多层金属复合材料的单工序加工方法与流程

本发明涉及塑性加工领域，具体是一种单工序制备多层金属复合材料加工新方法。

背景技术：

诸如晶界、相界以及表面等界面对于材料的性能至关重要，其作用在粗晶、超细晶或者纳米晶等不同微观组织尺度范围均有所体现。特别是纳米结构材料，界面将主导很多材料行为，从而使纳米材料较之粗晶态表现出非凡、独特的性能。

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，构成复合材料的几种材料之间的界面依然能够分辨，多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，从而使复合材料的综合性能往往优于原组成材料而满足各种不同的要求。已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑、核能等行业。界面是复合材料极其重要的微结构，是构成复合材料各组元之间的“纽带”，也是微观应力以及其他“信息”传递的“桥梁”。因此，复合材料是否能获得的优异综合性能，除了与构成复合材料的各个组元自身性能有关外，在很大程度上还取决于复合材料界面(相界)的结构形态、数量、性质等。

层状金属复合材料是将两种或两种以上金属或合金材料进行分层组合形成的一类金属复合材料。与所有复合材料一样，层状金属复合材料内部的界面会显著影响其的物理和力学性质，从而很大程度决定了这类材料的使用性能和服役表现。然而制备具有良好界面结合的层状金属复合材料往往较为困难，一些现有的诸如爆炸复合等方法工艺可控性较差，物理、化学气相沉积及其变种工艺则面临加工效率不高，从成本方面考虑不经济等困扰。其他固-液、液-液相复合工艺也同样存在对所加工金属体现要求苛刻，加工对象选择范围较狭隘等亟需解决的问题。

上世纪90年代出现的累积叠轧(Accumulative Roll Bonding，简称ARB)是最具可行性的固-固相层状金属复合制备方法。其技术如图1所示，板状金属间反复进行传统轧制复合、裁剪、表面处理以及堆叠等多工序。ARB工艺的主要优势在于可以在传统轧机上制备层状金属复合材料，设备简单。随着轧制道次的 增加，材料内部等界面不断增加。这些界面的存在会大大降低裂纹的扩展能力，提高材料的断裂韧性和损伤容性性能。[侯红亮,等.航空制造技术,2007,8:003.]但是ARB也存在明显的缺点，即在每次轧制复合之前，都需要对板材进行繁琐的剪裁及表面清洁处理等，无法进行连续高效加工[Tsuji N,et al.Adv.Eng.Mater.2003,5(5):338-344.]。不仅如此，以单一金属铝的ARB加工为例，经过若干道次之后，绝大多数界面都已经难以分辨，然而最后一道轧制工序所产生的复合界面却几乎肉眼可见[M.Eizadjou,H.D.Manesh,K.Janghorban,J.Alloy.Compd.474(2009)406.]，这意味着较之其他界面，ARB工艺的最后一个界面的结合质量不高，而最后一个界面却位于整个多层结构板材的正中央。这势必会影响其使用性能。

鉴于ARB工艺在多层结构的生产效率、层状结构之间的界面结合质量等方面存在的不足，能否通过新型的制备技术克服上述技术缺陷值得关注。

近年来，一类能够在高静水压力作用下实现管状材料管壁切向剪切变形的剧烈塑性变形新工艺备受关注[L.S.Tóth,et al.Scripta Mater.60(2009)175.；J.T.Wang,et al.Scripta Mater.67(2012)810.；H.Y.Um,et al.Scripta Mater.82(2014)41.]。本发明的主要发明人已于2011年提出了这类工艺中的一种具体实现方式，称之为管状材料高压剪切变形方法(tube high-pressure shearing,简称t-HPS方法)及其装置(已授权，201110030903.0)。目前，这类工艺已经在纯铝、纯铜、IF钢等材料上，成功实现了具有亚微米晶粒尺寸的超细晶结构的制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多层金属复合材料的单工序加工方法，该方法可应用于两种及两种以上金属(含合金)之间的复合，加工成品为具有多层结构的金属复合材料，复合界面在加工过程中不断增加，且界面增加程度可控，界面分布可预测。

实现本发明目的的技术解决方案为：(1)首先确定加工目标：包括尺寸需求，即所加工管材的高度H、壁厚T以及内半径R_i、外半径R_e＝R_i+T等；成分需求，即哪两种或多种金属(或合金)，每种成分所占比例；结构需求，即层数N_t或平均层间距h＝T/N_t。

(2)根据加工目标，选择加工对象为若干个种特定金属(或合金)圆弧工件，各个圆弧工件具有相同的内外半径，对这些圆弧工件进行表面处理，去除污 染物和氧化层，然后紧密放置或拼接，使其正好构成一个待加工的完整管状样品；圆弧工件在紧密放置或拼接时，它们之间的接触面贯穿管状样品的内外壁，构成了初始界面；放置或拼接时以异种材质相邻为原则；其中任一种特定金属(或合金)工件的个数和其工件圆弧角度根据该种金属(或合金)在完整管状样品所占体积比确定，即该种金属(或合金)工件的圆弧角度总和除以360°等于该成分的体积分数。

(3)采用刚性约束体分别对管状样品的内壁和外壁进行全约束，并对步骤(2)紧密放置或拼接成的管状样品的两个环形端面施加轴向载荷，轴向压载与约束体共同作用下，在工件内部产生1GPa～30GPa静水压力。与此同时，对一个约束体提供扭矩，而固定另外一个约束体；或者同时对两个约束体提供反方向的扭矩，使其绕管状样品的中心轴发生相对转动；实现管状样品的切向剪切变形，使样品中不同金属之间的界面增殖并发生冶金结合。对于初始界面数为N_i的多金属管状样品，根据样品壁厚T，以及最终所需获得的多层结构的结构需求，即层数N_t或平均层间距h＝T/N_t，确定转动圈数q＝(N_t-1)/N_i或者q＝[(T/h)-1]/N_i；完成所需转动圈数，制备出具有目标层数或平局层间距的多层金属复合材料。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)加工工序简单，生产效率高。本发明制备多层结构的过程中并不是根据需要的层数逐层叠加复合，而是对样品加压的同时，通过给约束体提供持续的相对转动，就会不断发生界面增殖，不同金属之间在更多的位置产生冶金结合形成更多界面。本发明加工过程连续，只需要单一工序的加工就能制备出多层的复合管材，并且除加工前的对试样进行一定的表面处理后，无需在加工过程中对试样表面进行处理。而ARB等加工方法，需要许多繁琐、重复的工艺道次才能实现多层的复合材料制备。

(2)界面结合质量高。本发明作为一种固-固相复合方法，具有更好的界面质量。多层结构的制备是加工过程中连续不断地发生界面增殖的结果，这一连续过程中，产生的大量新鲜界面，并且完全避免了与外界环境的接触，减小了界面被污染的概率，在高压和剧烈塑性变形的共同作用下，可以获得完全冶金结合的多层结构。而ARB等加工方法，每一循环道次开始前，都会有界面暴漏在空气或环境中，氧化或其他可能的污染风险大大增加。因此，ARB加工的多层结构，最后一道轧制工序所产生的复合界面结合质量会低于其他界面，而该界面正好位于样品正中央，这将影响其使用性能。

(3)多层结构层数、平均层间距可控。多层结构“界面增殖”行为可类比于单质管材高压剪切变形时的“迹线增长”切变特征，基于迹线特征方程，可在制备多层结构前，实现对不同转动角度时界面的形貌进行理论预测和描绘，从而实现多层结构可控设计和加工。对于初始界面数为N_i的多金属管状样品，根据样品壁厚T，以及最终所需获得的多层结构的结构需求，即层数N_t或平均层间距h＝T/N_t，确定理论转动圈数q＝(N_t-1)/N_i或者q＝[(T/h)-1]/N_i；完成所需转动圈数，制备出具有与目标层数或平局层间距吻合或接近的多层金属复合管材。

附图说明

图1为累积叠轧ARB工艺原理示意图。制备多层结构，需要多道次ARB，而每一道次包括表面处理、堆叠、轧制复合以及切割等多工序。

图2管材切向剪切变形特征示意图。经过转动角为α的t-HPS加工，管材内壁的材料静止不动而外壁的材料沿管壁切向集体发生角度为α的转动，从而在管材内部产生切向剪切变形，使得管材内部不同半径位置处的材料以不同的角速度产生位移。切向剪切变形的发生使得管状材料初始的矩形截面1发生形状改变，变成曲面2。

图3为管状材料进行t-HPS加工时，横截面上的局部应变分析示意图。也反映了初始直线段AB的迹线A’B’在切向剪切变形时不断增长的特点。

图4左图(a)为两个180°圆弧工件紧密放置，拼成的双金属管材横截面示意图，两种金属之间的界面为两个对称分布的直线段；中图(b)为经过90°t-HPS加工后，界面发生的拉长和扭曲；右图(c)为经过五圈t-HPS加工后，获得的多层结构图，局部放大图可以看出共有11层。

图5左图(a)为四个90°圆弧工件以异种材料相邻为原则紧密放置，拼成的双金属管材横截面示意图，两种金属之间的界面为四个对称分布的直线段；右图(b)为经过五圈t-HPS加工后，获得的多层结构图，局部放大图可以看出共有21层。

图6为两个60°圆弧工件和两个120°圆弧工件以异种材料相邻为原则紧密放置，拼成的双金属管材横截面示意图，两种金属或合金体积比1:2。

图7为三个120°圆弧工件紧密放置，拼成的三金属管材横截面示意图。

图8为六个60°圆弧工件以异种材料相邻为原则紧密放置，拼成的三金属管 材横截面示意图。

图9为纯度97％wt.铅和纯度99.7％wt.锡构成的双金属管材，其中图(a)为四个90°圆弧工件以异种材料相邻为原则紧密放置，拼成的待加工双金属管材；图(b)为经过90°t-HPS加工后的界面变化情况；图(c)为经过一圈的t-HPS加工后的五层结构；图(d)为经过八圈的t-HPS加工后的多层结构；图(e)为图(d)的局部SEM放大图，可以看出，此时的平均层厚小于50μm，层数超过30层。

图10为图9(b)中铅锡界面的高分辨电子显微组织图，可以看出，两种金属在界面上实现了完全冶金结合，从选区衍射可以判断界面上侧为铅，下侧为锡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

剧烈塑性变形加工出来的微纳米材料的扩散激活能要低于粗晶态的材料，这是因为细晶材料中晶界密度相对较高，为原子扩散提供了更充足的通道，因此将更加有利于界面处的原子扩散，实现金属材料之间的冶金结合。这就使得剧烈塑性变形方法在制备具有高界面结合强的多层金属复合材料方面具有显著优势。

随着对t-HPS方法具体工艺及变形原理认识的不断加深，在已有工艺的基础上，发展了一种制备多层金属复合材料的全新思路，提供了一种单工序多层金属复合材料的加工方法。本发明利用管状材料高压剪切变形方法以两种或两种以上金属或合金为加工对象，制备出金属层数量可调控、不同金属间界面形成冶金结合的复合材料。该方法避免了ARB等技术需要多道次操作的繁琐工艺过程，改善了金属界面的结合强度，达到提高复合材料整体性能的效果。

本发明的基本原理：

本发明是基于管状材料经过t-HPS加工时在高静水压力下所发生的切向剪切变形实现的。该切向剪切变形的内在特征如图2所示，经过转动角为α的t-HPS加工，管材内壁的材料静止不动而外壁的材料沿管壁切向集体发生角度为α的转动，从而在管材内部产生切向剪切变形，使得管材内部不同半径位置处的材料以不同的角速度产生位移。切向剪切变形的发生使得管状材料初始的矩形截面1发生形状改变，变成曲面2。随着t-HPS加工的持续进行，管材内外壁之间的相对转动角度不断增大，从矩形截面1变化而来的曲面2将会被不断拉长、扭曲，成为面积更大的螺旋面。由于t-HPS方法产生的剪切变形是平面应变问题，任意 管材环形横截面上发生相同的剪切变形。图3给出了管状材料进行t-HPS加工时，横截面上的应变分析示意图。在该横截面上管材呈环形，其内、外半径分别为R_i和R_e，其外壁沿图中箭头所示剪切方向(逆时针)集体发生角度为α的转动，内壁静止不动。在剪切变形的作用下，沿X轴正向的直线段AB，拉长并扭曲成曲线A’B’。曲线A’B’是初始直线段AB在t-HPS加工过程中的变化轨迹，称为迹线。剪切作用下，直线段AB上任意一点P流变至P’，P’位于迹线A’B’上，P和P’具有相同的半径位置ρ∈[R_i,R_e]。相对于坐标原点O，P和P’之间的夹角θ∈[0,α]。ρ和θ之间的定量关系即是迹线A’B’特征方程的极坐标表达。将局部应力应变分析和所加工材料的本构方程结合，即可得到这一定量关系，具体推导过程从略。这里以最简单的材料本构关系τ＝Aγⁿ为例，其中τ为切应力，γ为切应变，A为常数，n为应变硬化指数，可以获得迹线A’B’特征方程为：

迹线A’B’的长度L也可以近似给出：

对于薄壁管材，迹线A’B’的长度L可以进一步简化为：

可以看出，随着t-HPS转动角度α的增加，迹线A’B’的长度会连续不断增加。

需要指出的是，如果用其他本构方程，通过类似的推导过程，也能获得类似的迹线A’B’特征方程。但是上文给出的本构方程形式比较简单，将以该方程作为进一步分析时的例证。

图3所示管状材料环形横截面上沿径向的直线段AB，通过切向剪切会被不断拉长并扭曲成曲线A’B’。这是t-HPS方法切向剪切变形的内在特征。曲线A’B’ 是直线段AB的迹线，称这一内在特征为“迹线增长”特征。这一特征使t-HPS方法具有制备多层金属复合管材的潜力。以双金属体系为例，采用两种不同金属或合金材质的180°圆弧工件，拼成一个完整的管状样品。圆弧工件内外壁曲率中心重合于拼成的管状样品的中心轴。拼成的管状样品，其横截面示意图如图4所示。上、下两个圆弧工件尺寸完全一致，紧密摆放，两种金属或合金的接触面(简称为界面)有两个，在图4左图中用两个沿径向的直线段表示，两个界面之间夹角为180°。当这个双金属管状样品经过t-HPS方法加工时，界面将如前文提到的“迹线增长”特征那样，被拉长并扭曲。图4中图和右图分别给出了经过转动角度为90°和5圈的t-HPS加工后，这种管材横截面示意图。界面在90°t-HPS加工后，变成两条曲线，而经过5圈的t-HPS加工后，变成两条螺旋线盘绕在管材环形横截面内。图4右图的局部放大图上可以清楚看到，此时的管材横截面呈现出两种金属或合金交替的多层(共11层)结构特征。与“迹线增长”类似，称这种界面在t-HPS加工时不断增加的现象为“界面增殖”现象。可以看出，利用两种金属或合金之间的界面在t-HPS加工时的“界面增殖”现象，管状样品的结构发生了显著变化：加工前，两种金属或合金的180°圆弧工件，作为独立的两部分，紧密摆放，拼成了完整的管状；而经过加工后，两种金属或合金，作为一个整体，共同组成了交替出现的多层复合结构。图4给出了具有四个初始界面的例子。初始管状样品由四个尺寸完全一致的90°圆弧工件组成。四部分以同种材料不相邻的原则紧密摆放，如图4左图所示。由于该管状样品比图3所示样品具有更多的初始界面，同样经过5圈t-HPS加工后，其获得的多层结构具有更多的层数(如图4右图所示，共21层)。图3和图4的共同特点是两种金属的体积相同，各占完整管状样品的一半。事实上，体积不同的两种金属或合金同样可以用该方法制备多层结构。如图5所示，双金属管状样品由体积比为2:1:2:1的四个圆弧工件紧密摆放构成，其中两个120°圆弧工件和两个60°圆弧工件，一种金属或合金的总体积是另一种金属或合金的二倍。从该管状样品的横截面来看，其具有沿径向呈直线段的界面四个，这些界面在t-HPS加工时也会发生“界面增殖”，从而获得多层双金属复合管。图6和图7则给出了三金属体系组合管状样品横截面初始状态的示意图。图6管状样品，由三个120°圆弧工件拼成，具有三个初始界面；图7管状样品，由六个60°圆弧工件拼成，具有六个初始界面。

“界面增殖”现象有以下特点：(1)与均质管材变形分析时发现的“迹线增长” 特征相似，可以用上文给出的迹线特征方程来描述“界面增殖”。理论上，用该方法制备多层结构管材，层的分布具有一定的梯度，从图3或4中的局部放大图可以看出，管的内壁处会有更密的“层”。(2)界面增殖是指界面面积的不断扩大，也就是在如图3管材横截面上反映出来的界面由最初沿径向的直线段变成在管壁内缠绕数圈的螺旋线，其长度的不断变长。随着内外壁的相对转动，贯穿管壁的初始界面在管材内部实现增殖，新鲜界面出现于管材内部，与外界环境无接触。(3)对于初始界面数为N_i的多金属管，经过转动圈数为q圈的t-HPS加工，所能得到的多层结构的层数N_t＝1+N_i·q。(4)选择三种甚至更多种金属或合金成分，也不会影响“界面增殖”的发生，通过改变金属或合金种类、比例，可以通过该方法获得成分千变万化，且具有多层结构的双金属、多金属复合管材。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明以纯铅、纯锡为原材料进行多层复合管材的制备。

纯铅管(纯度97％wt.)和纯锡管(纯度99.7％wt.)的尺寸相同，高度30mm，内半径20mm，外半径21.5mm。对其进行切割，切割面与金属管的横截面垂直并通过管的中心轴，将金属管材平分成四个圆弧工件，每部分圆弧角为90°，纯铅和纯锡各取两个圆弧工件，按异种材质相邻原则，紧密摆放成完整的圆管作为本发明的待加工样品，如图9a所示，铅和锡可以从明暗衬度上区分。采用刚性约束体分别约束该样品的内壁和外壁，对样品环形端面施加轴向压力，使其内部产生2GPa的静水压力。与此同时，对一个约束体提供扭矩，而固定另外一个约束体；使它们绕共有的中心轴发生相对转动，管状样品发生切向剪切。转动角度为90°时，如图9b所示，铅锡界面已经从加工前沿径向的接触面变成沿切向的更大的界面。转动一圈后，得到了总层数是五层的铅锡复合管，如图9c所示。转动8圈后，得到了层数更多的铅锡复合结构，如图9d所示。从局部SEM放大图可以看出，这些铅锡层之间的平均层间距小于50μm。图10给出了图9b中铅锡界面的高分辨电镜照片，结合选区衍射，判定界面上侧为铅，下侧为锡，可以看出，铅锡完全冶金结合。