原標(biāo)題:鋁合金半固態(tài)加工的現(xiàn)狀和發(fā)展前景探討

摘 要:基于16屆國際半固態(tài)加工會議探討了半固態(tài)加工的現(xiàn)狀和發(fā)展前景?？梢园l(fā)現(xiàn)，再生鋁合金流變鑄造正在成為鋁合金流變鑄造的主流，計算機(jī)斷層掃描在分析鋁合金流變鑄造缺陷方面正在得到越來越多的應(yīng)用，同步輻射在分析半固態(tài)流變行為方面具有非常重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。雖然正在面臨著大型真空一體化壓鑄的激烈競爭，半固態(tài)加工通過和連接技術(shù)的結(jié)合依然在大型復(fù)雜薄壁優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

前 言：半固態(tài)加工主要包括流變成形和觸變成形。在流變成形過程中，首先需要制備半固態(tài)漿料，然后通過常規(guī)壓鑄機(jī)進(jìn)行流變成形。流變成形改變了傳統(tǒng)凝固條件下的枝晶組織，生成近球晶組織，因此具有更高的力學(xué)性能，尤其是動態(tài)疲勞性能。在觸變成形過程中，首先需要制備棒料，然后通過后續(xù)加熱進(jìn)行觸變成形。與觸變成形相比，流變成形具有工藝流程短、過程成本低等優(yōu)點。目前來看，流變成形由于制漿技術(shù)的逐漸成熟已經(jīng)占據(jù)了半固態(tài)加工的主導(dǎo)地位。雖然半固態(tài)加工在銅合金、鋼鐵以及高溫合金等方面也有報道，但還是以Al-Si合金體系為主。一方面，Al-Si合金具有流動性良好、力學(xué)性能較高、成本較低等優(yōu)點，一直占據(jù)鑄造鋁合金90%以上的市場份額。另一方面，由于雙碳目標(biāo)的提出，對能源和環(huán)境提出了更高的要求。再生鋁合金僅需要消耗初生鋁合金5%的能耗，減碳效果顯著，正在得到越來越多的重視。主要介紹了再生Al-Si合金流變成形，重點介紹計算機(jī)斷層掃描分析再生鋁合金流變鑄造缺陷以及同步輻射分析半固態(tài)流變行為。

1、再生鋁硅合金流變成形

在第16屆國際半固態(tài)加工會議上，有3篇論文討論了再生鋁硅合金，充分證明了再生Al-Si合金已經(jīng)成為半固態(tài)加工的研究熱點之一。其中，LI J H等報道了在Al7Si0.3Mg合金中使用高達(dá)30%再生鋁合金的研究成果。圖1分析了雜質(zhì)含量隨再生鋁合金添加量的變化。可以看出，隨著再生鋁合金添加量的增加，TiB2顆粒的含量也增加。但是半固態(tài)凝固組織變化不大，見圖2。更重要的是，流變成形后的鑄造缺陷較少，尤其在薄壁區(qū)域，見圖3。研究發(fā)現(xiàn)，添加30%再生鋁合金不會對流變成形工藝和組織產(chǎn)生不良的影響。雖然再生鋁合金的使用量還可以繼續(xù)提高到50%甚至更高，但是由于客戶使用要求的限制，文中只報道了添加30%再生鋁合金的研究成果。而且由于保密要求其相應(yīng)的力學(xué)性能尚沒有報道。此外，通過可持續(xù)性分析，也發(fā)現(xiàn)使用再生鋁合金可以顯著降低成本和碳排放。雖然再生鋁合金中不可避免地存在各種雜質(zhì)，如Fe，Pb和Sn ，但是半固態(tài)加工工藝，如電磁攪拌，可以顯著減低這些雜質(zhì)對鋁合金半固態(tài)加工工藝、組織和性能的影響，提高再生鋁合金的使用容限度。

圖1 雜質(zhì)含量隨再生鋁合金添加量的變化

(A, B)0 %, (C, D)10 %, (E, F)20 %, (G, H)30 %

圖2 兩個不同壁厚試樣的半固態(tài)凝固組織隨再生鋁合金添加量的變化

(a, c, e) 較厚壁（2毫米）。(b, d, f) 較薄壁（0.4毫米）

圖3 計算機(jī)斷層掃描分析再生鋁合金流變鑄造缺陷

(a)CT圖像 (b)孔隙率

2、計算機(jī)斷層掃描分析再生鋁合金流變鑄造缺陷

在第16屆國際半固態(tài)加工會議上，有2篇論文討論了計算機(jī)斷層掃描分析鋁合金流變鑄造缺陷。計算機(jī)斷層掃描可以得到鑄造缺陷的三維分布，并可以進(jìn)一步進(jìn)行鑄造缺陷的定量分析，見圖3，這對于鑄件的品質(zhì)控制至關(guān)重要。MIDSON等通過計算機(jī)斷層掃描分別分析了半固態(tài)流變成形鑄件和高壓壓鑄件，見圖4和圖5。研究發(fā)現(xiàn)半固態(tài)流變成形鑄件具有較少的鑄造缺陷。但是需要說明的是，計算機(jī)斷層掃描的分辨率和掃描試樣的尺寸緊密相關(guān)。為了得到更高的分辨率，需要使用尺寸更小的試樣。但是，這也導(dǎo)致計算機(jī)斷層掃描得到的鑄造缺陷信息是較為局部的。在某些特定的情況下，這些局部的鑄造缺陷信息并不具有很好的代表性。計算機(jī)斷層掃描圖片的重構(gòu)是另外一個需要特別強(qiáng)調(diào)的因素。如果不能得到正確重構(gòu)海量的計算機(jī)斷層掃描圖片，就有可能出現(xiàn)各種假象甚至錯誤（如試樣表面的影響，見圖5），因此仍然需要進(jìn)一步發(fā)展數(shù)據(jù)重構(gòu)算法和軟件平臺，尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享分析平臺。

圖4 計算機(jī)斷層掃描分析鋁合金流變鑄造缺陷

圖5 計算機(jī)斷層掃描分析壓鑄鋁合金中的鑄造缺陷

3、半固態(tài)流變行為同步輻射分析

計算機(jī)斷層掃描的分辨率具有一定局限性，這主要與X射線的能量有關(guān)。在使用直徑為φ2 mm的圓柱試樣的情況下，計算機(jī)斷層掃描的分辨率可以達(dá)到1 μm。這個分辨率對于常規(guī)鑄造缺陷的分析是可以滿足使用需求的，但是尚不能進(jìn)行半固態(tài)流變行為的研究，尤其是大多數(shù)正在使用的計算機(jī)斷層掃描設(shè)備尚不具備原位加熱和變形的功能。在第16屆國際半固態(tài)加工會議上，有1篇論文詳細(xì)討論了同步輻射分析技術(shù)在半固態(tài)流變行為研究中的應(yīng)用，并和計算機(jī)模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，得到了很好的一致性。由于同步輻射具有更高的能量，因此具有更高的分辨率。更重要的是，同步輻射裝置大多具備原位加熱和變形的功能。SU T C等使用AlxCu（x = 6, 8, or 15 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）合金通過同步輻射成形觀察研究了半固態(tài)流變行為隨固相分?jǐn)?shù)（38%～85%）和剪切率（10-4～10-1 s-1）的變化規(guī)律。通過同步輻射分析技術(shù)可以清楚地觀察到半固態(tài)流變過程的不同階段，見圖6，進(jìn)而可以定量地分析半固態(tài)變形行為，定義了3個流變轉(zhuǎn)變過程：臨界固體、凈膨脹和剪切開裂，這對于半固態(tài)材料以及加工工藝技術(shù)的開發(fā)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。該論文也被一致評為第16屆國際半固態(tài)加工會議的最佳論文之一。需要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)的是，半固態(tài)流變行為的研究一直是半固態(tài)加工的核心內(nèi)容之一。在第16屆國際半固態(tài)加工會議上，TOCCI M等、LUO M等和QU W Y等從試驗和模擬方面討論了半固態(tài)流變行為，其中TOCCI M等和QU W Y 等的論文也被評為第16屆國際半固態(tài)加工會議的最佳論文，足以證明半固態(tài)流變行為的研究仍然具有重要意義。

圖6 半固態(tài)流變行為同步輻射分析

(a-h) 四種半固態(tài)變形行為例證 (i) 試驗得出的變形機(jī)理圖 (j) 二維模擬總體積應(yīng)變演化總結(jié)

4、結(jié)論

雖然半固態(tài)加工已經(jīng)發(fā)展了一段時間，尤其是過去近十年，半固態(tài)流變成形技術(shù)不斷發(fā)展和完善，并在汽車、通訊（5G）等領(lǐng)域獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但是和高壓壓鑄相比，半固態(tài)流變成形技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模和市場份額仍然相對較小。尤其是在一體化壓鑄技術(shù)和免熱處理鋁合金材料正在變得越來越成熟的產(chǎn)業(yè)背景下，如何持續(xù)發(fā)展半固態(tài)加工仍然是一個尚待解決的問題?；诘?6屆國際半固態(tài)加工會議所發(fā)表的論文和所展示的報告，可以簡要歸納得到以下3個結(jié)論:

（1）再生鋁合金流變鑄造正在成為鋁合金流變鑄造的主流。首先，流變鑄造可以細(xì)化含鐵相的尺寸并改變含鐵相的形貌，這有利于控制鑄造缺陷進(jìn)而提升力學(xué)性能。其次，流變鑄造可以提高鐵含量的使用上限，允許添加更高含量的鐵，有利于增加再生鋁合金的使用量，降低成本，降低能源消耗，減少碳排放。

（2）計算機(jī)斷層掃描在分析鋁合金流變鑄造缺陷方面正在得到越來越多的應(yīng)用，但是其分辨率尚待提高，分析區(qū)域尚待增加，尤其需要在計算機(jī)斷層掃描圖片的重構(gòu)方面開發(fā)新的算法和軟件平臺，并避免重構(gòu)過程中可能出現(xiàn)的各種假象或者錯誤。目前，快捷、簡便的計算機(jī)斷層掃描技術(shù)和裝備正在鑄件質(zhì)量控制方面得到越來越多的應(yīng)用。

（3）同步輻射在分析半固態(tài)流變行為具有非常重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，尤其是其分辨率已經(jīng)足以觀察到半固態(tài)流變過程，并具備原位加熱和變形功能，這為深入研究半固態(tài)變形行為提供了極大方便和無限可能。但是和計算機(jī)斷層掃描在分析鋁合金流變鑄造缺陷方面存在的問題一致，同步輻射在分析半固態(tài)流變行為方面也存在分析區(qū)域尚待增加等典型問題。更為重要的是，通過同步輻射分析得到的半固態(tài)流變行為是否能夠直接應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)條件下的半固態(tài)加工場景尚待驗證。

（4）雖然使用大型真空一體化壓鑄技術(shù)生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁優(yōu)質(zhì)鑄件正在成為市場主流，半固態(tài)加工需要結(jié)合連接技術(shù)，可以大幅降低一次性設(shè)備投資，在大型復(fù)雜薄壁優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)方面仍然具有廣泛的應(yīng)用前景。

作者
李杰華
奧地利萊奧本大學(xué)鑄造研究所
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志