Al/Mg/Al金属叠层复合板材制造技术研究

黄飞宇

摘要：本文主要针对汽车领域轻量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al叠层复合材料的设计、制造及应用。金属材料叠层板是指利用复合新型技术使两种或两种以上性能不同的金属材料层板紧密结合在一起得到的一种新型材料。在结构性能上充分弥补了各自金属元素的不足，综合了各组元的不同优点，具有单一金属或其他合金不可比拟的特殊性能，成为了当今新型科技材料和信息时代的研究热点。Al/Mg/Al叠层材料结合铝的耐腐蚀性与镁比强度高、密度小、阻尼减震性好、刚性好等几大特点，节约能源和资源的同时，也减轻了产品质量，提高了产品的使用性能。极大满足了汽车领域所需要的轻质材料的广泛需求，在民用航空、航天和汽车等各个领域中都有广泛的发展前景和研究价值。

关键词：金属叠层复合材料;新型材料;Al/Mg/Al叠层复合材料

中图分类号：TG335.81                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0040-02

1  金属叠层复合材料及铝基复合材料概述

随着现代科学技术的发展和各种新技术、新产业的不断出现，人们对材料有了更高要求。单一组元材料性能已难以满足人们对材料更高技术需求，新型材料的研发已经成为材料研究领域日趋迫切的趋势。金属叠层复合材料能够兼备各组元的优异性能，通过合理工艺设计可充分利用各组元的优势满足复杂的工业应用需求，因此叠层复合材料具有十分广阔的应用前景。

金属叠层材料是由多层性能不同的金属材料相互结合而成的一种新型复合材料[1-2]。金属叠层复合材料虽保持各自元素的相对性和独立性，但其综合性能得到优化，适合一些特殊场合工作应用环境。目前，金属叠层材料已成为世界各国竞相投入研发的一种新型材料，有着特殊的技术研究应用价值。金属叠层复合材料可通过合理选择组元，科学的设计，满足不同的新型材料及汽车领域的应用需求[3]，金属层状复合材料具有如下优异特点：

①热膨胀系数小、导热性能好、尺寸稳定、耐磨性好;②具有高比模量、比强度;③具有优良的耐高温性能，能在温度较高的氧化性气氛中正常工作;④具有成本低廉的特点，可以用于批量生产。

金属叠层复合材料可以合理利用和充分发挥各类金属的特殊性能，大量节约稀有珍贵金属以降低生产成本[4]。通过对金属叠层板成分的科学分析及选择合适的加工工艺，可以最大程度获得满足各种需求的金属层状复合材料[5]。

铝具有质量轻、密度小、可塑性好等重要特点。本文主要研究铝及其合金作为基体的金属层状复合材料。铝基复合技术易于掌握、加工，是我国铝基金属复合材料技术研究的重要基础。与其他金属复合组成层状基体复合材料，层状复合材料化学性能取决于材料基体中铝及其他金属增强物的化学特性、含量、分布等。

此外，铝基复合材料比强度和刚度高，高温耐蚀性能好，耐持久耐疲劳更耐磨，阻尼性好，热胀和膨胀阻力系数低。同其他金属复合材料一样，它们也能用于组合特定的流体力学和机械物理性能，便于满足不同产品的应用需要。因此，铝基基层复合材料已发展成为有色金属和铝基基层复合材料中最常用的、最重要的复合材料之一。按照颗粒增强体的不同，铝基固体复合材料大致可以细分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。

铝基金属复合材料在我国汽车领域的广泛应用及研究起步最早。上个世纪，日本丰田公司成功用一种复合材料工艺制备了新型发动机进气活塞。美国项目研制组提出用一种颗粒叠加增强型的铝基金属复合材料设计制造汽车增压制动盘，不仅减轻车身整体质量，散热快，而且大大提高了耐磨性能，减小行车噪音;同时该公司还用了一种颗粒叠加增强型的铝基金属复合材料设计制造了各种汽车增压发动机燃油活塞和汽车齿轮箱等多种汽车制动零部件。用这种复合材料加工制成的新型汽车传动齿轮箱在传动强度和机械耐磨性能等方面均比普通铝合金汽车齿轮箱要具有明显的大幅提高。

目前，正是汽车需求量不断增长的阶段[6]，本文针对汽车轻量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al叠层复合材料的设计、制备和应用技术，成功研制高性能叠层复合材料，以满足汽车领域所需轻质板材的需求[7]。

2  铝/镁/铝叠层板材的研究

20世纪以来，各国分别开始尝试用热轧法生产制造由两种金属组元组成的金属复合板，苏联、美国、日本相繼开始了金属叠层板的研究并成功应用于工业化生产。中国先后深入研究并提出了通过分子真空和热扩散技术结合多种方法制备新型铝/镁合金层状复合板先进技术。同时，开展了钛/铝、铝/镁/钛及Al/Mg/Al叠层板材的制备工艺研究，在异种复合金属叠层材料和大中小面积金属复合叠层材料的制备工艺研究与实际应用推广方面已经取得了巨大的成功[8]。

镁合金凭借其结构轻质、良好减振等性能优势在流体结构学和轻量化应用领域备受业界关注，但其结构抗压和腐蚀性差、室温下可塑性低的性能始终限制其在汽车轻量化应用的推广。为此，考虑对这种镁合金表面直接叠加一层耐高温耐腐蚀性的铝面板，形成Al/Mg/Al叠层结构，其中在组成单元板间未直接形成金属原子间与层次间的连接，以避免引入腐蚀铝镁层间连接的脆性化合物。Al/Mg/Al叠层复合材料充分结合了其他铝镁合金整体密度小、比强度高、刚性好、阻尼减震性好以及其他铝合金耐磨和抗蚀、价廉的几大主要优点，不仅有效地节约了资源和能源，而且很大程度减轻了其他同类产品重量，提高了产品的使用性能。

2.1 累积叠轧法对铝/镁/铝金属叠层复合材料影响的研究

实验研究结果显示，铝/镁/铝金属复合材料的轧制过程可以通过金属铝镁材料实现轧制机械性的结合与扩散性的结合，但由于铝/镁/铝金属复合材料的轧制结合强度比通过累积挤压叠轧复合制备的金属铝镁多层复合材料的结合次数强度小的多，复合材料的金属镁和金属铝两层在累积叠轧结合次数强度少于三次时具良好的连续性，在累积叠轧结合次数强度多于三次时，叠层板之间又有明显的纵向起伏，可能会出现收缩与断裂。

2.2 工艺参数对铝/镁层状复合板结合界面组织影响的研究

研究结果显示，铝/镁/铝金属铝的复合材料也可通过真空加热扩散的方法进行制备。镁铝结合界面的扩散溶解层主要组成成分有偏镁侧层Mg2Al3、中间层Mg3Al2和偏铝侧层MgAl三层。扩散溶解层的成分分布与含量均会受到加热温度的直接影响，当偏镁侧层温度处在470℃时，界面中含有较多的Mg3Al2相。当加热温度为470～480℃时，中间层的主要相为Mg2Al3和Mg3Al2，Mg2Al3和Mg3Al2两相具有较好的热稳定性能。加热温度低于470℃时，偏铝侧层中存在较多的MgAl相，且MgAl在偏铝侧层中的含量随着加热温度的升高增加。

2.3 爆炸复合法制备铝/镁复合材料结合界面的成分和性能与不同处理方法之间关系

研究实验结果显示[9]，爆炸离子复合法加工制备的铝/镁金属离子复合材料未被进行热处理时在结合界面呈现波浪状，并未发现任何有利的金属离子化合物生成，铝镁相互结合情况良好，具有70.4MPa的结合强度。铝、镁两种金属复合材料通过低温长期氧化热处理后，在铝镁金属结合处存在一些元素扩散性的现象，并逐渐形成了镁铝的金属固溶体。固溶体随着使用时间和热处理材料温度的不断增加发生变化成为由Mg17Al12和Al2Mg3组成的金属间化合物，铝/镁金属板等复合材料经过短时间高温热处理后，铝/镁金属材料接触面间隙处也可能会缓慢出现金属间复杂化合物[10]。

同时发现，扩散层深度随着时间和材料热处理过程温度的增加不断增加[11]，扩散层深度及成分也直接影响着金属复合材料的结合强度，铝/镁固溶体未发生变化成为其他金属化合物时，铝镁之间结合强度显著增强;而镁、铝材料之间的结合强度会随着金属间化合物的增多快速降低，结合断裂断口也由韧性转变成脆性[12]。

2.4 制备7075/AZ31/7075的Al/Mg/Al叠层复合材料，并对其力学性能的研究

研究表明，金属复合材料的刚度与强度会随着铝合金的相对厚度的增加而增加，当厚度比为Al：Mg：Al=1：2：1时，材料性能最佳。复合材料结合界面的过程由机械结合、表面裂口和原子扩散三阶段组成。复合材料在汽车制造领域的应用已初步制备了部分成熟产品，同时也在不断创新新型技术产品。

3  叠层板材制备工艺方案

本项目设计方案：

4  铝/镁/铝叠层复合板材设计指标

ρ≤2.2g/cm3;Rm≥380MPa，Rp0.2≥240MPa，A≥8%;E≥60GPa;耐腐蚀性与铝合金相当;抗弹性较2024铝合金提高一倍;建立宽600mm（宽）×（3-5mm厚）叠层板示范生产线。

5  结语

本文主要针对汽车领域轻量化的迫切需求，研究Al/Mg/Al叠层复合材料的设计、制备和应用技术，成功研制了高性能叠层复合材料，以满足汽车领域所需轻质板材的需求。Al/Mg/Al疊层板材可以有效规避铝镁合金力学性能低、模量不足、耐蚀性很差、装配难度大、修复困难的关键缺陷，显著增大镁合金的适用环境和应用领域。Al/Mg/Al叠层板材不仅可以广泛应用于我国航空航天和汽车领域，促进我国高性能铝镁合金的应用推广水平，还可使我国的高性能铝镁合金有机会出口美国、德国和日本等发达国家。

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