铝合金液态模锻发展现状及未来展望

2021-12-07供稿胡中潮高忠玉陈湖演蔡健文李达鑫梁宇森HUZhongchaoGAOZhongyuCHENHuyanCAIJianwenLIDaxinLIANGYusen

金属世界 2021年6期

供稿|胡中潮，高忠玉，陈湖演，蔡健文，李达鑫，梁宇森 / HU Zhong-chao, GAO Zhong-yu,CHEN Hu-yan, CAI Jian-wen, LI Da-xin, LIANG Yu-sen

内容导读

液态模锻是一种介于固态锻造和铸造之间的金属成形工艺，既具有液态成型生产复杂造型又有固态锻造成型压力高、性能优良的特点，同时该工艺还具有高效率、短流程、高精度等优点。在轻量化需求日益增大的大背景下，液态模锻技术得到广泛的关注。本文对液态模锻的影响因素、模具、设备、不同应用领域的研究现状进行了综述，展望了液态模锻今后的发展趋势。

随着能源和环境危机越来越严峻，轻量化材料越来越受到重视。液态模锻作为轻量化工艺，是一种将定量的金属熔体浇注到模具型腔内,在机械静压力作用下充型、高压结晶、凝固和补缩的短流程、高效、近净成形技术。该技术是一种介于固态锻造和铸造之间的金属成形工艺，既有液态成型生产复杂造型又有固态锻造成型压力高、性能优良的特点，同时还具有省力、节能、材料利用率高等优点。液态模锻影响因素复杂，涉及工艺、合金成分、组织与缺陷控制、热处理、模具设计与制造技术、数值模拟以及液态模锻装备等。本文对液态模锻的研究进展进行了综述,并展望了该技术的未来发展趋势。

液态模锻合金

液态模锻合金组织

液态模锻过程中压力提高了合金的熔点，增加了合金熔体的过冷度，降低了临界晶核半径和临界形核功，使有效形核质点增加进而细化晶粒。材料在压力下凝固时，原子的扩散受到抑制使得生长激活能增加，因而压力降低了晶体的长大速率。在压力下结晶凝固工件紧靠型壁，热传导较为激烈也可以细化晶粒。唐全波等[1]发现ACDCl2合金液态模锻生产消除了显微疏松，使致密度得到提高，几乎没有微观缺陷。贾海龙等[2]研究表明液态模锻能明显改善过共晶Al-xSi合金的显微组织，使共晶硅相发生明显细化，同时初生硅相的尺寸和数量减小。也有研究表明液态模锻使得A356合金铸态晶粒以及二次枝晶间距均减小，组织更加致密[3-4]。李宇飞等[5]利用Al-Si-Cu-Mg生产转向节，晶粒得到明显细化，力学性能得到显著提高。压力的施加改变了6082合金液的结晶条件,增大了过冷度使合金元素在固溶体中溶解度增加从而引起液态模锻件组织变化,进而提高了液态模锻件的力学性能[6]。

液态模锻偏析

偏析是指铸件成分、组织和性能的不均匀的现象,也是液态成型常见的缺陷之一。随着铝合金在液态模锻中的应用越来越广,发现液态模锻生产的零件也存在不同程度的宏观偏析[7-9]。郭莉军等[10]采用螺旋试样研究A357液态模锻的偏析行为，由于补缩液的强迫运动造成了Si和Mg元素的偏析及组织的偏聚。Gallemeault等[11]在液态模锻工艺参数和晶粒细化剂对Al-4.5Cu合金冷却、凝固行为方面进行了研究，发现铝铜系合金共晶相在过程中可从固体骨架中挤出，渗出到铸造表面，从而产生缺陷。降低浇注温度可以抑制铜元素在液相中的扩散，避免富铜液相通过枝晶间隙流向铸件“热节”附近形成偏析带。此外，减小挤压力可使液相流动速度降低减少宏观偏析。许明等[12]发现铝合金中影响Sn偏析的工艺参数依次是浇注温度、模具温度、保压时间及比压，适当的液态模锻工艺可以使低熔点Sn元素分布较均匀。液态模锻作为液态成形技术存在着不同程度的偏析，对偏析的机理进行深入的研究，从液态模锻工艺以及合金设计上规避偏析的产生或者降低偏析的级别。

合金的研发应用

液态模锻对合金的流动性、补缩能力和热裂敏感性等工艺性能的适应能力强，对合金的适用范围比较宽，既适用于高性能的变形合金也可以涵盖所有的铸造合金并且还可以开发目前标准中没有涉及的合金成分范围。已报道的液态模锻所用铸造合金有 ZL101、ZL102、ZL103、ZL104、ZL105、ZL108、ZL114、ZL205A、ZL301、ZL401 等[13-21]，变形合金有6061、2A50、LD10、LY12、6063、6082、7055等[22-25]。液态模锻作为一种介于铸造和固态锻造之间的工艺，为了发挥这种工艺的优势，可以根据其工艺特点结合工件的应用开发适用于液态模锻的合金体系。液态模锻的成型压力一般在55~100 MPa，在高压力下相的形核热力学和生长动力学、强化相和杂质相的选择以及生长形貌均有所不同，对采用铸造和变形牌号合金热处理工艺的研究还不够系统[26]。为此可以对热处理过程中强化相的溶入、析出机制以及时效后强化相析出位置、形貌、析出相和基体的位相关系进行研究，为液态模锻热处理工艺发挥其工艺优势奠定基础。

液态模锻模具

模具对于液态模锻技术非常重要，它关系到工件能否完整成形，同时又决定了零件的质量。液态模锻的模具使用寿命短是限制这项技术应用的原因之一。模具寿命受模具结构、材料、热处理制度以及液态模锻工艺参数等的影响。

模具断裂的机理

液态模锻模具工作温度高、承受压力大，浇注过程中模具表面最先接触到高温熔体；完成工件生产后，需要喷涂润滑涂料，模具表面接触低温涂料温降最剧烈。在此过程中的冷热作用使得模具表面不断的膨胀和收缩导致出现较大的残余应力。Long等[27]计算了表面残余应力为840~980 MPa，由于模具工作的环境恶劣，使用过程中出现侵蚀和热疲劳，在高应力作用下使得模具表面不可避免的产生裂纹，导致模具寿命较低。模具使用状态为淬火加回火，回火温度为600 ℃左右，液态模锻铝合金的浇注温度远高于其回火温度，每次浇注相当于对模具钢进行一次软化回火。对使用过的模具材料进行微观组织和性能分析发现板条边界变得模糊，碳化物粗化，观察到0.5 mm的软化层，这意味着此处屈服强度的降低也促进裂纹扩展到软化层的深度[28]。

改善模具寿命措施

模具材料方面：结合成本因素选择耐热疲劳性良好的模具用钢并根据使用条件研发适用的模具钢热处理工艺。

结构设计的角度：减少应力集中如避免尖角，在满足工艺的前提下增加加工圆角。

模具制造的角度：采取模具表面处理技术如渗氮、碳氮共渗氮或者硫氮共渗进而增加表面硬度。

使用的角度：合理制定液态模锻工艺如浇注温度、模具温度、比压等参数以及使用一段时间后进行回火消除残余应力。

此外，喷涂润滑剂有利于脱模，实现对模具保护。脱模剂分为油基和水基两种，油基润滑剂脱模效果好，但是对环境危害较大；水基润滑剂虽然对环境影响较小，但是激冷能力强对于模具寿命影响较大，需要研发一种适用于液态模锻的润滑涂料，在环保的同时达到对模具表面的防护，增加模具的使用寿命。

液态模锻模拟

数值模拟技术在液态模锻模具优化设计、改进工艺方案、缩短研发周期、节约成本等方面有着非常重要的作用。利用ProCAST软件对充填速度、充填温度及模具预热温度进行模拟，揭示工艺参数对液态模锻件性能的影响规律，确定了铝合金轮辐最佳成形工艺为：充填温度690 ℃，模具预热温度350 ℃，挤压速度15 mm/s[29]。牛海侠等[30]利用AnyCasting模拟得出模具预热温度比浇注温度对薄壁件凝固过程影响大并且模具的温度在550~600 ℃之间较为合理。陈席国[31]模拟了2A50合金生产坦克负重轮产生的缺陷，认为和模具接触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时间较长，表明在转角处控制不好容易产生热裂纹，这为后续负重轮结构设计、液态模锻模具设计以及工艺制定指明了方向。对薄壁件进行模拟确定了最佳的模具预热温度以及浇注温度同时利用DEFORM-3D对液态模锻保压压力和保压时间进行了模拟，得出了最佳的工艺参数[32]。

液态模锻设备研究

液态模锻设备是整个工艺的核心，日本宇部兴产株式会社生产的VSC立式液态模锻机(立式合模，立式挤压)系列合模力分别为3150、5000、6300、7800、12000、15000、18000、25000和 35000 kN等。HVSC卧式液态模锻机(卧式合模，立式挤压)合模力分别为1400、2500、3500、5000、6300和8000 kN等[33]。苏州三基机械有限公司研发制造的SCH-350A卧式机是国内第一台达国际先进技术水平的卧式液态模锻机，随后又开发出了“SCV-800A立式液态模锻机”等系列设备。天津市天锻压力机有限公司联合天津那诺机械制造有限公司开发的30000 kN立式液态模锻集成装备实现了定量浇注、喷涂、液态模锻、冷却、取件以及刻字等自动化集成，为液态模锻自动化以及智能化发展奠定了基础。随着智能制造技术的发展,对铝合金液态模锻提出了新的要求, 除了考虑成形技术外，在液态模锻过程中如何利用信息技术对数据进行挖掘、实现自感知、自分析、自决策、自执行的智能制造系统是液态模锻未来的发展方向。

液态模锻的应用领域

汽车工业上的应用

采用液态模锻生产的铝合金工件有转向节和三角臂[34-35]，抗拉强度大于320 MPa，屈服强度大于250 MPa，伸长率大于10%，力学性能完全达到设计要求。汽车工业中各种型号的铝合金车轮，要求较高。采用铝合金液态模锻技术，其强度、刚度和冲击韧性均能满足的使用要求。其他零件如：空调器缸体、前后端盖、气囊支撑臂、铝合金变速箱等工件采用液态模锻技术均有研究应用[36]。

国防上的应用

在国防上各种承力结构件也广泛采用液态模锻技术生产如：炮下体、弹体风帽、坦克车负重轮、舵面以及航空航天特种车用铝合金车轮等。王长顺等[37]针对某重型装备轻量化的需求,对ZL205A高强铸造铝合金进行了液态模锻成形,各项性能均达到了设计要求,装备整体轻量化效果明显。周泽军等[38]开发了一种新的液态模锻合金，生产坦克车负重轮，其力学性能、偏析、疏松程度以及裂纹尺寸分布均优于2A50合金。

复合材料上的应用

液态模锻压力能提高液态金属对固态材料的浸润性，可以作为开发复合材料的技术迅速提高固态材料的表面温度，进而增加其扩散结合的可能性。该工艺尤其对短纤维型、粒子型金属基复合材料制件是最有效的成形方法。采用SiC/2A50、AlO/SiC[39-40]p23p

制备了液态模锻复合材料履带板, 其耐磨性能与钢质履带板材料Mn13钢相当，为装备履带式行走系统的轻量化提供了较大空间。曹健峰等[41]通过熔体反应-液态模锻成形法技术成功制备了(Al3Zr+Al2O3)/A356复合材料，性能优于金属型成形的复合材料。Srinivasan等[42]采用液态模锻成形工艺制备金属铝基复合材料使ZrO2和碳颗粒混杂复合相的分布更加均匀，材料的抗拉强度和硬度得到显著提高。陈平和[43]成功制备了东风140复合材料铝活塞,并完成了工程化应用。邱博等[44]研究了ZTA／KmTB-Cr26复合材料，内部颗粒分布比较均匀且与KmTB-Cr26基体的结合紧密，复合材料的磨损性能也有较大的提升。

铝基复合材料在性能、特定条件应用等方面具有较大的轻量化优势,但是成形工艺的复杂性限制了其研究与应用，有关陶瓷颗粒、晶须、纤维增强和混杂增强铝基复合材料及其液态模锻成形工艺的研究需要加强，铝基复合材料液态模锻成形是今后研究的重点和难点[45]。