《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄 半固態(tài)鑄造

1 概述

半固態(tài)鑄造技術(shù)是將含有非枝晶固相的固液金屬混合物在凝固溫度范圍內(nèi)加工成形的一種金屬材料成形技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)金屬材料成形方法相比，半固態(tài)鑄造技術(shù)具有如下特點：

1）被加工的材料處于液固共存兩相區(qū)，一方面，可減少凝固潛熱和凝固收縮，有利于實現(xiàn)更精確的近終成形；另一方面，由于成形溫度低，減輕了模具的熱沖擊，提高模具的使用壽命，同時減少了零件凝固時間，提高了零件的成形速度。

2）半固態(tài)加工材料中初生固相呈球形或近球形，具有良好的流變特性和觸變性，在低剪切速率下，材料表現(xiàn)如同固態(tài)，無流動性，可以被夾持移動；在高剪切速率下，半固態(tài)金屬的粘度大大降低，具有很好的流動性，可以成形復(fù)雜零件。

3）半固態(tài)加工材料的粘度比液態(tài)金屬高且容易控制，在充型過程中，充型平穩(wěn)，減少氣體卷入和氧化。因此半固態(tài)鑄造件的微觀組織均勻，壁厚效應(yīng)小，表面光滑，內(nèi)部組織致密，內(nèi)部氣孔、偏析等缺陷少，具有優(yōu)良的焊接性、熱處理性能和機械性能。

4）高粘度的半固態(tài)合金可以改善非金屬材料的漂浮、偏析以及與金屬基體難潤濕的不足，有利于制備高質(zhì)量的金屬基復(fù)合材料。

適用于半固態(tài)鑄造技術(shù)的合金體系需要有一定的結(jié)晶區(qū)間。研究表明，可以應(yīng)用的合金包括鋁合金、鎂合金、鋅合金、鎳合金、銅合金以及不銹鋼、彈簧鋼和灰口鑄鐵、球墨鑄鐵等多種金屬材料[2]。其中鋁、鎂合金由于熔點低、研究相對比較深入，成為半固態(tài)領(lǐng)域應(yīng)用最多的半固態(tài)材料。

半固態(tài)鑄造技術(shù)主要分為流變鑄造和觸變鑄造兩大類。觸變鑄造質(zhì)量控制相對穩(wěn)定，是早期變固態(tài)鑄造技術(shù)主要研究方向，但半固態(tài)觸變鑄造技術(shù)效率低、能耗大、設(shè)備投資大，生產(chǎn)成本高，有逐漸減少趨勢；與觸變鑄造相比，半固態(tài)流變鑄造最顯著的優(yōu)勢在于半固態(tài)漿料在線制備，工藝流程短，低能耗，料頭和廢品等可以及時就地回收，是目前研究的熱點。

制漿技術(shù)是半固態(tài)鑄造技術(shù)最重要內(nèi)容之一。美國、意大利、法國、日本、德國等國家已經(jīng)開發(fā)出20 多種半固態(tài)制漿及流變鑄造技術(shù)。如美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Flemings 等人自主發(fā)明的SSRTM（Semi-solid rheocast process）流變鑄造專利技術(shù)[3]。我國的半固態(tài)鑄造技術(shù)起步較晚，開始于20 世紀(jì)80 年代后期，北京有色金屬研究總院、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽鑄造研究所等20余家學(xué)校和科研院所進行了半固態(tài)金屬鑄造技術(shù)的研究[4]。

與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相比，現(xiàn)有的半固態(tài)鑄造技術(shù)成本仍然相對較高，由于需要首先進行制漿，因此效率較低，同時生產(chǎn)過程中需要控制的參數(shù)較多，質(zhì)量穩(wěn)定性還有待提高。目前，半固態(tài)鑄造技術(shù)主要存在以下技術(shù)難點：

1）半固態(tài)流變鑄造用合金種類較少，且性能與期望要求還有差距。

2）半固態(tài)鑄造計算機數(shù)值模擬技術(shù)缺乏真正符合半固態(tài)金屬漿料充填過程實際的數(shù)學(xué)模型。

3）半固態(tài)金屬的物理特性和流變理論研究較少，缺乏半固態(tài)鑄造工藝?yán)碚撘罁?jù)。

4）半固態(tài)球狀組織形成機理不明確。

5）缺乏生產(chǎn)成本低、設(shè)備簡單、工藝流程短的半固態(tài)在線制漿工藝。

6）國內(nèi)半固態(tài)金屬漿料的制備及成形均采用獨立分開模式，兩者的銜接性差，整個工藝流程長、成本高、質(zhì)量穩(wěn)定性差，難以發(fā)揮半固態(tài)鑄造技術(shù)的優(yōu)勢。

7）多功能、一體化、專業(yè)的半固態(tài)鑄造裝備國內(nèi)幾乎處于空白。

8）缺乏專業(yè)化的半固態(tài)流變壓鑄或擠壓模具數(shù)字化智能控制技術(shù)及裝置。

9）半固態(tài)鑄造缺陷控制機理及技術(shù)重視度低，研究較少[5]。

綜合國內(nèi)外半固態(tài)鑄造技術(shù)發(fā)展情況及面臨的問題，半固態(tài)鑄造技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是：向低成本、高效率、高質(zhì)量大規(guī)模穩(wěn)定制造半固態(tài)金屬鑄件的方向發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 半固態(tài)鑄造合金材料開發(fā)技術(shù)

2.1.1 現(xiàn)狀

目前成功用于半固態(tài)成形的合金主要是幾種傳統(tǒng)的鑄造鋁合金（A356，A357）及鑄造鎂合金（AZ91D），少量的鍛造鋁合金、鋅合金、黑色金屬還處于試驗階段，至于鈦合金、銅合金及復(fù)合材料的研究較少。由于鋁合金材料是半固態(tài)鑄造應(yīng)用最成熟和廣泛的合金，而其他合金應(yīng)用均較少，所以本節(jié)將重點論述半固態(tài)鋁合金材料的開發(fā)。

為滿足高性能鋁合金零部件的制造需求。國內(nèi)外科研工作者先后開發(fā)了多種高強韌半固體鋁合金材料，如法國 Garat 等人開發(fā)了一種Al-6Si-1Cu-Mg 合金；加拿大Alcan 鋁業(yè)集團在B206（Al-5Cu-0.05Si 合金）的基礎(chǔ)上進行成分優(yōu)化，開發(fā)了一種Al-4.4Cu-0.8Si-0.15Fe 合金，該合金經(jīng)過T6 熱處理之后抗拉強度能達到370 MPa，伸長率為9.5%，屈服強度為315 MPa[6]；奧地利的SAG公司已能小批量或批量提供2.5～6.0 英寸的Al-Si6Cu3 合金[7]。國內(nèi)在半固體鋁合金材料開發(fā)研究也取得了部分成果，如北京有色金屬研究總院利用熱力學(xué)計算方法開發(fā)了一種半固態(tài)鑄造專用Al6Si2Mg 鋁合金，東北大學(xué)利用合金化方法進行了Al-Si-Cu-Mg 合金成分設(shè)計及優(yōu)化[8]。隨著傳統(tǒng)亞共晶Al-Si 系半固態(tài)鑄造材料被廣泛應(yīng)用，考慮到半固態(tài)制漿技術(shù)可以有效改變初晶硅的形貌，科研工作者開始利用該技術(shù)制備過共晶Al-Si 合金。如昆明理工大學(xué)以高硅含量的過共晶Al-30Si 合金為對象，采用低過熱度澆注弱電磁攪拌進行半固態(tài)漿料制備[9]；為了擴大半固態(tài)鑄造的鋁合金范圍，國內(nèi)外半固態(tài)金屬加工研究者開始將注意力轉(zhuǎn)移到變形鋁合金，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用應(yīng)變誘導(dǎo)熔化激活法（SIMA）制備了2024 鋁合金半固態(tài)坯料，并研究不同成形條件下產(chǎn)品性能及缺陷的產(chǎn)生規(guī)律[10]；

綜上所述，我國半固態(tài)鑄造合金材料主要存在的問題有：

1）合金材料種類較少，缺乏能滿足不同特性需求的合金材料，而且合金綜合力學(xué)性能較低；

2）缺乏對合金材料流變特性相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)的半固態(tài)合金材料晶粒組織部圓整度較差，而且平均晶粒尺寸較大；

3）傳統(tǒng)熱力學(xué)方法開發(fā)的合金材料與實際試驗過程結(jié)果相差較大，缺乏系統(tǒng)的半固態(tài)鑄造合金材料判據(jù)。

2.1.2 挑戰(zhàn)

隨著我國航空航天、汽車、電子通訊設(shè)備等領(lǐng)域?qū)﹃P(guān)鍵零部件的性能要求越來越高，傳統(tǒng)適合半固態(tài)鑄造的低強度合金材料已經(jīng)不能滿足零件設(shè)計及使用要求。因此，適合半固態(tài)鑄造的高性能合金材料的開發(fā)意義重大。

目前，半固態(tài)鑄造合金研究開發(fā)方面逐漸形成兩大主要技術(shù)路線：一類是在傳統(tǒng)合金基礎(chǔ)上，通過調(diào)整合金成分來改善合金力學(xué)性能和半固態(tài)鑄造性能；另一類是在熱力學(xué)計算和相圖理論分析基礎(chǔ)上，為特定應(yīng)用開發(fā)的適合半固態(tài)成形的新型合金。近兩年，采用第二類方法開發(fā)適合半固態(tài)成形新合金的研究正在興起。但是，無論以何種方式開發(fā)研究半固態(tài)成形用合金，都要考慮到以下因素：

1）合適的固-液相溫度區(qū)間△TS-L.在參考常用鑄造和變形鋁合金固相線與液相線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)定20 ℃≤△TS-L≤50 ℃，以利于半固態(tài)初生相形成和固相體積分?jǐn)?shù)的控制。

2）固相分?jǐn)?shù)對溫度的敏感性。如果固相分?jǐn)?shù)對溫度的敏感性太高，溫度的微小波動都會引起固相分?jǐn)?shù)較大的變化，這將會使加工過程難以控制，并導(dǎo)致最終產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定[11]。為此，在合金設(shè)計時設(shè)計固相分?jǐn)?shù)隨溫度的變化率dfs/dT≤0.015.

2.1.3 目標(biāo)

開發(fā)不同種類、不同牌號適合半固態(tài)鑄造的合金材料，且半固態(tài)合金材料的性能較傳統(tǒng)合金整體有較大幅度的提高。

1）預(yù)計到2020 年，要達到的目標(biāo)：

在半固態(tài)鑄造輕合金材料取得較大突破，滿足我國汽車、軌道交通、電子等領(lǐng)域?qū)Π牍虘B(tài)輕合金材料的需求。其中，在半固態(tài)鑄造鋁合金方面，開發(fā)適合半固態(tài)鑄造的高強度高韌性Al-Si-Cu 系合金、高強耐熱Al-Cu 系合金、高耐磨過共晶Al-Si 合金以及不同牌號的變形鋁合金；在半固態(tài)鑄造鎂合金方面，研究適合半固態(tài)鑄造的高強度、耐蝕、耐熱鎂合金，如AM60、AZ71、AZ61、WE54 等。

2）預(yù)計到2030 年，要達到的目標(biāo)：

掌握半固態(tài)鑄造鋼鐵合金、銅合金、錫合金、鈦合金、復(fù)合材料及部分高溫合金開發(fā)的核心技術(shù)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，擴大半固態(tài)鑄造技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2.2 新型制漿及流變成形一體化鑄造技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

在半固態(tài)制漿方面，目前國內(nèi)外半固態(tài)制漿技術(shù)主要包括攪拌和傾斜板剪切低溫澆注兩大類技術(shù)。其中攪拌技術(shù)包括機械攪拌、電磁攪拌、高能超聲波振動等技術(shù)。半固態(tài)漿料攪拌制備技術(shù)雖然操作簡單，但是存在制備的半固態(tài)鋁合金漿料易產(chǎn)生氧化、夾渣及引入新雜質(zhì)、效率低問題。另外一種是傾斜板剪切低溫澆注式制漿工藝，該工藝雖然制漿工藝及裝置較簡單，剪切力較大，但是存在漿料飛濺、氧化，掛漿較難清理，連續(xù)化程度低，難以連續(xù)批量制備半固態(tài)漿料。另外，由于漿料的制備完全在敞開的環(huán)境下，半固態(tài)漿料溫度及固相率較難控制。

在半固態(tài)流變鑄造成形方面，目前國內(nèi)外大多數(shù)采用半固態(tài)制漿和漿料流變成形相互獨立的方式。該流變成形方式主要的弊端在于：

1）半固態(tài)漿料在運輸或轉(zhuǎn)移的過程中漿料溫度損失較大，漿料的固相率難以控制、可控性低，而且容易產(chǎn)生氧化夾渣缺陷，質(zhì)量不穩(wěn)定；

2）整個工藝過程環(huán)節(jié)多、流程長，生產(chǎn)效率低；

3）需要專門的裝置制備半固態(tài)漿料，而且設(shè)備較復(fù)雜，制造半固態(tài)金屬鑄件成本較高。

在半固態(tài)制漿及流變成形一體化鑄造技術(shù)方面，國內(nèi)外研究較少。國外主要以日本Hitachi 金屬有限公司的Shibata 等人提出了一種壓室電磁攪拌制漿工藝及流變擠壓成形技術(shù)，該流變成形技術(shù)直接在250 t 立式擠壓鑄造機的壓室中采用電磁攪拌制備半固態(tài)鋁合金漿料（Semi-solid slurry preparation in the injection sleeve，簡稱SSSPIS），然后再將制備的半固態(tài)漿料直接擠壓鑄造，完成半固態(tài)制漿及流變擠壓成形一體化。國內(nèi)，沈陽鑄造研究所利用低溫弱攪拌原理，進行了半固態(tài)鋁合金制漿成形一體化鑄造技術(shù)研究，證明該項技術(shù)具有短流程、效率高、成本低優(yōu)點，是一種具有很好開發(fā)前景的半固態(tài)鑄造技術(shù)。

綜上所述，半固態(tài)漿料制備及其流變成形技術(shù)的發(fā)展不斷向前邁進，逐漸接近于工業(yè)應(yīng)用水平。但總體上講，新開發(fā)的半固態(tài)漿料制備及流變成形技術(shù)基本上被美國、歐盟和日本壟斷，國內(nèi)開發(fā)的具有工業(yè)應(yīng)用前景的領(lǐng)先技術(shù)很少。因此，為了推動半固態(tài)鑄造技術(shù)在我國的應(yīng)用，重要任務(wù)是加快工業(yè)應(yīng)用進程，亟需開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型制漿及流變成形一體化鑄造技術(shù)。

2.2.2 挑戰(zhàn)

由于半固態(tài)鑄造技術(shù)具有成形鑄件力學(xué)性能高，內(nèi)部質(zhì)量優(yōu)異等獨特優(yōu)勢，在國內(nèi)外已成為各工業(yè)發(fā)達國家競相發(fā)展的一個新的領(lǐng)域。目前限制半固態(tài)鑄造在我國推廣應(yīng)用的主要問題是制造半固態(tài)金屬零件成本高、效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定。研究表明，具有短流程特點的制漿成形一體化連續(xù)成形鑄造技術(shù)是應(yīng)對這一問題有效措施之一。開發(fā)該技術(shù)的具體技術(shù)途徑為：

1）合金熔體的定量與輸送：利用反重力模式在爐中部定量壓出合金熔體，合金熔體依靠輸液管全密閉輸送至壓室內(nèi)。此方法具有合金熔體傳送路徑短、合金質(zhì)量好、氧化損耗小、對環(huán)境影響少、安全可靠等獨特優(yōu)點。

2）輸液、制漿、鑄造成形一體化連續(xù)同時完成：接近液相線的合金熔體在輸送至壓室過程中受到壓室壁的外部激冷以及預(yù)制件內(nèi)部強制冷卻和攪拌的共同作用下，合金熔體溫度下降到液相線以下并實現(xiàn)溫度均勻化，熔體內(nèi)部的晶核大量增殖，抑制枝晶生產(chǎn)形成半固態(tài)漿料。

3）制備的半固態(tài)漿料采用固定缸垂直擠壓/壓鑄方式，在壓力下結(jié)晶獲得半固態(tài)金屬鑄件。該工藝制漿與成形同步完成，漿料充填過程平穩(wěn)，壓力直線傳遞損失小、設(shè)備噸位減小、鑄件內(nèi)部質(zhì)量和致密性顯著提高。

2.2.3 目標(biāo)

開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型制漿及流變成形一體化鑄造技術(shù)，達到國際先進水平，批量、低成本、穩(wěn)定制造高性能薄壁鑄件。

1）預(yù)計到2020 年，要達到的目標(biāo)：

開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)、高效、低成本、通用性強半固態(tài)漿料制備工藝，其中高效指漿料制備時間能夠與成形流程時間相匹配，一般的要求在20 s～50 s 之內(nèi)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)制備；低成本指漿料制備工藝在設(shè)備和控制方面的費用要盡可能的低，達到每公斤鑄件20 元，這是流變成形在工業(yè)上獲得應(yīng)用的本質(zhì)因素；優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)組織具有的特征為初生固相應(yīng)細(xì)小、球形或近球形、均勻地分布在基體中，并且初生固相內(nèi)部盡可能少地夾裹液相；通用性是指：該工藝既能制備高固相率的半固態(tài)漿料又能制備低固相率的半固態(tài)漿料，且能適應(yīng)不同種類合金的半固態(tài)漿料制備，從而滿足不同零件結(jié)構(gòu)及設(shè)計的需求；另外，該制漿工藝可與壓鑄、擠壓鑄造鑄等工藝一體化銜接滿足不同成形工藝的需求。

2）預(yù)計到2025 年，要達到的目標(biāo)：

為了滿足不同制造領(lǐng)域裝備輕量化的需求，利用新型制漿及流變成形一體化鑄造技術(shù)制造高性能、薄壁輕合金鑄件，其中半固態(tài)鋁合金鑄件力學(xué)性能達到室溫抗拉強度≥370 MPa，屈服強度≥340 MPa，伸長率≥10%；鑄件最小壁厚在0.2 mm～1 mm.

3）預(yù)計到2030 年，要達到的目標(biāo)：

半固態(tài)漿料制備及其成形整個流程能夠?qū)崿F(xiàn)有效、精確的數(shù)字化控制，主要體現(xiàn)在半固態(tài)漿料的微觀組織、溫度和固相率在線實時監(jiān)測及成形工藝過程自動控制，提高半固態(tài)金屬零部件的質(zhì)量穩(wěn)定性，使零部件的合格率達到90%以上。

2.3 新型多功能、一體化半固態(tài)鑄造裝備開發(fā)

2.3.1 現(xiàn)狀

國內(nèi)外對于半固態(tài)鑄造的研究主要集中在半固態(tài)制漿及流變成形技術(shù)，對于半固態(tài)鑄造成形裝備的研究較少。為了迎合半固態(tài)鑄造技術(shù)的需求，發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢，國外發(fā)達國開始設(shè)計并制造半固態(tài)鑄造專用設(shè)備。如瑞士Buhler 公司于1993 年生產(chǎn)出了第一臺適用于鋁合金半固態(tài)壓鑄的SC 壓鑄機，與普通的壓鑄機相比，產(chǎn)品質(zhì)量提高，工藝周期縮短20%[12].我國鑄造設(shè)備制造整體水平不高，特別在穩(wěn)定性、密封元件耐用性、精度重復(fù)性等方面與國外先進設(shè)備還有較大的差距。最近幾年，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展、大型和高端壓鑄件需求增加，國產(chǎn)壓鑄裝備技術(shù)有所提升，高壓射速度、較短的建壓時間、實時控制壓射系統(tǒng)、自動化周邊配套設(shè)備和壓鑄單元等陸續(xù)推出市場，拉近了與國外先進設(shè)備的差距。如2012 年福建省瑞奧麥特輕金屬有限公司自行設(shè)計制造了國內(nèi)首臺閉環(huán)控制半固態(tài)擠壓鑄造機；2015 年沈陽鑄造研究所在國家04專項的支持下開發(fā)了一種500 t 級多功能壓擠鑄造試驗原理機，并利用該設(shè)備研制了半固態(tài)控制臂擠壓鑄件。盡管如此，我國鑄造裝備企業(yè)仍缺乏自主創(chuàng)新意識，只有少數(shù)企業(yè)具有自主設(shè)計制造鑄造設(shè)備的能力，大部分鑄造裝備制造企業(yè)主要依靠在國外鑄造設(shè)備基礎(chǔ)上修改關(guān)鍵部件和參數(shù)來制造，甚至有些企業(yè)完全仿制設(shè)備。

2.3.2 挑戰(zhàn)

基于半固態(tài)鑄造技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)半固態(tài)鑄造裝備弊端逐漸顯現(xiàn)，我國半固態(tài)鑄造裝備整體制造開發(fā)水平較差的現(xiàn)狀，主要體現(xiàn)在：

1）傳統(tǒng)的擠壓或壓鑄設(shè)備功能形式單一，設(shè)備的通用性較差。

2）半固態(tài)鑄造裝備與半固態(tài)制漿設(shè)備相互獨立，兩者銜接程度低：制造的半固態(tài)金屬漿料需要專門裝置轉(zhuǎn)移或運輸至壓室內(nèi)，然后在擠壓或壓鑄成形半固態(tài)金屬部件。因此，導(dǎo)致制造半固態(tài)金屬鑄件不連續(xù)、效率低、成本高。

3）另外，半固態(tài)漿料具備一定的固相率且潛熱少，凝固速度快，傳統(tǒng)的擠壓或壓鑄設(shè)備增壓建壓時間較長，難以保證漿料在凝固時獲得足夠時間的補縮，難以發(fā)揮半固態(tài)鑄造優(yōu)勢。

4）傳統(tǒng)半固態(tài)漿料成形均采用水平或者傾斜搖擺式非固定缸壓射方式，半固態(tài)漿料充型不平穩(wěn)，而且壓力損失較大，難以獲得致密的半固態(tài)金屬部件。

5）整個半固態(tài)漿料制備及成形過程缺乏有效、精確的控制，半固態(tài)金屬鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定。

2.3.3 目標(biāo)

總體目標(biāo)：針對少數(shù)高水平鑄造企業(yè)，以實現(xiàn)智能鑄造為目標(biāo)提高半固態(tài)鑄造裝備水平，引領(lǐng)中國半固態(tài)鑄造業(yè)裝備發(fā)展；針對多數(shù)一般水平鑄造企業(yè)，以提高機械化自動化裝備使用率為目標(biāo)提高其半固態(tài)鑄造裝備水平，提高中國鑄造業(yè)半固態(tài)鑄造裝備總體水平；針對半固態(tài)鑄造裝備生產(chǎn)企業(yè)，以提高裝備自動化程度為目標(biāo)提高產(chǎn)品水平，快速提升中國鑄造裝備制造企業(yè)自主創(chuàng)新能力，助推中國半固態(tài)鑄造裝備自動化智能化早日實現(xiàn)。

（1）預(yù)計到2020 年，要達到的目標(biāo)：

掌握新型多功能、一體化半固態(tài)鑄造裝備開發(fā)技術(shù)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。該新型裝備應(yīng)具備：

1）在“多功能”方面，既能實現(xiàn)低固相率半固態(tài)鋁合金漿料的制備，又能實現(xiàn)高固相率半固態(tài)鋁合金漿料的制備；既能實現(xiàn)半固態(tài)合金壓鑄成形，又能實現(xiàn)半固態(tài)合金液態(tài)模鍛成形。

2）在“一體化”方面，該設(shè)備集合金熔煉爐、半固態(tài)合金制漿機、半固態(tài)合金高壓成形、模具溫度智能控制和抽真空裝置于一體并實現(xiàn)數(shù)字化集成控制。

3）在“短流程”方面，可以實現(xiàn)制漿、澆注和成形過程一體化、不間斷、一步式生產(chǎn)半固態(tài)鋁合金壓鑄件和擠壓鑄件。

4）在“故障診斷方面”，具備壓射曲線記錄診斷功能，可實現(xiàn)半固態(tài)鑄造工藝快速優(yōu)化。提升我國半固態(tài)鑄造裝備總體水平，進而提高制造半固態(tài)零件的生產(chǎn)效率（達到1 kg 半固態(tài)金屬鑄件，50 s 一件）、質(zhì)量穩(wěn)定性（合格率達到90%以上）、降低生產(chǎn)成本（達到1 kg 半固態(tài)金屬鑄件，25 元一件）。

（2）預(yù)計到2030 年，要達到的目標(biāo)：

依托先進的半固態(tài)鑄造成套裝備，半固態(tài)鑄件的生產(chǎn)完全實現(xiàn)機械化操作，數(shù)字智能化實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，減少人工勞動力。

2.4 半固態(tài)鑄造數(shù)值模擬技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

國外鑄造數(shù)值模擬研究早于國內(nèi)，早在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)開始對鑄造充型，凝固過程進行數(shù)值模擬。幾十年的發(fā)展使鑄造過程數(shù)值模擬無論在科研領(lǐng)域，還是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都全面領(lǐng)先國內(nèi)。半固態(tài)鑄造技術(shù)的數(shù)值模擬主要包括以下三方面內(nèi)容：半固態(tài)流變鑄造，觸變鑄造及二次加熱的數(shù)值模擬。其中流變鑄造以溫度場模擬為主線，考慮攪拌力對材料傳遞及熱傳遞的影響觸變成形的數(shù)值模擬主要是模擬不同工藝參數(shù)對成形的影響半固態(tài)二次加熱過程的數(shù)值模擬主要是來優(yōu)化加熱的工藝參數(shù)進而獲得均勻的溫度場分布。有關(guān)半固態(tài)材料流變鑄造的數(shù)值模擬，國內(nèi)外研究者多將半固態(tài)材料漿料的表觀粘度模型嵌入到Procast、Flow-3D 等商用軟件中進行模擬來研究諸如液固相偏析，表觀粘度的數(shù)學(xué)模型，半固態(tài)漿料與鑄型表面之間摩擦等方面的半固態(tài)漿料的充型過程[13]。

目前，半固態(tài)鑄造數(shù)值模擬技術(shù)主要存在的問題：

1）半固態(tài)金屬流變行為的數(shù)學(xué)物理模型。

2）缺少針對半固態(tài)金屬成形全過程的數(shù)值模擬，即包括半固態(tài)金屬漿料的制備過程、坯料的重熔加熱或漿料的均熱過程、觸變或流變充型及凝固過程。

3）半固態(tài)鑄造合金材料實際熱物性參數(shù)較少，導(dǎo)致模擬準(zhǔn)確性降低，且缺乏半固態(tài)鑄造模擬專業(yè)化軟件。

2.4.2 挑戰(zhàn)

與其他金屬凝固成形加工過程的數(shù)值模擬不同的是，對半固態(tài)金屬成形過程的數(shù)值模擬還要求跟蹤半固態(tài)金屬漿料的變形過程。半固態(tài)金屬成形過程是一高度復(fù)雜的非線性過程，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，其工藝過程涉及的參數(shù)眾多，任一參數(shù)的變化都會對成形過程產(chǎn)生影響。雖然國內(nèi)在該項研究領(lǐng)域內(nèi)取得了一定成果，但是仍不能滿足實際需要，仍有許多基本問題需要解決。

半固態(tài)金屬鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)今后發(fā)展的方向：

1）進一步研究半固態(tài)金屬成形的基本原理，建立能夠普遍適用的半固態(tài)金屬成形行為的本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)出符合半固態(tài)鑄造過程實際的數(shù)學(xué)模型，提出半固態(tài)鑄造模擬技術(shù)創(chuàng)新思路，以提高模擬計算的準(zhǔn)確度。

2）全面考慮半固態(tài)金屬流動、冷卻、熱傳導(dǎo)、凝固和塑性變形，即將溫度場計算、漿料流場計算和金屬凝固后的塑性變形的力場計算同時考慮，進行耦合計算，獲得能較充分反映半固態(tài)鑄造成形特點的模擬結(jié)果。

3）進行半固態(tài)合金材料熱物性參數(shù)測量試驗，收集相關(guān)的半固態(tài)合金材料熱物性參數(shù)。另外，開發(fā)相應(yīng)的半固態(tài)鑄造成形模擬商業(yè)軟件，推廣數(shù)值模擬技術(shù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，為優(yōu)化成形工藝參數(shù)、合理設(shè)計模具等提供可靠的依據(jù)。

4）應(yīng)采用試驗和微觀組織數(shù)值模擬相結(jié)合的思想研究等軸非枝晶的形成機理。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020 年，要達到的目標(biāo)：

建立半固態(tài)金屬的本構(gòu)關(guān)系，獲得半固態(tài)金屬表觀粘度與固相率、剪切速率的關(guān)系模型，確立半固態(tài)成形、凝固過程以及熱物性參數(shù)和傳熱邊界條件，掌握半固態(tài)鑄造計算機數(shù)值模擬技術(shù)，并開發(fā)相關(guān)的半固態(tài)鑄造商業(yè)化模擬軟件。利用該技術(shù)模擬半固態(tài)漿料制備過程金屬溫度場分布和流動場狀態(tài)，揭示半固態(tài)球狀組織的形成、演變機理，對制漿工藝過程及其工藝參數(shù)進行優(yōu)化，從一定程度上解決半固態(tài)金屬漿料制備工藝參數(shù)多而復(fù)雜相關(guān)、質(zhì)量難保證的問題。

2）預(yù)計到2025 年，要達到的目標(biāo)：

模擬半固態(tài)鑄造成形過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場等的分布規(guī)律和微觀組織的變化情況。預(yù)測半固態(tài)漿料在成形過程中的充型行為、凝固過程、可能產(chǎn)生的缺陷和最佳工藝參數(shù)等信息，為半固態(tài)金屬鑄造成形的優(yōu)化、產(chǎn)品性能的控制及模具設(shè)計提供了必要的技術(shù)支持和理論依據(jù)。

3）預(yù)計到2030 年，要達到的目標(biāo)：

明顯縮短工藝設(shè)計和產(chǎn)品試制周期，顯著降低能耗和材料消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

2.5 半固態(tài)鑄造缺陷控制技術(shù)

2.5.1 現(xiàn)狀

隨著半固態(tài)鑄造技術(shù)在西方國家工業(yè)化應(yīng)用，半固態(tài)鑄造生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的氣孔、冷隔、凝固縮松、縮孔等各種缺陷也逐漸受到廠家的重視[14]。為了控制半固態(tài)鑄造缺陷的產(chǎn)生，降低半固態(tài)金屬零件的廢品率，半固態(tài)鑄件制造廠商及科研工作者從合金成分設(shè)計、合金熔體凈化、漿料制備、模擬及模具設(shè)計等方面提出了多種缺陷預(yù)防和控制措施，并逐漸形成了成套的半固態(tài)鑄造缺陷控制技術(shù)。其主要包括：

1）調(diào)整合金化學(xué)成分，增大半固態(tài)鑄造成形工藝窗口；

2）利用合金熔體凈化技術(shù)，控制合金熔體質(zhì)量，獲得高質(zhì)量的金屬熔體；

3）采用適合的半固態(tài)漿料制備技術(shù)，獲得高質(zhì)量的半固態(tài)金屬漿料；

4）針對不同零件結(jié)構(gòu)，制備不同固相率的金屬漿料，并選擇適宜的充型速度及模具溫度；

5）優(yōu)化型腔設(shè)計，避免困氣、匯流及熱節(jié)；

6）采用強制補縮，局部加壓補縮技術(shù)，消除凝固縮松；

7）減小液相偏析；

8）優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)，減小殘余應(yīng)力。

然而，國內(nèi)由于半固態(tài)鑄造技術(shù)仍然處于試驗或者小批量研制階段，未得到真正工業(yè)化應(yīng)用，對于半固態(tài)鑄造缺陷控制技術(shù)的研究較少。對半固態(tài)鑄造過程中鑄件產(chǎn)生的質(zhì)量問題，缺乏有效的控制手段，更無相關(guān)半固態(tài)鑄造缺陷形成機理研究。

2.5.2 挑戰(zhàn)

由于縮孔、縮松、氧化夾雜等缺陷必須通過X射線探傷才能有效發(fā)現(xiàn)，在大批量制造半固態(tài)金屬零部件時容易造成生產(chǎn)成本和質(zhì)量成本高、生產(chǎn)周期長，嚴(yán)重制約半固態(tài)鑄造生產(chǎn)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。

半固態(tài)鑄造缺陷控制應(yīng)從以下方面進行研究：

1）開發(fā)新型的金屬熔煉凈化技術(shù)，提高合金熔體質(zhì)量，并利用反重力爐中取液方式，避免傳統(tǒng)取液導(dǎo)致金屬熔體產(chǎn)生氧化、夾渣缺陷；

2）開發(fā)針對半固態(tài)成形件的專用熱處理機制和工藝，減少半固態(tài)鑄件熱處理過程產(chǎn)生缺陷；

3）采用合適的制漿及成形，該半固態(tài)制漿應(yīng)在密閉環(huán)境下進行制備，而且制備的半固態(tài)金屬漿料不需要轉(zhuǎn)移或運輸直接壓射成形；

4）選用合理的壓力、充型溫度、壓射速度、模具溫度等工藝參數(shù)，并數(shù)字化實時監(jiān)控顯示；

5）開發(fā)模具數(shù)字化智能控制技術(shù)，智能控制模具溫度和實時自動調(diào)整模具真空度，輔助半固態(tài)金屬鑄件優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)；

6）結(jié)合計算機數(shù)值模擬技術(shù)來預(yù)測金屬充型和凝固過程中的卷氣、縮孔、疏松、氣孔、應(yīng)力變形和熱裂等缺陷，從而設(shè)計和優(yōu)化鑄造工藝。

2.5.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020 年，要達到的目標(biāo)：

深入分析研究半固態(tài)鑄造整個過程中氣孔、縮孔、縮松、氧化夾雜、冷隔、充型不良等缺陷產(chǎn)生的規(guī)律，獲得半固態(tài)鑄造缺陷產(chǎn)生機理，掌握半固態(tài)鑄造缺陷控制技術(shù)。另外，獲得半固態(tài)成形件的專用熱處理機制和工藝。

2）預(yù)計到2030 年，要達到的目標(biāo)：

實現(xiàn)了半固態(tài)流變成形組織和性能的均勻化控制，獲得了無成形缺陷且具有均勻微觀組織和較高力學(xué)性能的制件。降低半固態(tài)鑄造缺陷產(chǎn)生機率，半固態(tài)金屬鑄件生產(chǎn)合格率達到90%以上，降低生產(chǎn)成本。

3 技術(shù)路線圖

半固態(tài)鑄造技術(shù)路線圖如圖1 所示。

圖1 半固態(tài)鑄造技術(shù)路線圖