背景介绍

异质复合板因具有性能优异且功能集成等特性，在航空航天、轨道交通、能源动力、尖端武器等领域高端装备关重部件制造过程中备受青睐。近日，哈尔滨理工大学的综述论文“Formative manufacturing of heterogeneous composite plates: a review”在本领域国际Top期刊《Materials Today (IF:21.1)》上发表，为该校首篇，包含团队的多项研究成果。哈尔滨理工大学是唯一完成单位，李峰教授是唯一通讯作者。

该文归纳总结了目前轧制、挤压、焊接、热压及增材制造等异质复合板成形制造主流方法的研究进展，揭示了各代表性成形工艺与微观组织演化规律、强塑性机制、界面结合及失效机理等內禀关系，对特种能场辅助成形、特殊组织构型设计等极具潜力的发展方向进行了展望。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702125001579

1、发展历程

异质复合材料的应用可追溯至人类文明早期，公元前 2750 年吉泽金字塔发现的复合铁板以及荷马史诗中记载的多层金属盾牌，已展现出异质金属复合板的原始智慧。近代科学意义上的复合板概念萌芽始于十九世纪军械实验中偶然发现的金属爆炸结合现象，推动了相关研究工作的开展。二十世纪初俄罗斯科学家 P.B.卢森堡建立了爆炸焊接理论体系，为现代复合板制备奠定了理论基础。二战期间军事需求催生了冷轧复合、热压复合等关键技术的突破，由此开启异质复合板制造的工业化进程。

2、元素匹配

图1展示了双组元层状金属复合材料研究体系，几种典型的金属组合包括但不限于：钛/钢、钛/铝、铜/铝、钢/铝、镁/铝及铜/钢等在典型行业中的应用，展现了材质选择与复合技术的重要性。

图1 双组元层状金属复合材料研究体系示意图

3、制造方法

将具有不同物理或化学性质的两种及两种以上材料，制备得到可发挥各组元性能优势的一种新型材料。通过调控材质与微观组织构型，改善单一材料在性能等方面的不足，异质板材固相复合制造主要方法如图2所示。

图2 异质复合板主要制造方法

轧制复合技术凭借污染小、稳定性好与效能高等优势，成为金属异质复合板成形制造的重要手段之一。表1系统梳理了多种新型轧制复合成形工艺，构建起了覆盖基础研究到工程应用的轧制复合成形技术谱系。

表1 异质复合板特种轧制方法对比

图 3. (A) 衬板轧制工艺原理；(B) 有无衬板轧制Al/Mg/Al复合板界面孪晶对比

图4. (A)波纹辊结合(CRB)阶段及平辊结合(FRB)阶段；(B)平面Mg/Al复合板槽位IMCs断裂过程； (C) LCR过程示意图；(D) Cu/Al波纹复合板在不同位置的拉伸力学性能

图5. (A) CS+HR原理图及Mg/Al复合板样品；(B)CS+ARB实验过程示意图

图6. (A) 制备复合板及电流辅助处理示意图；(B) 不同电流密度下复合板处理12 min后的拉伸曲线及力学性能直方图；(C) VAR设备及原理图；(D) 界面微观结构形成示意图

图7. (A). (a)挤压装置示意图；(b) 挤压AA6063/AA7075异种复合板的拉伸性能；(c)复合板工程应力-应变曲线；(B)PCE-F制备板材示意图及力学性能曲线

图8. (A)挤压装置及AEB工艺流程图；(B) CAEB过程原理示意图；(C)非均质变形模型图

图9. (A)爆炸焊接示意图；(B) (a)应力波在撞击点的传播；(b)应力分布；(c) AZ31B镁合金板中asb的形成；(C) (a, b)温度、应变、局部组织扩增的晶粒分布图；(C)晶粒分布及波浪演化示意图

图10. (A) Al-Cu异种合金拉伸搭接剪切试样的EMPW工艺示意图；(B) Al-Cu异种合金拉伸搭接剪切试样EMPW工艺示意图

图11. (A) Ti6Al4V/TiAl复合板制备工艺示意图；(B)裂纹萌生和扩展过程；(C) Cu/Al界面上IMC层形成和生长示意图；(D) Ti/Al复合材料层合板疲劳裂纹扩展速率曲线

图12. (A) Ni夹层CuW/Al复合板界面微观结构演变示意图：(a)初始溶解阶段，(b)IMCs形成阶段，(c)IMCs生长阶段，(d)冷却阶段；(B) HEA颗粒堆积、形貌及断裂韧性试验结果

图 13. (A)电脉冲辅助超声增材制造工艺示意图；(B) (a)L-DED处理图；(b)交错结构；(C) II型界面形貌特征；(D)电流辅助UAM工艺示意图；(E)电流密度分布数值模拟；(F) (a) MWAAM系统示意图。(b) MWAAM合金成分示意图；(c)不同层数MWAAM TC4/Nb多材料合金双弧增材制造工艺流程图

4、展望及挑战

(1) 影响因素众多且新材料层出不穷，不同条件下异质复合板成形制造时所表现出的宏微观特性差异及相关机理等基础理论仍缺乏较深入系统地研究和准确的认知；

(2) 可胜任极端或特殊使役环境的新构型、跨尺度、多异质、富层数、全功能等新型异质复合板的研制已迫在眉睫；

(3) 如何利用特种能场辅助异质复合板成形制造并实现材料-结构-性能-效用的一体化协同调控是本领域的重要发展趋势之一；

(4) 利用异构思想进行微观组织构型创制，使其具有传统均质材料/单一结构无法实现的综合性能，用于高品质异质复合板成形制造也是极具潜质的发展方向。

【作者简介】

第一作者：张佳阳(2001.03-)，24级博士研究生(硕博连读)，研究方向：异质复合板特种轧制成形；

通讯作者：李  峰(1978.12-)，二级教授/博士生导师，2007年于哈尔滨工业大学材料加工专业获工学博士学位。第十四届教育部霍英东青年教师奖、黑龙江省高层次人才、黑龙江省杰出青年科学基金、黑龙江省政府特殊津贴、黑龙江省专业技术领军人才梯队带头人、黑龙江省高校新世纪优秀人才、第十二届哈尔滨市青年科技奖。研究方向：轻合金特种塑性成形理论及技术；作为负责人主持国家自然科学基金(4项)、国防973子课题等20余项；第一发明人授权国家发明专利31项，转化15项；获2019年黑龙江省自然科学二等奖(R1)等多项奖励；《应用基础与工程科学学报(北大)》等4个期刊编委/《J Magnes Alloys(15.8)》等6个期刊青年编委；中国兵工学会精密成形工程等6个专业委员会委员；北京市、天津市、浙江省、河北省、广东省、吉林省、四川省、黑龙江省、广西自治区等科技项目或奖励评审专家；国家科学技术奖/国家重点研发计划/国家自然科学基金等评审专家；教育部学位中心/学术桥等评审专家。