進入21世紀后，單一組元金屬材料的性能已無法滿足現代工業飛速發展的需求，而金屬復合板作為替代產品不僅兼具基板和復合板各自的優點，而且大幅度減少了稀貴金屬的使用量，降低了生產成本，具有極高的性價比，在艦艇船舶、海洋工程、石化裝備等領域具有廣泛的應用前景。鈦/鋼、哈氏合金/鋼、超級奧氏體不銹鋼/鋼等高性能功能金屬復合板及加工成型技術是《國家新材料發展指南》明確指出的高新技術產品和產業，也是各省市重點支持的前沿新材料產品和產業。本文介紹了爆炸、軋制和爆炸+軋制3種復合技術國內外研究進展及其優缺點，探索高性能功能金屬復合板加工技術未來發展的方向，以期對后續新型金屬復合板及其制造工藝的研發產生一定的指導作用。

1. 爆炸復合技術

1.1 爆炸復合工藝原理及優點

爆炸復合法是指將2種或2種以上的金屬板疊放在一起，然后利用炸藥爆炸產生的沖擊作用，使得復板與基板之間形成冶金結合[1−2]。圖1為平行放置法爆炸焊接復合板安裝示意圖，圖2為爆炸焊接復合板生產工藝流程示意圖。大量研究結果表明，爆炸焊接技術具備諸多優點，其中最大的優點體現在2個方面：（1）生產工藝簡單，能夠使熱膨脹系數差異較大的金屬牢固組合在一起；（2）由于爆炸焊接過程極短，瞬時產生高溫高壓，避免了金屬間化合物的產生，使得復合板具有較高的界面結合強度和優良的后續加工性能。

1.2 爆炸復合工藝的發展歷史

爆炸復合的理論最早由美國科學家Carl提出，而第一次爆炸焊接試驗則由美國科學家Philichuk在1959年完成，他成功制備出世界上第一塊爆炸焊接鋁/鋼復合板[3−4]。我國則于1963年開始研究爆炸成型工藝，在中科院力學研究所等部門的通力合作下，3年后成功研發出我國第一塊爆炸焊接試驗板，并于1968年將爆炸焊接技術正式用于工業生產中[5−6]。此后，大連爆炸加工研究所在1970年開展了海軍艦艇換熱器用爆炸焊接金屬復合板的研發并取得成功，首次實現了爆炸焊接技術在軍工產品上的應用[7]。在近60年的發展和研究過程中，我國爆炸復合技術日益更新，不斷成熟，陸續開展了80多種材料組合方面的爆炸焊接產品開發工作，成功研發出不銹鋼/鋼[8]、鈦/鋼[9]、鈦/鋼/鈦[10]等30多種爆炸焊接金屬復合板。據統計，2014年我國爆炸焊接復合板產能就已經突破100萬t[11]，產品具有薄型、力學強度不減等優良的綜合性能，遠銷海外。

1.3 爆炸復合工藝的研究現狀

當前爆炸復合工藝的研究熱點有低爆速低猛度炸藥配方與制備、雙面多塊同步爆炸復合工藝研發等。在臨界爆速炸藥配方與制備方面，安徽理工大學研制了低密度、高爆速的膨化硝銨炸藥，有效避免了因爆轟荷載過大而產生界面過熔或開裂失效等問題的出現[12]。江蘇潤邦新材料公司和中國人民解放軍陸軍工程大學在“產學研”合作中，利用ANSYS軟件分析了爆轟波、波速等關鍵參數對多塊復合板位置、間距的影響，獲得了多板復合位置和間距參數理論模型，并在此基礎上發明了多點多塊金屬板材同時爆炸焊接方法[13]，復合板安裝示意圖如圖3所示。雙立爆炸法與傳統的平行放置法布藥方式相比，可節省20%的炸藥用量，實現了爆炸復合工藝的高效化生產，圖4為江蘇潤邦新材料公司運用雙立式爆炸焊接法制備出的哈氏合金/鋼（C276/Q345R）復合板。

1.4 爆炸復合工藝存在的問題

近年來，隨著壓力容器等設備往大型化、專業化方向發展，大幅面復合板呈現供不應求的狀態，然而市場的火爆卻讓生產爆炸焊接復合板的企業面臨著非常棘手的問題。理論上爆炸焊接技術可生產任意尺寸的復合板，但復合板尺寸越大，意味著爆轟波需要傳遞到更遠距離。金屬復合板爆炸焊接過程中爆轟穩定性是決定爆炸焊接質量的重要因素之一[14−15]，而爆轟穩定性隨著板幅面積的增加而衰減，導致大幅面復合板在爆炸復合的過程中常常存在邊部不貼合等質量問題。若采用小板幅復合板拼焊成大板幅，則不僅會增加生產成本，壓縮訂單利潤，而且焊縫接頭處容易開裂，使整板的剪切強度下降，對于企業來說實在是兩難的選擇。

此外，隨著產品尺寸的增大，使用的炸藥量也會成倍增加。原來16 m2爆炸復合板使用的炸藥量為600~700 kg；當面積增至25 m2后，炸藥用量已達到900~1000 kg[16]。炸藥量的增加會帶來一系列問題，首先民用炸藥的管理較為復雜，雖然有管理條例對炸藥的生產和使用進行了嚴格的限定，但是在炸藥的拌和等方面還存在著安全問題，炸藥量的增加會加大危險發生的概率。其次，爆炸產生的沖擊波、噪聲、粉塵等環境污染問題隨著起爆藥量成比例的提高而變得愈發嚴重，使爆炸加工企業受到更多的限制。因此，如何減少炸藥的使用量，提高爆炸復合工藝的機械化水平，從而推動爆炸焊接工業技術進步，是未來幾年爆炸加工企業需要重點思考的兩個問題。

2. 軋制復合技術

2.1 軋制復合工藝原理及優點

軋制復合工藝屬于金屬塑性加工工藝，其原理即“薄膜破裂理論”，具體是指將2種或2種以上的金屬材料待復合表面清理干凈并疊放在一起后，通過軋機的壓力作用，使得待復合面金屬表層薄膜破碎，露出新鮮光潔的金屬，從而實現2種金屬之間的緊密結合[17−18]。圖5為軋制復合板生產工藝流程圖。軋制復合工藝的優勢主要有：（1）不受氣候、環境等外界因素影響，可規模化工業生產；（2）生產效率高、交貨周期短；（3）產品幅面大，厚度可自由組合等。

2.2 軋制復合工藝的研究現狀

20世紀50年代美國率先開始研究軋制復合理論，并提出軋制的核心工藝是表面處理、軋制復合和退火3個步驟[19]。隨后，前蘇聯和歐美等發達國家也陸續進行了軋制復合工藝的研究。Abbasi和Toroghinejad[20]認為復合板界面結合強度與軋制溫度、首道次壓下率成正比，而與軋制速度成反比。Mohamed和Washburn[21]研究表明軋制復合板界面結合強度不僅受軋制工藝參數的影響，還與金屬間硬度差異等材料本身理化性能相關。Manesh和Shahabi[22]研究了總壓下量、軋制道次和摩擦因數等參數對界面結合質量的影響，并表示“薄膜破裂理論”相比“再結晶理論”能夠更好地解釋復雜的軋制復合機理。

2.3 軋制復合工藝的分類

目前軋制金屬復合板制備方法主要分為熱軋復合法、冷軋復合法、異步軋制復合法和真空軋制復合法4大類[23]。

2.3.1 熱軋復合法

將組合好的金屬坯料加熱到指定溫度后送入軋機，在高溫高壓下，坯料發生塑性變形，使得異種金屬間能夠牢固焊合的工藝方法稱為熱軋復合法[24]。該工藝自20世紀50年代問世以來，發展到今天，在工業生產中得到了廣泛應用，技術已經相當成熟。由于坯料是在高溫下進行軋制，因此熱軋復合法存在2個明顯的缺點：（1）在高溫加熱過程中，坯料待復合面極易氧化，影響界面結合質量，嚴重時出現界面脫層，導致產品報廢；（2）當復合板終軋溫度有嚴格限定時，為了保證軋制溫度滿足要求，坯料連續軋制的長度同樣被嚴格限制。

2.3.2 冷軋復合法

由于熱軋復合法是高溫軋制且并無保護氣氛，軋制過程中界面容易氧化并產生金屬間脆性化合物，難以對界面復合效果進行有效控制。因此，針對熱軋復合法的不足，美國在20世紀60年代首先提出“大變形復合+擴散退火”理論，開始研究冷軋復合法。

冷軋復合工藝通常分兩步完成，第一步在室溫下將坯料送入軋機，在軋機強大的壓力作用下，層疊在一起的金屬產生原子結合，使復合界面達到一定的強度。第二步將軋好的坯料進行低溫長時間熱處理，保證復合界面獲得穩定的性能[25−26]。與熱軋復合的高溫高壓不同，冷軋是在室溫下完成的，避免了界面高溫氧化。美中不足的是，冷軋復合工藝最顯著的特點是首道次壓力率高達70%左右，極大的變形率對軋機來說是個巨大的挑戰，同時，軋制成材率、一次軋制復合率較低等問題一定程度上也限制了冷軋復合法的推廣使用。

2.3.3 異步軋制復合法

雖然冷軋法具有致命的缺陷，但是“即組（坯）即軋（制），無需加熱”的優點令許多學者念念不忘，不斷嘗試找出解決冷軋法完成大變形方面能力不足的方案。20世紀80年代初，研究者們將冷軋復合的原理進行改良演變，提出了一種新興的板材軋制生產思路——“異步軋制工藝”。該法的特征是依靠改變軋機上下輥輥徑和轉速，使上下輥輥速產生差異，然后充分利用輥速不同給坯料帶來的“搓揉”作用，加速金屬原子間的擴散，降低軋制壓力，增大軋制變形量[27−28]。

若采用異步軋制法制備鋼/鋁復合板，其界面剪切強度最好可達100 MPa，比采用常規同步軋制方法提高了2倍左右，同時將軋制壓力降低至原來的1/2，減小了對軋機的損壞[29]。研究結果表明：軋輥輥速不同產生的剪切作用，使得薄板材料冷復合時，在較小的軋制壓力作用下獲得了結合強度較高的冷軋復合板。雖然國內外學者對異步軋制已經開展了40余年的研究工作，取得了頗為豐富的研究成果，但不同金屬間軋制異步比、軋制變形規律等一些關鍵技術問題尚未得到充分論證，導致無法進行大規模工業化生產。

2.3.4 真空軋制復合法

無論是熱軋復合還是冷軋復合工藝，軋制過程中坯料結合界面都會發生一定程度的氧化，阻礙金屬間的結合，只是熱軋過程氧化情況更嚴重。有鑒于此，前蘇聯科學家在1955年針對易氧化金屬間的復合率先開始研究真空軋制工藝，并取得重大突破。緊接著，德國、日本、美國等發達國家爭相開展此項技術的研發。30年后，日本JFE公司在1985年將真空電子束焊接技術與熱軋法融合在一起，組成了相對成熟的真空軋制法[30−32]。除了在真空室進行坯料組裝焊接外，還可以采用小孔抽真空制坯的方法，利用機械泵將坯料內部空氣抽出，使真空度達到10−2Pa，其復合板板坯焊接封裝預處理流程如圖6所示。圖7所示為江蘇潤邦新材料公司采用小孔抽真空制坯再熱軋的復合方法生產的304L/Q345R復合板。

與室外作業的爆炸復合法相比，真空軋制法生產效率更高、對環境幾乎零污染，可生產板寬超過3000 mm的薄復層金屬復合板。其中小孔抽真空熱軋復合法工藝簡單、無需斥巨資建設高真空生產車間，生產成本相對較低，適用于中小型企業；而真空室制坯再熱軋的復合工藝，不僅能夠讓界面保持高真空狀態，得到較高的界面強度和成材率，而且真空電子束焊接與手工埋弧焊相比，焊縫熱影響區小、焊接殘余應力小，國內南鋼、濟鋼等大型國有鋼廠利用真空室制坯熱軋復合技術（VRC）成功制備了鈦/鋼復合板[33]，產品性能優異，界面復合率達到了99%，剪切強度超過200 MPa，高于國家相關標準，說明真空軋制復合法有效阻礙了金屬間氧化物的形成，大幅度提高了界面結合強度。表1為爆炸焊接和軋制復合2種工藝優缺點對比表。

3. 爆炸+軋制復合技術

截止到目前，爆炸焊接技術已經發展到可生產數十種甚至上百種金屬組合的層狀復合板，但是對于大板幅、厚度較薄和表面質量要求較高的金屬復合板，爆炸焊接法顯得“捉襟見肘”；而軋制復合技術雖然能夠生產大板幅和薄復層金屬復合板，但是軋制復合板組元成分的種類以及界面結合強度往往沒有爆炸復合板高。因此，在綜合爆炸以及軋制法的優點后，學者們提出了一種新的聯合技術：爆炸+軋制復合法，即將基板和復板先通過爆炸法制成較厚的坯料，再利用軋機將坯料熱軋成所需的尺寸。該法的優點體現在以下幾個方面：（1）爆炸法制坯能夠保證界面具有良好的結合強度；（2）后續的軋制工藝既進一步增加了界面抗剪強度，又能夠保證復合板成品具有良好的表面質量。而爆炸+軋制復合法的缺點則是工序繁瑣、生產成本高[34−35]。

需要注意的是，由于爆炸焊接在前，因此爆炸工藝參數的確定對于整板質量尤為重要。若參數選擇不當，產生大波狀結合界面，導致界面處出現部分未結合區域，則會對后續的熱軋處理帶來一系列麻煩，主要體現在基復層材料不能夠同時變形，未結合區域在軋制過程中面積逐漸擴大，嚴重時甚至導致基復層脫落[36]。所以，在選擇爆炸焊接參數時，盡量使結合界面出現均勻的微小波狀。

而軋制工藝參數的選擇同樣很重要，此處以用爆炸+軋制復合法生產鈦/鋁復合板為例。因為鈦、鋁本身變形抗力較大，加上前道的爆炸復合工藝使結合界面存在“黏滯效應”，軋制過程中易變形金屬鋁牽引著難變形金屬鈦一起流動變形，如果軋制速度過快，變形量較大，產生不均勻變形，則會使鈦板表層出現裂縫，影響表面質量。

除了爆炸、軋制以及爆炸+軋制這3種復合技術外，金屬復合板的制造工藝還有很多，比如堆焊復合法、離心鑄造復合法等，礙于本文篇幅，此處不再贅述。

4. 結論與展望

采用高耐蝕材料是軍用艦艇船舶、耐強酸反應釜、核電用大回路管、電力脫硫煙囪等關鍵部件提高壽命的主要手段。因此，兼有高耐蝕性能及高性價比的金屬復合板材市場需求廣闊。目前國內外生產金屬復合板的方法有很多，但使用頻次較高的無外乎爆炸焊接法、軋制法以及爆炸+軋制法這3大類復合工藝，它們各有優缺點。對于企業來說，選擇合適的復合方法，有助于降低生產成本的同時，提高復合板整體性能。在持續不斷地探索中，金屬復合工藝研究雖然取得了豐富的研究成果，但同時還有許多關鍵問題需要科研工作者去思考，比如如何解決熱軋過程中界面氧化問題，如何提高冷軋復合板的成材率等等。隨著生產設備不斷更新和技術理論不斷發展，實現多種、多層先進功能結構一體化材料的有效組合，是金屬復合板加工技術未來發展的重點方向。

文章來源——金屬世界