鋁合金液態(tài)模鍛發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望

供稿|胡中潮，高忠玉，陳湖演，蔡健文，李達(dá)鑫，梁宇森 / HU Zhong-chao, GAO Zhong-yu,CHEN Hu-yan, CAI Jian-wen, LI Da-xin, LIANG Yu-sen

內(nèi)容導(dǎo)讀

液態(tài)模鍛是一種介于固態(tài)鍛造和鑄造之間的金屬成形工藝，既具有液態(tài)成型生產(chǎn)復(fù)雜造型又有固態(tài)鍛造成型壓力高、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，同時(shí)該工藝還具有高效率、短流程、高精度等優(yōu)點(diǎn)。在輕量化需求日益增大的大背景下，液態(tài)模鍛技術(shù)得到廣泛的關(guān)注。本文對(duì)液態(tài)模鍛的影響因素、模具、設(shè)備、不同應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，展望了液態(tài)模鍛今后的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著能源和環(huán)境危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)峻，輕量化材料越來(lái)越受到重視。液態(tài)模鍛作為輕量化工藝，是一種將定量的金屬熔體澆注到模具型腔內(nèi),在機(jī)械靜壓力作用下充型、高壓結(jié)晶、凝固和補(bǔ)縮的短流程、高效、近凈成形技術(shù)。該技術(shù)是一種介于固態(tài)鍛造和鑄造之間的金屬成形工藝，既有液態(tài)成型生產(chǎn)復(fù)雜造型又有固態(tài)鍛造成型壓力高、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，同時(shí)還具有省力、節(jié)能、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。液態(tài)模鍛影響因素復(fù)雜，涉及工藝、合金成分、組織與缺陷控制、熱處理、模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、數(shù)值模擬以及液態(tài)模鍛裝備等。本文對(duì)液態(tài)模鍛的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,并展望了該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

液態(tài)模鍛合金

液態(tài)模鍛合金組織

液態(tài)模鍛過(guò)程中壓力提高了合金的熔點(diǎn)，增加了合金熔體的過(guò)冷度，降低了臨界晶核半徑和臨界形核功，使有效形核質(zhì)點(diǎn)增加進(jìn)而細(xì)化晶粒。材料在壓力下凝固時(shí)，原子的擴(kuò)散受到抑制使得生長(zhǎng)激活能增加，因而壓力降低了晶體的長(zhǎng)大速率。在壓力下結(jié)晶凝固工件緊靠型壁，熱傳導(dǎo)較為激烈也可以細(xì)化晶粒。唐全波等[1]發(fā)現(xiàn)ACDCl2合金液態(tài)模鍛生產(chǎn)消除了顯微疏松，使致密度得到提高，幾乎沒有微觀缺陷。賈海龍等[2]研究表明液態(tài)模鍛能明顯改善過(guò)共晶Al-xSi合金的顯微組織，使共晶硅相發(fā)生明顯細(xì)化，同時(shí)初生硅相的尺寸和數(shù)量減小。也有研究表明液態(tài)模鍛使得A356合金鑄態(tài)晶粒以及二次枝晶間距均減小，組織更加致密[3-4]。李宇飛等[5]利用Al-Si-Cu-Mg生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)，晶粒得到明顯細(xì)化，力學(xué)性能得到顯著提高。壓力的施加改變了6082合金液的結(jié)晶條件,增大了過(guò)冷度使合金元素在固溶體中溶解度增加從而引起液態(tài)模鍛件組織變化,進(jìn)而提高了液態(tài)模鍛件的力學(xué)性能[6]。

液態(tài)模鍛偏析

偏析是指鑄件成分、組織和性能的不均勻的現(xiàn)象,也是液態(tài)成型常見的缺陷之一。隨著鋁合金在液態(tài)模鍛中的應(yīng)用越來(lái)越廣,發(fā)現(xiàn)液態(tài)模鍛生產(chǎn)的零件也存在不同程度的宏觀偏析[7-9]。郭莉軍等[10]采用螺旋試樣研究A357液態(tài)模鍛的偏析行為，由于補(bǔ)縮液的強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)造成了Si和Mg元素的偏析及組織的偏聚。Gallemeault等[11]在液態(tài)模鍛工藝參數(shù)和晶粒細(xì)化劑對(duì)Al-4.5Cu合金冷卻、凝固行為方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋁銅系合金共晶相在過(guò)程中可從固體骨架中擠出，滲出到鑄造表面，從而產(chǎn)生缺陷。降低澆注溫度可以抑制銅元素在液相中的擴(kuò)散，避免富銅液相通過(guò)枝晶間隙流向鑄件“熱節(jié)”附近形成偏析帶。此外，減小擠壓力可使液相流動(dòng)速度降低減少宏觀偏析。許明等[12]發(fā)現(xiàn)鋁合金中影響Sn偏析的工藝參數(shù)依次是澆注溫度、模具溫度、保壓時(shí)間及比壓，適當(dāng)?shù)囊簯B(tài)模鍛工藝可以使低熔點(diǎn)Sn元素分布較均勻。液態(tài)模鍛作為液態(tài)成形技術(shù)存在著不同程度的偏析，對(duì)偏析的機(jī)理進(jìn)行深入的研究，從液態(tài)模鍛工藝以及合金設(shè)計(jì)上規(guī)避偏析的產(chǎn)生或者降低偏析的級(jí)別。

合金的研發(fā)應(yīng)用

液態(tài)模鍛對(duì)合金的流動(dòng)性、補(bǔ)縮能力和熱裂敏感性等工藝性能的適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)合金的適用范圍比較寬，既適用于高性能的變形合金也可以涵蓋所有的鑄造合金并且還可以開發(fā)目前標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及的合金成分范圍。已報(bào)道的液態(tài)模鍛所用鑄造合金有 ZL101、ZL102、ZL103、ZL104、ZL105、ZL108、ZL114、ZL205A、ZL301、ZL401 等[13-21]，變形合金有6061、2A50、LD10、LY12、6063、6082、7055等[22-25]。液態(tài)模鍛作為一種介于鑄造和固態(tài)鍛造之間的工藝，為了發(fā)揮這種工藝的優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)其工藝特點(diǎn)結(jié)合工件的應(yīng)用開發(fā)適用于液態(tài)模鍛的合金體系。液態(tài)模鍛的成型壓力一般在55~100 MPa，在高壓力下相的形核熱力學(xué)和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)化相和雜質(zhì)相的選擇以及生長(zhǎng)形貌均有所不同，對(duì)采用鑄造和變形牌號(hào)合金熱處理工藝的研究還不夠系統(tǒng)[26]。為此可以對(duì)熱處理過(guò)程中強(qiáng)化相的溶入、析出機(jī)制以及時(shí)效后強(qiáng)化相析出位置、形貌、析出相和基體的位相關(guān)系進(jìn)行研究，為液態(tài)模鍛熱處理工藝發(fā)揮其工藝優(yōu)勢(shì)奠定基礎(chǔ)。

液態(tài)模鍛模具

模具對(duì)于液態(tài)模鍛技術(shù)非常重要，它關(guān)系到工件能否完整成形，同時(shí)又決定了零件的質(zhì)量。液態(tài)模鍛的模具使用壽命短是限制這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的原因之一。模具壽命受模具結(jié)構(gòu)、材料、熱處理制度以及液態(tài)模鍛工藝參數(shù)等的影響。

模具斷裂的機(jī)理

液態(tài)模鍛模具工作溫度高、承受壓力大，澆注過(guò)程中模具表面最先接觸到高溫熔體；完成工件生產(chǎn)后，需要噴涂潤(rùn)滑涂料，模具表面接觸低溫涂料溫降最劇烈。在此過(guò)程中的冷熱作用使得模具表面不斷的膨脹和收縮導(dǎo)致出現(xiàn)較大的殘余應(yīng)力。Long等[27]計(jì)算了表面殘余應(yīng)力為840~980 MPa，由于模具工作的環(huán)境惡劣，使用過(guò)程中出現(xiàn)侵蝕和熱疲勞，在高應(yīng)力作用下使得模具表面不可避免的產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致模具壽命較低。模具使用狀態(tài)為淬火加回火，回火溫度為600 ℃左右，液態(tài)模鍛鋁合金的澆注溫度遠(yuǎn)高于其回火溫度，每次澆注相當(dāng)于對(duì)模具鋼進(jìn)行一次軟化回火。對(duì)使用過(guò)的模具材料進(jìn)行微觀組織和性能分析發(fā)現(xiàn)板條邊界變得模糊，碳化物粗化，觀察到0.5 mm的軟化層，這意味著此處屈服強(qiáng)度的降低也促進(jìn)裂紋擴(kuò)展到軟化層的深度[28]。

改善模具壽命措施

模具材料方面：結(jié)合成本因素選擇耐熱疲勞性良好的模具用鋼并根據(jù)使用條件研發(fā)適用的模具鋼熱處理工藝。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度：減少應(yīng)力集中如避免尖角，在滿足工藝的前提下增加加工圓角。

模具制造的角度：采取模具表面處理技術(shù)如滲氮、碳氮共滲氮或者硫氮共滲進(jìn)而增加表面硬度。

使用的角度：合理制定液態(tài)模鍛工藝如澆注溫度、模具溫度、比壓等參數(shù)以及使用一段時(shí)間后進(jìn)行回火消除殘余應(yīng)力。

此外，噴涂潤(rùn)滑劑有利于脫模，實(shí)現(xiàn)對(duì)模具保護(hù)。脫模劑分為油基和水基兩種，油基潤(rùn)滑劑脫模效果好，但是對(duì)環(huán)境危害較大；水基潤(rùn)滑劑雖然對(duì)環(huán)境影響較小，但是激冷能力強(qiáng)對(duì)于模具壽命影響較大，需要研發(fā)一種適用于液態(tài)模鍛的潤(rùn)滑涂料，在環(huán)保的同時(shí)達(dá)到對(duì)模具表面的防護(hù)，增加模具的使用壽命。

液態(tài)模鍛模擬

數(shù)值模擬技術(shù)在液態(tài)模鍛模具優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝方案、縮短研發(fā)周期、節(jié)約成本等方面有著非常重要的作用。利用ProCAST軟件對(duì)充填速度、充填溫度及模具預(yù)熱溫度進(jìn)行模擬，揭示工藝參數(shù)對(duì)液態(tài)模鍛件性能的影響規(guī)律，確定了鋁合金輪輻最佳成形工藝為：充填溫度690 ℃，模具預(yù)熱溫度350 ℃，擠壓速度15 mm/s[29]。牛海俠等[30]利用AnyCasting模擬得出模具預(yù)熱溫度比澆注溫度對(duì)薄壁件凝固過(guò)程影響大并且模具的溫度在550~600 ℃之間較為合理。陳席國(guó)[31]模擬了2A50合金生產(chǎn)坦克負(fù)重輪產(chǎn)生的缺陷，認(rèn)為和模具接觸良好的制件上部位凝固最快，制件拐角部位和底部中心部位凝固時(shí)間較長(zhǎng)，表明在轉(zhuǎn)角處控制不好容易產(chǎn)生熱裂紋，這為后續(xù)負(fù)重輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液態(tài)模鍛模具設(shè)計(jì)以及工藝制定指明了方向。對(duì)薄壁件進(jìn)行模擬確定了最佳的模具預(yù)熱溫度以及澆注溫度同時(shí)利用DEFORM-3D對(duì)液態(tài)模鍛保壓壓力和保壓時(shí)間進(jìn)行了模擬，得出了最佳的工藝參數(shù)[32]。

液態(tài)模鍛設(shè)備研究

液態(tài)模鍛設(shè)備是整個(gè)工藝的核心，日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社生產(chǎn)的VSC立式液態(tài)模鍛機(jī)(立式合模，立式擠壓)系列合模力分別為3150、5000、6300、7800、12000、15000、18000、25000和 35000 kN等。HVSC臥式液態(tài)模鍛機(jī)(臥式合模，立式擠壓)合模力分別為1400、2500、3500、5000、6300和8000 kN等[33]。蘇州三基機(jī)械有限公司研發(fā)制造的SCH-350A臥式機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)達(dá)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的臥式液態(tài)模鍛機(jī)，隨后又開發(fā)出了“SCV-800A立式液態(tài)模鍛機(jī)”等系列設(shè)備。天津市天鍛壓力機(jī)有限公司聯(lián)合天津那諾機(jī)械制造有限公司開發(fā)的30000 kN立式液態(tài)模鍛集成裝備實(shí)現(xiàn)了定量澆注、噴涂、液態(tài)模鍛、冷卻、取件以及刻字等自動(dòng)化集成，為液態(tài)模鍛自動(dòng)化以及智能化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展,對(duì)鋁合金液態(tài)模鍛提出了新的要求, 除了考慮成形技術(shù)外，在液態(tài)模鍛過(guò)程中如何利用信息技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、實(shí)現(xiàn)自感知、自分析、自決策、自執(zhí)行的智能制造系統(tǒng)是液態(tài)模鍛未來(lái)的發(fā)展方向。

液態(tài)模鍛的應(yīng)用領(lǐng)域

汽車工業(yè)上的應(yīng)用

采用液態(tài)模鍛生產(chǎn)的鋁合金工件有轉(zhuǎn)向節(jié)和三角臂[34-35]，抗拉強(qiáng)度大于320 MPa，屈服強(qiáng)度大于250 MPa，伸長(zhǎng)率大于10%，力學(xué)性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。汽車工業(yè)中各種型號(hào)的鋁合金車輪，要求較高。采用鋁合金液態(tài)模鍛技術(shù)，其強(qiáng)度、剛度和沖擊韌性均能滿足的使用要求。其他零件如：空調(diào)器缸體、前后端蓋、氣囊支撐臂、鋁合金變速箱等工件采用液態(tài)模鍛技術(shù)均有研究應(yīng)用[36]。

國(guó)防上的應(yīng)用

在國(guó)防上各種承力結(jié)構(gòu)件也廣泛采用液態(tài)模鍛技術(shù)生產(chǎn)如：炮下體、彈體風(fēng)帽、坦克車負(fù)重輪、舵面以及航空航天特種車用鋁合金車輪等。王長(zhǎng)順等[37]針對(duì)某重型裝備輕量化的需求,對(duì)ZL205A高強(qiáng)鑄造鋁合金進(jìn)行了液態(tài)模鍛成形,各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,裝備整體輕量化效果明顯。周澤軍等[38]開發(fā)了一種新的液態(tài)模鍛合金，生產(chǎn)坦克車負(fù)重輪，其力學(xué)性能、偏析、疏松程度以及裂紋尺寸分布均優(yōu)于2A50合金。

復(fù)合材料上的應(yīng)用

液態(tài)模鍛壓力能提高液態(tài)金屬對(duì)固態(tài)材料的浸潤(rùn)性，可以作為開發(fā)復(fù)合材料的技術(shù)迅速提高固態(tài)材料的表面溫度，進(jìn)而增加其擴(kuò)散結(jié)合的可能性。該工藝尤其對(duì)短纖維型、粒子型金屬基復(fù)合材料制件是最有效的成形方法。采用SiC/2A50、AlO/SiC[39-40]p23p

制備了液態(tài)模鍛復(fù)合材料履帶板, 其耐磨性能與鋼質(zhì)履帶板材料Mn13鋼相當(dāng)，為裝備履帶式行走系統(tǒng)的輕量化提供了較大空間。曹健峰等[41]通過(guò)熔體反應(yīng)-液態(tài)模鍛成形法技術(shù)成功制備了(Al3Zr+Al2O3)/A356復(fù)合材料，性能優(yōu)于金屬型成形的復(fù)合材料。Srinivasan等[42]采用液態(tài)模鍛成形工藝制備金屬鋁基復(fù)合材料使ZrO2和碳顆粒混雜復(fù)合相的分布更加均勻，材料的抗拉強(qiáng)度和硬度得到顯著提高。陳平和[43]成功制備了東風(fēng)140復(fù)合材料鋁活塞,并完成了工程化應(yīng)用。邱博等[44]研究了ZTA／KmTB-Cr26復(fù)合材料，內(nèi)部顆粒分布比較均勻且與KmTB-Cr26基體的結(jié)合緊密，復(fù)合材料的磨損性能也有較大的提升。

鋁基復(fù)合材料在性能、特定條件應(yīng)用等方面具有較大的輕量化優(yōu)勢(shì),但是成形工藝的復(fù)雜性限制了其研究與應(yīng)用，有關(guān)陶瓷顆粒、晶須、纖維增強(qiáng)和混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其液態(tài)模鍛成形工藝的研究需要加強(qiáng)，鋁基復(fù)合材料液態(tài)模鍛成形是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[45]。

結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)液態(tài)模鍛的工藝特點(diǎn)結(jié)合工件的應(yīng)用，開發(fā)適用的液態(tài)模鍛合金體系。對(duì)于使用牌號(hào)合金應(yīng)根據(jù)合金的成分以及凝固特性研發(fā)適用的熱處理工藝。

(2)從模具材料的選擇、熱處理、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、使用等多方面綜合考慮液態(tài)模鍛模具壽命。

(3)加強(qiáng)模擬分析在液態(tài)模鍛技術(shù)上的使用，研究成形規(guī)律、工藝參數(shù)等對(duì)保證工件質(zhì)量，降低研發(fā)周期和生產(chǎn)成本的作用。

(4)在自動(dòng)化和集成化基礎(chǔ)上利用信息技術(shù)對(duì)液態(tài)模鍛數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、實(shí)現(xiàn)自感知、自分析、自決策、自執(zhí)行的智能制造系統(tǒng)是液態(tài)模鍛未來(lái)的發(fā)展方向。