波浪-平界面轧制工艺对无抗氧化措施制备厚规格铝合金/铝/钢复合板界面影响机制研究

为解决厚规格铝合金/铝/钢复合板在低压下率轧制中因材料性能差异导致的高强度界面结合难题，研究人员提出"异温预成形铝层与波浪-平界面轧制（HPAL & WFIR）"新工艺。通过实验与模拟结合，发现500°C轧制温度下界面剥离强度达162 MPa（较300°C提升33%），剪切强度62 MPa（提升37%）。该工艺通过波浪-平界面结构与温度场协同作用，有效破碎氧化层并促进动态回复，为厚板低减量轧制提供新方案。

　　

在船舶制造、轨道交通等高端装备领域，厚规格铝合金/钢复合板因其兼具钢的高强度与铝的轻量化特性成为关键材料。然而，传统轧制工艺面临严峻挑战：当板材厚度超过10mm时，钢层微变形与铝层大变形的不协调性导致复合板极易翘曲，而高减量轧制虽能提升结合强度却加剧变形失控风险。更棘手的是，高温轧制中铝层氧化会形成脆性界面层，进一步削弱结合性能。如何在不采用抗氧化措施的前提下，通过低减量轧制实现高强度界面结合，成为制约行业发展的"卡脖子"难题。

中国某研究机构（根据基金编号推测为山西省属科研单位）的研究团队独辟蹊径，提出"异温预成形铝层与波浪-平界面轧制（HPAL & WFIR）"的创新工艺。该研究通过巧妙设计波浪-平交替的界面结构，结合精准温度场调控，在仅30%压下率条件下使界面剥离强度突破162 MPa，相关成果发表于《Materials Science and Engineering: B》。这项技术不仅破解了厚板低减量轧制的变形渗透难题，更首次揭示了无抗氧化措施下界面强韧化机制，为高性能复合板材工业化生产提供全新路径。

研究团队采用多尺度研究方法：首先通过异温预成形（HPAL）制备具有波浪界面的铝/钢复合板与平界面的铝/铝合金复合板；随后建立热力耦合有限元模型模拟WFIR过程应变场分布；结合电子背散射衍射（EBSD）分析界面微观组织演变；最后通过拉伸剪切试验和剥离试验量化结合强度。所有实验均模拟工业化生产环境，全程未采用惰性气体保护等抗氧化措施。

界面形貌分析
扫描电镜显示500°C轧制后界面呈现连续波浪结构（波高120μm），铝层与钢层形成机械互锁。能谱面扫描证实界面处Fe-Al元素扩散层厚度达8μm，远高于300°C时的2μm。这种"波浪锚固+扩散层"的复合结构是高强度结合的基础。

力学性能突破
在500°C轧制温度下，界面剥离强度较传统工艺提升33%，达到162 MPa；剪切强度提升37%至62 MPa。值得注意的是，这种强化效应在低至30%的压下率下实现，远低于传统工艺要求的60%以上减量。

微观机制揭示
EBSD分析发现两大关键现象：铝侧发生动态回复（Dynamic Recovery），位错密度降低50%；钢侧晶粒尺寸从35μm细化至18μm。分子动力学模拟表明，波浪结构使界面局部应变提高50%，有效破碎预成形阶段形成的Al₂O₃氧化层（厚度<200nm），使其分散为纳米级颗粒。

与传统厚板轧制（TTCPR）对比实验显示，WFIR工艺使中间层塑性应变提高50%，彻底解决了厚板中心变形渗透不足的行业难题。更引人注目的是，即便在无抗氧化措施条件下，高温轧制反而利用氧化层的"自纳米化"效应，使分散的纳米Al₂O₃颗粒成为强化相。

该研究建立了"界面结构设计-温度场调控-性能优化"的全新理论框架：波浪-平界面产生的机械咬合效应与高温促进的元素扩散形成协同强化；动态回复与晶粒细化分别优化铝侧与钢侧性能；氧化层纳米化实现"变废为宝"。这种创新工艺突破了厚规格复合板必须依赖高减量轧制或抗氧化措施的传统认知，为开发更轻、更强、更耐蚀的新一代复合板材开辟道路。在"双碳"战略背景下，该技术有望推动船舶、高铁等重载装备的轻量化革命，据估算可使船舶过渡接头减重40%以上，具有重大工程应用价值。