半固态铝合金成形技术的发展与应用＊

陈晶晶 ， 陈田力 ， 赵梦慧 ， 牛海侠

（安徽三联学院机械工程学院，安徽 合肥 230601）

半固态成形工艺是半固态金属坯料的成形工艺，其基本概念和工艺流程是于20世纪70年代由美国麻省理工学院的Flemimgs教授为首的科研团队提出的[1]。与其他工艺相比，半固态成形工艺的特点是剧烈搅拌凝固的金属或控制金属的凝固条件，从而抑制枝晶形成或者破坏已经形成的枝晶，获得细小的、近球状的等轴晶粒，均匀地悬浮在液相中[2]，对成形复杂零件非常有利。这种等轴、均匀细小的初生相和均匀分布在液相中的悬浮半固态浆料具有很好的流变特性，可以通过不同的方法制成零件。

1 研究背景

随着中国全球市场经济的发展，世界各国都在积极倡导“节能减排”“绿色设计制造”，材料利用率和材料性能在我国传统的铸造和锻造工艺中，都表现出一定的局限性。与之比较，半固态成形技术却能大幅度提高材料利用率和产品质量，符合全球绿色发展的要求。

以铸造为例，使用高质量材料可以实现复杂形状部件的构造，但其晶体组织、元素偏析等缺陷不容忽视[3-5]。与普通铸造工艺相比，半固态成形更容易填充模具型腔，变形温度较低，延长了模具寿命，有效提高了零件的精度和生产效率，同时获得了较高的综合力学性能。相对于传统固态金属的塑性加工，半固态成形中材料的屈服强度要低得多，而且材料有流动性，仅需要较小的成形力即可完成型腔的充填，达到制件的最终理想形状，且其表面光滑度高、粗糙度较小。因此，半固态成形是一种高效低耗的金属成形新工艺。

半固态成形技术充分利用了金属材料半固态等轴球状组织、流动性和可控性好、抗变形能力低的特点，建立了领先于现有成形技术的近净成形技术。另外，在半固态触变加工生产过程中通常会出现固态晶粒影响塑性变形而引发的再结晶等行为，能够提高构件的力学性能[6-7]。

2 半固态成形技术的分类

半固态成形加工可分为枝晶材料加工和非枝晶材料加工两种方式。

1）枝晶材料半固态成形加工指在半固态成形温度范围内加工，由于材料存在相互接搭的枝晶，没有流变性和触变性，但材料的流动应力很大。枝晶材料半固态成形加工根据坯料制备方法不同，可分为半熔融法和半凝固法。

2）非枝晶材料半固态成形加工指的是在凝固过程中将合金进行强力的搅拌，以此破碎合金材料的树枝状初生固相，获得液态金属和球状非枝晶初生相共存的液固混合浆料，称为流变浆料，再将这种流变浆料凝固变成铸锭，将铸锭分为大小均等的小块，重新加热，升温至固液相温度范围再加工称为触变成形。另外，半固态成形按照成形之前坯料不同的加热流程，可以分为触变成形、泥态成形、流变成形，这三种成形方法中泥态成形是利用对液态合金进行电磁搅拌，然后冷却至室温，由此得到具有球状晶粒特征的金属坯料，接着继续将坯料加热到半固态温度区间，在此温度区间完成零件的成形；而流变成形与泥态成形相比，减少了冷却至室温的步骤，直接对已经冷却到半固态温度区间完成球化处理的金属浆料成形；触变成形则是将半固态坯料升温加热到具有一半液相体积的半固态状态，随后放在具有更高预热温度的模具槽内，一次模锻成形，最终获得接近尺寸零件的工艺。

3 半固态成形技术的工艺特点

半固态成形技术与传统成形工艺相比，有较为突出的特点，在未来工业生产中有广阔的应用前景。

1）对于压铸而言，加工温度范围区间低。这是因为半固态金属材料中一半的金属熔化潜热已经消散，故从根源上解决了液态金属会对压铸型、压铸室和冲头的热侵蚀，从而延长了模具的寿命。

2）对于锻造而言，成形力低。半固态金属材料一般具有剪切变稀的触变行为，由于像流体一样，在填充时，比较容易填充模腔。与通常的热锻模不太一样，一般的简单件，要同时克服金属流动时的阻力和模腔的摩擦力。而复杂件需要多个步骤才能完成，而且还需消耗大量的能量，同时需要大吨位的设备来支持操作。

3）制件的整体质量比铸造高，与锻造相似。半固态金属材料具有一定的黏性，所以在压铸的过程中，基本不会出现湍流现象，湍流对于铸造工艺来说是危险现象，会影响制件的尺寸精度。半固态金属压铸时，空气被卷入其中的量较少，疏松和气孔等缺陷很少发生，最终凝固时收缩的程度较小，故制件的尺寸精度较高。

4）采用半固态成形工艺，能够有效克服制备复合材料时非金属材料所产生的漂浮和偏移问题以及金属基体没有得到足够润湿等相关技术难题，这一点对于制备复合材料具有重大意义。

5）绿色生产过程。坯料的制备与零件的成形过程是相互独立的，在一定程度上增加了专业化程度，可以智能控制整个生产过程，大大减少了铸造以及锻造对环境的危害，实现绿色生产。故半固态成形技术的研究与应用具有相当大的意义。

4 铝合金成形技术的应用与发展

半固态成形技术在美国已经应用于工业生产。许多公司已经可以使用半固态成形工艺制造形状复杂、难以成形的零件。例如，汽车制动缸体和铝合金轮毂、转向和传动系统零件、燃油系统零件等，这些零件已经在欧美名车上使用。

与发达国家相比，我国还处于研究和实验阶段。目前，已能利用电磁搅拌设备连续生产直径80 mm的铝合金半固态坯料。重庆师范大学与重庆九方铸造有限公司合作，采用触变成形技术生产JH70摩托车发电机支架；北京科技大学成功地用电磁搅拌法制备了半固态 AlSi7Mg合金，并利用触变成形技术生产汽车制动主泵缸盖毛坯[8]。在半固态成形领域，铝镁合金、金属基复合材料已经得到了广泛的应用。零件类型从汽车、摩托车零件、3C产品市场逐步扩展到军工领域。坯（浆）料的成功制备，是其中的关键。

2007年11 月，由汽车企业工程学会牵头，中国汽车轻量化技术创新战略联盟成立。联盟成员主要是第一汽车集团、宝山钢铁股份有限公司等大型企业以及部分高等教育机构和研究机构。他们共同提出了中国传统汽车轻量化技术的发展战略，并列举了铝镁合金及其复合材料、塑料和高强度钢等一些重点项目开发的新材料，以及5项先进的汽车制造系统技术。有色合金半固态成形技术被列为先进制造技术之一。发动机支架、商用车车轮等强度较大的零件成形难度较大。通过半固态技术的开发和应用，可以有效提高金属材料的利用率、产品质量和性能，从而实现节能减排和绿色设计制造[9]。目前，对铝合金半固体成形的研究较多。铝合金固态锻造的问题主要是各部分材料在加工过程中压力不均匀，导致性能参差不齐，但半固态成形工艺中，由于半固态金属具有良好的流动性，所施加的压力还可以提高零件的性能，可以满足零件形状和性能要求。

半固态成形工艺在锻造过程中，由于零件形状、合金成分和应力状态的影响，不可避免地会产生合金的凝固和非均匀应变场。在金属凝固的末期（脆温度区），工件容易产生热裂纹。热裂纹对于工件来说具有致命威胁，大大降低其使用寿命。

半固态成形工艺在模锻过程中，锻造初期不可避免地存在固相，导致凝固过程的不均匀性增大，特别是施加成形载荷后，工件各部位的应变更加不均匀，产生微裂纹的可能性增大[10]。但是，半固态模锻仍然是一种基于凝固的成形技术，因其性能指标与锻件非常接近，也受到了各类研究机构的高度重视和广泛研究。

半固态铝合金流动性好，在填充过程中能够充分充填型腔。在填充过程中施加一定的压力，可以改变填充过程的液体流速，解决薄壁铝合金壳体成形的难题。同时一定的压力可以提高工作零件的致密性，获得综合力学性能较好的制件。采用半固态成形，零件的精度和生产效率显著提高，工业应用潜力巨大。

5 结语

基于“节能减排”“绿色设计制造”，在航空航天、制造业、兵器工业等方面，半固态成形技术的研究不断深入。与传统的固态和液态金属结构材料相比，半固态金属材料表现出不同的产品特性，这使得科研人员面临机遇又面临巨大挑战。在研究中尤其要注意以下问题。

1）制备金属半固态浆料或坯料。几十年来，国内外研究专家学者开发设计出了20多种相关的制备技术和工艺，由于这些新工艺与传统工艺在各个企业都有较大的差别，新工艺的实施与发展具有不稳定性和应用未知性，故半固态成形仍需在生产实践中不断加深与企业的联系、不断优化成形工艺。

2）对中国传统的铸锻企业来说，金属结构材料半固态成形的工作温度范围较窄，同一材料在不同的半固态温度下的微观结构不同。因此，要使金属材料的半固态成形工艺稳定，必须严格控制成形中的温度。

3）对于钢铁材料等高熔点金属材料，基础研究和应用技术发展相对缓慢，因为半固态成形对环境有严格要求。这一点需要相关研究工作人员不断进行突破。

今后，国家要进一步加大理论研究和技术创新投入，鼓励中小企业参与半固体成型技术研究，积极引进并吸收国外先进科技经验。充分发挥半固态成形工艺的优势，严格对待半固态成形工艺需要的环境要求，其中半固态成形工艺的浆料和坯料制备、工具和模具的材料选择以及成形热处理等工艺的开发方面，需要广大的科研工作人员和社会从业人员齐心协力，共同克服难关，打破瓶颈，再夺辉煌，全面提升我国半固态成形工艺领域的发展水平。