BOB半岛·(中国)官方网站南京理工大学赵永好教授团队：累积叠轧制备层状铝基复合

　　BOB半岛·(中国)官方网站南京理工大学赵永好教授团队：累积叠轧制备层状铝基复合材料研究进展《中国有色金属学报》重点推荐文章原标题：南京理工大学赵永好教授团队：累积叠轧制备层状铝基复合材料研究进展《中国有色金属学报》重点推荐文章

　　郝肖杰, 聂金凤, 伍玉立, 赵永好.累积叠轧制备层状铝基复合材料研究进展[J].中国有色金属学报,2023,33(06):1707-1719.

　　轻量化趋势和工业技术的快速发展亟需高强韧轻质金属材料的支撑，单一的铝合金已无法满足生产需求，铝基复合材料逐渐成为首选。相对于单一的铝合金，铝基复合材料具有更好的耐高温性、耐磨性、耐疲劳性、抗氧化性、抗腐蚀性等，其中，以不同金属片层作为增强体来构建的层状铝基复合材料能够额外发挥的层状结构作用从而表现出更加优异的综合力学性能，因此在工业应用和科学研究中备受关注。传统制备层状铝基复合材料的方法包括爆炸复合、气相沉积、热压扩散、喷射沉积等，虽能够制备层状铝基复合材料，但制备过程复杂、设备要求较高、操作困难、难以实现性能设计调控和工业化生产。累积叠轧(Accumulative rolling bonding，ARB)作为一种制备层状复合材料的方法，是一种可利用传统轧制设备制造大尺寸超细晶结构金属板材的方法，具有操作简单、对设备要求低、成本低、易于实现性能调控和工业化生产等优点。累积叠轧通过使金属剧烈塑性变形还可达到细化晶粒组织、使材料内强化相颗粒分布均匀的效果，从而大幅提高材料力学性能。

　　本文对累积叠轧制备层状铝基复合材料的最新研究进展进行了系统总结，重点讨论了累积叠轧对材料微观组织演变和强化机制，并对其未来发展趋势和研究方向进行了分析探讨和展望。

　　按照原材料不同，通过累积叠轧制备的铝基复合材料大致可分为三个类别：1) 基体和增强体均为铝合金；2) 基体为铝合金而增强体为其他金属材料；3) 基体为铝合金而增强体为颗粒物质。累积叠轧示意简图如图1所示，该方法主要包含四个步骤：1) 准备金属板材并清洗打磨表面；2) 将准备好的板材累积叠放；3) 对叠放的板材进行轧制；4) 将轧制后的板材从中间部分裁开并重复步骤1~3。

　　累积叠轧制备铝基复合材料，由最开始仅用于制备铝合金和铝合金的复合，发展到可以制备铝合金和其他多种金属以及增强颗粒的复合，不仅证实了这种方法的高效性、优越性，同时也极大地提高了铝基复合材料的性能BOB半岛·(中国)官方网站，进一步挖掘了铝基复合材料的潜力，拓宽了该材料应用范围。而层状铝基复合材料的种类并不限于铝合金和铝合金、铝合金和其他金属、铝合金和增强颗粒的复合中，以铝合金为基体添加多种增强体进行累计叠轧也能达到较好的综合性能。

　　两种硬度差距较为明显的金属进行叠轧时，由于其性能不同在承受应变时会形成应变分配，导致金属的变形量不同。较硬的金属层会率先发生缩颈，并随着应变的提高而发生断裂。GHALANDARI等以纯Al和纯Sn为原材料，在室温下、107 mm/s和下压量50%时对其进行累积叠轧，并对不同叠轧次数下的材料界面形貌表征，结果如图2所示。在叠轧初期层间界面能够保持平直清晰(见图2(b))，随着叠轧次数提高到3次，界面逐渐弯曲(见图2(c))，Sn层呈现为波浪形，Al层相对硬度较高因此率先缩颈，叠轧5次后(见图2(d))界面最终呈现为Al层明显破碎，Sn呈波浪形分布其中。CHEN等以Al-(TiB2+TiC)p和6063铝合金为原材料，在530℃下以50%下压量对其进行累积叠轧；研究发现，在经过不同叠轧次数后Al-(TiB2+TiC)p层中颗粒分布趋于均匀，当叠轧次数较高时，基体晶粒能被进一步细化(见图3(a)和(b))，界面结合更加紧密(见图3(c)和(d))。晶界成分改变明显，大角度晶界比例由26%提高到43%，且平均取向差由13°提高到19°BOB半岛·(中国)官方网站。随着ARB次数的增加，复合材料的抗拉强度和塑性同时提高。

　　积叠轧对材料实现强化是多种强化机制共同作用的结果。叠轧过程对材料微观组织造成的改变包括细化晶粒、提高位错密度和晶界密度、促使第二相均匀分布等，相应的性能强化机制主要包括：1) 细晶强化；2) 位错增殖强化；3) 第二相粒子强化；4) 异质变形诱导的强化(HDI强化)。其中HDI强化是一种在含有明显不同硬度区域的材料中体现出的全新的强化机制。主要是该材料在承受变形时硬度不同的两个区域在变形方式上的差异引起的强化效果。同样，在颗粒增强铝基复合材料中，颗粒周围的基体与距离颗粒较远的基体在变形时也会呈现出明显的强度区别和变形差异，因此将其分为硬区和软区。在变形时由于硬区和软区变形量不同形成应变梯度，而材料的变形必须保持其连续性，因此会在硬区与软区的交接处产生几何必需位错，几何必需位错的塞积在软区内形成背应力并在硬区内产生前应力，对材料起到强化效果，即为HDI强化。几何必需位错在交接处的堆积及应力、应变梯度随距离的变化关系如图4所示。几何必需位错的塞积是HDI强化的基础，当材料中颗粒含量较高且分布均匀时，HDI的强化效果也会尤其明显，因此，HDI强化在累积叠轧制备的材料中也是一种重要的强化机制。

　　HDI强化机理的提出为铝基复合材料的强化提供了一种全新思路，这种“软硬结合”的设计方式提供了一种解决累积叠轧过程复合材料塑性丧失的问题，能够实现铝基复合材料强塑性的协同提升，对实现精准调控复合材料的性能具有极大的推动作用。

　　累积叠轧经过发展已经成为一种制备层状铝基复合材料的成熟方式，叠轧过程中不断累积的应变能够对材料层间厚度，界面状态，内部晶粒和颗粒的尺寸、形貌，晶界成分等产生影响，并且通过细晶强化、位错增值强化、第二相强化等强化机制显著提高材料强度，对于拓宽铝基复合材料的应用具有重要意义。然而累积叠轧制备铝基复合材料发展至今，仍旧存在些许问题。首先累积叠轧过程会不断向复合材料中引入氧化层，叠轧次数较高情况下氧化层数量增多对复合材料性能会造成较大的不利影响；其次以铝合金和其他金属为原材料制备铝基复合材料时，不同金属间在轧制过程中的变形协调性机理还有待发掘；同时，目前通过累积叠轧制备铝基复合材料时，对增强体的选择虽已多种多样，但在新材料层出不穷的环境下仍需发掘新的增强体材料(如石墨烯、碳纳米管等)，进一步扩大累积叠轧制备铝基复合材料的优势。今后对累积叠轧制备铝基复合材料的研究应当致力于解决上述问题，对于推动轻质高强韧铝基复合材料的发展和应用具有重要意义。

　　赵永好，南京理工大学二级教授，博导BOB半岛·(中国)官方网站，纳米异构材料中心执行主任，国家杰出青年基金获得者，江苏省先进微纳米材料与技术高校重点实验室副主任，先进金属与金属间化合物材料技术工业和信息化部重点实验室副主任，江苏省高层次“创新创业”人才和教育部新世纪优秀人才，《美国名人录(Marquis Who’s Who in America)》67-65卷收录。长期从事块体纳米金属材料和高熵合金的力学性能、热稳定性和变形机理研究并取得突出成绩，在Nat. Mater.（1）、Adv. Mater.（8）、Nat. Commun.（1）、Phys. Rev. Lett.（2）、Nano. Lett.（1）、Acta Mater.（17）等国际学术期刊发表SCI论文230余篇，论文被引用18000余次，H index = 61，第一作者论文有2篇被SCI引用超过900次、15篇被SCI引用超过100次；获授权美国发明专利1项、中国发明专利38项。国际学术会议摘要110余篇，包括4次大会特邀报告和20余次邀请报告。主持国家自然科学基金杰出青年科学基金，国家重大基础研究项目课题，国家自然科学基金面上项目，教育部新世纪优秀人才，江苏省“六大人才高峰”计划，江苏省创新团队等项目。

　　聂金凤，南京理工大学副教授，博导，主要从事轻质高性能铝合金、铝基复合材料和耐热铝合金材料的组织调控与强韧化方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金等科研项目10余项。作为主要完获省部级一等奖、二等奖各1项，入选江苏高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。担任《中国有色金属学报》中/英文版、《材料工程》、《航空材料学报》、《铸造》、《特种铸造及有色合金》及《精密成型工程》青年编委。以第一作者/通讯作者在金属材料领域重要学术期刊Acta Materialia、a Materialia、中国有色金属学报中/英文版等发表SCI论文60余篇；Google Scholar总引次数达1500余次，H因子23；作为第一发明人获授权国家发明专利18项，成果转化3项，相关研究成果已经在铝合金材料加工行业获得规模化应用。

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