半固態鋁合金成形技術的發展與應用＊

陳晶晶 ， 陳田力 ， 趙夢慧 ， 牛海俠

（安徽三聯學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

半固態成形工藝是半固態金屬坯料的成形工藝，其基本概念和工藝流程是于20世紀70年代由美國麻省理工學院的Flemimgs教授為首的科研團隊提出的[1]。與其他工藝相比，半固態成形工藝的特點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形成的枝晶，獲得細小的、近球狀的等軸晶粒，均勻地懸浮在液相中[2]，對成形復雜零件非常有利。這種等軸、均勻細小的初生相和均勻分布在液相中的懸浮半固態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濟的發展，世界各國都在積極倡導“節能減排”“綠色設計制造”，材料利用率和材料性能在我國傳統的鑄造和鍛造工藝中，都表現出一定的局限性。與之比較，半固態成形技術卻能大幅度提高材料利用率和產品質量，符合全球綠色發展的要求。

以鑄造為例，使用高質量材料可以實現復雜形狀部件的構造，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效率，同時獲得了較高的綜合力學性能。相對于傳統固態金屬的塑性加工，半固態成形中材料的屈服強度要低得多，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，半固態成形是一種高效低耗的金屬成形新工藝。

半固態成形技術充分利用了金屬材料半固態等軸球狀組織、流動性和可控性好、抗變形能力低的特點，建立了領先于現有成形技術的近凈成形技術。另外，在半固態觸變加工生產過程中通常會出現固態晶粒影響塑性變形而引發的再結晶等行為，能夠提高構件的力學性能[6-7]。

2 半固態成形技術的分類

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

2）非枝晶材料半固態成形加工指的是在凝固過程中將合金進行強力的攪拌，以此破碎合金材料的樹枝狀初生固相，獲得液態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、泥態成形、流變成形，這三種成形方法中泥態成形是利用對液態合金進行電磁攪拌，然后冷卻至室溫，由此得到具有球狀晶粒特征的金屬坯料，接著繼續將坯料加熱到半固態溫度區間，在此溫度區間完成零件的成形；而流變成形與泥態成形相比，減少了冷卻至室溫的步驟，直接對已經冷卻到半固態溫度區間完成球化處理的金屬漿料成形；觸變成形則是將半固態坯料升溫加熱到具有一半液相體積的半固態狀態，隨后放在具有更高預熱溫度的模具槽內，一次模鍛成形，最終獲得接近尺寸零件的工藝。

3 半固態成形技術的工藝特點

半固態成形技術與傳統成形工藝相比，有較為突出的特點，在未來工業生產中有廣闊的應用前景。

1）對于壓鑄而言，加工溫度范圍區間低。這是因為半固態金屬材料中一半的金屬熔化潛熱已經消散，故從根源上解決了液態金屬會對壓鑄型、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備來支持操作。

3）制件的整體質量比鑄造高，與鍛造相似。半固態金屬材料具有一定的黏性，所以在壓鑄的過程中，基本不會出現湍流現象，湍流對于鑄造工藝來說是危險現象，會影響制件的尺寸精度。半固態金屬壓鑄時，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）采用半固態成形工藝，能夠有效克服制備復合材料時非金屬材料所產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技術難題，這一點對于制備復合材料具有重大意義。

5）綠色生產過程。坯料的制備與零件的成形過程是相互獨立的，在一定程度上增加了專業化程度，可以智能控制整個生產過程，大大減少了鑄造以及鍛造對環境的危害，實現綠色生產。故半固態成形技術的研究與應用具有相當大的意義。

4 鋁合金成形技術的應用與發展

半固態成形技術在美國已經應用于工業生產。許多公司已經可以使用半固態成形工藝制造形狀復雜、難以成形的零件。例如，汽車制動缸體和鋁合金輪轂、轉向和傳動系統零件、燃油系統零件等，這些零件已經在歐美名車上使用。

與發達國家相比，我國還處于研究和實驗階段。目前，已能利用電磁攪拌設備連續生產直徑80 mm的鋁合金半固態坯料。重慶師范大學與重慶九方鑄造有限公司合作，采用觸變成形技術生產JH70摩托車發電機支架；北京科技大學成功地用電磁攪拌法制備了半固態 AlSi7Mg合金，并利用觸變成形技術生產汽車制動主泵缸蓋毛坯[8]。在半固態成形領域，鋁鎂合金、金屬基復合材料已經得到了廣泛的應用。零件類型從汽車、摩托車零件、3C產品市場逐步擴展到軍工領域。坯（漿）料的成功制備，是其中的關鍵。

2007年11 月，由汽車企業工程學會牽頭，中國汽車輕量化技術創新戰略聯盟成立。聯盟成員主要是第一汽車集團、寶山鋼鐵股份有限公司等大型企業以及部分高等教育機構和研究機構。他們共同提出了中國傳統汽車輕量化技術的發展戰略，并列舉了鋁鎂合金及其復合材料、塑料和高強度鋼等一些重點項目開發的新材料，以及5項先進的汽車制造系統技術。有色合金半固態成形技術被列為先進制造技術之一。發動機支架、商用車車輪等強度較大的零件成形難度較大。通過半固態技術的開發和應用，可以有效提高金屬材料的利用率、產品質量和性能，從而實現節能減排和綠色設計制造[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，導致性能參差不齊，但半固態成形工藝中，由于半固態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。

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

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

半固態鋁合金流動性好，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，獲得綜合力學性能較好的制件。采用半固態成形，零件的精度和生產效率顯著提高，工業應用潛力巨大。

5 結語

基于“節能減排”“綠色設計制造”，在航空航天、制造業、兵器工業等方面，半固態成形技術的研究不斷深入。與傳統的固態和液態金屬結構材料相比，半固態金屬材料表現出不同的產品特性，這使得科研人員面臨機遇又面臨巨大挑戰。在研究中尤其要注意以下問題。

1）制備金屬半固態漿料或坯料。幾十年來，國內外研究專家學者開發設計出了20多種相關的制備技術和工藝，由于這些新工藝與傳統工藝在各個企業都有較大的差別，新工藝的實施與發展具有不穩定性和應用未知性，故半固態成形仍需在生產實踐中不斷加深與企業的聯系、不斷優化成形工藝。

2）對中國傳統的鑄鍛企業來說，金屬結構材料半固態成形的工作溫度范圍較窄，同一材料在不同的半固態溫度下的微觀結構不同。因此，要使金屬材料的半固態成形工藝穩定，必須嚴格控制成形中的溫度。

3）對于鋼鐵材料等高熔點金屬材料，基礎研究和應用技術發展相對緩慢，因為半固態成形對環境有嚴格要求。這一點需要相關研究工作人員不斷進行突破。

今后，國家要進一步加大理論研究和技術創新投入，鼓勵中小企業參與半固體成型技術研究，積極引進并吸收國外先進科技經驗。充分發揮半固態成形工藝的優勢，嚴格對待半固態成形工藝需要的環境要求，其中半固態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方面，需要廣大的科研工作人員和社會從業人員齊心協力，共同克服難關，打破瓶頸，再奪輝煌，全面提升我國半固態成形工藝領域的發展水平。