鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

修磊 張之榮 金飛翔

摘?要：鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)是一種新型的金屬成形技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、船舶、電子、建筑和機(jī)械等領(lǐng)域。本文首先介紹了鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的概念、分類和特點(diǎn)；其次，分別從成形方法、成形工藝、設(shè)備和模具等方面對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述；最后，對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：鋁合金；半固態(tài)成形；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：F764.3??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Current?Development?Status

of?Aluminum?Alloy?Semisolid?Forming?Technology

Xiu?Lei?Zhang?Zhirong?Jin?Feixiang

Advanced?Manufacturing?Engineering?College?of?Hefei?University?AnhuiHefei?230601

Abstract：Aluminum?alloy?semisolid?forming?technology?is?a?new?type?of?metal?forming?technology，widely?used?in?fields?such?as?aviation，automotive，shipbuilding，electronics，construction，and?machinery.This?article?first?introduces?the?concept，classification，and?characteristics?of?semi?solid?forming?technology?for?aluminum?alloys；Then，the?current?development?status?was?elaborated?on?from?the?perspectives?of?forming?modes，forming?processes，equipment，and?molds；Finally，prospects?were?made?for?its?future?development.

Keywords：aluminum?alloy；semi?solid?forming；development?status

一、概述

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料科學(xué)的迅速發(fā)展，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)逐漸成為重要研究領(lǐng)域，也為鋁合金成形開辟了新的途徑。鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)是指利用形態(tài)可控的半固態(tài)合金漿料進(jìn)行成形加工。在半固態(tài)狀態(tài)下，合金漿料的流動(dòng)性與黏度介于液態(tài)和固態(tài)之間，具有一定的可塑性和成形性，同時(shí)又具備一定的抗變形和穩(wěn)定性，可以保證成形精度和工件質(zhì)量［1］。

鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)相比于傳統(tǒng)的鋁合金成形技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的是優(yōu)異的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。通過半固態(tài)成形，可以獲得均勻的晶粒結(jié)構(gòu)以及高密度、無氣孔、無晶界裂紋等高質(zhì)量成形件，大大提高了產(chǎn)品的壽命和可靠性。此外，半固態(tài)成形還具有精度高、成形周期短、加工變形小、加工節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，極大地節(jié)省了生產(chǎn)成本和加工周期［2］。在航空、汽車、船舶、電子等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。在國(guó)際上，已經(jīng)有不少國(guó)家和地區(qū)開展了鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的相關(guān)研究工作［36］。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和完善，成為鋁合金成形技術(shù)的焦點(diǎn)之一。本文將介紹鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并展望其未來的發(fā)展方向。

二、鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）成形方法

根據(jù)成形方式的不同，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)可分為壓鑄成形和擠壓成形兩種。壓鑄成形是將鋁合金半固態(tài)材料通過壓鑄機(jī)注入模具中，在模具內(nèi)同時(shí)進(jìn)行加熱和加壓，使其成形為所需形狀，鋁合金半固態(tài)壓鑄成形方法如圖1所示。擠壓成形則是將鋁合金半固態(tài)材料在加熱后通過軸向加壓擠壓成形，成形過程主要是由變形工藝控制［7］，半固態(tài)擠壓成形如圖2所示。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這兩種成形模式進(jìn)行了大量的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了許多創(chuàng)新的成形方法。例如，經(jīng)過優(yōu)化改良的壓鑄成形和擠壓成形技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高的成形精度和更高的生產(chǎn)效率［89］。比如，參考文獻(xiàn)［10］中提出半固態(tài)多腔擠壓鑄造工藝，能夠提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。張泉達(dá)等［11］提出電磁攪拌輔助流變擠壓鑄造工藝，在電磁攪拌作用下半固態(tài)初生相顆粒發(fā)生顯著細(xì)化，然后通過擠壓鑄造加工出的產(chǎn)品具有優(yōu)異的力學(xué)性能。常用壓鑄鋁合金半固態(tài)成形力學(xué)性能如下表所示。

（二）成形工藝

隨著鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的不斷發(fā)展，成形工藝也在不斷創(chuàng)新和完善。傳統(tǒng)的成形工藝主要包括壓鑄成形和擠壓成形兩種。隨著鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展出了半固態(tài)流變成形工藝技術(shù)［12］、超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)成形技術(shù)［13］、反擠壓半固態(tài)成形技術(shù)［14］、氣流攪拌鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)［15］等新型成形工藝。這些工藝的出現(xiàn)，不僅提高了成形效率和加工質(zhì)量，還使得半固態(tài)成形技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用前景。

（三）設(shè)備

鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)需要的設(shè)備主要包括壓鑄機(jī)、擠壓機(jī)、熱處理爐、數(shù)控機(jī)床、半固態(tài)制漿設(shè)備等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，常規(guī)的成形設(shè)備和工具逐漸被先進(jìn)的設(shè)備和工具所取代。

例如，采用先進(jìn)的超聲振動(dòng)輔助成形裝置，具備高精度、高速成形、高可靠性的特點(diǎn)［13］；采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)多工位生產(chǎn)和自動(dòng)化生產(chǎn)等。這些新型設(shè)備不僅提高了成形效率和加工精度，還使半固態(tài)成形技術(shù)更具普適性，并為其在廣泛的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（四）模具

鋁合金半固態(tài)成形模具是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鋁合金零件成形的關(guān)鍵，高品質(zhì)模具的使用可以大大提高零件的成形效率和質(zhì)量。隨著模具技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了先進(jìn)的三維打印、快速切削、電火花加工等技術(shù)，在模具的制造和設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了重大突破［1516］。

根據(jù)成形模式的不同，半固態(tài)成形模具也各具特點(diǎn)。例如，壓鑄成形模具要求有獨(dú)特的液態(tài)金屬流動(dòng)通道，而擠壓成形模具則要求具有特殊的換向機(jī)構(gòu)。這些模具設(shè)計(jì)和制造的創(chuàng)新性和特殊性，不僅提高了成形工藝的精度和效率，還開辟了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，為鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。

三、鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)應(yīng)用

鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于通信基站散熱器、腔體濾波器、汽車關(guān)鍵零部件的制造中。

（一）半固態(tài)成形技術(shù)在通信設(shè)備制造中的應(yīng)用

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，5G通信技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，5G通信設(shè)備不斷向著小型化、輕量化的方向發(fā)展，這就要求5G通信設(shè)備的體積需要做得盡可能小，重量盡可能輕。同時(shí)5G通信為了保證足夠遠(yuǎn)的傳輸距離，需要提高設(shè)備的發(fā)射功率，使得單位體積上的熱耗越來越大，這對(duì)5G通信設(shè)備的散熱性能也提出了很高要求。

鋁合金5G通信設(shè)備在傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄成形過程中，由于合金熔體通常以枝狀晶組織形式凝固，流動(dòng)性就會(huì)由于先凝固的固相所形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)而降低，在鑄件組織中往往會(huì)形成粗大的枝狀晶組織，并伴生有大量的縮松、縮孔等缺陷，影響到產(chǎn)品的導(dǎo)熱性。而在半固態(tài)壓鑄過程中，由于半固態(tài)合金漿料的澆注溫度控制在固液兩相區(qū)內(nèi)，漿料中的固相以近球狀的非枝晶組織形式懸浮在液相基體中，使熔體具有良好的流動(dòng)性，可以制作壁厚較薄的零件，同時(shí)在一定強(qiáng)度攪拌的作用下漿料分布均勻，以細(xì)小的非枝晶、近球狀的顯微組織凝固；在漿料充型過程中，半固態(tài)金屬的流動(dòng)屬于層流，避免了氣體的卷入，且由于澆注溫度處于固液兩相區(qū)，顯著降低了鑄件內(nèi)部的氣孔含量，使鑄件組織致密。

（二）半固態(tài)成形技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用

隨著人們對(duì)節(jié)能減排以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增加，新能源汽車風(fēng)靡全球，越來越受到人們的青睞。高質(zhì)輕量的零部件一直是新能源汽車制造廠商的目標(biāo)，半固態(tài)成形技術(shù)是制造高性能、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命鋁合金汽車零部件的主要方式。

（三）半固態(tài)成形技術(shù)在電子元器件制造中的應(yīng)用

使用半固體成形技術(shù)制造的產(chǎn)品具有良好的散熱性能和較高的抗熱裂紋能力，可以用來制造微型化的封裝結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)不僅體積小，而且具有良好的熱管理和電學(xué)性能，對(duì)于提高集成電路的性能和穩(wěn)定性非常有幫助。

四、鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)在成形方法、成形工藝、設(shè)備和模具等方面的技術(shù)不斷升級(jí)，這也為鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)在工業(yè)制造中的應(yīng)用提供了有力保障。下面，將從以下幾個(gè)方面展望其未來的發(fā)展方向。

（一）強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉創(chuàng)新發(fā)展模式，不斷提高技術(shù)的精度和效率

鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)是一項(xiàng)涉及材料科學(xué)、機(jī)械制造、自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域的高科技產(chǎn)業(yè)。未來應(yīng)在技術(shù)和人才培養(yǎng)、研發(fā)和創(chuàng)新投入上強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合與發(fā)展模式，不斷提高成形精度和效率，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。

（二）加快數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)成形工藝的數(shù)字化、智能化及信息化

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成形工藝流程、參數(shù)、質(zhì)量等信息的數(shù)字化、智能化及信息化處理，進(jìn)一步提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而促進(jìn)鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)應(yīng)用的深入和拓展。

（三）不斷拓展新領(lǐng)域，拓寬應(yīng)用范圍

未來，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)應(yīng)積極拓展新領(lǐng)域和新應(yīng)用方向。例如，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)結(jié)合先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于高鐵、飛機(jī)、無人機(jī)、新能源汽車等輕量化制造領(lǐng)域，其應(yīng)用前景更廣。

結(jié)語

鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)是一種先進(jìn)的鋁合金成形技術(shù)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和表面質(zhì)量，在成形方法、成形工藝、設(shè)備和模具等方面的技術(shù)不斷升級(jí)和完善，為其在工業(yè)制造中的應(yīng)用提供了有力保障。未來，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)應(yīng)在強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉創(chuàng)新發(fā)展模式、加快數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用、拓寬新領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，持續(xù)推進(jìn)其發(fā)展，為制造業(yè)發(fā)展注入新的活力和動(dòng)力。

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基金項(xiàng)目：安徽省重點(diǎn)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022a?05020043）；安徽省古建筑智能感知與高維建模國(guó)際聯(lián)合研究中心開放基金（GJZZX2024KF01）

作者簡(jiǎn)介：修磊（1984—?），男，安徽亳州人，博士，副教授，從事材料先進(jìn)成形技術(shù)研究工作。