原標題:鋁合金半固態加工的現狀和發展前景探討

摘 要:基于16屆國際半固態加工會議探討了半固態加工的現狀和發展前景。可以發現，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用，同步輻射在分析半固態流變行為方面具有非常重要的科學意義和應用價值。雖然正在面臨著大型真空一體化壓鑄的激烈競爭，半固態加工通過和連接技術的結合依然在大型復雜薄壁優質鑄件的生產方面具有廣泛的應用前景。

前 言：半固態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漿料，然后通過常規壓鑄機進行流變成形。流變成形改變了傳統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性能，尤其是動態疲勞性能。在觸變成形過程中，首先需要制備棒料，然后通過后續加熱進行觸變成形。與觸變成形相比，流變成形具有工藝流程短、過程成本低等優點。目前來看，流變成形由于制漿技術的逐漸成熟已經占據了半固態加工的主導地位。雖然半固態加工在銅合金、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、力學性能較高、成本較低等優點，一直占據鑄造鋁合金90%以上的市場份額。另一方面，由于雙碳目標的提出，對能源和環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流變行為。

1、再生鋁硅合金流變成形

在第16屆國際半固態加工會議上，有3篇論文討論了再生鋁硅合金，充分證明了再生Al-Si合金已經成為半固態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30%再生鋁合金的研究成果。圖1分析了雜質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，尤其在薄壁區域，見圖3。研究發現，添加30%再生鋁合金不會對流變成形工藝和組織產生不良的影響。雖然再生鋁合金的使用量還可以繼續提高到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的力學性能尚沒有報道。此外，通過可持續性分析，也發現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，如Fe，Pb和Sn ，但是半固態加工工藝，如電磁攪拌，可以顯著減低這些雜質對鋁合金半固態加工工藝、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屆國際半固態加工會議上，有2篇論文討論了計算機斷層掃描分析鋁合金流變鑄造缺陷。計算機斷層掃描可以得到鑄造缺陷的三維分布，并可以進一步進行鑄造缺陷的定量分析，見圖3，這對于鑄件的品質控制至關重要。MIDSON等通過計算機斷層掃描分別分析了半固態流變成形鑄件和高壓壓鑄件，見圖4和圖5。研究發現半固態流變成形鑄件具有較少的鑄造缺陷。但是需要說明的是，計算機斷層掃描的分辨率和掃描試樣的尺寸緊密相關。為了得到更高的分辨率，需要使用尺寸更小的試樣。但是，這也導致計算機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。計算機斷層掃描圖片的重構是另外一個需要特別強調的因素。如果不能得到正確重構海量的計算機斷層掃描圖片，就有可能出現各種假象甚至錯誤（如試樣表面的影響，見圖5），因此仍然需要進一步發展數據重構算法和軟件平臺，尤其是基于互聯網的數據共享分析平臺。

圖4 計算機斷層掃描分析鋁合金流變鑄造缺陷

圖5 計算機斷層掃描分析壓鑄鋁合金中的鑄造缺陷

3、半固態流變行為同步輻射分析

計算機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。在使用直徑為φ2 mm的圓柱試樣的情況下，計算機斷層掃描的分辨率可以達到1 μm。這個分辨率對于常規鑄造缺陷的分析是可以滿足使用需求的，但是尚不能進行半固態流變行為的研究，尤其是大多數正在使用的計算機斷層掃描設備尚不具備原位加熱和變形的功能。在第16屆國際半固態加工會議上，有1篇論文詳細討論了同步輻射分析技術在半固態流變行為研究中的應用，并和計算機模擬結果進行了比較，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 質量分數）合金通過同步輻射成形觀察研究了半固態流變行為隨固相分數（38%～85%）和剪切率（10-4～10-1 s-1）的變化規律。通過同步輻射分析技術可以清楚地觀察到半固態流變過程的不同階段，見圖6，進而可以定量地分析半固態變形行為，定義了3個流變轉變過程：臨界固體、凈膨脹和剪切開裂，這對于半固態材料以及加工工藝技術的開發具有重要的科學意義和應用價值。該論文也被一致評為第16屆國際半固態加工會議的最佳論文之一。需要進一步強調的是，半固態流變行為的研究一直是半固態加工的核心內容之一。在第16屆國際半固態加工會議上，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屆國際半固態加工會議的最佳論文，足以證明半固態流變行為的研究仍然具有重要意義。

圖6 半固態流變行為同步輻射分析

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

4、結論

雖然半固態加工已經發展了一段時間，尤其是過去近十年，半固態流變成形技術不斷發展和完善，并在汽車、通訊（5G）等領域獲得產業化應用，但是和高壓壓鑄相比，半固態流變成形技術的應用規模和市場份額仍然相對較小。尤其是在一體化壓鑄技術和免熱處理鋁合金材料正在變得越來越成熟的產業背景下，如何持續發展半固態加工仍然是一個尚待解決的問題。基于第16屆國際半固態加工會議所發表的論文和所展示的報告，可以簡要歸納得到以下3個結論:

（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而提升力學性能。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用，但是其分辨率尚待提高，分析區域尚待增加，尤其需要在計算機斷層掃描圖片的重構方面開發新的算法和軟件平臺，并避免重構過程中可能出現的各種假象或者錯誤。目前，快捷、簡便的計算機斷層掃描技術和裝備正在鑄件質量控制方面得到越來越多的應用。

（3）同步輻射在分析半固態流變行為具有非常重要的科學意義和應用價值，尤其是其分辨率已經足以觀察到半固態流變過程，并具備原位加熱和變形功能，這為深入研究半固態變形行為提供了極大方便和無限可能。但是和計算機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流變行為方面也存在分析區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流變行為是否能夠直接應用于大規模工業生產條件下的半固態加工場景尚待驗證。

（4）雖然使用大型真空一體化壓鑄技術生產大型復雜薄壁優質鑄件正在成為市場主流，半固態加工需要結合連接技術，可以大幅降低一次性設備投資，在大型復雜薄壁優質鑄件的生產方面仍然具有廣泛的應用前景。

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