原標(biāo)題：鋁合金高固相流變壓鑄成形技術(shù)研究進(jìn)展

摘 要：高固相流變壓鑄成形是一種新興的鋁合金成形技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品致密度高、綜合制造成本低等特點(diǎn)，在過(guò)去十年內(nèi)快速發(fā)展，在汽車(chē)、工程機(jī)械、通訊設(shè)備等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。總結(jié)了該技術(shù)在漿料制備、材料、模擬仿真、缺陷控制等方面的研究進(jìn)展以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行討論。

前 言：流變壓鑄成形技術(shù)在20世紀(jì)70年代起源于美國(guó)麻省理工學(xué)院，經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，逐步形成了較完整的技術(shù)鏈條，并在汽車(chē)、工程機(jī)械、通訊設(shè)備、光伏等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。在流變壓鑄成形中，金屬或合金熔體被直接制備為半固態(tài)漿料，然后被轉(zhuǎn)移到壓鑄機(jī)壓射室中，在壓射桿推動(dòng)下流動(dòng)充填模具型腔，并在壓力作用下凝固成形。與觸變壓鑄成形相比，流變壓鑄成形具有工藝流程短、成本低等特點(diǎn)；與常規(guī)壓鑄成形相比，流變壓鑄成形具有鑄件致密度高、模具使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)半固態(tài)漿料固相含量的不同，流變壓鑄成形可以被分為兩類(lèi)：低固相流變壓鑄成形（漿料固相含量小于40%），主要被用于提高壓鑄件的質(zhì)量，代表性產(chǎn)品有5G通訊基站殼體、電源轉(zhuǎn)換器殼體、光伏逆變器殼體等；高固相流變壓鑄成形（漿料固相含量大于40%），主要被用于制造高質(zhì)量鑄件，其產(chǎn)品致密度和性能對(duì)標(biāo)鍛造產(chǎn)品，代表性產(chǎn)品有渦輪增壓器葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等。相比于低固相流變壓鑄成形，高固相流變壓鑄成形在鑄件質(zhì)量控制方面具有更大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快，比亞迪、福田戴姆勒、通用等汽車(chē)制造商相繼采用了高固相流變壓鑄成形鋁合金零部件。為了滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求，高固相流變壓鑄成形技術(shù)還在不斷發(fā)展。本研究總結(jié)近年來(lái)該技術(shù)在漿料制備、材料、模擬仿真、缺陷控制等方面的研究進(jìn)展以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況，并對(duì)未來(lái)發(fā)展進(jìn)行討論。

1、漿料制備

已報(bào)道的流變制漿技術(shù)有30余種，但僅有少數(shù)可以用來(lái)制備高固相含量漿料（固相含量大于40%），這些技術(shù)及其使用的鋁合金材料見(jiàn)表1。在這些技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)熱焓平衡法（Swirled Enthalpy Equilibration Device，SEED）和新流變鑄造法（New Rheocasting，NRC）有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

表1 高固相含量流變制漿技術(shù)

近年來(lái)，漿料制備技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在解決非亞共晶Al-Si系鋁合金的漿料制備難題上。在漿料制備過(guò)程中，接近散熱通道的熔體冷卻較快，遠(yuǎn)離散熱通道的熔體冷卻較慢，因而漿料內(nèi)部不可避免存在溫度差異，也存在固相含量差異。圖1為不同鋁合金的固相含量隨溫度的變化曲線。可以看出，在40%~50%固相含量區(qū)間，7075鋁合金（非Al-Si系）的曲線斜率大于356鋁合金（Al-Si系），即7075鋁合金的固相含量對(duì)溫度變化更敏感。因而，非亞共晶Al-Si系鋁合金半固態(tài)漿料的制備對(duì)漿料溫度場(chǎng)均勻性控制提出了更高的要求。

圖1 不同鋁合金的固相含量隨溫度變化曲線

為了改善漿料溫度場(chǎng)均勻性，羅敏等分析了工藝參數(shù)、材料熱物性參數(shù)、熱邊界條件、系統(tǒng)幾何參數(shù)對(duì)SEED法漿料溫度場(chǎng)均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)坩堝-空氣界面熱交換系數(shù)、漿料直徑是對(duì)漿料溫度場(chǎng)均勻性影響最大的兩個(gè)因素，并改進(jìn)了SEED法制漿坩堝的設(shè)計(jì)，成功制備了7108、6063、7050等多種非Al-Si系鋁合金的高固相漿料，見(jiàn)圖2。LI G等發(fā)明了熱焓控制法（Enthalpy Control Process，ECP），通過(guò)外加電磁場(chǎng)對(duì)漿料溫度場(chǎng)進(jìn)行了有效調(diào)控，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法優(yōu)化工藝，也成功制備了固相含量均勻的7075鋁合金高固相漿料。

(a)7108、(b)6063、(c)7050
圖2 改進(jìn)SEED法制備的7108、6063和7050鋁合金高固相含量半固態(tài)漿料微觀組織

值得注意的是，近年來(lái)模擬仿真技術(shù)被應(yīng)用于制漿技術(shù)的研究。LI G等采用有限元方法模擬了漿料溫度場(chǎng)在電磁場(chǎng)作用下的演變。QU W Y等采用相場(chǎng)法模擬了SEED法制漿過(guò)程中α-Al晶粒的長(zhǎng)大和形貌演變，見(jiàn)圖3，并分析了溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和成分場(chǎng)對(duì)α-Al晶粒的長(zhǎng)大和形貌演變的影響規(guī)律，為漿料制備技術(shù)優(yōu)化提供了參考。

圖3 微觀組織長(zhǎng)大過(guò)程模擬仿真結(jié)果與真實(shí)凝固組織對(duì)照

2、高性能鋁合金材料

目前，高固相流變壓鑄成形實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的鋁合金材料以亞共晶Al-Si系合金為主，常用材料包括356、357、319s鋁合金。部分高固相流變壓鑄成形鋁合金的力學(xué)性能見(jiàn)表2?？梢钥闯?，流變壓鑄成形鋁合金的力學(xué)性能與鍛造成形7075鋁合金還有一定的差距。為了滿足更多應(yīng)用場(chǎng)景的具體應(yīng)用需求，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了流變壓鑄成形用高性能鋁合金材料的研發(fā)。

表2 部分高固相流變壓鑄成形鋁合金的力學(xué)性能

研發(fā)工藝專(zhuān)用新材料首先要解決的問(wèn)題是，判斷合金是否適用于流變壓鑄成形工藝。ATKINSON H V提出流變成形合金適用的關(guān)鍵因素是合金的液相含量與溫度曲線在指定液相含量下的斜率。但是，CURLE U等完成了高純鋁和共晶Al-Si合金的流變壓鑄成形，對(duì)該準(zhǔn)則提出了挑戰(zhàn)。隨后，ZHANG D等提出新的判斷方法，用合金的液相含量與制漿時(shí)間曲線作為判斷依據(jù)，見(jiàn)圖4a。HU X G等從合金凝固焓變的角度出發(fā)提出新的判斷方法，用液相含量與焓變曲線作為判斷依據(jù)，見(jiàn)圖4b。這兩種判斷方法擴(kuò)充了工藝使用材料的成分范圍，為非亞共晶Al-Si系合金的設(shè)計(jì)提供了指引。

(a)液相分?jǐn)?shù)-時(shí)間曲線，(b)液相含量-焓變曲線
圖4 流變成形合金適用的判別方法

基于上述兩個(gè)準(zhǔn)則，采用材料熱力學(xué)計(jì)算方法分析了Si、Cu、Mg、Zn、Fe、Mn等元素含量對(duì)合金SEED流變壓鑄成形工藝窗口的影響規(guī)律，并針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的具體應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了多款適用于高固相流變壓鑄成形的高性能鋁合金，部分材料的性能見(jiàn)表3。

表3 部分SEED流變壓鑄成形用高性能鋁合金的性能

3、流體建模與模擬仿真

模流分析是輔助模具設(shè)計(jì)的重要手段，準(zhǔn)確的流體模型是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)模流分析的基礎(chǔ)。關(guān)于半固態(tài)流體模型的研究是伴隨著半固態(tài)技術(shù)誕生開(kāi)始的，先后有近20種數(shù)學(xué)模型被用于描述半固態(tài)流體的流變特性，這些模型可以被分為單相流模型和多相流模型。

單相流模型方面，冪律模型（Power-Law）和赫-巴模型（Herschel-Bulkley）因?yàn)樾问胶?jiǎn)單、易于求解，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到計(jì)算機(jī)模擬仿真中。近年來(lái)的相關(guān)研究集中在如何提高模型準(zhǔn)確度的問(wèn)題上。董恩潔研究了測(cè)試系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)和Taylor渦對(duì)雙筒流變儀測(cè)量精度的影響，并提出測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。陳娟研究了固相顆粒體征對(duì)半固態(tài)漿料流變特性的影響，并建立考慮固相顆粒特征的流體模型。QU W Y等采用剪切速率掃描（SSR）、穩(wěn)定剪切速率（SRS）、剪切應(yīng)力掃描（SSS）3種模式表征了半固態(tài)流體的流變特性，并分別擬合了冪律模型，通過(guò)對(duì)比模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，剪切應(yīng)力掃描數(shù)據(jù)擬合模型更接近試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖5。雖然上述研究采用的同軸雙筒剪切法只適用于低固相半固態(tài)漿料，但是在高固相流變壓鑄成形全過(guò)程中，熔體經(jīng)歷了從液態(tài)到低固相半固態(tài)、再到高固相半固態(tài)的演變，低固相條件下的半固態(tài)漿料流變特性也應(yīng)該被全流程模擬仿真所考慮。在高固相漿料流變特性表征方面，HU X G等設(shè)計(jì)了平板高速壓縮測(cè)試系統(tǒng)，用該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合高固相含量319s鋁合金的冪律模型，該模型對(duì)漿料流動(dòng)的模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的特征相吻合，證明了模型的準(zhǔn)確性。

圖5 采用SSR、SRS和SSS測(cè)試擬合的冪律模型獲得的模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果

在多相流模型方面，QU W Y等[41]建立了適用于半固態(tài)漿料充型過(guò)程的粘度（k-ε realizable）-顆粒間作用（Syamlal-Oˊbrien）-液固間作用（Gidaspow）多相流模型，并對(duì)固相含量為50%的Sn-15Pb合金和357鋁合金半固態(tài)漿料流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真。模擬結(jié)果顯示，固液兩相分離情況與試驗(yàn)結(jié)果相吻合（見(jiàn)圖6），證明了模型的準(zhǔn)確性。

(a)模擬            (b)試驗(yàn)
圖6多相流模擬固相分布模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4、缺陷控制

MIDSON S P等基于Campbell的高質(zhì)量鑄件十準(zhǔn)則，提出適合半固態(tài)成形的高質(zhì)量鑄件十條準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，盧宏興通過(guò)對(duì)鑄造缺陷形成機(jī)理的系統(tǒng)性研究，整理歸納出了半固態(tài)成形的6條缺陷控制方法：①選擇合適的合金，②保證干凈的熔體，③制備合格的半固態(tài)金屬，④采用高模具溫度，⑤設(shè)置充足的排氣口，避免出現(xiàn)困氣，⑥凝固過(guò)程避免出現(xiàn)熱節(jié)。

熱處理鼓泡是高固相流變壓鑄成形在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中面對(duì)的主要缺陷之一，也是研究的熱點(diǎn)對(duì)象。MIDSON S P等、HE Y F等、LU H X等首先提出鼓泡缺陷的形成條件，即亞表層氣孔內(nèi)氣壓超過(guò)基體材料強(qiáng)度，并研究了壓鑄工藝、模具涂料等對(duì)鼓泡缺陷嚴(yán)重程度的影響規(guī)律。LU H X等研究了熱處理過(guò)程中亞表層氣孔的膨脹行為，分析了氣孔幾何特征、深度、氣壓及基體材料強(qiáng)度對(duì)鼓泡缺陷形成臨界溫度的影響規(guī)律。HU X G等采用單相流和多相流模擬仿真手段研究了亞表層氣孔的形成條件，為消除亞表層氣孔提供了指導(dǎo)。

5、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

自2014年朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在北京有色金屬研究總院建成國(guó)內(nèi)第一條高固相流變壓鑄成形生產(chǎn)示范線后，高固相流變壓鑄成形的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程不斷加快。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)建有高固相流變壓鑄成形生產(chǎn)線的企業(yè)已有近10家，分布在深圳、寧波、青島、徐州等地。產(chǎn)品包括：汽車(chē)渦輪增壓器葉輪，乘用車(chē)制動(dòng)卡鉗體、控制臂、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、氣室支架，商用車(chē)后處理器支架、蓄電池支架，大巴車(chē)骨架接頭，特種車(chē)輛高壓管道卡箍，濾波器腔體等。

圖7 部分高固相流變壓鑄成形鋁合金產(chǎn)品

6、討論

在過(guò)去近10年中，高固相流變壓鑄成形技術(shù)不斷發(fā)展和完善，在漿料制備、材料、模擬仿真、缺陷控制等方面都取得了進(jìn)步，并在汽車(chē)、工程機(jī)械、通訊等領(lǐng)域獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。但是，隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，鑄件大型化的趨勢(shì)已初現(xiàn)端倪，大尺寸通訊設(shè)備殼體件、超大型車(chē)身結(jié)構(gòu)件相繼問(wèn)世，已經(jīng)對(duì)高固相流變壓鑄成形發(fā)起了新的挑戰(zhàn)。高固相流變壓鑄成形技術(shù)參與到超大型鑄件的制造中，有兩條技術(shù)路徑可以選擇。一是突破一體化制造的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：①高效率漿料制備技術(shù)（單個(gè)漿料重量≥40 kg）；②兼具高流動(dòng)性和優(yōu)異綜合性能的鋁合金新材料；③大型鑄件成形過(guò)程精確快速模擬仿真技術(shù)。二是攻關(guān)高固相流變壓鑄成形件的焊接技術(shù)，先通過(guò)高固相流變壓鑄成形制造高質(zhì)量小尺寸鑄件，然后采用焊接方式拼接小件制造超大件。顯然，第二條技術(shù)路徑更容易在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且與超高真空一體化壓鑄技術(shù)相比，具有技術(shù)難度較低、設(shè)備投資小等優(yōu)勢(shì)，勢(shì)必會(huì)在未來(lái)幾年內(nèi)掀起技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的浪潮，將高固相半固態(tài)流變壓鑄成形技術(shù)推向新的發(fā)展階段。

作者
盧宏興 胡小剛 朱強(qiáng)
南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系
本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志