双金属复合板是由两种具有不同物理及力学性能的金属组成的复合材料。与单金属板相比，双金属复合板综合了两种金属的优点，在航空、航天等领域有着广泛的应用。低碳钢作为常用的钢材，具有综合性能好、应用范围广以及含碳量适中等优点，但耐蚀性差、密度大等缺点限制了其进一步的应用。铝合金具有良好的耐腐蚀性、较高的导热性和较低的比重，但其强度和耐磨性较差。将这两种材料通过一定的工艺组合成复合板，可以综合两种材料的优点，克服其单一使用存在的缺点，扩大材料的使用范围，满足特殊的工作条件。
目前，用于制造复合板的技术包括铸造、搅拌摩擦焊接、爆炸焊接、轧制和双辊铸造，其中轧制应用最为广泛。与传统轧制技术不同，液-固双辊铸轧技术可以直接利用熔体生产复合板，运营成本较低、能耗少，对生产空间的要求大幅减少，由于界面处为液态-固态或液态-半固态反应过程，有利于获得良好的界面品质。MYKHAILO S等研究表明，扩散层厚度、材料表面粗糙度、钢带预处理以及后续热处理都会对复合带材的性能产生影响，并制备出力学性能最佳的EN AW-1070铝/奥氏体不锈钢复合带材，其拉伸强度为228 MPa，屈服强度为86 MPa，伸长率可达48%，疲劳强度为51 MPa。OLEXANDR G等采用双辊铸轧法将奥氏体不锈钢带和纯铝结合起来，发现铸轧态复合板界面处存在3 μm厚的扩散层，随后进行拉深和轧制处理，发现两种材料间不会发生分层现象，表明复合板两层间的结合强度足够高。CHEN G等采用水平双辊铸轧工艺成功地制备了409L不锈钢/AA1100铝复合板，经450 ℃下退火1.5 h再轧制压下率为40%后，其结合强度显著提高，剥离强度达到最大为28 N/mm。
迄今为止，运用液-固双辊铸轧技术制备铝/钢复合板时大多采用不锈钢作为基板，对于不同压下率复合板的微观组织、失效机理和力学性能的影响鲜有报道。2022年第42卷第6期《特种铸造及有色合金》杂志刊登了“金属基复合材料及应用”专题，兰州理工大学李元东教授应邀发表题为“不同轧制压下率铝/钢复合板界面及断裂分析”的文章。文章选用A356铝合金和表面预处理的Q235低碳钢板，通过液-固双辊铸轧技术成功制备出铝/低碳钢复合板，然后对复合板进行退火及3道次轧制处理，最终复合板压下率达到45%。借助扫描电镜对不同状态下复合板界面微观形貌及断口形貌进行观察，通过EDS定性分析界面成分，进而分析了不同状态下复合板的微观结构与力学性能之间的关系，为铝/钢复合板的应用奠定基础。
专家简介
[李元东]
李元东，工学博士，博士生导师，兰州理工大学材料科学与工程学院教授，学院党委*。1995年6月毕业于甘肃工业大学铸造专业，2000年在甘肃工业大学获材料加工工程专业工学硕士学位，2005年在兰州理工大学材料加工工程专业获工学博士学位。2003年1月至3月在日本JICA中心研修，2007年7月至2008年8月，在美国Worcester Polytechnic Institute访学。中国机械工程学会高级会员，《Materials Science & Engineering A》《Trans. of Nonferrous Metals Society of China》《中国有色金属学报》《北京科技大学学报》《西安交通大学》等期刊审稿人。主要从事有色合金及其成形技术和理论的研究，研究领域包括铸造铝（镁）合金及其半固态成形技术、变形合金近终形成形技术、金属基层状复合材料制备技术、金属材料表面改性。提出了自孕育法的概念及其凝固控制机理，并成功应用于半固态成形技术中。首先采用受控扩散凝固制备了高硅耐磨铝合金以及高强高韧铝（镁）合金。2002年-2006年受兰州理工大学第一批“优秀青年教师培养计划”资助。先后主持或作为主要完成人参加国家自然科学基金项目、国家973计划项目、国家高技术研究发展计划(863计划)课题、国家重点研发项目、中国－以色列科学与战略研究开发专项资金合作研究项目、科技部政府间国际合作项目等国家级项目8项，甘肃省科技攻关项目2项、科技支撑项目2项，省重大专项1项，其他省部级项目10多项。申请发明专利14件、授权8件，发表学术论文160多篇，其中SCI、EI收录60多篇。
2003年获兰州理工大学“三育人”奖，2011、2012、2013连续三年获学校本科毕业设计“优秀指导教师”称号。2014年被评为学校“国家重点实验室申报优秀个人”和“科研管理先进个人”。先后获省部级科技奖励8项，其中甘肃省科技进步二等奖2项、技术发明二等奖1项，中国冶金科学技术奖1项。2013、2018年两次荣获“福士科”杯中国机械工程学会铸造专业优秀论文银奖。
研究方向：有色合金及其先进成形技术和理论研究
课题组或部门研究成果简介
本课题组主要从事有色金属先进加工技术及其组织演变与性能调控，主要完成成果：通过受控扩散凝固技术控制过共晶铝硅合金中初生硅相形态并研究其组织演变过程的与热力学机理，开发出自孕育半固态流变压铸及半固态流变挤压技术，通过金自孕育浆料制备技术制备变形铝镁合半固态浆料并研究其组织演变及球化机理，通过流变技术近终形制备高性能变形铝合金并研究其成形技术与强化理论，研究剩余液相在半固态加工过程中的二次凝固行为与作用机理并成功制备出可热处理强化薄壁压铸件，通过第一性原理与实验相结合设计并制备高导率铝合金及其零部件，首次提出半固态印刷铸轧技术制备层状复合材料并调控界面结构与力学性能的匹配关系，针对最轻的结构材料镁合金耐蚀性差，须进行表面防护处理后才能应用的难题，研发出获得高性能微弧氧化膜层的关键技术，研究铝镁合金粉末触变成形技术并揭示触变过程中的反应机理，开发并制备新型镁稀土合金并研究其组织性能及变形机理、开发出新型半固态镁铝合金并推广应用，设计开发新型锌基合金及其复合材料并揭示锌基合金的凝固行为及晶体生长规律。
【研究方法】✦
试验材料为A356铝合金及1 mm厚的Q235冷轧钢板。在Q235钢板表面进行热浸镀铝-锌层，并切割成100 mm×100 mm×1 mm，另外，将A356铝锭切成小块待用，化学成分见表1。
在液-固双辊铸轧前，将热浸镀铝-锌处理后的Q235钢板置于380 ℃的电炉中预热15 min；将A356铝锭小块置于SG2-7.5-10井式电阻炉中熔化。温度达到740 ℃时，用1%（质量分数）的C2Cl6进行精炼，除杂后静置，调整温度至710 ℃。开动轧制机后，首先将铝液定量浇覆于预热后的Q235基板上，将其一并送入两辊之间，进行液-固铸轧，随后空冷，液-固双辊铸轧原理见图1。轧制速度为6 r/min，两辊间距为3 mm，辊径为180 mm，最大轧制压力为420 kN。铸轧后，将复合板切成50 mm×50 mm的小块置于马弗炉中，在450 ℃下退火1.5 h。随后对退火态复合板进行3道次轧制处理，轧制前将复合板在350 °C下预热10 min，每道次轧制后复合板的压下率分别达到25%、35%和45%。
图1 液-固双辊铸轧过程示意图
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以轧制方向和复合板的法向所构成的平面作为金相分析的取样面，金相试样经研磨抛光后，用体积比为4%的硝酸酒精溶液腐蚀。采用FEG-450场发射扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对金相试样结合界面的微观形貌和元素分布进行了观察和分析，并利用SEM所装配的原位拉伸仪对在不同条件下的复合板进行原位拉伸观察和分析。拉伸试样采用线切割沿复合板的轧制方向截取，经打磨和抛光后使得铝层和低碳钢层厚度相同（即0.4 mm），见图2。使用体积分数为10%的高氯酸酒精溶液进行电解腐蚀，腐蚀电压为18 V，腐蚀时间约为15 s。
图2 SEM原位拉伸试样尺寸图
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【研究结果】✦
图3为A356/Q235复合板界面区BSED图像及成分分析结果。
（a）退火态 （b）25%压下率
（c）35%压下率 （d）45%压下率
图3 不同状态下复合板界面区微观组织及线扫描分析结果
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根据KOBAYASHI S等和工具手册可知，铝/钢复合板界面处冶金结合时会形成FexAly型金属间化合物，通常为Fe3Al、FeAl、FeAl2、Fe2Al5和FeAl3等5种相。由于Al、Fe的扩散激活能及扩散因子都较高（见表2），因此在直接接触过程中就会互扩散形成金属间化合物，然而FeAl和Fe3Al相在1 000 °C以上才可能形成、生长。试验中的铸轧、退火过程中都未达到此高温，铸轧后退火及每道次轧制前的低温预处理均不会形成FeAl和Fe3Al相，即在退火及轧制时复合板扩散层中最有可能形成FeAl2、Fe2Al5和FeAl3相。
图4 A356/Q235复合板退火态扩散层点扫描结果
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图5为图3b～图3d的局部放大和金属间化合物长度统计。可以看出，在轧制力作用下连续的扩散层被轧碎成块状，随着压下率的增加，扩散层由长条状块体变成细小的颗粒，且棱角钝化。这是由于金属间化合物硬度高、脆性大、塑性差，在轧制力的作用下不易延展变形容易断裂破碎，形成局部脆性断口。
（a）25%压下率
（c）45%压下率
（b）35%压下率
（d）颗粒长度
图5 不同压下率复合板界面组织及颗粒长度
图6为退火态复合板侧原位拉伸过程A356铝合金侧SEM形貌。
图6 退火态复合板原位拉伸过程A356铝合金SEM形貌
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图7为45%压下率复合板原位拉伸过程A356铝合金侧SEM形貌。
图7 45%压下率复合板原位拉伸过程SEM形貌
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图8为不同状态下复合板的拉伸断口Al/钢界面处SEM形貌。图9为不同状态下复合板的抗拉强度和伸长率柱状图。
（a） 退火态 （b）压下25%
（c）压下35% （d）压下45%
图8 不同状态下复合板拉伸断口Al/钢界面处SEM形貌
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图9 不同状态复合板的极限抗拉强度和伸长率
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【研究结论】✦
1）退火态A356/Q235钢复合板界面处可见厚度约为8.3 μm的连续状扩散层，扩散层厚度随压下率的增加而减小，45%压下率时扩散层厚度最薄，约为3.3 μm。
2）退火态和轧制态A356/Q235复合板Fe和Al含量分布在界面附近呈相反的梯度变化，扩散层处存在一个稳定的台阶，形成金属间化合物，其主要为Fe2Al5。
3）A356/Q235钢复合板在轧制力的作用下连续的扩散层破碎成块状，压下率越大块状颗粒尺寸越小，25%压下率时存在约3 μm的孔洞，35%压下率时存在约1 μm的孔洞，45%压下率时孔洞消失。
4）25%压下率的A356/Q23钢复合板断口的界面结合区有明显的层间分离现象，35%压下率复合板断口的界面结合区可见明显的破碎状扩散层，45%压下率复合板断口的界面结合区几乎不存在间隙，铝、钢两层无缺陷的结合在一起。
5）45%压下率A356/Q235钢复合板具有最好的界面结合、良好的协调变形能力，抗拉强度达441 MPa，且伸长率为3.03%。
【文献引用】✦
邱谨,苗鹏,李元东,等.不同轧制压下率铝/钢复合板界面及断裂分析[J].特种铸造及有色合金,2022,42(6):688-694.
QIU J，MIAO P, Ll Y D. et al. Interface and fracture analysis of Al steel clad plate under different reduction rates[J]. Special Casting &.Nonferrous Alloys，2022，42(6):688-694.
