块体超细/纳米结构金属材料的累积叠轧制备技术

蔡明晖(东北大学材料与冶金学院， 沈阳110819)

块体超细/纳米结构金属材料的累积叠轧制备技术

蔡明晖
(东北大学材料与冶金学院， 沈阳110819)

综述了一种制备大块状超细/纳米结构金属材料很有效的剧烈塑性变形工艺——累积叠轧(Accumulative Roll Bonding，ARB).重点阐述了ARB的工艺原理及变形过程中的界面结合机理、ARB材料的晶粒细化机理、组织特征、织构演变及强韧化机制等，分析了ARB工业应用中存在的主要问题及应对措施，并展望了该技术在制备超细晶材料领域的应用前景.

累积叠轧；超细晶；结合界面；织构；强韧化机制

从20世纪90年代，材料学家就开始尝试借助剧烈塑性变形(Severe Plastic Deformation，SPD)[1]制备超细/纳米结构(Ultra-fine/Nanostructured，UF/NC)金属材料.SPD技术的主要原理是通过多道次累积变形获取大塑性应变量，使多晶材料细化至亚微米甚至纳米水平，从而极大地改善材料的强度、韧性和耐磨性等[1-4].与常规的变形工艺相比，SPD是一种获得致密性好、且界面无污染的纳米金属材料的有效途径之一，并相继发展了多种制备UF/NC结构金属材料的塑形变形技术，如等通道转角挤压法(Equal Channel Angular Extrusion/Pressing，ECAE/ECAP)[5-7]、高压扭转法(High Pressure Torsion，HPT)[8-9]、表面机械研磨处理法(Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT)[10]和累积叠轧法(Accumulative Roll Bonding，ARB)[11-16]等.其中，ARB技术最大的优势在于：试样的几何尺寸在各道次变形前后不发生改变，而且通过多道次轧制变形可以获取大的塑性变形量，以实现金属材料的晶粒超细化/纳米化，并大幅度提高材料强度的目标.同时，与其它剧烈塑性变形方法相比，ARB工艺生产率高，可以生产大尺寸的金属板材，并具有连续化生产的潜力，已被成功制备了超细晶Al、Cu 和Ti基合金[11-13]，无间隙(Interstitial Free，IF)钢[14]，少量的Mg合金[15]及金属基层状复合材料[16]等.

1 累积叠轧技术的基本原理

早在1998年，日本学者Saito等[11]率先提出了一种用于制备大块体薄板超细/纳米金属材料的连续化剧烈塑性成形技术，即累积叠轧，其工艺原理如图1所示.借助两块几何尺寸相同的金属薄板材料，将表面进行脱脂处理后，在一定温度下进行叠轧并使其自动焊合，在每次轧制中控制厚度压下量为50%，轧制前后板材的厚度相等.然后，将轧制后的金属薄板沿着垂直于轧制的方向，切成几何尺寸相同的两块板料，并通过相同的工艺路线反复进行轧制焊合.在叠轧过程中，材料可以反复轧制，且轧制前后轧件的厚度不变，从而确保其内部的累积变形量达到较大值.与传统轧制条件相比，叠轧工艺在理论上突破了常规压下量的限制，促使材料的组织更细化、夹杂物分布更均匀，从而提高了金属材料的强韧性和耐磨性等力学性能.另外，采用两种不同的金属进行累积复合叠轧，也深受国内外学者的广泛关注.

表1列出了采用1 mm后的板材，在相同道次压下量(50%)叠轧后，不同道次所对应的材料厚度压下量和等效应变的变化规律.可以看出，试样经累积叠轧加工n次循环过程中初始板材所包含的层数变为2n.如初始厚度为1 mm的板材，若循环次数为8，则最终板材的层数为256，界面数量是255，总应变量高达99.6%，等效应变为6.4，界面间距约为3.9 μm.

2 累积叠轧工艺中的界面剪切和界面结合机理

为了累积较大的变形量，ARB工艺通常采用无润滑轧制，这样材料表面与轧辊间的相互摩擦作用或异种材料所引起的变形抗力的差异会促使轧制产生一个较大的剪切应力[17-18].因此累积叠轧工艺实质上是一种压应力和剪切应力的共同作用.图2示意图给出了累积叠轧过程中在不同道次条件下剪切应力和晶粒尺寸随板厚方向的分布情况[18].

累积叠轧不仅是一个累积变形的过程，还是一系列同相或异相界面的轧制焊合的过程.有关金属轧制复合机理之一是薄膜机制，是由Vaidyanath[19]and Mohanmed[20]等提出，其原理图如图3所示[21].该机制指出[22]，金属表面在轧前预处理时会形成一层很薄的加工硬化层或氧化膜.与基体相比，氧化薄膜层的塑性较差；在塑性变形阶段，由于基体与氧化薄膜层之间的塑性协调变形的作用，在薄膜层极易产生应力集中，并逐渐发生破裂，最终导致基体内部暴露；随后，在剪切应力和压应力的共同作用下，晶粒在发生转动和压缩的同时并相互作用，完成整个的物理接触和冶金焊接.随着ARB塑性变形的进行，相互嵌入的金属在热力耦合作用下开始宽展延伸，形成大面积接触，进一步改善焊合质量.

基于上述分析可知，对轧制复合影响较大的工艺参数(如变形温度和变形量)以及表面质量等同样是一些决定ARB工艺制备层状金属材料的综合性能优劣的关键因素；而对于异种材料来说，界面析出物、界面组织控制和元素的相互扩散也是影响界面轧制焊合的重要因素.

3 累积叠轧材料的晶粒细化机制

Tsuji等[11, 14]指出ARB变形过程中晶粒细化的主要原因是大应变导致亚微米等级大角度晶界和回复过程形成的平衡晶界增加.需要强调的是，这一过程未涉及到新晶粒的生成，它区别于通过形核机制长大的不连续再结晶，被称为连续再结晶[12].

ARB层状材料的晶粒细化主要取决于以下几个关键因素：(1)新界面的增加.随叠轧次数的增加，材料的层厚度减少，并引入大量新的界面(见表1)，从而增加了局部应变，导致大量位错的积累，更倾向于形成大角度晶界；其次，表层形成的氧化薄膜和一些夹杂物在累积叠轧过程中弥散分布在材料内部，起到阻碍晶粒长大的效果.(2)材料表面的剪切变形.如前所述，累积叠轧会引入剪切变形和剪切带的形成，随着持续的塑形变形，相邻的剪切带相互交叉和增殖，导致微观组织的破碎，并逐渐演变成亚晶粒或等轴的胞状结构，也促进了细晶粒的形成.此外，材料内部的第二相粒子、应变路径以及某些面心立方(Face-Centered Cubic, FCC)结构的金属(如Cu)中变形孪晶的形成也是累积叠轧工艺中晶粒细化的可能诱发机制之一[23].

4 累积叠轧材料的组织和性能

4.1 组织特征

借助ARB工艺可在多种合金和复合层状结构材料中获得超细/纳米结构，其组织特性不仅与材料本身属性相关，如基体材料的初始组织、相构成和晶格类型等，还取决于累积叠轧工艺条件，如轧制温度、速度和压下量等.

文献[12]对纯铜进行累积叠轧后发现：纯铜经ARB工艺轧制1道次后在部分变形的晶粒内部可观察到高密度的位错缠结(见图4a)；4道次后位错密度增加并形成一些胞状亚结构，平均晶粒尺寸约为200 nm(见图4b)；8道次后晶粒内部的位错密度大量下降，得到了平均晶粒尺寸小于100 nm的再结晶组织(见图4c).

文献[16]对Ti/Al多层复合板进行累积叠轧发现：当循环道次数小于4时，Ti和Al层厚度均匀，且结合界面仍保持平整(见图5a)；4道次后不同层之间发生不同程度的剪切变形，导致各层厚度不一，且结合界面不平整(见图5b)；随着循环次数的增加，由于各层之间不协调的塑性变形及界面附近强烈的剪切应力分布，较硬的Ti层在破碎前出现塑性失稳(见图5c-e)；12道次后形成一个超细的Ti颗粒均匀分布Ti/Al复合材料，其中Al颗粒的平均晶粒约为200 nm，而Ti颗粒的平均晶粒尺寸约为300 nm(见图5f).

4.2 织构演变

文献[24]研究了AZ31镁合金累积叠轧过程中的取向差和织构演变，如图6所示.取向差分布表明：随着ARB变形道次的增加，小角度晶界的体积分数减少，而大角度晶界的分数则不断增加；ARB材料中晶界取向差比例的显著下降也证实了晶粒细化的机制发生了变化.织构演变规律表明：ARB变形前期，基面织构呈减弱趋势，说明晶粒在这一过程中发生了大角度旋转.AZ31合金的基面织构弱化主要与ARB过程中的剪切变形以及动态再结晶相关.当ARB工艺变形5道次后，材料的组织变得更加细小、均匀，晶界畸变减少，且形成新晶粒以及晶粒细化的速率均呈下降，从而促使基面取向的强度又有所增强.

文献[25]指出累积叠轧过程中形成的大量剪切带对材料的织构变化产生影响，主要取决于以下两个方面：(1)对轧制织构组分强弱的影响.Wagner等[26]认为剪切带会引起向TD旋转的Cu组分(如Taylor {4411}<1118>)逐渐转回原来的Cu取向，从而保持了Cu织构组分的取向稳定性.Kocks等[27]将这种由剪切所引起的稳定取向波动现象定义为“几何取向稳定性”.(2)对热处理后再结晶织构的影响.ARB轧制引起的剪切带对材料的再结晶织构有弱化作用.Quadir等[28]探讨了剪切带对纯金属Al的再结晶织构弱化的原因，认为：薄片状Al组织内的部分剪切带具有从β 线旋转一小角度的倾向，这种特征不仅有助于退火阶段剪切带内部的组织形核，也在一定程度上削弱了纯金属Al再结晶织构的强度.除此之外，材料中的第二相颗粒、不同道次间的再加热以及轧制温度等也对叠轧金属材料的织构变化产生一定的影响.

4.3 力学性能

已有的研究表明，微米级超细晶金属材料，其强度和晶粒尺寸仍服从Hall-Petch关系，即材料的屈服强度与晶粒尺寸的倒数的平方根成正比.如图7[29]所示，随着叠轧道次的增加，CP-Ti材料的晶粒尺寸从10 μm减少至120 nm，同时证实了晶粒尺寸与屈服强度的变化满足Hall-Petch关系.

另外，金属材料的晶粒尺寸与其韧性也有着密不可分的关系：如当晶粒尺寸从10 μm细化到1 μm时，钢材的屈服强度可提高1倍以上，其韧脆性转变温度可下降至-200 ℃以下，从而显著地改善了钢材的低温韧性.

ARB加工作为一种材料的强韧化手段，其主要的强韧化机制是细晶强化，即通过大塑性变形实现材料的细化晶粒和大幅度改善材料的强韧性，如图8a所示[30].表2汇总了不同金属材料经不同条件ARB轧制后的组织-性能之间的关系[31].例如，在500 ℃对IF钢进行7道次温轧后，抗拉强度(Ultimate Tensile Strength，UTS)可增至870 MPa.然而，在ARB过程中引入的大量缺陷及畸变还会诱导其它强化因素参与作用.例如文献[30]定量探讨了IF钢及复合材料ARB轧制过程中的位错密度变化情况，如图8b所示.可以看出，随着循环道次的增加，三种ARB材料中的位错密度均增加，并且位错密度增加的速率与循环道次有关系，比如1道次后位错密度显著增加，而随着进一步的变形，位错密度增加趋势变得平缓.同时，SiC颗粒通过抑制位错的运动使材料进一步硬化.

5 应用前景与展望

如前所述，ARB工艺的核心技术即通过大的塑性变形，使材料的晶粒尺寸细化到超细/纳米水平，从而可大幅度改善材料的性能.与其它的大塑形变形工艺相比，ARB材料的合金含量较少，从而可以降低生产成本，提高可回收率，这也更加满足当前社会对金属加工领域提出的“绿色环保”的具体发展要求.

依据材料的延展性或塑性变形能力，目前采用ARB加工的材料主要涉及两种不同类型的金属材料：(1)延展性好或塑性变形能力强的纯金属材料，如Al、Cu和Fe等.这类金属材料的主要优势在于在制备出超细晶材料的过程中金属表面不易产生裂纹.尽管许多的研究者对这类材料变形后的组织和力学特征进行了大量的研究，但是有关变形过程中金属材料的细晶形成过程、机理以及相应的ARB工艺参数方面的研究还不太系统，仍需开展更深入的研究.(2)延展性差或塑性变形能力弱的金属材料，如Mg合金、Al-Mg合金等.这类材料在累积叠轧过程中，极易形成边缘裂纹，并最终扩展至中心区域，从而限制了循环道次的增加，也阻碍了其在ARB中的实际应用.对于这类塑性较差的合金，一般需通过特殊工艺(如温轧)，改善其塑性后再进行叠轧等.然而，有关改善该类金属材料的强度和延展性的ARB工艺技术的研究报道还非常有限，尤其是对这类合金叠轧后的塑性变形机制及其热稳定性等方面尚待进一步的研究.

注：RT表示室温.

此外，通过ARB技术制备的异种多层复合材料兼具功能材料的特有属性如导电、导热和耐腐蚀性等，深受国内外学者的广泛关注.尤其是，ARB技术在超薄复合板带制备上具有利于产业化、环境污染小、结合强度高等优点，目前已可以成为制备超薄复合板带的最有效的途径之一[33].因此，超薄复合或多层板带将有望成为累积叠轧技术方面的一种新的应用领域，而与之相关的先进工艺研究也是未来该领域的一个新方向.

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An accumulative roll bonding technology for bulk ultrafine/nano-structured metallic materials

Cai Minghui

School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China

This work summarized a severe plastic deformation (SPD) technique for preparing bulk ultrafine-nano-structured metallic materials, i.e. accumulative roll bonding (ARB). Particular emphasis was placed on the fundamental understanding of the ARB technology principle and the interfacial bonding mechanism. According to preliminary research work, the grain refinement mechanism, texture evolution, structure-property relationship and the major strengthening mechanisms in the ARB-processed materials were discussed in detail. The major problems existing in practical applications of ARB were addressed to make it one of the most promising process in preparing materials with UFG microstructure.

accumulative roll bonding; ultrafine-grained; interfacial bonding; texture; strengthening mechanism

10.14186/j.cnki.1671-6620.2015.04.006

TG 333.7

A

1671-6620(2015)04-0275-08