原標(biāo)題：上海交大：鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

摘要：半固態(tài)注射成型技術(shù)近年來為鎂合金行業(yè)注入了新的活力，綜述了鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。首先，闡述了鎂合金半固態(tài)注射成型工藝的原理及優(yōu)勢(shì)，總結(jié)了鎂合金半固態(tài)注射成型機(jī)的發(fā)展歷程，指出中國(guó)在大型化裝備技術(shù)領(lǐng)域正逐步成為創(chuàng)新引領(lǐng)者。進(jìn)一步分析了基于半固態(tài)工藝技術(shù)的鎂材料組織與性能研究的最新進(jìn)展，指出該技術(shù)是充分挖掘鎂合金性能潛力、減少鑄造缺陷的重要方法之一。除Mg-Al體系外，隨著新型半固態(tài)鎂合金的研究，半固態(tài)注射成型的鎂基復(fù)合材料因具有短流程、高性能的特點(diǎn)而受到關(guān)注。鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)已在消費(fèi)電子、交通工具等領(lǐng)域得到應(yīng)用，正逐步拓展至大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造，特別是在新能源汽車領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和前景。

前言

鎂合金是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d金屬，其密度約為鋁的2/3、鋼的1/4，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的成型性、散熱性和阻尼減振等特性，且資源豐富、易回收，因而在航天器、新能源汽車、消費(fèi)電子等多個(gè)亟需輕量化制造的領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。自2023年下半年以來，國(guó)內(nèi)鎂的價(jià)格趨于穩(wěn)定，鎂產(chǎn)業(yè)迎來了其大規(guī)模拓展應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。高壓壓鑄（High-Pressure Die Casting，HPDC）工藝是鎂合金構(gòu)件制造中應(yīng)用最為廣泛的方法，1930年，甲殼蟲汽車便已采用鎂壓鑄件。然而，鎂合金液態(tài)壓鑄技術(shù)的應(yīng)用長(zhǎng)期面臨多重挑戰(zhàn)，如需使用 SF6保護(hù)氣體所帶來的環(huán)境污染、除渣過程繁瑣、熔體安全風(fēng)險(xiǎn)高、能耗較高以及傳統(tǒng)壓鑄件生產(chǎn)過程中易受氧化夾雜和氣孔缺陷的影響，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定等問題。鎂合金的應(yīng)用需更為安全、環(huán)保且可靠的成型技術(shù)，以滿足日益增長(zhǎng)的輕量化制造需求。

半固態(tài)成型技術(shù)是一種介于液態(tài)和固態(tài)之間的新型成型方法，由 Flemmings 等于1970年代首次提出，它是將一種固液混合的漿料（坯料）直接加工成型的方法，這種漿料中含有等軸、均勻、細(xì)小的初生固相晶粒，均勻分布于液相中，具有流變與觸變特性，即在外力作用下可展現(xiàn)出很好的流動(dòng)性，兼具層流充型特點(diǎn)，可采用壓鑄、擠壓鑄造等多種常規(guī)方法加工成型。起初，有研究者嘗試通過改進(jìn)傳統(tǒng)壓鑄工藝創(chuàng)造出半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)來制備AZ91D鎂合金，并發(fā)現(xiàn)采用該工藝制備的樣品在力學(xué)性能和耐腐蝕性能上表現(xiàn)更佳。然而，從工業(yè)應(yīng)用的角度來看，即使在半固態(tài)流變壓鑄工藝條件下，鎂易與空氣接觸并氧化，導(dǎo)致漿料在轉(zhuǎn)運(yùn)至壓室的過程中形成夾雜缺陷，無法適應(yīng)大規(guī)模批量生產(chǎn)。鑒于此，研究人員轉(zhuǎn)而探索能否借鑒注塑成型工藝制造鎂合金構(gòu)件。此時(shí)，鎂合金與鐵之間相對(duì)較弱的親和力使鋼制螺桿及機(jī)筒能夠滿足鎂合金的成型要求，而鋁合金與鐵之間的親和力較強(qiáng)，并不適用。因此，半固態(tài)注射成型技術(shù)（Thixomolding）應(yīng)運(yùn)而生，其又稱觸變注射成型技術(shù)，成為鎂合金的專用成型方式，20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，隨著該技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。如今，半固態(tài)注射成型技術(shù)已成為全球鎂合金構(gòu)件綠色制造中最具前景的技術(shù)之一。

1、鎂合金半固態(tài)注射成型工藝的原理與優(yōu)勢(shì)

鎂合金半固態(tài)注射成型工藝屬于觸變鑄造技術(shù)（Thixocasting），其利用鎂合金由固態(tài)加熱至半固態(tài)后展現(xiàn)出的流動(dòng)性進(jìn)行零件成形，具體原理及成型流程如圖1所示。首先，從鎂合金錠材上切削大小如米粒般的鎂合金粒子作為原材料，在重力或負(fù)壓作用下，鎂合金粒子從料斗進(jìn)入機(jī)筒；機(jī)筒內(nèi)，螺桿的旋轉(zhuǎn)配合外部加熱器提供的熱量（機(jī)筒通常分為5~7段，從進(jìn)料口至噴嘴溫度逐漸升高），使鎂合金顆粒在向前輸送的過程中被加熱和剪切；在機(jī)筒中部，鎂合金受螺桿壓縮段擠壓產(chǎn)生熱塑性變形，實(shí)現(xiàn)密實(shí)化；當(dāng)?shù)诌_(dá)螺桿前端的儲(chǔ)料段時(shí)，鎂合金顆粒已轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠秩廴跔顟B(tài)且含有球形固相的半固態(tài)漿料，這種漿料具備出色的流動(dòng)性和充型性；隨后，該漿料通過噴嘴高速注入模具中，在高速高壓下快速冷卻凝固，從而形成具有一定形狀和尺寸的零件。注射完成后，噴嘴的最前端降溫形成冷塞以實(shí)現(xiàn)自密封，從而在不需要保護(hù)氣體且不需要完全熔化的條件下完成連續(xù)式成型作業(yè)。

圖1 鎂合金半固態(tài)注射成型工藝原理

鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)相比傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄具有以下優(yōu)勢(shì)：

a.安全性高。鎂合金在液態(tài)下易燃，而半固態(tài)注射成型工藝使鎂合金在密閉條件下將觸變制漿和成型集成，無需使用安全風(fēng)險(xiǎn)較高的鎂熔爐，同時(shí)省去鎂液轉(zhuǎn)運(yùn)的步驟，確保了鎂合金零件的安全生產(chǎn)。

b.環(huán)境友好。傳統(tǒng)鑄造工藝在熔煉鎂合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量揮發(fā)性氣體，并需額外使用SF6作為保護(hù)氣體，易造成環(huán)境污染，而半固態(tài)注射成型工藝過程不需要完全熔化和使用保護(hù)氣，且不會(huì)產(chǎn)生熔化廢渣，是一種綠色制造技術(shù)。

c.氧化夾雜少。半固態(tài)成型工藝的溫度比傳統(tǒng)鑄造工藝更低，因此，氧化風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。同時(shí)，由于注射成型方式使鎂熔體不直接接觸外界空氣，在成型過程中引入氧化夾雜物的概率幾乎為零。

d.卷氣缺陷少。液態(tài)鎂在充填型腔時(shí)易形成紊流，導(dǎo)致氣孔缺陷的產(chǎn)生；而半固態(tài)鎂合金呈現(xiàn)出非牛頓流體的特性，更傾向于以層流方式進(jìn)行充填，可有效減少成型過程中的卷氣現(xiàn)象，使鑄件更加致密。

e.力學(xué)性能優(yōu)。半固態(tài)注射成型的鎂合金呈現(xiàn)為非枝晶凝固組織，在高冷速條件下，其平均晶粒尺寸和第二相尺寸均極為細(xì)小，同時(shí)由于氣孔、夾雜等缺陷的減少，具有更優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性。

f.尺寸精度高。半固態(tài)鎂合金具備良好的成型能力，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)的近凈成形，且凝固收縮較小，抗熱裂能力提升，因此，所制得的鑄件尺寸精度較高。

g.模具壽命長(zhǎng)。半固態(tài)工藝成型溫度相較于傳統(tǒng)壓鑄工藝降低近 100 ℃，顯著減輕了鎂熔體對(duì)模具的熱沖擊，提升了模具壽命，如半固態(tài)薄壁件模具的使用壽命可達(dá)20萬～40萬模次。

h.材料利用率高。壓鑄工藝制備的鎂合金零部件因含有大量的澆排系統(tǒng)原材料利用率普遍低于50%。相比之下，半固態(tài)成型工藝能夠大幅減小料柄的尺寸，簡(jiǎn)化流道和溢流槽等結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒃牧系睦寐侍嵘?70% 以上。

i.產(chǎn)品良率高。半固態(tài)注射成型工藝對(duì)鎂合金實(shí)施精密控溫，材料充填品質(zhì)穩(wěn)定，無壓鑄過程中可能出現(xiàn)的預(yù)結(jié)晶問題，缺陷率低。

j.能耗降低。鎂合金的半固態(tài)成型與壓鑄工藝成型效率高，無需熔爐且成型溫度較低，與液態(tài)壓鑄相比，電能能耗可降低50%。

此外，半固態(tài)注射成型技術(shù)為鎂合金的熱處理強(qiáng)化提供了基礎(chǔ)，高致密非枝晶組織的半固態(tài)鎂合金鑄件可通過固溶及時(shí)效熱處理進(jìn)一步優(yōu)化，有望獲得更加優(yōu)異的機(jī)械性能。

2、鎂合金半固態(tài)注射成型裝備的發(fā)展

半固態(tài)注射成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)雖然與注塑機(jī)類似，但系統(tǒng)壓力、速度及控制復(fù)雜性方面存在顯著差異，其注射螺桿與機(jī)筒的使用溫度遠(yuǎn)高于注塑機(jī)，因此，需采用特種鋼材并經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，提高了裝備的研發(fā)難度。

圖2 鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的發(fā)展歷程如

圖2所示，早在1977年，Dow Chemical公司將半固態(tài)概念應(yīng)用于鎂合金，并在1988年制作出半固態(tài)鎂合金300t原型機(jī)。1990 年，加拿大Husky公司與日本制鋼所（JSW）公司相繼推出半固態(tài)注射成型設(shè)備及相關(guān)的產(chǎn)品。在2000年～2010年間日本逐漸掌握了該項(xiàng)裝備技術(shù)的主導(dǎo)權(quán)，并推出了改進(jìn)后的第二代和第三代機(jī)型。2016年全球范圍內(nèi)已安裝使用的半固態(tài)鎂合金設(shè)備超過450臺(tái)，噸位范圍為280～1300t。在中國(guó)，650t機(jī)型占比為80%，主要用于筆記本電腦殼體制造。歷經(jīng)近30年的發(fā)展，鎂合金半固態(tài)裝備的設(shè)計(jì)重心一直為薄壁件的成型，與消費(fèi)電子市場(chǎng)的迅猛增長(zhǎng)保持同步。直至2020年，新能源汽車的迅速崛起再次推動(dòng)了鎂合金半固態(tài)裝備的升級(jí)。產(chǎn)業(yè)界開始尋求制造更大的鎂合金一體化汽車結(jié)構(gòu)件，但傳統(tǒng)1300t 級(jí)鎂合金半固態(tài)注射成型設(shè)備的理論最大注射量不足5kg，僅能滿足小型中控屏背板、轉(zhuǎn)向盤、扶手支架等部件的生產(chǎn)，遠(yuǎn)不能達(dá)到汽車輕量化的需求。近年來，國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商著手研發(fā)大型裝備，并陸續(xù)推出3000～4000t的超大型鎂合金半固態(tài)裝備，如表 1 所示，為大尺寸鎂合金材質(zhì)的多聯(lián)屏背板、車內(nèi)門板、儀表板骨架、三電（電池、電機(jī)、電控）結(jié)構(gòu)件等產(chǎn)品提供理想的解決方案。

當(dāng)前，半固態(tài)注射成型機(jī)正朝大型化發(fā)展，然而，此進(jìn)程中仍需解決若干關(guān)鍵技術(shù)問題，包括大型射臺(tái)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、低成本高性能耐熱鋼材的研發(fā)、制漿效率的提升、射出速度與壓力的增強(qiáng)以及整體控制系統(tǒng)的優(yōu)化等?？傊?，在鎂合金半固態(tài)注射成型裝備領(lǐng)域，中國(guó)的裝備技術(shù)實(shí)力正持續(xù)增強(qiáng)，為鎂合金制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。

3、鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的材料與工藝

半固態(tài)成型工藝適用于具有一定凝固區(qū)間的合金體系，若固液區(qū)間過于狹窄，漿料將對(duì)溫度異常敏感，使固相率控制變得困難，甚至嚴(yán)重影響其充型能力；此外，鎂合金的液相線溫度應(yīng)盡量低，避免加熱溫度過高而降低螺桿壽命。目前，半固態(tài)注射成型工藝主要采用的商用鎂合金材料為AZ91D 和 AM60B，這 2 種合金因 Al 元素含量相對(duì)較高，液相線溫度較低。

3.1 AZ91D鎂合金

AZ91D是目前應(yīng)用最為廣泛的鎂合金，其凝固區(qū)間為437～597 ℃，展現(xiàn)出優(yōu)異的半固態(tài)成型能力Okayasu 等對(duì)比了 AZ91D 合金在冷室壓鑄、熱室壓鑄和半固態(tài)注射成型工藝下的組織與力學(xué)性能，如圖 3 所示，采用半固態(tài)注射成型工藝制備的合金晶粒尺寸明顯小于熱室壓鑄工藝，略小于冷室壓鑄工藝，同時(shí)，在實(shí)際零件中，半固態(tài)注射成型工藝的鑄造缺陷率低，因此，該工藝成型的AZ91D 合金力學(xué)性能顯著優(yōu)于其他 2 種工藝 ，具體的力學(xué)性能對(duì)比數(shù)據(jù)如表 2 所示。

（a）金相組織

（b）反極圖
圖3 不同鑄造工藝下制備的AZ91D合金反極圖

Gu等對(duì)不同半固態(tài)注射成型溫度（即不同固相率條件）下 AZ91D鎂合金的組織與性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。如圖4所示，隨著成型溫度的升高，固相率變化顯著：當(dāng)成型溫度為580 ℃時(shí)，初生α -Mg 的固相率高于 40%；當(dāng)成型溫度超過610℃時(shí)，固相率則下降至低于 5%。AZ91D 合谷立東等：鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景表面內(nèi)部表面內(nèi)部金流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果表明，成型溫度越高，鑄造流動(dòng)性越好。然而當(dāng)成型溫度過高時(shí)，雖然平均晶粒尺寸減小，但第二相的分布開始呈現(xiàn)不均勻趨勢(shì)，且較高的溫度易導(dǎo)致較大缺陷帶開始產(chǎn)生。因此，力學(xué)性能受到多個(gè)因素的綜合影響，在中等成型溫度下可獲得較好的強(qiáng)度和延伸率。值得注意的是，上述性能表現(xiàn)是基于薄壁件的分析結(jié)果，對(duì)厚壁件的影響可能會(huì)有所不同，如在對(duì)流動(dòng)性要求不高的情況下，高固相率的漿料因其觸變特性更佳，能夠更有效地減少卷氣和凝固收縮缺陷，從而獲得更優(yōu)的強(qiáng)度和延伸率。

圖4 不同半固態(tài)注射成型溫度下AZ91D合金的微觀組織和流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果

Zhang 等探究了螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)半固態(tài)注射成型 AZ91D 合金微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，初生 α-Mg 固相晶的形態(tài)經(jīng)歷了從樹枝狀到球狀，再到玫瑰狀的轉(zhuǎn)變，同時(shí)其平均尺寸持續(xù)減小。Murakami等研究了注射速度對(duì)AZ91D 合金組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高注射速度能夠細(xì)化凝固組織，但鑄件內(nèi)部缺陷的體積分?jǐn)?shù)也會(huì)隨之上升力學(xué)性能受2個(gè)因素的共同作用，適中的注射速度能夠獲得最優(yōu)強(qiáng)度。此外，Zander 等對(duì)比研究了 AZ91D合金在鑄軋、壓鑄和半固態(tài)注射成型工藝下的腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)采用半固態(tài)注射成型的合金表現(xiàn)出了最佳的耐腐蝕性能。從腐蝕形貌（圖5）來看，鑄軋和壓鑄工藝下的合金表面出現(xiàn)了明顯的腐蝕跡象，由于壓鑄態(tài)表面不夠致密，更易發(fā)生點(diǎn)蝕。相比之下，半固態(tài)組織因其連續(xù)細(xì)小的網(wǎng)狀β相結(jié)構(gòu)、均勻且細(xì)小的晶粒尺寸、最小程度的 Al 和 Zn 偏析以及最多的β相含量，能夠形成有效的屏障阻礙腐蝕作用，在鹽水浸泡下，其腐蝕速率不足壓鑄態(tài)的50%。

圖5 鑄軋、壓鑄和半固態(tài)注射成型的AZ91D鎂合金的腐蝕形貌對(duì)比

3.2 AM60B鎂合金

與 AZ91D 合金相比，AM60B 合金一般具有更高的延伸率。半固態(tài)注射成型工藝同樣適用于 AM60B 合金，并且能夠獲得比壓鑄更高的力學(xué)性能（表 3）。然而在實(shí)際使用中，為獲得理想的成型效果，AM60B 合金的半固態(tài)成型溫度通常比AZ91D 合金高 10~20 ℃。Patel 等對(duì)比研究了半固態(tài)注射成型 AZ91D 和 AM60B 的機(jī)械性能、斷裂機(jī)制與微觀組織特征，研究結(jié)果顯示，由于 AM60B鎂合金中的 Al 含量較低，其半固態(tài)共晶組織中的Mg17Al12脆性相含量低于 AZ91D，在圖 6 所示的斷口形貌中，AZ91D 合金的斷裂面附近存在沿共晶結(jié)構(gòu)的裂紋，而 AM60B 合金的斷裂面附近未出現(xiàn)類似的裂紋，呈現(xiàn)出由微孔聚集形成的韌窩狀特征，具有較好的延展性。Patel 等對(duì)半固態(tài)注射成型 AM60B 合金進(jìn)行了疲勞性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合金在拉伸和壓縮過程中表現(xiàn)出基本對(duì)稱的遲滯回線，其抗疲勞性能明顯優(yōu)于壓鑄態(tài)。Chen 等利用半固態(tài)注射成型 AM60 板材作為原料，在其無織構(gòu)的組織基礎(chǔ)上進(jìn)一步施加熱軋變形處理，可使晶粒尺寸再次顯著減小，將屈服強(qiáng)度提高至331MPa，且斷裂韌性提高近一倍。

未來，將半固態(tài)注射成型工藝與適當(dāng)熱變形工藝相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性鎂合金的制造，有望成為制造高性能鎂合金薄板的新途徑。相較于傳統(tǒng)鑄造軋制工藝，首先采用半固態(tài)注射成型技術(shù)直接產(chǎn)出較薄的鎂板，其具有細(xì)小均勻的晶粒組織，可變形能力強(qiáng)，在經(jīng)過熱變形時(shí)可大幅降低總下壓量，且顯著減少軋制道次，不僅大幅降低軋制環(huán)節(jié)的成本，且經(jīng)過組織調(diào)控后的鎂合金能夠具備特別優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖6 半固態(tài)注射成型鎂合金的斷口SEM形貌

3.3 新型半固態(tài)鎂合金

研究人員也在嘗試開發(fā)新型半固態(tài)鎂合金新材料，以更好地應(yīng)用于半固態(tài)注射成型技術(shù)和提升使用性能。Tsukeda等探究Mg-Al-Ca合金與AE42合金在半固態(tài)注射成型下的組織與性能，發(fā)現(xiàn)添加Ca元素能使網(wǎng)狀組織更多且更加顯著，并大幅提升合金在高溫下的力學(xué)性能和蠕變性能，然而當(dāng) Ca 含量過高時(shí)，會(huì)降低合金的塑性。因此，雖然添加Ca元素的半固態(tài)鎂合金能夠增強(qiáng)強(qiáng)度，但如果 Al2Ca或Mg2Ca脆性相的數(shù)量過多會(huì)導(dǎo)致合金在鑄態(tài)下的延伸率損失較大。Suzuki 等在 Mg-Al-Ca 合金基礎(chǔ)上進(jìn)一步添加了混合稀土元素，并進(jìn)行了半固態(tài)注射成型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微量混合稀土（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 0.1%）能有效提高蠕變強(qiáng)度，但過量添加會(huì)降低蠕變強(qiáng)度。這主要與組織中形成的金屬間化合物的形態(tài)有關(guān)，如圖 7 所示，少量添加混合稀土可保持網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)，從而提高蠕變過程中的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。Buzolin等研究了含有微量Ca和Sr元素的MRI153M合金，并將其與AZ91D合金在半固態(tài)注射成型后的組織性能進(jìn)行對(duì)比：2種合金的耐腐蝕性明顯優(yōu)于通過鑄錠或壓鑄工藝生產(chǎn)的類似材料，不過MRI153M合金的腐蝕速率略高于AZ91D合金，這是因?yàn)?Ca 元素富集在次生α-Mg 的晶界附近，易造成 α-Mg局部溶解。

此外，Mg-Zn體系是一種潛在的適用于半固態(tài)注射成型工藝的鎂合金體系，Mg-Zn合金具有較寬的凝固區(qū)間，在常規(guī)的壓鑄工藝中易產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，而采用半固態(tài)注射成型技術(shù)有望大幅降低Mg-Zn 合金的熱裂傾向。如 Gu 等通過半固態(tài)注射成型技術(shù)成功制備了Mg-10Zn 合金，能夠成型出壁厚僅為0.9mm 的薄壁零件，其組織中含有細(xì)小的 Mg-Zn 近網(wǎng)狀相，不僅表現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度和延伸率，還具備良好的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)117.1W/(m·K)。

圖7 添加不同含量混合稀土的半固態(tài)注射成型Mg-Al-Ca合金的TEM顯微組織

目前，針對(duì)半固態(tài)注射成型技術(shù)的鎂合金新材料開發(fā)較少。隨著應(yīng)用性能要求的提升和多樣化需求的增加，未來對(duì)新型半固態(tài)鎂合金的研究將愈來愈多。不過需要特別注意的是，半固態(tài)鎂合金的開發(fā)首要考慮的是滿足半固態(tài)工藝性，即必須具備合適的固液區(qū)間和低液相線，同時(shí)需嚴(yán)格控制高熔點(diǎn)相（如稀土第二相化合物）的含量，避免螺桿加熱溫度過高或卡料。在工藝適配的基礎(chǔ)上，高性能的半固態(tài)鎂合金設(shè)計(jì)還可考慮結(jié)合熱處理強(qiáng)化，以實(shí)現(xiàn)最終優(yōu)異的性能。

3.4 半固態(tài)鎂基復(fù)合材料

采用半固態(tài)注射成型工藝制備鎂基復(fù)合材料是一種創(chuàng)新而巧妙的加工技術(shù)。通過在鎂粒子進(jìn)料的同時(shí)加入增強(qiáng)體顆粒，并利用螺桿的剪切力使增強(qiáng)體均勻分散于半固態(tài)復(fù)合漿料中，隨后通過高速注射直接將此漿料成型為鎂基復(fù)合材料構(gòu)件，達(dá)到一次近凈成型。該技術(shù)可有效避免傳統(tǒng)攪拌鑄造工藝中的二次熔化導(dǎo)致的顆粒團(tuán)聚或沉降，同時(shí)簡(jiǎn)化了熔體轉(zhuǎn)運(yùn)過程。Rauber等針對(duì)注射成型SiC顆粒增強(qiáng) AZ91 和 AJ62 鎂基復(fù)合材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)微米級(jí)的 SiC 顆粒能夠在基體中均勻分布，此外，由于該制備工藝全程溫度較低，有效避免了基體與增強(qiáng)體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，陶瓷增強(qiáng)體的加入能夠顯著提升半固態(tài)鎂合金的力學(xué)性能。Gu等在半固態(tài)注射成型 Mg-10Zn 合金的過程中，添加了 SiC-Al2O3顆粒，成功制備出了壁厚僅為1mm 的鎂基復(fù)合材料板狀樣品。在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%陶瓷增強(qiáng)顆粒后，鎂材料的強(qiáng)度提升近20%，延伸率略有降低，但仍高于 6%。在一次成型工藝下使鎂基復(fù)合材料獲得了優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性匹配性，且模量也得到提升。相較于傳統(tǒng)鑄造工藝的鎂基復(fù)合材料，其性能效果顯著提升，如表 4 所示。圖 8展示了鎂基復(fù)合材料的典型組織形態(tài)，半固態(tài)鎂合金呈現(xiàn)出胞狀組織特征，第二相以“網(wǎng)絡(luò)狀”包圍鎂基體，在半固態(tài)復(fù)合材料中，增強(qiáng)顆粒均勻彌散分布，未出現(xiàn)團(tuán)聚。陶瓷顆粒不僅起到了異質(zhì)形核的作用，還與初生 α-Mg 發(fā)生碰撞，共同促進(jìn)了晶粒的細(xì)化。也有研究人員通過半固態(tài)注射成型工藝在鎂合金中添加納米碳、炭黑、石墨烯等碳類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)碳類增強(qiáng)體能夠進(jìn)一步細(xì)化晶粒組織，改善材料的流動(dòng)性和力學(xué)性能。綜上所述，半固態(tài)注射成型工藝在短流程制備鎂基復(fù)合材料方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有極高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。

圖8 半固態(tài)注射成型鎂合金與鎂基復(fù)合材料的顯微組織

4、鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)的應(yīng)用

目前，鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中，消費(fèi)電子（3C）行業(yè)是首要應(yīng)用領(lǐng)域（圖9）。半固態(tài)注射成型廣泛應(yīng)用于筆記本電腦的A/C/D殼制造，這些作為外觀件的部件對(duì)表面質(zhì)量要求極高。鎂合金注射成型技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)厚度低于1mm的薄壁成型，還確保了高直通良率。因此，部分企業(yè)已逐步淘汰傳統(tǒng)壓鑄工藝。此外，該技術(shù)還被應(yīng)用于游戲機(jī)內(nèi)板、VR/AR眼鏡骨架等內(nèi)部構(gòu)件，為電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)極致輕薄化提供了有力支持。同時(shí)，如消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的殼體、散熱內(nèi)板等結(jié)構(gòu)件也開始采用半固態(tài)注射成型工藝，以實(shí)現(xiàn)更高的性能可靠性和輕量化收益。

圖9 消費(fèi)電子及無人機(jī)結(jié)構(gòu)件

另一個(gè)新興的半固態(tài)注射成型技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域是汽車領(lǐng)域。當(dāng)前，隨著汽車屏幕數(shù)量的增加和智能化發(fā)展，對(duì)鎂合金結(jié)構(gòu)件在車內(nèi)輕量化方面的需求急劇上升。鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)能夠制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、輕質(zhì)且尺寸精度高的結(jié)構(gòu)件，如中控屏背板（圖 10），其設(shè)計(jì)已從單屏演進(jìn)至雙聯(lián)屏、三聯(lián)屏，且最大結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度已超過 1.5 m。半固態(tài)設(shè)備能力和工藝成型技術(shù)在此領(lǐng)域正不斷突破。國(guó)內(nèi)不少結(jié)構(gòu)件制造廠商已從3C行業(yè)向汽車行業(yè)拓展。

（a單屏）

（b）三聯(lián)屏
圖10 汽車中控三聯(lián)屏背板

越來越多的交通工具結(jié)構(gòu)件制造從傳統(tǒng)鎂合金壓鑄轉(zhuǎn)向半固態(tài)注射成型工藝，如自行車前叉、兩輪電動(dòng)車輪轂以及汽車轉(zhuǎn)向盤等，如圖11所示，這些產(chǎn)品對(duì)延伸率有較高要求。半固態(tài)制造技術(shù)不僅可提升以上部件的可靠性，還能實(shí)現(xiàn)更高的材料利用率。

圖11 交通工具結(jié)構(gòu)件

近2年來，半固態(tài)注射成型技術(shù)已開始應(yīng)用于汽車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域，目前已誕生半固態(tài)減震塔、發(fā)動(dòng)機(jī)下缸體、一體式副車架、儀表盤橫梁支架、新能源電驅(qū)殼體等樣件，如圖 12 所示，其中，成型毛坯的最大質(zhì)量已突破13.5kg（伯樂智能）。大型鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)不斷刷新傳統(tǒng)半固態(tài)零件的質(zhì)量記錄，同時(shí)，在成型復(fù)雜厚壁件時(shí)缺陷率低，甚至能在非真空條件下實(shí)現(xiàn)高致密成型，改善了鎂合金構(gòu)件在強(qiáng)韌性、耐腐蝕性等方面的不足。對(duì)于大注射量下鎂合金的半固態(tài)注射成型工藝與組織性能，仍需深入研究固相率調(diào)控、組織均勻性控制、凝固缺陷及模流仿真分析等技術(shù)。

（a）減震塔   （b）下缸體      （c）副車架
圖12 大型汽車結(jié)構(gòu)件

5、結(jié)束語

鎂合金半固態(tài)注射成型技術(shù)作為一種安全、環(huán)保且高效的綠色制造技術(shù)，相較于傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，它不僅能夠制造出氣孔率低、性能優(yōu)越、可靠性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件，還具備高材料利用率和長(zhǎng)模具壽命的特點(diǎn)，其綜合成本日益降低。半固態(tài)成型工藝適用于具有一定凝固區(qū)間的合金體系，如 Mg-Al 和 Mg-Zn 系列合金。通過調(diào)整工藝參數(shù)可精確調(diào)控其固相率和性能，從而適用于不同壁厚的零件制造。此外，半固態(tài)注射成型技術(shù)還能成型鎂基復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度和其他特殊性能。因此，半固態(tài)注射成型技術(shù)是充分發(fā)揮鎂合金性能、降低缺陷的理想工藝之一。近年來，國(guó)內(nèi)在鎂合金半固態(tài)注射成型領(lǐng)域逐步成為創(chuàng)新引領(lǐng)者，半固態(tài)注射成型機(jī)正向大型化方向發(fā)展。半固態(tài)注射成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于3C產(chǎn)品和汽車屏幕背板等結(jié)構(gòu)件，并逐步拓展至汽車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件。隨著全球范圍內(nèi)對(duì)輕量化構(gòu)件需求的上升，半固態(tài)注射成型技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)鎂合金應(yīng)用。

作者

谷立東 李子昕 尚曉晴 王杰 李德江 曾小勤

1、上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院

2、上海交通大學(xué) 深圳研究院

本文轉(zhuǎn)載自：中鑄科技