導(dǎo)讀：層壓金屬復(fù)合材料（LMC）是一種獨(dú)特的復(fù)合材料，在汽車、船舶、飛機(jī)等制造業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。作為一種輕質(zhì)材料，Mg/Al LMC有望結(jié)合Mg和Al兩種合金的優(yōu)點(diǎn)，拓寬其應(yīng)用前景。軋輥粘接法生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好，是鎂鋁復(fù)合材料最常用的制備方法。輥粘結(jié)過程涉及襯底的變形和界面擴(kuò)散層的形成。后者將直接確定Mg/Al LMC的界面鍵合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度對(duì)擴(kuò)散層中反應(yīng)層的厚度非常敏感。當(dāng)反應(yīng)層厚度超過5 μm時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度急劇下降。因此，控制反應(yīng)層的厚度對(duì)于軋制參數(shù)的設(shè)計(jì)非常重要。最新研究還表明，添加中間層金屬和構(gòu)建三維界面可以進(jìn)一步提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。如何將這些方法應(yīng)用于滾軋粘接是未來研究的重點(diǎn)。近年來，發(fā)展了一種新的軋制工藝——瓦楞輥/平輥+平輥/平輥軋制，以制備鎂鋁復(fù)合材料。它可以有效地促進(jìn)硬層的變形，并產(chǎn)生波狀界面，從而提高粘合質(zhì)量和軋制質(zhì)量。

各種金屬的雜化復(fù)合材料一直是提高強(qiáng)度、塑性、剛度、沖擊性能、耐磨性等性能的有效方法。雜化金屬的結(jié)構(gòu)是決定復(fù)合材料性能的重要指標(biāo)。金屬多層復(fù)合板是一種典型的混合金屬復(fù)合材料。近年來，已制備出各種多層復(fù)合板，即Ni/Ti、Al/鋼、Al/Cu、Cu/Ni、Mg/Al、Ti/Al等。其中，Mg/Al LMCs 受到了廣泛關(guān)注。鎂、鋁及其合金作為輕金屬結(jié)構(gòu)材料，已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。Mg/Al LMCs 的制備有望利用 Mg 和 Al 各自的優(yōu)勢(shì)。眾所周知，鎂及其合金是最輕的金屬，作為結(jié)構(gòu)材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度和優(yōu)異的阻尼能力等優(yōu)點(diǎn).相比之下，鋁及其合金具有更優(yōu)異的耐腐蝕性和成型性。因此，Mg/Al或Al/Mg/Al LMCs有望結(jié)合鎂合金和鋁合金的優(yōu)點(diǎn)，拓寬其應(yīng)用前景。

對(duì)此，重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究。本篇綜述詳細(xì)闡述了軋制參數(shù)和后續(xù)退火對(duì)Mg/Al LMC界面結(jié)構(gòu)的影響。還總結(jié)了一些特殊軋制技術(shù)在鎂/鋁LMC制備中的應(yīng)用。綜述了Mg/Al LMC界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間關(guān)系的最新研究結(jié)果成果。最后，提出了該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究方向。項(xiàng)關(guān)于研究成果以題為Preparation, structure and properties of Mg/Al laminated metal composites fabricated by roll-bonding, a review發(fā)表在Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.08.001

圖1 滾接原理圖

滾壓鍵合過程中，原子在界面處擴(kuò)散形成擴(kuò)散層，形成冶金鍵合。對(duì)于 Mg/Al LMC，擴(kuò)散層包含 Mg (ss)-反應(yīng)層（γ-Al 12 Mg 17層 +β-Al 3 Mg 2層）-Al（SS）。擴(kuò)散層的厚度和結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)合強(qiáng)度有很大影響。一般當(dāng)擴(kuò)散層的厚度增加到5μm以上時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度就會(huì)大大降低。這與反應(yīng)層脆性 IMCs 的形成有關(guān)，這有利于裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。此外，反應(yīng)層晶粒尺寸和形貌的控制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度也有本質(zhì)的影響。后退火軋制可有效降低擴(kuò)散層厚度，使界面處的柱狀晶粒細(xì)化為等軸晶粒。這種變化有利于界面結(jié)合強(qiáng)度的提高。因此，為了提高粘接強(qiáng)度，

圖2  (a) Al-Mg二元相圖；(b)擴(kuò)散鍵合(450°C/60 min) Mg/Al LMC的SEM-BSE圖像

圖4  (a) 20%， (b) 40%， (c) 50%還原率下AZ31/1060/AZ31 LMC的SEM顯微圖。退火后1060Al的TEM圖像：在(d) 20%， (e) 40%， (f) 50%還原率下，Mg/Al/Mg LMC中的Al層

圖6  典型的SEM圖像顯示了多道次軋制Al/Mg/Al LMC的界面微觀結(jié)構(gòu)。(a) 1060/Mg-Al-Mn-Ce/1060 LMC， (b) 6061/AZ31/6061

圖8  5052/AZ31 LMC輥軋結(jié)合界面SEM圖：(a) 400℃退火10min后，(b) 400℃退火后第二道次(35%)。3004/AZ31 LMC結(jié)合界面的亮場(chǎng)TEM圖：(c) 300℃退火60 min后(d) 300℃退火后第二道次(41%)

圖11  1050/AZ31/1050 LMC經(jīng)ARB處理后Mg和Al層組織演變的EBSD圖：(a) 1循環(huán)，(b) 2循環(huán)，(c) 3循環(huán)，(d) 4循環(huán)，(e) 5循環(huán)。

圖12  5052/純Mg/5052在ARB加工過程中的織構(gòu)演變：(a) (0002) Mg層的極圖，(b) Al層的odf

圖14  Al/Mg/Al LMC在ARB加工過程中縱向截面的SEM顯微圖：(a)主夾層，(b) 1次循環(huán)，(c) 2次循環(huán)，(d) 3次循環(huán)

圖16  (a) (d) 1次、(b) (e) 2次、(c) (f) 3次ARB處理后Al/AZ31多層復(fù)合材料的SEM截面顯微圖和相應(yīng)的EDS線掃描圖

ARB 鍵合也被用于制備多層 Mg/Al LMCs。在以往的研究中，微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)的演變?cè)?ARB 鍵合過程中進(jìn)行了研究。ARB循環(huán)的增加將導(dǎo)致Mg層和Al層之間應(yīng)變分配的變化，硬質(zhì)層的頸縮和斷裂，以及界面處IMCs的形成和破碎。這些結(jié)構(gòu)的演變對(duì) ARBed Mg/Al LMCs 的整體力學(xué)性能有重要影響。然而，關(guān)于力學(xué)性能與ARBed結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究很少受到關(guān)注。隨著 ARB 循環(huán)次數(shù)的增加，Mg/Al LMCs 的強(qiáng)度和延展性會(huì)降低。這與 ARBed 整體式鋁合金或整體式鎂合金有很大不同。作為一種嚴(yán)苛的塑性加工工藝，采用高循環(huán) ARB 可以獲得超細(xì)晶粒。

圖17  特殊軋輥粘接工藝示意圖：(a)差速軋制；(b)雙輥澆鑄，(c)瓦楞輥+平輥粘接

圖18  as-TRC條件下反應(yīng)區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)：(a) SEM圖，(b) TEM圖(插圖：Mg17Al12的區(qū)軸衍射圖)和(c) EBSD反極圖

圖22  典型的SEM圖像顯示了Al/Mg/Al復(fù)合板在(a)軋制狀態(tài)和(b) 200°C， (C) 250°C， (d) 300°C， (e) 350°C， (f) 400°C 2h退火狀態(tài)下的界面微觀結(jié)構(gòu)

圖24  5052/AZ31/5052界面熱軋結(jié)合和退火后的TEM結(jié)果。(a) Al/Al3Mg2， (b) Al3Mg2/Mg17Al12， (c) Mg17Al12/Mg

圖27  (a)和(b)制備含梯形中間層Al/Mg/Al的示意圖，(c) RD-TD平面宏觀形貌，(d) TD-ND平面宏觀形貌

圖31 (a)二次軋制對(duì)軋制后和退火后3004/AZ34 LMC結(jié)合強(qiáng)度的影響。(b)界面形狀對(duì)軋制6061/ZK60/6061 lcc結(jié)合強(qiáng)度的影響(T： 3D形狀，P： 2D形狀)

圖34 (a) 7075/Mg-Gd-Y-Zr/7075 LMC的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) STS430/3004/AZ31 LMC ， (c) AZ31的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

除了常規(guī)的軋制工藝外，本文還提出了一些特殊的軋制工藝來制備異種金屬的LMCs，如DSR、TRC、CFR等，這些工藝在制備LMCs方面各有優(yōu)勢(shì)。CFR 已被應(yīng)用于制造 Mg/Al LMCs。CFR可以有效提高粘合質(zhì)量和軋制質(zhì)量。然而，滾壓機(jī)理和滾壓參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響還有待進(jìn)一步研究。此外，其他特殊軋制工藝很少用于制備 Mg/Al LMCs。未來的研究可能集中在如何使用這些獨(dú)特的軋制工藝來實(shí)現(xiàn) Mg/Al LMCs 的高性能。