Ni-Al活性复合材料累积叠轧的研究进展

王鹏程，李子越，王吉凤

摘要：在金属-金属混合物体系中，Ni、Al金属原料成本低，塑性好，冷加工性能好，所以Ni-Al复合材料比较容易实现工业化生产。针对叠轧过程中Ni层的组织变化进行了研究。

关键词：Ni-Al，活性材料，叠轧

引言

与传统含能材料如TNT，DRX等相比，活性材料具有以下优点：首先，反应时所释放能量更大；其次，强度比传统含能材料高，具有一定的结构性能；第三，活性材料可通过加热形成的瞬间绝热温升来触发反应。

作为结构活性材料，金属-金属混合物材料具有很多优良性能，包括可发生高温自蔓延反应，具有较高的密度及强度塑性，并且可以通过不同的制备工艺调整材料的触发敏感性等。在金属-金属混合物体系中，Ni、Al金属原料成本低，塑性好，冷加工性能好，所以Ni-Al复合材料比较容易实现工业化生产。

考虑到在制备活性复合材料的过程中需要避免Al、Ni之间由于温度升高发生反应以免影响材料的释能效果，通过常温下累积叠轧方式制备Ni-Al活性复合材料是一个很好的选择；另外，通过累积叠轧方式生产的Ni-Al活性复合材料相比于磁控溅射、气相沉积、热喷涂、动力喷涂、限制反应球磨等方式更容易获得优异的力学性能，制造成本较低，有利于实现工业化生产。综合来看，累积叠轧制备Ni-Al活性复合材料更有优势，因此采用常温下累积叠轧的方法在实验室制备材料。

叠轧过程中Ni层的组织变化

1.Ni层形貌的变化

图1是Ni-Al复合材料经过累积叠轧后的金相组织（a、b、c、d分别是4、7、9、11道次的金相组织示意图）。

图1 不同道次累积叠轧后Ni-Al复合材料金相组织

Fig.x Metallographic structure of Ni/Al composite after different passes by accumulative roll bonding

在累积叠轧过程中，由于Ni层质地比较硬，所以在两种不同材料的共变形中，由于相组成的流动特性的差异和塑性不稳定性的出现，Ni层会随着变形首先发生颈缩和断裂（图中扁条状的为金属Ni）。

从图中观察到在累积叠轧4道次时，复合材料中的Ni颗粒碎片的尺寸和厚度相对比较粗大，而且Ni在铝基体中分布也呈现一定的不均匀性，随着累积叠轧道次的增加，复合材料中Ni的分布会逐渐均匀，Ni颗粒也会越来越细，最终弥散分布在铝基体中。但是从11道次的金相图来看（图d），仍存在少数Ni层颗粒碎片反常粗大现象，这是在轧制过程中Ni、Al两相金属组元之间发生横向滑动导致的。 1.2 Ni层的断裂方式

图2 第5道次累积叠轧示意图

Fig.x Schematic diagram of the fifth pass cumulative rolling

在累积叠轧过程中， Ni和Al之间由于软硬程度不同，导致Ni-Al之间有较大的附加应力：软质相Al受到硬质相Ni的压应力，而硬质相Ni受到软质相Al的拉应力，由于Al的塑性比Ni的塑性好，所以在轧制过程中Ni会逐渐发生颈缩、断裂。

图2是累积叠轧第5道次的组织示意图，图中A、B两处可以观察到Ni层在断裂时会呈一定的角度，大致为45°。这是由于在累积叠轧过程中，复合材料从了受到一个来自轧辊的压应力，即轧制力，轧制力的方向垂直于轧件，而Ni-Al之间的附加应力平行于轧件，在轧制力与附加应力同时作用下复合材料在轧制过程中受到的综合应力与轧制方向成一定角度，这个角度大致接近45°因此使材料内部产生较大的剪切应力，剪切应力为拉应力将Ni层拉断，由此可见，Ni-Al复合材料中的硬质相Ni的断裂方式为剪切断裂。

图3第7道次累积叠轧示意图

Fig.x Schematic diagram of the seventh pass cumulative rolling

而从第7道次的累积叠轧图来看，发现Ni层许多断裂处所呈角度明显小于45°（如图中A、B处所示），甚至有的地方根本没有角度，这是因为复合材料中的硬质相Ni在断裂的时候是不同步的，当Ni层开始断裂时，发生的是剪切断裂，断裂处呈现45°角，然后随着累积叠轧的进行以及变形量的增加，之前断裂的Ni又开始发生再一次断裂，形成越来越小的Ni碎片颗粒，随着累积叠轧道次的增加，Ni会不断的有新的断裂发生，而且轧制过程会有很大的延伸率，会给到复合材料一个很大的平行轧制方向的力，造成之前断裂角度逐渐减小，甚至最先发生断裂的地方会看不出角度。所以根据这个理论，可以通过观察Ni层断裂角度的大小来判断Ni的断裂顺序。同时这在一定程度上印证了Ni层发生的是剪切断裂。

参考文献

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[2] Bacciochini A, Radulescu M I, Charron-Tousignant Y, et al. Enhanced reactivity of mechanically-activated nano-scale gasless reactive materials consolidated by coldspray[J]. Surface & Coatings Technology, 2012, 206(21):4343-4348.