半固態(tài)鋁合金成形技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用＊

陳晶晶 ， 陳田力 ， 趙夢慧 ， 牛海俠

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

半固態(tài)成形工藝是半固態(tài)金屬坯料的成形工藝，其基本概念和工藝流程是于20世紀(jì)70年代由美國麻省理工學(xué)院的Flemimgs教授為首的科研團(tuán)隊(duì)提出的[1]。與其他工藝相比，半固態(tài)成形工藝的特點(diǎn)是劇烈攪拌凝固的金屬或控制金屬的凝固條件，從而抑制枝晶形成或者破壞已經(jīng)形成的枝晶，獲得細(xì)小的、近球狀的等軸晶粒，均勻地懸浮在液相中[2]，對成形復(fù)雜零件非常有利。這種等軸、均勻細(xì)小的初生相和均勻分布在液相中的懸浮半固態(tài)漿料具有很好的流變特性，可以通過不同的方法制成零件。

1 研究背景

隨著中國全球市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國都在積極倡導(dǎo)“節(jié)能減排”“綠色設(shè)計制造”，材料利用率和材料性能在我國傳統(tǒng)的鑄造和鍛造工藝中，都表現(xiàn)出一定的局限性。與之比較，半固態(tài)成形技術(shù)卻能大幅度提高材料利用率和產(chǎn)品質(zhì)量，符合全球綠色發(fā)展的要求。

以鑄造為例，使用高質(zhì)量材料可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀部件的構(gòu)造，但其晶體組織、元素偏析等缺陷不容忽視[3-5]。與普通鑄造工藝相比，半固態(tài)成形更容易填充模具型腔，變形溫度較低，延長了模具壽命，有效提高了零件的精度和生產(chǎn)效率，同時獲得了較高的綜合力學(xué)性能。相對于傳統(tǒng)固態(tài)金屬的塑性加工，半固態(tài)成形中材料的屈服強(qiáng)度要低得多，而且材料有流動性，僅需要較小的成形力即可完成型腔的充填，達(dá)到制件的最終理想形狀，且其表面光滑度高、粗糙度較小。因此，半固態(tài)成形是一種高效低耗的金屬成形新工藝。

半固態(tài)成形技術(shù)充分利用了金屬材料半固態(tài)等軸球狀組織、流動性和可控性好、抗變形能力低的特點(diǎn)，建立了領(lǐng)先于現(xiàn)有成形技術(shù)的近凈成形技術(shù)。另外，在半固態(tài)觸變加工生產(chǎn)過程中通常會出現(xiàn)固態(tài)晶粒影響塑性變形而引發(fā)的再結(jié)晶等行為，能夠提高構(gòu)件的力學(xué)性能[6-7]。

2 半固態(tài)成形技術(shù)的分類

半固態(tài)成形加工可分為枝晶材料加工和非枝晶材料加工兩種方式。

1）枝晶材料半固態(tài)成形加工指在半固態(tài)成形溫度范圍內(nèi)加工，由于材料存在相互接搭的枝晶，沒有流變性和觸變性，但材料的流動應(yīng)力很大。枝晶材料半固態(tài)成形加工根據(jù)坯料制備方法不同，可分為半熔融法和半凝固法。

2）非枝晶材料半固態(tài)成形加工指的是在凝固過程中將合金進(jìn)行強(qiáng)力的攪拌，以此破碎合金材料的樹枝狀初生固相，獲得液態(tài)金屬和球狀非枝晶初生相共存的液固混合漿料，稱為流變漿料，再將這種流變漿料凝固變成鑄錠，將鑄錠分為大小均等的小塊，重新加熱，升溫至固液相溫度范圍再加工稱為觸變成形。另外，半固態(tài)成形按照成形之前坯料不同的加熱流程，可以分為觸變成形、泥態(tài)成形、流變成形，這三種成形方法中泥態(tài)成形是利用對液態(tài)合金進(jìn)行電磁攪拌，然后冷卻至室溫，由此得到具有球狀晶粒特征的金屬坯料，接著繼續(xù)將坯料加熱到半固態(tài)溫度區(qū)間，在此溫度區(qū)間完成零件的成形；而流變成形與泥態(tài)成形相比，減少了冷卻至室溫的步驟，直接對已經(jīng)冷卻到半固態(tài)溫度區(qū)間完成球化處理的金屬漿料成形；觸變成形則是將半固態(tài)坯料升溫加熱到具有一半液相體積的半固態(tài)狀態(tài)，隨后放在具有更高預(yù)熱溫度的模具槽內(nèi)，一次模鍛成形，最終獲得接近尺寸零件的工藝。

3 半固態(tài)成形技術(shù)的工藝特點(diǎn)

半固態(tài)成形技術(shù)與傳統(tǒng)成形工藝相比，有較為突出的特點(diǎn)，在未來工業(yè)生產(chǎn)中有廣闊的應(yīng)用前景。

1）對于壓鑄而言，加工溫度范圍區(qū)間低。這是因?yàn)榘牍虘B(tài)金屬材料中一半的金屬熔化潛熱已經(jīng)消散，故從根源上解決了液態(tài)金屬會對壓鑄型、壓鑄室和沖頭的熱侵蝕，從而延長了模具的壽命。

2）對于鍛造而言，成形力低。半固態(tài)金屬材料一般具有剪切變稀的觸變行為，由于像流體一樣，在填充時，比較容易填充模腔。與通常的熱鍛模不太一樣，一般的簡單件，要同時克服金屬流動時的阻力和模腔的摩擦力。而復(fù)雜件需要多個步驟才能完成，而且還需消耗大量的能量，同時需要大噸位的設(shè)備來支持操作。

3）制件的整體質(zhì)量比鑄造高，與鍛造相似。半固態(tài)金屬材料具有一定的黏性，所以在壓鑄的過程中，基本不會出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，湍流對于鑄造工藝來說是危險現(xiàn)象，會影響制件的尺寸精度。半固態(tài)金屬壓鑄時，空氣被卷入其中的量較少，疏松和氣孔等缺陷很少發(fā)生，最終凝固時收縮的程度較小，故制件的尺寸精度較高。

4）采用半固態(tài)成形工藝，能夠有效克服制備復(fù)合材料時非金屬材料所產(chǎn)生的漂浮和偏移問題以及金屬基體沒有得到足夠潤濕等相關(guān)技術(shù)難題，這一點(diǎn)對于制備復(fù)合材料具有重大意義。

5）綠色生產(chǎn)過程。坯料的制備與零件的成形過程是相互獨(dú)立的，在一定程度上增加了專業(yè)化程度，可以智能控制整個生產(chǎn)過程，大大減少了鑄造以及鍛造對環(huán)境的危害，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。故半固態(tài)成形技術(shù)的研究與應(yīng)用具有相當(dāng)大的意義。

4 鋁合金成形技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

半固態(tài)成形技術(shù)在美國已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。許多公司已經(jīng)可以使用半固態(tài)成形工藝制造形狀復(fù)雜、難以成形的零件。例如，汽車制動缸體和鋁合金輪轂、轉(zhuǎn)向和傳動系統(tǒng)零件、燃油系統(tǒng)零件等，這些零件已經(jīng)在歐美名車上使用。

與發(fā)達(dá)國家相比，我國還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段。目前，已能利用電磁攪拌設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)直徑80 mm的鋁合金半固態(tài)坯料。重慶師范大學(xué)與重慶九方鑄造有限公司合作，采用觸變成形技術(shù)生產(chǎn)JH70摩托車發(fā)電機(jī)支架；北京科技大學(xué)成功地用電磁攪拌法制備了半固態(tài) AlSi7Mg合金，并利用觸變成形技術(shù)生產(chǎn)汽車制動主泵缸蓋毛坯[8]。在半固態(tài)成形領(lǐng)域，鋁鎂合金、金屬基復(fù)合材料已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。零件類型從汽車、摩托車零件、3C產(chǎn)品市場逐步擴(kuò)展到軍工領(lǐng)域。坯（漿）料的成功制備，是其中的關(guān)鍵。

2007年11 月，由汽車企業(yè)工程學(xué)會牽頭，中國汽車輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟成立。聯(lián)盟成員主要是第一汽車集團(tuán)、寶山鋼鐵股份有限公司等大型企業(yè)以及部分高等教育機(jī)構(gòu)和研究機(jī)構(gòu)。他們共同提出了中國傳統(tǒng)汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略，并列舉了鋁鎂合金及其復(fù)合材料、塑料和高強(qiáng)度鋼等一些重點(diǎn)項(xiàng)目開發(fā)的新材料，以及5項(xiàng)先進(jìn)的汽車制造系統(tǒng)技術(shù)。有色合金半固態(tài)成形技術(shù)被列為先進(jìn)制造技術(shù)之一。發(fā)動機(jī)支架、商用車車輪等強(qiáng)度較大的零件成形難度較大。通過半固態(tài)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，可以有效提高金屬材料的利用率、產(chǎn)品質(zhì)量和性能，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和綠色設(shè)計制造[9]。目前，對鋁合金半固體成形的研究較多。鋁合金固態(tài)鍛造的問題主要是各部分材料在加工過程中壓力不均勻，導(dǎo)致性能參差不齊，但半固態(tài)成形工藝中，由于半固態(tài)金屬具有良好的流動性，所施加的壓力還可以提高零件的性能，可以滿足零件形狀和性能要求。

半固態(tài)成形工藝在鍛造過程中，由于零件形狀、合金成分和應(yīng)力狀態(tài)的影響，不可避免地會產(chǎn)生合金的凝固和非均勻應(yīng)變場。在金屬凝固的末期（脆溫度區(qū)），工件容易產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋對于工件來說具有致命威脅，大大降低其使用壽命。

半固態(tài)成形工藝在模鍛過程中，鍛造初期不可避免地存在固相，導(dǎo)致凝固過程的不均勻性增大，特別是施加成形載荷后，工件各部位的應(yīng)變更加不均勻，產(chǎn)生微裂紋的可能性增大[10]。但是，半固態(tài)模鍛仍然是一種基于凝固的成形技術(shù)，因其性能指標(biāo)與鍛件非常接近，也受到了各類研究機(jī)構(gòu)的高度重視和廣泛研究。

半固態(tài)鋁合金流動性好，在填充過程中能夠充分充填型腔。在填充過程中施加一定的壓力，可以改變填充過程的液體流速，解決薄壁鋁合金殼體成形的難題。同時一定的壓力可以提高工作零件的致密性，獲得綜合力學(xué)性能較好的制件。采用半固態(tài)成形，零件的精度和生產(chǎn)效率顯著提高，工業(yè)應(yīng)用潛力巨大。

5 結(jié)語

基于“節(jié)能減排”“綠色設(shè)計制造”，在航空航天、制造業(yè)、兵器工業(yè)等方面，半固態(tài)成形技術(shù)的研究不斷深入。與傳統(tǒng)的固態(tài)和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)材料相比，半固態(tài)金屬材料表現(xiàn)出不同的產(chǎn)品特性，這使得科研人員面臨機(jī)遇又面臨巨大挑戰(zhàn)。在研究中尤其要注意以下問題。

1）制備金屬半固態(tài)漿料或坯料。幾十年來，國內(nèi)外研究專家學(xué)者開發(fā)設(shè)計出了20多種相關(guān)的制備技術(shù)和工藝，由于這些新工藝與傳統(tǒng)工藝在各個企業(yè)都有較大的差別，新工藝的實(shí)施與發(fā)展具有不穩(wěn)定性和應(yīng)用未知性，故半固態(tài)成形仍需在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷加深與企業(yè)的聯(lián)系、不斷優(yōu)化成形工藝。

2）對中國傳統(tǒng)的鑄鍛企業(yè)來說，金屬結(jié)構(gòu)材料半固態(tài)成形的工作溫度范圍較窄，同一材料在不同的半固態(tài)溫度下的微觀結(jié)構(gòu)不同。因此，要使金屬材料的半固態(tài)成形工藝穩(wěn)定，必須嚴(yán)格控制成形中的溫度。

3）對于鋼鐵材料等高熔點(diǎn)金屬材料，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展相對緩慢，因?yàn)榘牍虘B(tài)成形對環(huán)境有嚴(yán)格要求。這一點(diǎn)需要相關(guān)研究工作人員不斷進(jìn)行突破。

今后，國家要進(jìn)一步加大理論研究和技術(shù)創(chuàng)新投入，鼓勵中小企業(yè)參與半固體成型技術(shù)研究，積極引進(jìn)并吸收國外先進(jìn)科技經(jīng)驗(yàn)。充分發(fā)揮半固態(tài)成形工藝的優(yōu)勢，嚴(yán)格對待半固態(tài)成形工藝需要的環(huán)境要求，其中半固態(tài)成形工藝的漿料和坯料制備、工具和模具的材料選擇以及成形熱處理等工藝的開發(fā)方面，需要廣大的科研工作人員和社會從業(yè)人員齊心協(xié)力，共同克服難關(guān)，打破瓶頸，再奪輝煌，全面提升我國半固態(tài)成形工藝領(lǐng)域的發(fā)展水平。