铝合金高固相流变压铸成形技术研究进展

摘要：高固相流变压铸成形是一种新兴的铝合金成形技术，具有生产效率高、产品致密度高、综合制造成本低等特点，在过去十年内快速发展，在汽车、工程机械、通讯设备等领域获得应用。总结了该技术在浆料制备、材料、模拟仿真、缺陷控制等方面的研究进展以及产业应用情况，并对未来发展进行讨论。


     流变压铸成形技术在20世纪70年代起源于美国麻省理工学院，经过近50年的发展，逐步形成了较完整的技术链条，并在汽车、工程机械、通讯设备、光伏等多个领域实现了工业化应用。在流变压铸成形中，金属或合金熔体被直接制备为半固态浆料，然后被转移到压铸机压射室中，在压射杆推动下流动充填模具型腔，并在压力作用下凝固成形。与触变压铸成形相比，流变压铸成形具有工艺流程短、成本低等特点；与常规压铸成形相比，流变压铸成形具有铸件致密度高、模具使用寿命长等优势。根据半固态浆料固相含量的不同，流变压铸成形可以被分为两类：低固相流变压铸成形（浆料固相含量小于40%），主要被用于提高压铸件的质量，代表性产品有5G通讯基站壳体、电源转换器壳体、光伏逆变器壳体等；高固相流变压铸成形（浆料固相含量大于40%），主要被用于制造高质量铸件，其产品致密度和性能对标锻造产品，代表性产品有涡轮增压器叶轮、发动机支架等。相比于低固相流变压铸成形，高固相流变压铸成形在铸件质量控制方面具有更大优势，近年来产业化进程不断加快，比亚迪、福田戴姆勒、通用等汽车制造商相继采用了高固相流变压铸成形铝合金零部件。为了满足更多应用场景的具体需求，高固相流变压铸成形技术还在不断发展。本研究总结近年来该技术在浆料制备、材料、模拟仿真、缺陷控制等方面的研究进展以及产业应用情况，并对未来发展进行讨论。


1、浆料制备

     已报道的流变制浆技术有30余种，但仅有少数可以用来制备高固相含量浆料（固相含量大于40%），这些技术及其使用的铝合金材料见表1。在这些技术中，旋转热焓平衡法（Swirled Enthalpy Equilibration Device，SEED）和新流变铸造法（New Rheocasting，NRC）有产业化应用。
表1 高固相含量流变制浆技术

     近年来，浆料制备技术的相关研究主要集中在解决非亚共晶Al-Si系铝合金的浆料制备难题上。在浆料制备过程中，接近散热通道的熔体冷却较快，远离散热通道的熔体冷却较慢，因而浆料内部不可避免存在温度差异，也存在固相含量差异。图1为不同铝合金的固相含量随温度的变化曲线。可以看出，在40%~50%固相含量区间，7075铝合金（非Al-Si系）的曲线斜率大于356铝合金（Al-Si系），即7075铝合金的固相含量对温度变化更敏感。因而，非亚共晶Al-Si系铝合金半固态浆料的制备对浆料温度场均匀性控制提出了更高的要求。

图1 不同铝合金的固相含量随温度变化曲线
     为了改善浆料温度场均匀性，罗敏等分析了工艺参数、材料热物性参数、热边界条件、系统几何参数对SEED法浆料温度场均匀性的影响，发现坩埚-空气界面热交换系数、浆料直径是对浆料温度场均匀性影响最大的两个因素，并改进了SEED法制浆坩埚的设计，成功制备了7108、6063、7050等多种非Al-Si系铝合金的高固相浆料，见图2。LI G等发明了热焓控制法（Enthalpy Control Process，ECP），通过外加电磁场对浆料温度场进行了有效调控，并采用机器学习方法优化工艺，也成功制备了固相含量均匀的7075铝合金高固相浆料。

图2 改进SEED法制备的7108、6063和7050铝合金高固相含量半固态浆料微观组织(a)7108、(b)6063、(c)7050
     值得注意的是，近年来模拟仿真技术被应用于制浆技术的研究。LI G等采用有限元方法模拟了浆料温度场在电磁场作用下的演变。QU W Y等采用相场法模拟了SEED法制浆过程中α-Al晶粒的长大和形貌演变，见图3，并分析了温度场、流场和成分场对α-Al晶粒的长大和形貌演变的影响规律，为浆料制备技术优化提供了参考。

图3 微观组织长大过程模拟仿真结果与真实凝固组织对照


2、高性能铝合金材料

     目前，高固相流变压铸成形实现工业化应用的铝合金材料以亚共晶Al-Si系合金为主，常用材料包括356、357、319s铝合金。部分高固相流变压铸成形铝合金的力学性能见表2。可以看出，流变压铸成形铝合金的力学性能与锻造成形7075铝合金还有一定的差距。为了满足更多应用场景的具体应用需求，国内外开展了流变压铸成形用高性能铝合金材料的研发。
表2 部分高固相流变压铸成形铝合金的力学性能

     研发工艺专用新材料首先要解决的问题是，判断合金是否适用于流变压铸成形工艺。ATKINSON H V提出流变成形合金适用的关键因素是合金的液相含量与温度曲线在指定液相含量下的斜率。但是，CURLE U等完成了高纯铝和共晶Al-Si合金的流变压铸成形，对该准则提出了挑战。随后，ZHANG D等提出新的判断方法，用合金的液相含量与制浆时间曲线作为判断依据，见图4a。HU X G等从合金凝固焓变的角度出发提出新的判断方法，用液相含量与焓变曲线作为判断依据，见图4b。这两种判断方法扩充了工艺使用材料的成分范围，为非亚共晶Al-Si系合金的设计提供了指引。

图4 流变成形合金适用的判别方法(a)液相分数-时间曲线；(b)液相含量-焓变曲线
      基于上述两个准则，采用材料热力学计算方法分析了Si、Cu、Mg、Zn、Fe、Mn等元素含量对合金SEED流变压铸成形工艺窗口的影响规律，并针对不同应用场景的具体应用需求，设计了多款适用于高固相流变压铸成形的高性能铝合金，部分材料的性能见表3。
表3 部分SEED流变压铸成形用高性能铝合金的性能




3、流体建模与模拟仿真

     模流分析是辅助模具设计的重要手段，准确的流体模型是实现精准模流分析的基础。关于半固态流体模型的研究是伴随着半固态技术诞生开始的，先后有近20种数学模型被用于描述半固态流体的流变特性，这些模型可以被分为单相流模型和多相流模型。

    单相流模型方面，幂律模型（Power-Law）和赫-巴模型（Herschel-Bulkley）因为形式简单、易于求解，已经被广泛应用到计算机模拟仿真中。近年来的相关研究集中在如何提高模型准确度的问题上。董恩洁研究了测试系统几何结构和Taylor涡对双筒流变仪测量精度的影响，并提出测量系统改进设计方案。陈娟研究了固相颗粒体征对半固态浆料流变特性的影响，并建立考虑固相颗粒特征的流体模型。QU W Y等采用剪切速率扫描（SSR）、稳定剪切速率（SRS）、剪切应力扫描（SSS）3种模式表征了半固态流体的流变特性，并分别拟合了幂律模型，通过对比模拟仿真结果与试验结果发现，剪切应力扫描数据拟合模型更接近试验结果，见图5。虽然上述研究采用的同轴双筒剪切法只适用于低固相半固态浆料，但是在高固相流变压铸成形全过程中，熔体经历了从液态到低固相半固态、再到高固相半固态的演变，低固相条件下的半固态浆料流变特性也应该被全流程模拟仿真所考虑。在高固相浆料流变特性表征方面，HU X G等设计了平板高速压缩测试系统，用该测试系统测量数据拟合高固相含量319s铝合金的幂律模型，该模型对浆料流动的模拟仿真结果与试验结果的特征相吻合，证明了模型的准确性。

图5 采用SSR、SRS和SSS测试拟合的幂律模型获得的模拟结果和试验结果
     在多相流模型方面，QU W Y等建立了适用于半固态浆料充型过程的粘度（k-ε realizable）-颗粒间作用（Syamlal-Oˊbrien）-液固间作用（Gidaspow）多相流模型，并对固相含量为50%的Sn-15Pb合金和357铝合金半固态浆料流动过程进行了模拟仿真。模拟结果显示，固液两相分离情况与试验结果相吻合（见图6），证明了模型的准确性。

图6 多相流模拟固相分布模拟与试验结果对比(a)模拟；(b)试验


4、缺陷控制


     MIDSON S P等基于Campbell的高质量铸件十准则，提出适合半固态成形的高质量铸件十条准则。在此基础上，卢宏兴通过对铸造缺陷形成机理的系统性研究，整理归纳出了半固态成形的6条缺陷控制方法：①选择合适的合金，②保证干净的熔体，③制备合格的半固态金属，④采用高模具温度，⑤设置充足的排气口，避免出现困气，⑥凝固过程避免出现热节。

     热处理鼓泡是高固相流变压铸成形在生产实践过程中面对的主要缺陷之一，也是研究的热点对象。MIDSON S P等、HE Y F等、LU H X等首先提出鼓泡缺陷的形成条件，即亚表层气孔内气压超过基体材料强度，并研究了压铸工艺、模具涂料等对鼓泡缺陷严重程度的影响规律。LU H X等研究了热处理过程中亚表层气孔的膨胀行为，分析了气孔几何特征、深度、气压及基体材料强度对鼓泡缺陷形成临界温度的影响规律。HU X G等采用单相流和多相流模拟仿真手段研究了亚表层气孔的形成条件，为消除亚表层气孔提供了指导。


5、产业化应用

     自2014年朱强团队在北京有色金属研究总院建成国内第一条高固相流变压铸成形生产示范线后，高固相流变压铸成形的产业化应用进程不断加快。据不完全统计，国内建有高固相流变压铸成形生产线的企业已有近10家，分布在深圳、宁波、青岛、徐州等地。产品包括：汽车涡轮增压器叶轮，乘用车制动卡钳体、控制臂、发动机支架、气室支架，商用车后处理器支架、蓄电池支架，大巴车骨架接头，特种车辆高压管道卡箍，滤波器腔体等。

图7 部分高固相流变压铸成形铝合金产品


6、讨论

     在过去近10年中，高固相流变压铸成形技术不断发展和完善，在浆料制备、材料、模拟仿真、缺陷控制等方面都取得了进步，并在汽车、工程机械、通讯等领域获得产业化应用。但是，随着社会发展和科技进步，铸件大型化的趋势已初现端倪，大尺寸通讯设备壳体件、超大型车身结构件相继问世，已经对高固相流变压铸成形发起了新的挑战。高固相流变压铸成形技术参与到超大型铸件的制造中，有两条技术路径可以选择。一是突破一体化制造的几个关键问题：①高效率浆料制备技术（单个浆料重量≥40kg）；②兼具高流动性和优异综合性能的铝合金新材料；③大型铸件成形过程精确快速模拟仿真技术。二是攻关高固相流变压铸成形件的焊接技术，先通过高固相流变压铸成形制造高质量小尺寸铸件，然后采用焊接方式拼接小件制造超大件。显然，第二条技术路径更容易在短期内实现，并且与超高真空一体化压铸技术相比，具有技术难度较低、设备投资小等优势，势必会在未来几年内掀起技术研发和应用的浪潮，将高固相半固态流变压铸成形技术推向新的发展阶段。

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