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1、第8章 塑性加工复合8.1 复合材料与复合方法1.复合材料复合材料 复合材料，顾名思义，就是由两种或两种以上的材料由两种或两种以上的材料经过一定的复合工艺制造出来的一种新型材料经过一定的复合工艺制造出来的一种新型材料。自然界中原本就存在着许多天然的复合材料。例如，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体，动物骨骼则是由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成的。人类很早就接触和使用了各种天然的复合材料，并且仿效自然界制造复合材料。例如，早在6000多年前，我国陕西半坡人就懂得将草梗合泥用以筑墙；而我国著名的传统工艺品漆器正是由麻纤维和土漆制作的人工复合材料，至今已有4000多年的历史。现代复合材料的起源，一般
2、公认为1942年，即美国Pittsburgh Plate Glass公司将玻璃纤维织网含浸于芳基酯系非饱和聚酯树脂之中，然后将含浸网叠合起来，施以固化处理，意外地制得一种在性能上从未有过的高弹性率、高强度的树脂板，俗称玻璃钢玻璃钢。这一年中玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料首次被美国空军用于制造飞机构件。这一结果激发了世界规模的复合材料研究热潮，形成了复合材料的专门学科，并使得复合材料能在非常广泛的领域得以实际应用。国际标准化组织（ISO）将复合材料复合材料定义定义为是：两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。和 认为复合材料是两个或两个以上组元或相组成的混合物，并应满足下
3、面三个条件：组元含量大于 5%；复合材料的性能显著不同于各组元的性能；通过各种方法混合而成。复合材料由基体和增强剂两个组分构成：复合材料结构通常一个相为连续相，称为基体基体；而另一相是一以独立的形态分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和和增强，称为增强剂增强剂（增强相增强相、增强体增强体）。增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。增强剂（相）可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。复合材料的突出优点之一就是性能的可设计性性能的可设计性，它可以综合各种材料的优点，按需要复合成为综合性能优异的新型材料。这使得人们对
4、材料的研究将逐步摆脱过去单纯依靠经验的方法，向着按预定性能设计新材料的方向发展。复合材料的种类按分类方法的不同而异。结构材料结构材料；功能材料功能材料。分散分散(掺和)强化型复合材料强化型复合材料、层状复合材料层状复合材料(或称接合型复合材料)、梯度复合材料梯度复合材料(或称梯度功能材料)等。按用途：按组成：（1）分散强化型复合材料分散强化型复合材料 分散强化型复合材料是指一种或一种以上的材料(强化相)分散在另一种材料(基体)之中的一类复合材料，如图8-1所示。按照基体基体材料的种类不同，分散强化型复合材料可分为三大类：金属基金属基复合材料复合材料(metal matrix composite
5、s：MMC)；陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料(ceramic matrix composites：CMC)；高分子基高分子基复合材料复合材料(polymer matrix composites：PMC)。若按强化材料强化材料的形态来分，又可分为颗粒颗粒(粒子粒子)弥散强弥散强化复合材料化复合材料、晶须强化复合材料晶须强化复合材料，纤维强化复合材料纤维强化复合材料(FRM、FRC、FRP)三类。根据强化材料的尺寸，粒子强化复合材料粒子强化复合材料可细分为纳米纳米复合材料复合材料(强化粒子的尺寸为纳米级)与颗粒复合材料颗粒复合材料(强化粒子的尺寸在0.1m以上)；纤维强化复合材料纤维强化复合材料可细
6、分为连连续纤维复合材料续纤维复合材料与非连续纤维非连续纤维(包括长纤维和短纤维包括长纤维和短纤维)复合材复合材料料。此外，按照强化材料(颗粒或纤维)是被直接加入基体之中，还是在基体中通过反应(化学反应)生成的，分散型复合材料又可分为掺入型掺入型与原生原生(In-situ)复合型复合型。原生复合材料原生复合材料也称为自生复合材料自生复合材料或原位复合材料原位复合材料。例如，在粉末冶金成形过程中，利用高温下的内部反应来生成Al2O3颗粒弥散强化铜基复合材料(称为内部氧化反应法)：2Cu-Al+3CuO5Cu+Al2O3（2）层状复合材料层状复合材料 层状复合材料是各组元材料自成一个或数个整体，组元
7、之间以界面接合的方式复合成一体，因而也称为接合型复合材料。传统的包覆材料，如铝包钢线、复合钢板(多层复合板)以及减振板等是典型的层状复合材料，如图8-2所示。按照构成复合材料组元的类型不同，层状复合材料又可细分为金属金属复合材料，金属陶瓷复合材料等多种，如图8-3所示。层状复合材料层状复合材料金金属属金金属属，如铝钢复合板、双金属管、包覆导线 （铝包钢、铜包钢、铜包铝)金金属属陶陶瓷瓷，如金属陶瓷双层(或多层管)、陶瓷镀膜金属金金属属高高分分子子，如树脂包覆板、管、棒、线材，减振材料，夹层复合板，蜂窝板陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷，如多层陶瓷陶瓷高分子陶瓷高分子，如夹层复合板高高分分子子高高分分子子，如多
8、层高分子、人造革、夹层复合板图8-3层状复合材料的分类 只要采取适当的预处理，可以在一定的温度或压力的作用下，或通过塑性变形塑性变形将许多的金属或合金接合成一体，并可使其界面达到金属学的接合(也称冶金接合)，各种金属或合金相互之间的可能组合如表8-1所示。(3)梯度复合材料梯度复合材料（梯度功能材料）梯度复合材料中组元的含量沿着某一方向(例如厚度方向)产生连续或非连续的变化，组元连续变化的称为连续梯度复合材料，非连续变化的称为非连续梯度复合材料，如图8-4所示。组元梯度化的目的是为了实现材料性能的梯度化，赋予材料多种功能，以满足一些特殊的使用需要。因此，梯度复合材料也称梯度功能材料(funct
9、ionally gradient materals，FGM)。例如，金属具有良好的韧性、耐疲劳性与可加工性(结构性)，而陶瓷材料则具有优良的耐高温、耐腐蚀性能。内层为陶瓷、外层为金属的复合管可以满足燃气涡轮机、航天与航空飞行器发动机燃烧器等部件既需要耐高温、耐腐蚀。又需要作为结构材料的可加工性这样的综合性能要求。由于金属与陶瓷之间热膨胀系数通常相差很大，直接将陶瓷与金属复合在一起的双层管，其耐热冲击、热疲劳性能差，使用时陶瓷层容易产生裂纹、剥落等问题。解决这一问题的理想方法是陶瓷与金属在成分上实现梯度化，即沿着管材壁厚方向由内表面层百分之百的陶瓷连续过渡到外表面层百分之百的金属。成分连续梯度化
10、的管材，其成形在方法上还存在许多困难，如图8-5所示的属于非连续梯度材料的金属与陶瓷的多层复合化(在陶瓷与金属层之间加上若干层陶瓷与金属混合物的过渡层)因而受到重视，有可能较早地达到实用化。2.复合材料的性能复合材料的性能 复合材料共同的特点是：可综合发挥各组成材料的优点，使一种材料可具有多种性能；可按照需要进行材料的设计和制造；可一次性制成所需形状的产品，避免多次加工工序。在进行复合材料的性能设计，或者使用复合材料时，需要知道复合材料的性能与组元材料的性能及组成比之间的关系，这种关系称为复合准则复合准则(Rule Of Mixtures，常简称为ROM)。用于复合材料的弹性系数、强度、导电导
11、热等性能设计的准则，主要有简单复合准则和基于弹性理论的复合准则，这里介绍简单复合准则简单复合准则。作为简单估计，复合材料的性能与组元的体积含量成正比，存在如下一般关系：式中，Pc只代表复合材料的性能指标，Pi代表各组元的性能指标，Vi代表各组元的体积含量，N代表组元的数目，n为实验参数。大量实验研究的结果表明，n的取值满足1n1的关系。上式称为简单复合准则简单复合准则。当n=1，且复合材料由基体和一种强化相组成时(N=2)。上式成为如下形式：式中，下标c代表复合材料，m代表基体，r代表强化相。显然，组元的体积分数满足关系Vm=1Vr。该式也称为经典复合准则，它是在研究单向纤维强化复合材料沿纤维
12、方向的力学性能时总结得出的，故又称为并列模型并列模型，如图8-6(a)所示。当n=1时，若N=2，则成为 或 这种模型称为串列模型串列模型，如图8-6(b)所示。当n=0时，若N=2，则成为常数恒等式。为此，用下述对数关系来描述n=0时的性能关系：或 简单复合准则的适用范围因复合材料的种类不同而异。对于层状复合材料层状复合材料，采用并列模型并列模型和串列模型串列模型来预测各种性能，一般可以获得令人满意的结果。对于分散强化型复合材料分散强化型复合材料，如下表所示，对应于不同的n，所适用的对象(复合材料)不同，可预报的性能也不同，但均可用于弹性模量的预报。这是因为弹性模量是一种组织结构不敏感的材料
13、特性，受应力应变状态、变形履历、温度条件等的影响较小。3.复合方法复合方法 复合材料因种类不同其制备与加工方法各异。对于金属基复合材料(分散强化型金属复合材料)，直接利用塑性加工的方法进行成形，然后进行烧结固化，或采用铸造、粉末冶金等方法制备毛坯，然后采用锻造、轧制、挤压等方法进行二次加工的复合材料占绝大部分。层状金属复合材料主要采用爆炸焊接或扩散焊接后进行塑性加工，或利用塑性加工直接复合成形。对于金属基复合材料，其主要的复合方法有如下一些：颗粒强化金属基复合材料 主要有粉末冶金法、铸造法、喷射共沉积法、预制件渗浸法等；晶须强化金属基复合材料 主要有粉末冶金法、铸造法、预制件渗浸法等；纤维强化
14、金属基复合材料 主要有粉末冶金法、扩散结合法、预制件渗浸法、两相合金复合法等；层状复合材料 一般分为机械结合法机械结合法与冶金结合法冶金结合法两大类。其中典型的机械接合法主要有镶套(包括热装和冷压入)、液压扩管(胀形)、冷拉拔等方法；而典型的冶金接合法主要包括：(a)爆炸成形，或爆炸成形后进行轧制；(b)扩散热处理；(c)轧制成形，包括热轧，冷轧+扩散热处理，液态轧制复合；(d)挤压成形，包括复合坯料热挤压、温静液挤压、热挤压包覆等；(e)粉末塑性加工，或粉末塑性加工后烧结；(f)摩擦焊接；(g)复合铸造，包插包覆铸造、反向凝固、双流铸造、双结晶器铸造。某些方法所成形的层状复合材料因成形条件而
15、异，其界面结合状态介于上述两种情形之间。例如，带张力挤压复合(参见图8-30)、冷轧与温轧(轧后无扩散热处理的情形)。以下介绍采用塑性加工塑性加工进行复合的主要方法。8.2 轧制复合 轧制复合法主要用于双金属板双金属板以及减振钢板减振钢板、铝铝-塑塑复合板复合板的成形。轧制复合时，按照坯料是否加热，可分为热轧复合热轧复合、冷轧复合冷轧复合和温轧复合温轧复合三种。此外还有一种利用爆炸成形进行接合(焊接)，然后进行轧制成形的方法。下面讨论：双金属复合板双金属复合板 减振钢板减振钢板 铝塑复合板铝塑复合板 1.双金属复合板双金属复合板 双金属板的轧制复合成形原理如图8-7所示，不同的金属在一定的温度
16、、压力作用下通过变形接合(焊合)成一体。可用于轧制成形的复合板的种类很多，例如，表8-l所示的一些金属和合金的组合。热轧复合热轧复合冷轧、温轧复合冷轧、温轧复合爆炸焊接爆炸焊接-轧制成形法轧制成形法（1）热轧复合热轧复合 先将金属板的接合面仔细清洗干净。为了提高界面的接合强度，还可对接合面进行打磨，提高其粗度。轧制坯的制备主要有如图8-8所示的两种方式，其中图(a)为单一复合坯单一复合坯的情形；图(b)为组合型复合坯组合型复合坯的情形。单一复合坯单一复合坯适合于两种金属在变形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形；组合型复合坯组合型复合坯适合于复合层与基体板材在厚度或变形抗力上相差较大的情形。在保持内
17、部为真空的条件下将组合坯的四周焊合成一体。为了便于在复合后将上下复合板分开，需在两组复合坯之间涂覆耐热化合物，以防止轧制时产生焊合。然后对复合坯进行加热轧制，直至所需厚度。当界面较清洁时，一般只需百分之几的压下率即可实现有效接合，获得高性能的复合界面。热轧复合法的缺点缺点在于：当被复合的材料为铝、钛等活性金属时，易在界面生成脆性金属间化合物；由于坯料的长度受限制，轧制后切头剪边部分所占比例较大，对成品率影响较大。（2）冷轧、温轧复合冷轧、温轧复合 冷轧复合时界面接合较困难。但由于无加热所带来的界面氧化，不易在界面生成化合物，无需真空焊接等坯料前处理工艺措施，因而金属组合的自由度大，适应面广。冷
18、轧复合的一般方法如下，轧制前先将接合面的油脂、氧化物除去，然后将被复合的材料叠在一起进行轧制。为了获得较好的界面接合，轧制压下率通常需要在70以上。由于冷轧复合的前处理与轧制均较容易实现连续作业，故可使用卷状坯料(板卷)，以提高生产率与成品率。但冷轧复合时的界面几乎没有扩散效果，要达到完全接合很困难。因此，往往在冷轧复合后施以扩散热处理，提高复合材料的界面接合强度。此外，对于冷轧接合较困难的材料，亦可在轧制复合前进行适当的加热，即采用温轧复合的办法。图8-9为带轧前连续加热(低温)，轧后在线连续扩散热处理设备的轧制复合生产线。（3）爆炸焊接爆炸焊接-轧制成形法轧制成形法 有些金属在常温或低温下
19、不容易轧制接合，而采用高温轧制复合法又存在坯料前处理复杂、成品率低，或金属之间易发生反应而形成脆性化合物等缺点。若采用爆炸成形法进行复合(焊合)，然后再采用常规轧制法(冷轧或热轧)进行加工可以解决上述问题。爆炸焊接的原理如图8-10所示。基板平放在沙土堆上，覆层板通过软质支撑呈一定角度(13)支撑在基板上方，覆层板与基板之间的间隔(利于形成冲击)大约与覆层板的厚度相等即可。炸药均匀堆放在覆层板上面，通过引爆在起爆端的雷管，利用爆炸的巨大冲击力以及爆炸位置的迅速和连续传播，在很短的时间(通常为零点几秒)内即可完成整个焊接复合过程。爆炸成形是一种高能高速成形，其瞬时接合压力可高达104MPa以上，
20、因而可使界面两侧的原子达到很近的距离，加上接合过程中伴随有塑性变形，有利于界面接合。虽然焊接过程中伴随有高温的产生，但由于复合在很短的时间内完成，能很好地抑制活性金属之间的化学反应。2.减振钢板减振钢板（1）金属减振材料 金属减振材料可分为金属本身具有振动衰减性能的合合金型金型，通过与黏弹性高分子材料复合而获得较高的振动衰减功能的复合型复合型两大类。一般而言，材料的强强度度与减振性能减振性能是呈相反变化倾向的两个性能指标，如图8-11所示。在所有金属材料中，镁是减振性能最好(衰减系数最大)的材料。复合型减振材料复合型减振材料又可分为黏弹性材料位于两层金属之间的拘束型拘束型与在金属板的表面涂覆或
21、粘贴黏弹性材料的非拘束非拘束型型两种。以减振钢板为例，其基本特征如表8-3所示。复合型减振材料的基本原理是，振动时的薄板弯曲在树脂层内引起剪切或伸缩变形，分子之间产生黏性摩擦，将振动能量转换成热能而起到使薄板的弹性振动快速衰减的作用。（2）减振钢板的结构及其应用 减振钢板的结构：结构：减振钢板一般属于拘束型复合减振材料，即在两层钢板之间复合一层黏弹性树脂(高分子材料)，以达到吸收振动能量，减少结构件噪音之目的。黏弹性中间层的厚度一般为0.050.2mm。黏弹性材料一般均具有流变学的特征，即材料的力学特性随温度的变化而变化。中间黏弹性层的振动衰减性能也随温度的变化而变化，在一定的温度下具有最大的
22、振动衰减系数，而不同的黏弹性材料往往在不同的温度下表现出最大的振动衰减性能。因此，通过选择中间层树脂的种类，可以制备常温或高温用减振钢板。减振钢板常用的中间层树脂有：醋酸乙烯系、聚异丁烯系、丙烯基改性聚乙烯系、聚氨基甲酸乙酯橡胶系等热可塑性高分子材料。所用钢板除一般冷轧钢板外，还有锌熔镀、电镀钢板、涂层钢板、不锈钢板等。国外市售的减振钢板主要有块状与卷状两种。表8-4为有代表性的实用减振钢板。减振钢板的应用：应用：主要有两个方面：一是为了改善薄板部件的共振性改善薄板部件的共振性。汽车零部件一类的薄板部件的噪音主要是由于其共振所引起的。对于这一类噪音过去的对策主要是采用隔音的方法，而这种方法显然
23、不利于部件的轻量化与生产的低能耗化，是一种消极的对策。减振材料则是针对噪音发生的根源采取积极的措施，致力于使材料本身具有“减振”功能。因此，减振钢板在过去30余年的时间内取得了较大的发展。另一个应用领域是新型建筑结构材料新型建筑结构材料。钢轨、铁桥、钢制楼梯、走廊等，这一类噪音源是因为金属撞击而引起的，使受撞击后材料内部的弹性振动尽快衰减，是减少撞击噪音的根本对策。因此，从建筑结构材料的观点来看，减振钢板是同时具有高比强度、大尺寸等常规钢板特性与良好的柔软性、低噪音等木材特性的新型建筑结构材料。在工业化发达国家，减振钢板已在屋面材料、公寓楼梯与走廊、学校体育馆地板以及钢制家具等方面得以实用化。
24、（3）减振钢板的成形 如上所述，减振钢板多为钢板-树脂-钢板三层结构的拘束型，根据中间层树脂的形态不同，其成形方法可分为两种。一种为稀释树脂涂覆、压接法。这种方法适合于采用常温下黏结能力很强的树脂成形块状减振钢板的情形，其工艺过程如图8-12所示。将块状钢板清洗、干燥后，在其复合面上涂覆一层经稀释了的树脂，再经干燥后叠合，在辊式压力机上压合即得减振钢板。另一种成形法为采用具有热熔化接合性树脂膜进行复合的方法(以下简称为树脂膜夹层连续复合法树脂膜夹层连续复合法)，其工艺过程如图8-13所示。由于近年来多层树脂膜成形技术的进步，已能比较容易地制备接合层-减振层-接合层型三层树脂膜，促进了树脂膜夹层
25、复合法的应用。树脂膜夹层复合法使得采用卷状板坯(板卷)进行连续复合成为可能。图8-14所示为连续复合时的实际生产线示意图。该生产线适合于采用板厚0.42.0mm，板宽8001550mm的板卷成形减振钢板。树脂膜夹层连续复合法各工艺步骤的要点：脱脂脱脂：为使钢板与树脂之间的接合良好，需要除去钢板表面的油脂、灰尘。常用的方式有碱性液喷洗法，也有采用电解法除脂的。下板预热下板预热：为了能将树脂膜贴合在钢板的接合而，需要将钢板加热到树脂的热熔化接合温度。树脂膜贴合树脂膜贴合：采用叠层辊将树脂膜贴合到钢板上。上、下钢板的加热上、下钢板的加热：将上钢板与贴合了树脂膜的下钢板分别置于加热炉内加热至树脂的熔点
26、以上。辊压辊压：通过压着辊将上、下钢板压合成一体。冷却冷却：上、下钢板压合后，需对减振钢板进行冷却，冷却方式多为风冷。目前，由于钢板加热能力的限制，在线生产速度一般为每分几米至十几米。只要设备的加热能力足够的话，理论上的成形速度可达100m/min。还有以下两种已经实用化了的方法。一种是在常温下将树脂膜夹于钢板之间，然后加热进行压合的方法；另一种是通过将薄钢带缠绕在热轧辊上实现连续预热并贴合树脂膜的成形方法。其工艺概要如图8-15所示。3.铝塑复合板铝塑复合板 类似于减振钢板的结构，铝-塑复合板以铝板或铝箔为面料，以聚乙烯或聚氯乙烯为芯料，经预处理、辊压等工艺进行复合。作为新型建筑、装饰材料，
27、铝-塑复合板具有重量轻、机械强度高、隔音隔热效果好、防火、防水，以及良好的耐冲击、耐候性等，且外表美观、使用方便、利于施工。主要用于宾馆、酒楼、高档公寓、商场的户外装修以及柜台、家具等室内装修，还可以用于客车、火车、轮船等的室内间隔材料，以及机械、仪器、电器设备等。8.3 挤压复合 采用挤压法挤压法可成形的金属复合材料分为两大类：一类为分散分散(弥散弥散)强化型复合材料强化型复合材料，即通常所说的金属基复合材料，一般采用粉末冶金或铸造的方法制坯后进行热挤压，以达到固化、赋予复合材料各种断面形状、提高材料致密度和性能等目的；另一类为层状复合材料层状复合材料，如各种铝包钢线、双金属管等包覆材料，复
28、合板、夹层板等层状复合材料，以及其他特殊类型的复合材料。图8-16所示为几种典型的挤压成形挤压成形层状复合材料层状复合材料，其中图(a)、(b)为通常所谓的包覆材料包覆材料，(c)为特殊类型的层状复合材料。采用挤压法制备层状复合材料的历史，可以追溯到1879年法国的Borel、德国的Wesslau开发的铅包覆电缆生产工艺。在此基础上发展起来的正向挤压包覆正向挤压包覆、侧向侧向挤压包覆挤压包覆等方法在当今仍被广泛使用。1.双金属管挤压双金属管挤压 所谓双金属管双金属管是指管壁为双层结构，内层与外层为不同金属或合金的一类管材。双层化的目的双层化的目的是为了使管材同时具有多种机能(如高强度、耐蚀性、
29、导热性与加工性等)，以满足管材内外不内外不同介质同介质(流体)的需要。根据使用目的不同，内外层金属的组合也不同。表8-5所示为双金属管的种类及用途实例。双金属管的成形方法主要有挤压法挤压法、爆炸法爆炸法、拉拔法拉拔法、液压扩管法液压扩管法等。前两种方法为冶金接合法冶金接合法，后两种方法为机械接合法机械接合法，挤压法主要有复合坯料挤压法复合坯料挤压法与多坯料挤压多坯料挤压法法。（1）复合坯料挤压法复合坯料挤压法 复合坯料挤压法的原理如图8-17所示，挤压前将成形内外层用的两个空心坯空心坯组装成一个复合坯，然后进行挤压。为了提高界面接合强度，需将内外层坯料的接触界面清洗干净。同时，为了防止坯料加热
30、过程中产生氧化而影响界面的接合，需要在复合坯组装后采用焊接或包套的方法对坯料两端端面上内外层之间的缝隙进行密封。复合坯料挤压法的最大的优点优点是：挤压时的延伸变形将使界面上产生较大比例的新生表面，同时模孔附近挤压变形区内的高温、高压条件非常有利于界面原子的扩散，从而达到冶金接合(或称金属学接合)。复合坯料挤压法的最大的缺点缺点是：由于挤压时金属流动不均匀金属流动不均匀，容易造成挤压管材沿长度方向内外层壁厚不均匀内外层壁厚不均匀，如图8-18(a)所示。因此，现行生产标准对双金属管壁厚均匀性的要求很低，同一层(内层或外层)在制品头部和尾部的壁厚之差允许在50以内。如图8-18(b)所示，当内外层
31、坯料的变形抗力相差较变形抗力相差较大大时，容易产生外形波浪外形波浪、界面呈竹节状界面呈竹节状甚至较硬层产生破断的现象，因而金属的组合受到很大限制。复合坯料挤压双金属管内外层壁厚不均匀，主要起因于挤压时金属流动不均匀，因而所有改善挤压金属流动均匀性的措施，均有利于改善双金属管的壁厚不均匀性，例如，在良好的润滑状态下挤压、选用合理的挤压比与挤压模角等。综上所述，控制复合坯料挤压双金属管的质量需要注意如下几个方面的问题：复合坯料的界面干净；尽可能采用较大的挤压比，增大界面的新生面比率，促进冶金接合；内外层材料的变形抗力差尽可能小；采用合适的挤压条件，使挤压时的金属流动尽可能地均匀；采用合适的挤压温度
32、，控制界面上金属间化合物的生成。（2）多坯料挤压法多坯料挤压法 如上所述，常规的复合坯料挤压法复合坯料挤压法成形的双金属管，其内外层壁厚均匀性差，同时由于内外层材料的变形抗力不能相差太大，因而材料的组合受到限制。著者（谢建新）等人为成形高强度材料空心型材与新型复合材料而开发的多坯料挤压法多坯料挤压法。能很好地克服常规复合坯料挤压法的缺点，适合于双金属管的成形。图8-19为采用多坯料挤压法成形双金属管的实验装置。成形用挤压模采用双层结构，如图8-20所示。双金属管的成形过程如下。在位于OA断面上的两个挤压筒内装入外层管用坯料，在位于OB断面上的两个挤压筒内装入内层管用坯料。挤压时，OB断面上的两
33、个锭坯被挤人内层挤压模的焊合腔焊合腔(见图8-20)内焊合，然后通过内层挤压模的模孔流入外层挤压模的焊合腔。在外层模焊合腔内内层管在保持新生表面无氧化、承受高温和一定压力作用的状态下，被从OA断面上的两个挤压筒内挤入的外层管材料包覆，然后由外层挤压模的模孔流出成为双层管。如上所述，由于内层管是在表面无氧化、承受高温和一定压力作用的状态下与外层管复合成一体的，故可获得良好接合状态的内外层界面。图8-21所示为采用多坯料挤压法成形多坯料挤压法成形的纯铝纯铝A1050(相当于L3)与铝合金铝合金A2014(相当于LD10)双金属管的外形。其中，内层与外层的挤压比均为8.7，挤压温度500。检测分析的
34、结果表明，无论是内层强度高于外层或者反之，内外层厚度在制品的长度方向与圆周方向尺寸均匀，这是常规的复合坯复合坯料挤压法料挤压法所无法实现的，也表明采用多坯料挤压法成形双金属管时，内外层材料组合的自由度大。热挤压状态双金属管内外层界面附近的光学显微组织如图8-22所示，界面附近无孔洞、空隙或夹杂等缺陷存在，接合状态良好。电子探针显微分析电子探针显微分析(EPMA)的结果表明，A2014合金层中的Cu元素越过界面向A1050纯铝层进行了扩散，扩散层厚度达10m以上。以上结果证明内外层界面为冶金接接合，这种高性能的界面接合是除复合坯料挤压法以外的其他方法(如扩管、拉拔等方法)成形双金属管时所无法实现
35、的。由上述讨论可知，采用多坯料挤压法成形双金属管具有以下优点优点：直接采用圆形坯料进行挤压，可以省去制备复合坯料的工序；制品的内外层壁厚尺寸均匀，无竹节、断层、起皮等缺陷产生；内外层界面焊合质量好，达到金属学的接合；坯料组合自由度大，即使是材料的变形抗力相差较大的内外层组合也能正常成形。多坯料挤压法的缺点缺点是，坯料加热、挤压装料等操作以及挤压工模具工模具的结构较常规挤压法复杂。2.包覆材料挤压包覆材料挤压 包覆材料可分为普通包覆材料(或称单芯包覆材单芯包覆材)与多芯包覆材多芯包覆材两大类。最为常见的单芯包覆材有各种包覆线材，如电线、电缆，高强度导线或耐蚀导线，异型复合导电材料，以及一些特殊用
36、途的包覆材料。典型的多芯包覆材料是低温超导多芯复合线。（1）单芯包覆材料单芯包覆材料 表8-6为各种单芯包覆线材单芯包覆线材的代表，用于导电或电器元件的线材占主要多数。这一类复合线材的特点是，在利用铜、铝的优秀导电、导热性，铝的低密度(=2.7g/cm3)的同时，通过复合赋予线材以特殊的物理性能(如低线膨胀系数)或高强度、高刚性、耐蚀耐磨性等。表中的装饰用钛芯包覆线主要是为了利用钛的低密度(=4.5g/cm3)、高刚性等优点，而弥补钛的焊接性、电镀性以及伸线(拉拔)加工时表面质量差等缺点。另一类单芯包覆材料是断面形状为非圆形的异型异型复合导电材料复合导电材料，常见的有如图8-23所示的铜包铝(
37、或钛包铜)导电材料与铝包钢电车导线。对于铜包铝导电材料，横断面上铜面积的比例约占1015。单芯包覆材料单芯包覆材料的成形主要采用挤压挤压或挤压后再进行拉挤压后再进行拉拔拔的方法。代表性的挤压单芯包覆法有如下几种：复合坯料常规挤压法；静液挤压法；连续挤压法；带张力挤压法；多坯料挤压法。其中前两种方法为采用复合坯料进行挤压的方法，包包覆材覆材与芯材芯材同时产生塑性变形；后三种方法属于单纯包覆法，芯材一般不产生塑性变形。A 复合坯料常规挤压法复合坯料常规挤压法(芯材变形)芯材同时产生塑性变形的复合坯料常规挤压法是单芯包覆材料成形的最基本的方法，成形原理如图8-24所示。与双金属管复合坯料挤压成形时的
38、情形一样，这种方法的最大优点是生产工艺比较简单，且因为变形量大，加之热挤压时变形区内高温高压的作用，复合制品的界面比较容易实现冶金接合。由于挤压流动不均匀性的特点，挤压制品沿长度方向包覆比包覆比(也称包覆率包覆率，定义为包覆层的厚度与制品直径之比，或包覆层的断面积与制品横断面积之比)不均匀严重不均匀严重。当内外层材料的变形抗力或塑性流动性能相差较大时，还容易产生波浪波浪、竹节竹节、芯材破断芯材破断、包覆层破断包覆层破断、内外层内外层之间鼓泡之间鼓泡、表面皱纹等缺陷表面皱纹等缺陷，如图8-25所示。在常规缺陷中，竹节竹节、芯材破断芯材破断、表面皱纹缺陷表面皱纹缺陷多见于内硬外软(即芯材变形抗力高
39、于包覆层的变形抗力)的金属组合；包覆层破断包覆层破断缺陷多见于外硬内软的金属组合，而内外层之间鼓泡内外层之间鼓泡缺陷则是因为界面有油污、气体存在所致。通过选用具有合适模角的挤压模，在坯料与挤压筒壁之间进行润滑等措施，可以减轻或减少缺陷的形成，扩大挤压成形范围。为了获得界面接合质量高的包覆材料，与双金属管的复合坯料挤压成形时的情形一样，在确定挤压工艺挤压工艺时，需要注意如下一些问题：保证坯料界面干净保证坯料界面干净，防止坯料复合后放置过程中或加热过程中产生界面氧化。采用较大的挤压比采用较大的挤压比，保证界面在变形过程中产生足够的新生面。在热挤压热挤压条件下，对于接合性能好的金属组合，挤压比在2以
40、上的变形程度即可获得满意的接合强度；而对于接合性能较差的金属组合，则应尽可能采用较大的挤压比(45以上)。在冷挤压冷挤压条件下，要获得较高的界面接合强度，一般需要挤压比达到5，7以上，而要获得冶金接合，则需要挤压比达到1020以上的变形程度。控制挤压温度以防止在界面上形成金属间化合物控制挤压温度以防止在界面上形成金属间化合物。例如，钛包铜复合材料挤压时，当挤压温度低于700时，界面化合物层非常薄；而当挤压温度高于800时，界面化合物层厚度迅速增加，严重影响界面的接合质量。当内外层材料在热挤压温度下容易形成化合物。可以考虑在内外层金属之间加入过渡层金属箔，以提高界面接合质量。例如，对于上述的钛铜
41、复合材料，以及铁系复合材料可加Ni或Ni合金箔。对于虽不易形成化合物，但接合性能较差的金属组合，也可以在复合界面之间添加有利于提高接合强度添加有利于提高接合强度的过渡金属层。的过渡金属层。B 静液挤压法静液挤压法 静液挤压静液挤压时，由挤压轴施加的挤压力通过黏性介质作用到坯料上面而实现挤压，如图8-26所示。由于坯料与挤压筒壁、坯料与挤压垫片之间填充有黏性介质而不产生直接接触，且坯料与挤压模之间的润滑状态良好，从而大大改善了金属流动的均匀性。采用静液挤压法静液挤压法有利于克服常规的正向挤压法常规的正向挤压法成形复合材料时容易产生的各种挤压缺陷，尤其是沿制品长度方向包覆层厚度不均匀的问题。由于复
42、合是在高压、芯材与包覆层同时产生塑性变形的条件下进行的，可以获得高质量的复合界面。此外，与常规的挤压方法相比，静液挤压可以在室温或较低的温度下实现大变形挤压，因而适合于在高温下容易形成金属间化合物的复合材料的成形。由于上述特点，静液挤压广泛应用于各种精密电子器件用复合导线、耐蚀性复合导线、复合电极等断面形状较为简单的实心材料的成形。静液挤压包覆时获得无缺陷制品(简称健全制品)的条件与包覆率包覆率、挤压比挤压比、挤压温度下芯材与包覆材的变变形抗力比形抗力比、模角模角、界面摩擦系数界面摩擦系数等密切相关。静液挤压工艺因金属组合金属组合、包覆率包覆率、制品尺寸制品尺寸与断断面形状面形状等的不同而异。
43、铜包铝的静液挤压工艺之一例为：复合锭坯的外径为170mm(其中，铜包覆层的断面积比例为1015)，挤压在室温下进行(高温下挤压铜与铝容易发生反应)，挤压制品为直径950mm的圆棒或20mm5mm100mm12mm的矩形断面。化工、电镀工业上用作电极的钛包铜棒的成形工艺过程如图8-28所示，其中静液挤压温度在650700之间，挤压复合棒的界面接合强度可达120150MPa。静液挤压法成形包覆材料的主要缺点缺点是，生产效率低，成本高，不适合于复杂断面形状材料的包覆。这主要是由于坯料的制备复杂、一支坯料的挤压周期长(非挤压时间长)、成材率低、挤压初期高压液体的密封困难等原因所致。虽然与常规的正向挤压
44、法相比，静液挤压时金属流动的均匀性较好，因而制品长度方向上包覆比的均匀性等大大提高，但包覆比不均匀性仍有一定程度的存在。当挤压温度较高时，异种金属之间仍容易生成脆性化合物，对金属的缀合以及挤压后复合材料的性能均有较大影响。此外，与常规的正向挤压法一样，所定挤压温度下芯材与包覆材的变形抗力不能相差太大，否则容易产生波浪、竹节、芯材或包覆层破断等缺陷。C 连续挤压法连续挤压法(Conform：Continuous extrusion forming)连续挤压包覆成形的基本原理如图8-29所示，适合于芯芯材无变形材无变形的连续包覆成形，如用作架空高压线的铝包钢线和电车输电导线等。该法依靠槽轮的摩擦将
45、原料铝杆连续咬入，可以实现连续和较高速度的包覆。为了实现薄层包覆(即低包覆率)，需要在出口侧对包覆线材施加张力。除如图所示的单轮单槽方式(只有一槽的单轮方式)外，还有单轮双槽、双轮双槽等方式，但其基本的成形原理与单轮单槽相同。D 带张力挤压法带张力挤压法 这是一种在挤压机的前方对包覆制品施加张力，以实现低包覆率(包覆层厚度很小)的挤压法，通常用于在成形温度下芯材的强度远远高于包覆材的强度这样一类包覆制品的成形。带张力挤压法带张力挤压法包括普通正向挤压普通正向挤压、分流模挤压分流模挤压、侧向挤压侧向挤压等三种主要形式，如图8-30所示。带张力挤压法具有如下特点特点：随着挤压比的增加(包覆层厚度的
46、减小)，挤压所需压力上升；而随着前方张力的增加，挤压所需压力迅速下降，包覆层的最大挤压比很快上升，可高达15000以上(包覆层的厚度可薄到0.1mm以下)。该方法非常适合于铝包钢导线以及耐蚀钢线(例如露天条件下使用的钢丝网，铝包覆层在0.1mm以下)的成形，且钢线的强度、材质、尺寸以及铝包覆层的厚度适用范围宽。也可适用于断面形状较为简单的异型线包覆。制品芯材无偏心，包覆层沿周向和长度方向厚度均匀。图8-3l为利用带张力普通正挤压法的实际铝包钢导线生产线示意图。其中，钢线的清洗清洗有扒皮模扒皮、钢丝刷除氧化皮等方法；前处理前处理主要包括脱脂、风干、吹净等工艺。根据需要，挤压复合的包覆线材还可采用
47、流体润滑模拉拔法进行后续加工。（2）多芯包覆材料多芯包覆材料(低温超导复合线)最为典型的挤压多芯包覆材料是低温超导复合线材，一般是由几百乃至上千根直径为十几至数十微米超导纤维复合在一起而成。超导材料基本上可以分为金属系金属系与氧化物系氧化物系两大类，前者为低温超导材料低温超导材料，后者为高温超导材料高温超导材料。目前，已在较广范围获得实用的低温超导材料有Nb-Ti合金(发现于1957年，临界温度9.2K、4.2K下临界磁场12T)、Nb3Sn化合物(发现于1954年，临界温度18K、4.2K下临界磁场22.5T)以及与Nb3Sn为同一类型的(Nb-Ti)3Sn等。这些超导材料的主要特点是加工性
48、能好，可加工成长尺寸线材或线卷，且性能稳定。由于电场、磁场的作用致使超导导体移动而产生的摩擦热，电流与磁场分布变化所引起的超导导线发热，均有可能引起超导状态的破坏而成为常导体。为了防止这种现象的产生，需要采用电阻小、热传导性能良好的铜或铝进行包覆，以便在有局部发热时，其热量能被迅速逸散掉。为了确保上述散热效果，希望超导导体本身成为细小纤维，每一根纤维均能用铜或铝包覆起来，然后再将包覆纤维复合成多芯复合导线。Nb-Ti多芯复合线的加工工艺过程如图8-32所示。首先将电弧炉熔制的Nb-Ti 铸坯挤压或轧制成圆棒状，对表面进行研磨、清洗后插人经过清洗的铜管内进行拉拔成形，制得六角形的铜包覆Nb-Ti
49、复合棒。然后将复合棒切断成一定尺寸长度，经矫直、表面研磨与清洗加工后，以紧密堆积方式排列于铜圆筒内，采用电子束焊接法将两端封闭，制成复合挤压坯。最大的复合挤压坯外径可达400mm，长l000mm，重400kg。采用静液挤压法将复合坯挤压成直径为5080mm的多心复合棒。为了尽可能地抑制铜与钛之间的反应，挤压温度一般选择在600以下。挤压多芯复合棒经反复拉拔伸线、退火处理拉制成所需断面尺寸的线材。图8-33所示为铜与Nb-Ti复合超导线材的断面形状，图中白色部分为纯铜。如前所述，用铜或铝包覆的主要且的是为了获得稳定的超电导效果，目前实用Nb-Ti超导线材中，以铜作稳定包覆材料的占绝大多数。尽管铝
50、在常温下的导电、导热性能比铜差，而在超低温条件(液氦)下，高纯度铝的导电率比高纯度铜要高出30以上。因此，如采用纯铝作稳定包覆材，其效果优于纯铜，且有利于减轻超导线材的重量。但铝的强度低于铜，且铝与Nb-Ti复合时的成形性能比铜与Nb-Ti复合时差，为了利用高纯铝在超低温条件下的稳定(散热)效果，可以采用带张力包覆挤压等方法，将铜包覆超导线材再包覆一层高纯铝。超导线材主要用于超高强度磁场发生器、核磁共振成像系统、磁悬浮、电力输送与蓄能、各种功能器件与装备等方面。3.其他层状复合材料挤压其他层状复合材料挤压 利用分流模挤压技术，除可以成形包覆线材外，还可以成形一些特殊用途的层状金属复合材料。图8