层状镁/铝复合板轧制工艺研究进展

李莎，贾燚，刘欣阳，牛辉，韩建超，王涛,2

金属层状复合材料轧制成形技术与装备专题

层状镁/铝复合板轧制工艺研究进展

李莎1a,1b，贾燚1a,1b，刘欣阳1c，牛辉1a,1b，韩建超1a,1b，王涛1a,1b,2

（太原理工大学 a. 机械与运载工程学院；b. 先进金属复合材料成形技术与装备教育部工程研究中心；c. 材料科学与工程学院，太原 030024；2. 太原重型机械（集团）有限公司，太原 030027）

镁/铝复合板具有密度小、比强度高和耐腐蚀性好等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。轧制法是目前生产镁/铝复合板最为广泛的一种方法，该法设备简单、操作容易、成本低廉。介绍了普通轧制法、异步轧制法、爆炸+轧制法、累积叠轧法、固-液铸轧法、波-平轧制法6种轧制工艺，以及这些工艺在制备镁/铝复合板时的优缺点。波-平轧制工艺可以提高复合板的平直度，有利于板材后续加工成形。也研究了轧制温度、轧制压下率、轧制速度、轧后退火处理对镁/铝复合板力学性能的影响，镁/铝界面金属间化合物的形成因素，以及化合物层厚度对镁/铝复合板力学性能的影响。

镁/铝复合板；轧制法；工艺参数；力学性能

随着航空航天、电子科技、石油化工、电力等新兴产业的快速发展，传统单一金属材料已经很难满足这些产业对材料综合性能的需求[1—3]，因此，层状金属复合材料受到了人们的广泛关注。层状金属复合材料是通过特定的制备工艺将两种或多种金属板结合起来，综合了组元材料的优良性能，成为一种能够满足性能要求的新型材料。这种金属材料具有制备方法简单、节约经济、结合强度高等优点，已经成为近年来研究的热点话题。

镁是一种质量轻、比强度高、比刚度高的金属元素[4]，广泛应用于航空航天、机械电力等领域[5—6]。由于镁自身的结构特殊，如腐蚀电位低（=−2.73 V），形成的表面氧化膜疏松多孔，室温塑性变形能力差，易脆裂，在常温下难成形，导致镁的生产成本较高，极大限制了镁及其合金的使用。铝是一种质轻的环保型材料（密度为2.72 g/cm3），是地球上含量最多的金属元素。铝的化学性质较为活泼，易与空气中的氧气反应生成致密的氧化薄膜，具有较好的耐蚀性和塑性变形能力，适用于多种成形加工方法。铝及其合金广泛用于交通运输、海洋船舶、人造卫星等领域。将金属镁与金属铝结合起来制成镁/铝层状金属复合板，可以充分发挥镁和铝的优势，具有更小的密度、更高的强度和良好的耐腐蚀性。

目前，通过轧辊制备镁/铝复合板的方法有很多，例如轧制法、爆炸+轧制法、异步轧制法、累积叠轧法、铸轧法等。轧制复合过程对复合机制的理论解释有薄膜理论（也叫N. Bay理论）[7]、再结晶理论[8]、能量理论[9]和扩散理论[10]。20世纪80年代，丹麦学者N. Bay首次提出薄膜理论，该理论认为，待结合金属表面的氧化层在轧制力的作用下发生破碎，金属表面出现大量裂缝，新鲜金属从这些裂缝中挤出并挤入对方基体中实现冶金结合。1953年，Parks提出的再结晶理论认为发生大塑性变形后金属的再结晶温度会下降，发生大塑性变形金属界面的温度要高于远离界面的金属，这就促使界面金属发生再结晶，从而引起界面金属原子重新排列，形成新的晶体，使两层金属实现冶金结合，但该理论不适用于再结晶温度相差较大的金属。1958年，西米奥洛夫提出了能量理论，该理论认为，待结合金属表面的原子能够获得足够大的能量且克服能量势垒时，才能形成金属键，从而到达金属间的结合。1963年，Earl认为发生塑性变形时，两金属要产生变形热，这会造成局部温度升高，金属原子被激活，另外塑性变形产生的位错等晶体缺陷为原子扩散提供通道，使结合界面处形成一层薄薄的扩散层，从而实现金属间的结合，这一现象被称为扩散理论。

为了解轧制镁/铝复合板国内外研究状况，文中从制备工艺、工艺参数对复合板性能的影响、金属间化合物的形成因素以及力学性能等方面进行了研究。

1 镁/铝复合板制备方法

1.1 普通轧制法

美国于1860年开始对层状金属复合板进行研究，并提出了轧制三步法，即“表面处理-轧制结合-轧后退火”。表面处理是对待结合金属进行打磨，去除氧化物等杂质，获得洁净且具有一定粗糙度的金属基材；轧制复合是将金属板坯放入轧机辊缝中进行轧制；轧后退火是通过保温处理的方式去除金属残余应力和加工硬化现象，从而得到综合性能优良的金属复合板[11]。根据轧前板材是否加热到一定温度，将轧制复合法分为冷轧和热轧[12]。冷轧是金属在再结晶温度以下进行的轧制复合，一般板坯在送入轧辊前无需进行加热处理，这易导致复合板内部形成较大的残余应力，并且所需轧制力较大，易降低轧机使用寿命。热轧法是指将板坯进行金属再结晶温度以上的加热后再送入轧辊进行的复合，热轧可以提高板材塑性变形能力，降低轧制力，延长轧机使用寿命，热轧复合过程如图1所示。

图1 热轧复合过程示意[10]

大量研究表明，具有密排六方结构（Hexagonal closed pack，HCP）的金属镁在室温下易脆断，因此多采用热轧法来制备镁/铝复合板。热轧镁/铝复合板可以细化板材界面处的晶粒，提高金属镁和铝的协同变形能力，最终提高板材力学性能。Nie等[13]在400 ℃条件下，通过热轧复合法制备了3层复合板（Al/Mg/ Al），此过程总共分为4个道次且总压下率为71%，并对轧后的3层复合板进行了200 ℃保温1 h的退火处理，结果发现镁合金晶粒由于发生了再结晶现象而呈现等轴状，铝侧主要是以尺寸不均的拉长晶粒为主。罗长增等[14]在400 ℃条件下，利用两道次热轧法也实现了3层复合板（Al/Mg/Al）的结合，观察发现第1道次轧制后界面无金属间化合物，但却在第2道次轧制后出现，并以细碎不连续的状态分布。作者认为金属间化合物这种分布状态可以限制裂纹的继续传播，消耗裂纹扩展所需的能量，从而最终达到提高复合板结合强度的目的。徐希军等[15]对铝/镁/铝3层复合板进行了轧制实验，结果表明，界面结合强度随轧制压下率的升高而增大，当轧制温度为465 ℃、压下率为50%，并采取350 ℃保温2 h退火的工艺制备复合板时，可以获得性能最好的层状金属复合板。尽管热轧法是制备镁/铝复合板的主要方法，但是轧后板材翘曲严重、不利于后续成形，结合强度低等问题仍旧存在。

也有少量研究中使用冷轧法制备镁/铝复合板，Matsumoto等[16]在室温、50%压下率条件下，通过冷轧法制备出纯铝/Mg-Li合金/纯铝复合板，然后对其进行100～300 ℃保温1 h的退火处理。研究表明，当退火温度低于200 ℃时，界面处无金属间化合物产生，并且呈现较好的弯曲性能，而当退火温度超过250 ℃时，界面出现金属间化合物。祖国胤等[17]也通过冷轧的方式制备出了铝/Mg-Li合金/铝3层复合板，研究中确定了该复合板可以实现结合的压下率为50%，压下率在60%～65%之间时可以得到最佳的结合强度。冷轧镁/铝复合板需要较大的压下率才能使其发生结合，室温下镁合金易脆断，成材率较低，浪费资源，不适合连续化工业生产。

1.2 异步轧制法

异步轧制法兴起于20世纪70年代，通过改变上下轧辊的直径或速度造成不同线速度，从而实现异步轧制过程。轧制过程中，一般把相对较硬的金属与快速轧辊接触，相对较软的金属与慢速轧辊接触[18]，由于上下轧辊的线速度不同，造成轧辊与板材表面有速度差，速度差的存在会导致变形区内的中性点与垂直方向出现了一定角度，快速辊一侧的中性点向变形区出口侧偏移，慢速辊一侧中性点向变形区入口侧偏移，复合板上下两表面的摩擦力方向相反，界面处形成“搓轧区”。“搓轧区”的形成可以改变板材的应力、应变分布情况，加速待结合金属表面氧化层的破碎和新鲜金属的挤出，同时界面产生大量热量能够加速界面金属原子的运动，细化晶粒[19]。辊径相同，水平线速度不等的异步轧制复合过程如图2所示。

图2 辊径相同，水平线速度不等的异步轧制复合[19]

刘子健等[20]通过上下工作辊直径不同的异步轧制法成功制备出镁/铝复合板，可将板材的临界压下率降低至30%，结合界面处变形剧烈，镁合金晶粒得到显著细化，在350 ℃、38%压下率下制得的复合板性能最佳，抗拉强度达到230 MPa。Afrouz等[21]则建立了异步轧制双金属复合板材的应力模型，研究发现工作区域内剪应力分布不均匀，而压应力却均匀分布，并且在剪切应力作用下，软质金属板会率先发生临界变形。近年来，异步轧制主要用来研究单种镁合金材料的微观组织和成形性能[22—24]，对于镁/铝复合板的研究还较少，还需进一步探究。

相比于同步轧制，异步轧制有利于降低异种金属复合所需的临界压下率，可以降低轧制力，促进复合板结合界面剪切变形，增强异种金属间的机械啮合，提高界面结合质量[25—26]。异步轧制法也存在很多缺点，比如力矩分配不均、自动咬入困难、轧机易发生震颤等现象，并且异步轧制通常采用单道次、大变形来进行，这会导致复合板加工硬化严重，不利于后续板材成形。

1.3 爆炸+轧制法

爆炸+轧制法是先将金属板材进行爆炸焊接，然后再进行轧制复合的工艺。该方法适用于生产大尺寸的层状金属板材，目前太钢、上海浦钢等均采用此方法来制备金属复合板[27]。爆炸+轧制复合法示意图如图3所示。

图3 爆炸+轧制复合示意

Yang等[28]通过爆炸+热轧的方法成功制备出最终厚度为1.78 mm的铝/镁/铝3层复合板，其抗拉强度为235 MPa，伸长率为8.5%。Chen等[29]对爆炸后的镁/铝复合板在400 ℃条件下进行了5道次热轧，最终得到2.14 mm厚的板材，并且对其进行轧后退火处理。结果发现，随着退火温度和时间的延长，界面扩散层厚度增加，力学性能呈现先增加后下降的趋势。当对复合板进行200 ℃轧后退火处理时，复合板呈现优良的力学性能，抗拉强度和伸长率分别达到285 MPa和24.5%。王东亚[30]指出，界面处产生的厚硬脆金属间化合物（Mg2Al3和Mg17Al12）会严重降低复合板的协调变形能力以及力学性能，因此选用400 ℃保温5 min的轧前预热工艺来控制界面扩散层的厚度。

1.4 累积叠轧法

累积叠轧法1998年由日本学者Saito[31]提出，将经过一道次轧制的复合板从中间切开，重新堆叠进行轧制，重复循环此过程，最终获得满足要求的复合板，是传统轧制方法的循环过程。累积叠轧法是一种强塑性变形，可以使材料中的位错缺陷形成位错胞和亚晶粒等，细化基体金属晶粒，提高板材结合强度[32]。累积叠轧法制备镁/铝复合板如图4所示。

图4 累积叠轧示意[33]

Chang等[34—35]累积叠轧3次制备出纯镁/纯铝复合板，每次压下率均为50%，由于强塑性应变的发生，金属镁、铝晶粒得到显著细化，界面形成了150 nm厚的金属间化合物层。随着叠轧次数的增加，不管是轧向还是横向，复合板的屈服强度和抗拉强度均逐渐增加，伸长率下降。Ebrahimi等[36]通过累积叠轧法制备了镁/铝复合板，结果表明ARB工艺能使第二相分布均匀，晶粒尺寸减小，并且在前2次循环塑性变形过程中，没有任何颈缩或断裂发生。

累积叠轧工艺是一种有效提高镁铝复合板结合强度的方法，对设备无特殊要求，但是操作过程中不能使用润滑剂，在热轧镁/铝复合板时，极可能发生黏辊现象，降低了轧辊的使用寿命，导致较高的生产成本[37—38]。

1.5 固-液铸轧法

固-液铸轧法主要适用于不同熔点金属之间的连接，将一种液态金属浇铸在另一种固态金属表面，待液态金属冷却至半固态时进行轧制，实现异种金属的复合，示意图如图5所示。Bae等[39]在25%压下率条件下，利用双辊铸轧法以及轧后退火处理工艺制备了镁/铝复合板，板材界面形成了金属间化合物，在板材弯曲过程中裂纹萌生点出现在金属间化合物多的位置，并扩展至镁合金基板上，降低了板材力学性能。杨世杰等[40]通过铸轧法得到了镁/铝复合板，结果表明界面过渡层的宽度随着铝合金温度的升高而增加。

该工艺制备复合板成形速度快、成本低，但是由于固态基体金属在预热到较高温度过程中极易氧化，这会导致结合界面形成孔洞、裂纹等缺陷，而且铸轧过程中极易发生粘辊现象。各种轧制方法的优缺点见表1。

图5 固-液铸轧示意

表1 各种轧制方法的优缺点

Tab.1 Advantages and disadvantages of various rolling techniques

2 工艺参数对复合板性能的影响

2.1 轧制温度

镁合金在室温条件下仅有2个滑移系被激活，塑性变形能力极差，因此需要在较高温度下进行镁/铝复合板的制备。轧制温度对于镁/铝复合板变形能力和结合性能的好坏起着关键作用。轧制温度过低，镁板由于其固有的脆性易发生断裂；轧制温度过高，镁板表面易被氧化，不利于结合，而且还会导致金属黏着在轧辊上，严重损害轧辊表面质量，降低板材结合质量。

翟龙等[41]发现，在压下率为45%，轧制温度为350～550 ℃条件下，轧制镁/铝复合板时具有良好的性能。选择合适的轧制温度还可以改善复合板的翘曲情况，申潞潞[42]对爆炸焊接的镁/铝复合板进行多道次轧制，指出前6道次轧制温度均为375 ℃，第7，8道次轧制温度为350 ℃时，复合板的板形较为平直。

2.2 轧制压下率

金属在较大压力下才能发生塑性变形，因此压下率是决定复合板能否实现结合的关键因素，使金属实现结合的最小压下率称为临界压下率。当复合板变形率低于临界压下率时，待结合金属表面的氧化层不易发生破碎，限制了新鲜金属的暴露，复合板无法实现冶金结合[43]。在合适的压下率范围内，复合板结合强度随压下率的增加而增大，但是压下率过大时，板材易发生错动，还会产生严重的边裂，不利于复合板的结合，降低成材率。

Jamaati等[44]发现较高的压下率、较小的板材初始厚度是提高金属复合板结合强度的关键，但是如果压下率超过一定限值，镁合金表面会出现边裂现象，甚至会出现板材的断裂，降低成材率。陈志青等[45]在400 ℃条件下对通过爆炸焊接得到的镁/铝复合板进行压下率分别为20%，30%，40%，50%的热轧实验，研究发现板材翘曲程度随压下率的上升出现先减小后增加的趋势，当压下率为30%时，板材翘曲程度最小。当压下率为40%时，镁合金板开始出现边裂现象，且随着压下率的增加边裂现象越严重。

2.3 轧制速度

轧制速度也是影响复合板界面结合的重要因素，轧制速度过快会降低板材复合的时间，导致板坯在短时间内无法实现新鲜金属的大面积接触，降低界面结合质量[46]。轧制速度较慢又会导致板材温降较大，尤其对于常温下难变形的金属镁来说，会出现轧件断裂的情况，进而严重影响产品成材率。

2.4 轧后退火处理

轧制金属板材属于强塑性变形，轧后板材残余应力增加，板材内部位错密度也增加，不利于后续成形，因此，要对轧制板材进行退火处理来降低其残余应力和加工硬化现象，提高复合板结合强度。轧后退火温度和时间是影响复合板结合性能的重要参数，复合板界面结合强度随退火时间的增加和退火温度的升高出现先升高后下降的趋势，这是由于基体金属原子受热激活形成扩散作用，在结合界面处形成扩散层，而当温度和时间不断增大时，界面处会产生脆性的金属间化合物，过厚的金属间化合物会降低复合板界面结合性能[47]。

3 界面金属间化合物研究

3.1 化合物的形成

金属间化合物是由2种或2种以上的金属元素按照一定的原子比例组成，其原子间的键合方式包括金属键、离子键和共价键[48]。金属间化合物与基体金属之间的结构不同，是具有长程有序的超点阵结构，其组元原子各占据点阵的固定阵点，最大程度地形成异类原子之间的结合。

由图6所示的镁-铝合金二元相图可知[49]，温度为437 ℃时，铝在镁中的最大固溶度为11.8%（原子数分数），温度为450 ℃时，镁在铝中的最大固溶度为18.9%（原子数分数）。镁/铝复合板进行一定温度保温的初始阶段，镁原子和铝原子在界面处相互扩散速度较低，这减缓了化合物的形核和长大。随着扩散过程的继续进行，界面处形成了靠近铝板的铝基固溶体和靠近镁板的镁基固溶体。继续保温处理，γ-Mg17Al12和β-Mg2Al3两种金属间化合物开始形核并生长，靠近金属镁侧的是Mg17Al12，靠近金属铝侧的是Mg2Al3。在相同条件下，Mg17Al12较Mg2Al3来说更容易生成，但是Mg2Al3的生长速度高于Mg17Al12，这也就能解释Mg2Al3的厚度大于Mg17Al12。金属间化合物的形成是复合板实现冶金结合的一个标志，当界面存在少量的化合物时可以提高复合板的结合性能，但是，过厚的硬脆金属间化合物的存在会削弱复合板的界面结合质量。

图6 镁-铝合金二元相图[49]

3.2 影响化合物形成的因素

众多研究表明，温度和时间是影响镁/铝金属间化合物生成和长大的重要因素。较高的温度能够降低化合物的激活能，增大原子的扩散速率，有利于界面化合物的形成和生长。对于层状金属复合板而言，在高温条件下，界面处产生的脆性金属间化合物会降低复合板界面结合强度，导致板材无法进行后续成形，限制其使用范围。尽管如此，也不能完全认为金属间化合物只能降低复合板的结合性能，有研究指出[48]，当金属间化合物层厚度在1.6 μm左右时，能有效改善镁/铝复合板界面结合性能，因此在制备金属复合板时，要避免过厚的金属间化合物形成。

Yang等[28]研究发现，当退火温度升高时，界面扩散层厚度的平方呈指数增长，而且，扩散层厚度的平方与退火时间呈线性关系，这可以解释为什么随着退火温度的升高，扩散层厚度迅速增加。Luo等[50]通过两道次热轧的方法制备出3层铝/镁/铝复合板，并对其进行了轧后退火处理，当退火温度低于200 ℃时，界面处没有观察到反应层，200 ℃退火1 h后在界面处能观察到大约6 μm厚的不连续分布的新相。当退火温度达到300 ℃时，界面生成了连续的金属间化合物Mg17Al12和Mg2Al3，随着退火温度的升高，界面化合物的生长速率增大，如图7所示。根据阿累尼乌斯经验公式得出金属间化合物厚度随时间变化为二次抛物线关系，其动力学方程为：

式中：y为界面扩散层厚度（μm）；T为热力学温度（K）；R为玻尔兹曼常数，R=8.314 J/(mol·K)；t为扩散时间（s）。

4 轧制镁/铝复合板的力学性能

4.1 拉伸性能

Nie等[51]采用热轧的方法，分别对一道次33%压下率和四道次71%压下率条件下制备的3层铝/镁/铝复合板进行了200 ℃保温1 h的退火处理，并对复合板进行了轧向拉伸测试，前者的抗拉强度为102 MPa，远小于后者的230 MPa。又通过EBSD技术测得一道次复合板镁合金的基面织构强度为15.1，四道次复合板镁合金的基面织构强度为9.8，得出镁合金织构强度和再结晶程度对复合板力学性能有重要影响。Habila等[33]通过累积叠轧5次的方法制备了铝/镁/铝3层复合板，并且研究了不同叠轧次数下复合板的拉伸性能，结果表明，叠轧1—3次复合板的抗拉强度和屈服强度逐渐上升，这是因为随着叠轧次数的增加，复合板的应变强化效果加强以及晶粒细化显著。然而，继续增加叠轧次数到4次和5次时，界面出现的硬脆金属间化合物会极大地削弱复合板的抗拉强度和屈服强度。

大量研究表明，轧后退火处理也会对镁/铝复合板的拉伸性能产生重要影响。Zheng等[52]通过轧制方法制备出3层Al/Mg/Al复合板，并对退火态复合板的拉伸性能进行了研究，结果表明，在150～350 ℃内退火2 h时，随着退火温度的升高，抗拉强度从264 MPa降低到189 MPa，屈服强度从240 MPa下降到102 MPa，伸长率从4%升高到22%。当退火温度超过200 ℃时，由于回复和再结晶产生软化效应，复合板强度降低、伸长率上升。随着退火温度的升高，晶粒回复和再结晶的速度上升，加工硬化也被弱化。Nie等[53]对轧制后得到的镁/铝复合板在200～400 ℃内进行了1～4 h的退火处理。结果表明，在200 ℃退火时，复合板有较好的抗拉强度和伸长率，抗拉强度为223～240 MPa，伸长率为21%～26%，当退火温度高达400 ℃时，界面生成较厚的化合物会降低板材的抗拉强度和伸长率。

4.2 界面结合强度

在大量研究中，通过拉剪实验来测量复合板的界面结合强度，在切取试样的上下两侧各切一个槽口，测试过程中，两槽口之间的界面受到拉力作用而发生分离，实验测得的最大载荷值除以两槽口之间的面积，即是该复合板的界面剪切强度。Zhang等[54]通过拉剪实验测试了单道次轧制Al/Mg/Al复合板的界面结合强度，研究发现，界面结合强度随轧制压下率的增加而增强。当压下率为30%时，结合强度仅为10 MPa，压下率为50%时，结合强度超过了40 MPa。根据薄膜理论，两金属板材由于受到轧制力的作用而发生变形，待结合金属表面产生大量裂纹，新鲜金属从这些裂纹中挤出并挤进对方基体中形成结合。

胶粘实验也是测量金属复合板界面结合强度的一种重要方法，该方法不受复合板厚度的限制，可以准确测出复合板界面结合强度。用粘接剂将复合板样品的异种金属分别粘在夹头上，对两端的夹头施加载荷，复合板界面在载荷的作用下发生分离。Chen等[55]通过胶粘实验测试了轧制镁/铝复合板的界面结合强度，结果表明，当轧后退火温度低于350 ℃时，界面结合强度随退火温度的升高而升高。原子的活性随退火温度的升高而增大，这加速了原子的扩散，复合板界面从机械结合转向冶金结合，提高了复合板结合强度。同样，Wei等[56]也采用胶粘实验测试了一道次轧制Al/Mg/Al板材的界面结合强度，研究发现，当轧制压下率小于40%时，结合强度随压下率的增大而增大，这是因为较大的轧制力导致待结合金属表面裂纹扩展面积和裂纹数量增加。当压下率超过40%，结合强度降低。当轧制温度为400 ℃、压下率为40%时，复合板界面结合强度达到最大20 MPa。

4.3 弯曲性能

三点弯曲测试是将样品放在两个支撑点上，在两支撑点的中点上方对样品施加载荷，样品的3个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲。Liu等[57]通过热轧法制备出镁/镁双层复合板和镁/铝/镁3层复合板（原始材料为AZ31B镁合金板和1060铝合金板），并且对30%和50%压下率条件下制备的2种材料进行了三点弯曲性能测试。结果表明，30%压下率下，由于1060铝合金的强度低，镁/铝/镁3层复合板的最大弯曲载荷小于镁/镁2层复合板；50%压下率时，最大弯曲载荷的情况正好相反。图8为复合板弯曲后样品的侧视图，在压下率为30%的情况下，镁/镁复合板弯曲断裂的层间分层更大，当裂纹到达各层界面时，由于存在层间分层现象，裂纹发生偏转，相比之下，镁/铝/镁3层复合板的分层较少。Abbasi等[58]在不同温度下通过累积叠轧法制备出镁/铝复合板，通过三点弯曲实验测试其弯曲性能得出，叠轧1—4次，复合板均出现了大面积的裂纹和断裂现象。

图8 弯曲测试后样品侧视[57]

5 波纹辊-平辊轧制方法

目前生产镁/铝复合板的方法主要是传统平辊轧制复合法，但是这种方法需要大的轧制压下率才能实现良好结合，并且这种方法生产的复合板板形翘曲，严重影响板材的后续成形，而且大的轧制压下率还会损坏轧机，降低轧机使用寿命。针对这些问题，笔者团队的Wang等[59—60]在2019年首次采用波-平轧制（Corrugated+flat rolling，CFR）技术制备镁/铝复合板，该方法主要分为2个轧制道次，第1道次为波纹

辊轧制，即上轧辊采用波纹型轧辊，下轧辊采用普通平轧辊，将进行过预热处理的镁/铝板坯放入调好辊缝的轧机中进行第1道次波纹轧制实验。在该轧制过程中，镁合金板与上波纹轧辊接触，铝合金板与下平辊接触，轧后得到了镁合金表面为波纹、结合界面为微波纹的波纹状镁/铝复合板。然后将第1道次波纹辊轧制得到的镁/铝复合板进行保温热处理，并进行第2道次轧制，第2道次轧制是采用上下轧辊均为普通平辊的轧机，最后得到上下表面平整，界面波纹形状的镁/铝复合板。实际轧制出的板材如图9所示。

图9 波平轧制法制备镁/铝复合板[59]

笔者对第1道次波纹轧制得到的波纹镁/铝复合板[61]和第2道次平轧得到的平直镁/铝复合板[59]进行了界面微观结构和力学性能的研究。400 ℃保温15 min，压下率为35%条件下，第1道次波纹轧得到的波纹镁/铝复合板界面结合紧密，无孔洞、裂纹等缺陷，并且其室温横向抗拉强度为278 MPa，断裂伸长率约为14%。第2道次平辊轧制得到的镁/铝复合板表面平直、界面波纹，从界面SEM图（见图10）也能看出，第2道次平轧后，界面出现断续分布的金属间化合物，这是由于两道次轧制中间进行保温处理后，界面产生了硬脆的金属间化合物，第2道次平轧时，随着板材的延长，金属间化合物发生断裂，并且，界面波峰和波谷位置处化合物的形貌不同，在波峰处金属间化合物出现裂纹，在波谷处金属间化合物发生严重断裂且界面处形成了新的结合区域，这是由于波纹辊特殊的形状使界面波谷处受到的塑性应变大于界面波峰处。

图10 平直镁/铝复合板界面SEM[59]

波-平轧制法可以在相对较小的压下率下实现镁/铝复合板的结合，可以提高轧机的使用寿命，节约成本，提高生产效率。同时，波纹轧辊的特殊形状可以使上下2层金属的待结合表面发生剧烈的剪切变形，促进金属表面氧化层破裂，暴露出大量的新鲜金属并挤进对方基体中形成紧密结合，可以将结合面形状由传统的二维提升至三维，这能有效提高金属镁和金属铝之间的协调变形能力，改善板形质量。

6 结论与展望

镁/铝层状金属复合板因其比强度高、比刚度高、质轻、耐腐蚀等优点已经成为金属复合板领域研究的热点话题，国内外专家学者对其制备工艺和界面结合强度等进行了大量研究，但是仍有一些影响因素和性能指标需要进一步的探究。主要结论以及对未来的展望主要归结为以下3点。

1）轧制复合法是目前生产镁/铝复合板应用最广泛的一种方法，该法生产设备简单、操作容易、工艺成熟、不易带来环境污染问题，适合连续工业化生产。选择适当的轧制工艺参数对减少镁合金边裂，提高镁/铝复合板界面结合强度有极其重要的作用。

2）波-平新工艺的提出可以有效改善板材的平直度，有利于复合板后续加工成形，但界面金属间化合物的形成与控制，以及其对镁/铝复合板结合强度的影响仍是研究的重点。

3）层厚比是影响层状金属复合板力学性能的一个重要指标，其精确控制是未来的研究方向之一。此外，轧前处理方式对层状金属复合板界面结合性能有重要影响，但是如何将基础数学模型与之相结合仍是研究的重点与难点，希望在未来的研究中可以多关注与数学模型的结合。最后，在提高层状金属复合板生产自动化和智能化方面，也是值得同行和从业工作人员思考的一个方向。

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Research Progress on Rolling Process of Laminated Mg/Al Clad Plate

LI Sha1a,1b, JIA Yi1a,1b, LIU Xin-yang1c, NIU Hui1a,1b, HAN Jian-chao1a,1b, WANG Tao1a,1b,2

(1. a. College of Mechanical and Vehicle Engineering; b. Engineering Research Center of Advanced Metal Composites Forming Technology and Equipment, Ministry of Education; c. College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Taiyuan Heavy Machinery (Group) Co., Ltd., Taiyuan 030027, China)

Mg/Al clad plates are widely used in aerospace and automobile manufacturing industries due to the advantages of low density, high specific strength and good corrosion resistance. Rolling technique is one of the most widely used methods in the production of Mg/Al clad plates, which has the advantages of simple equipment, easy operation and low cost. Six rolling processes were introduced, including common rolling, asynchronous rolling, explosion + rolling, accumulative rolling, solid-liquid casting rolling and corrugated-flat rolling. The advantages and disadvantages of these processes in preparing Mg/Al clad plates were also studied. Corrugated-flat rolling process improved the flatness of the clad plates, which was conducive to the subsequent processing and forming of plates. The effects of rolling temperature, rolling reduction ratio, rolling speed and annealing treatment on the mechanical properties of Mg/Al clad plates, the formation factors of intermetallic compound at Mg/Al interface and the influence of intermetallic compounds thickness on the mechanical properties of Mg/Al clad plates were also analyzed.

Mg/Al clad plate; rolling technique; process parameters; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.001

TG335.81

A

1674-6457(2021)06-0001-11

2021-07-06

国家自然科学基金（U1710254，51904205）；山西省科技重大专项（20181101008）；山西省应用基础研究（201801D221221）；中国博士后科学基金（2018M641681，2018M641680）

李莎（1993—），女，博士生，主要研究方向为镁/铝复合板轧制工艺。

韩建超（1989—），男，博士，副教授，主要研究方向为复合板波纹辊轧制工艺开发及优化、显微组织与力学性能评价、界面力学行为等。