí)現(xiàn)材料性能的提高，如第3節(jié)中提到的熱壓擴(kuò)散法和軋制復(fù)合法的結(jié)合.

LMCs往往是為了滿足特定的性能而設(shè)計(jì)，如強(qiáng)度與塑性的結(jié)合、強(qiáng)度與耐蝕性的結(jié)合、高溫強(qiáng)度與抗氧化能力的結(jié)合、強(qiáng)度與模量的結(jié)合等等.但一直以來，LMCs的設(shè)計(jì)都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選材，然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，缺乏有效的理論依據(jù).Cohades等[48]報(bào)道了具有拉伸延性的LMCs的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，他們通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，根據(jù)混合物的等應(yīng)變規(guī)則，應(yīng)變和應(yīng)變速率敏感性材料構(gòu)成的復(fù)合材料的延伸率可以通過僅與成分材料應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)n、應(yīng)變速率敏感性系數(shù)m以及強(qiáng)度常數(shù)K有關(guān).指出可以采用n、m、K3個(gè)參數(shù)對(duì)由應(yīng)變敏感材料和應(yīng)變速率敏感材料構(gòu)成的LMCs的拉伸延伸率進(jìn)行有效預(yù)測(cè).雖然該準(zhǔn)則對(duì)于應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變速率強(qiáng)化不敏感的材料預(yù)測(cè)誤差較大，但該研究對(duì)于LMCs材料的設(shè)計(jì)具有里程碑式的意義.此外，對(duì)于其他性能要求的LMCs的設(shè)計(jì)理論依據(jù)還未見報(bào)道，該領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間.

模擬是近幾年的研究熱點(diǎn)，盡管目前關(guān)于LMCs材料性能的模擬效果并不理想，但卻有很大的發(fā)展前景.若能通過模擬的手段較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)軋制過程中不同材料的變形狀態(tài)，便可以在最短的時(shí)間獲得最佳的軋制變形量，提高軋制復(fù)合板的綜合性能.

關(guān)于制備LMCs的新技術(shù)，增材制造技術(shù)具有非常大的潛力.一方面“增材”的特征給了LMCs更多的設(shè)計(jì)性和可塑性，參數(shù)的改變可以很好地對(duì)組織、性能進(jìn)行調(diào)控；另一方面，增材制造技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，成本相對(duì)較低，既可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，也可用于定制化生產(chǎn).