摘 要
高固相流變壓鑄成形是一種新興的鋁合金成形技術，具有生產效率高、產品致密度高、綜合制造成本低等特點，在過去十年內快速發展，在汽車、工程機械、通訊設備等領域獲得應用。總結了該技術在漿料制備、材料、模擬仿真、缺陷控制等方面的研究進展以及產業應用情況，并對未來發展進行討論。
前 言：流變壓鑄成形技術在20世紀70年代起源于美國麻省理工學院，經過近50年的發展，逐步形成了較完整的技術鏈條，并在汽車、工程機械、通訊設備、光伏等多個領域實現了工業化應用。在流變壓鑄成形中，金屬或合金熔體被直接制備為半固態漿料，然后被轉移到壓鑄機壓射室中，在壓射桿推動下流動充填模具型腔，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；與常規壓鑄成形相比，流變壓鑄成形具有鑄件致密度高、模具使用壽命長等優勢。根據半固態漿料固相含量的不同，流變壓鑄成形可以被分為兩類：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量，代表性產品有5G通訊基站殼體、電源轉換器殼體、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量鑄件，其產品致密度和性能對標鍛造產品，代表性產品有渦輪增壓器葉輪、發動機支架等。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量控制方面具有更大優勢，近年來產業化進程不斷加快，比亞迪、福田戴姆勒、通用等汽車制造商相繼采用了高固相流變壓鑄成形鋁合金零部件。為了滿足更多應用場景的具體需求，高固相流變壓鑄成形技術還在不斷發展。本研究總結近年來該技術在漿料制備、材料、模擬仿真、缺陷控制等方面的研究進展以及產業應用情況，并對未來發展進行討論。
1、漿料制備
已報道的流變制漿技術有30余種，但僅有少數可以用來制備高固相含量漿料（固相含量大于40%），這些技術及其使用的鋁合金材料見表1。在這些技術中，旋轉熱焓平衡法（Swirled Enthalpy Equilibration Device，SEED）和新流變鑄造法（New Rheocasting，NRC）有產業化應用。
表1 高固相含量流變制漿技術
近年來，漿料制備技術的相關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。在漿料制備過程中，接近散熱通道的熔體冷卻較快，遠離散熱通道的熔體冷卻較慢，因而漿料內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溫度變化更敏感。因而，非亞共晶Al-Si系鋁合金半固態漿料的制備對漿料溫度場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均勻性，羅敏等分析了工藝參數、材料熱物性參數、熱邊界條件、系統幾何參數對SEED法漿料溫度場均勻性的影響，發現坩堝-空氣界面熱交換系數、漿料直徑是對漿料溫度場均勻性影響最大的兩個因素，并改進了SEED法制漿坩堝的設計，成功制備了7108、6063、7050等多種非Al-Si系鋁合金的高固相漿料，見圖2。LI G等發明了熱焓控制法（Enthalpy Control Process，ECP），通過外加電磁場對漿料溫度場進行了有效調控，并采用機器學習方法優化工藝，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SEED法制備的7108、6063和7050鋁合金高固相含量半固態漿料微觀組織
值得注意的是，近年來模擬仿真技術被應用于制漿技術的研究。LI G等采用有限元方法模擬了漿料溫度場在電磁場作用下的演變。QU W Y等采用相場法模擬了SEED法制漿過程中α-Al晶粒的長大和形貌演變，見圖3，并分析了溫度場、流場和成分場對α-Al晶粒的長大和形貌演變的影響規律，為漿料制備技術優化提供了參考。
圖3 微觀組織長大過程模擬仿真結果與真實凝固組織對照
2、高性能鋁合金材料
目前，高固相流變壓鑄成形實現工業化應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性能見表2。可以看出，流變壓鑄成形鋁合金的力學性能與鍛造成形7075鋁合金還有一定的差距。為了滿足更多應用場景的具體應用需求，國內外開展了流變壓鑄成形用高性能鋁合金材料的研發。
表2 部分高固相流變壓鑄成形鋁合金的力學性能
研發工藝專用新材料首先要解決的問題是，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，對該準則提出了挑戰。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間曲線作為判斷依據，見圖4a。HU X G等從合金凝固焓變的角度出發提出新的判斷方法，用液相含量與焓變曲線作為判斷依據，見圖4b。這兩種判斷方法擴充了工藝使用材料的成分范圍，為非亞共晶Al-Si系合金的設計提供了指引。
(a)液相分數-時間曲線，(b)液相含量-焓變曲線
圖4 流變成形合金適用的判別方法
基于上述兩個準則，采用材料熱力學計算方法分析了Si、Cu、Mg、Zn、Fe、Mn等元素含量對合金SEED流變壓鑄成形工藝窗口的影響規律，并針對不同應用場景的具體應用需求，設計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計的重要手段，準確的流體模型是實現精準模流分析的基礎。關于半固態流體模型的研究是伴隨著半固態技術誕生開始的，先后有近20種數學模型被用于描述半固態流體的流變特性，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）因為形式簡單、易于求解，已經被廣泛應用到計算機模擬仿真中。近年來的相關研究集中在如何提高模型準確度的問題上。董恩潔研究了測試系統幾何結構和Taylor渦對雙筒流變儀測量精度的影響，并提出測量系統改進設計方案。陳娟研究了固相顆粒體征對半固態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）、穩定剪切速率（SRS）、剪切應力掃描（SSS）3種模式表征了半固態流體的流變特性，并分別擬合了冪律模型，通過對比模擬仿真結果與試驗結果發現，剪切應力掃描數據擬合模型更接近試驗結果，見圖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漿料，但是在高固相流變壓鑄成形全過程中，熔體經歷了從液態到低固相半固態、再到高固相半固態的演變，低固相條件下的半固態漿料流變特性也應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等設計了平板高速壓縮測試系統，用該測試系統測量數據擬合高固相含量319s鋁合金的冪律模型，該模型對漿料流動的模擬仿真結果與試驗結果的特征相吻合，證明了模型的準確性。
圖5 采用SSR、SRS和SSS測試擬合的冪律模型獲得的模擬結果和試驗結果
在多相流模型方面，QU W Y等[41]建立了適用于半固態漿料充型過程的粘度（k-ε realizable）-顆粒間作用（Syamlal-Oˊbrien）-液固間作用（Gidaspow）多相流模型，并對固相含量為50%的Sn-15Pb合金和357鋁合金半固態漿料流動過程進行了模擬仿真。模擬結果顯示，固液兩相分離情況與試驗結果相吻合（見圖6），證明了模型的準確性。
(a)模擬 (b)試驗
圖6多相流模擬固相分布模擬與試驗結果對比
4、缺陷控制
MIDSON S P等基于Campbell的高質量鑄件十準則，提出適合半固態成形的高質量鑄件十條準則。在此基礎上，盧宏興通過對鑄造缺陷形成機理的系統性研究，整理歸納出了半固態成形的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制備合格的半固態金屬，④采用高模具溫度，⑤設置充足的排氣口，避免出現困氣，⑥凝固過程避免出現熱節。
熱處理鼓泡是高固相流變壓鑄成形在生產實踐過程中面對的主要缺陷之一，也是研究的熱點對象。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，即亞表層氣孔內氣壓超過基體材料強度，并研究了壓鑄工藝、模具涂料等對鼓泡缺陷嚴重程度的影響規律。LU H X等研究了熱處理過程中亞表層氣孔的膨脹行為，分析了氣孔幾何特征、深度、氣壓及基體材料強度對鼓泡缺陷形成臨界溫度的影響規律。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。
5、產業化應用
自2014年朱強團隊在北京有色金屬研究總院建成國內第一條高固相流變壓鑄成形生產示范線后，高固相流變壓鑄成形的產業化應用進程不斷加快。據不完全統計，國內建有高固相流變壓鑄成形生產線的企業已有近10家，分布在深圳、寧波、青島、徐州等地。產品包括：汽車渦輪增壓器葉輪，乘用車制動卡鉗體、控制臂、發動機支架、氣室支架，商用車后處理器支架、蓄電池支架，大巴車骨架接頭，特種車輛高壓管道卡箍，濾波器腔體等。
圖7 部分高固相流變壓鑄成形鋁合金產品
6、討論
在過去近10年中，高固相流變壓鑄成形技術不斷發展和完善，在漿料制備、材料、模擬仿真、缺陷控制等方面都取得了進步，并在汽車、工程機械、通訊等領域獲得產業化應用。但是，隨著社會發展和科技進步，鑄件大型化的趨勢已初現端倪，大尺寸通訊設備殼體件、超大型車身結構件相繼問世，已經對高固相流變壓鑄成形發起了新的挑戰。高固相流變壓鑄成形技術參與到超大型鑄件的制造中，有兩條技術路徑可以選擇。一是突破一體化制造的幾個關鍵問題：①高效率漿料制備技術（單個漿料重量≥40 kg）；②兼具高流動性和優異綜合性能的鋁合金新材料；③大型鑄件成形過程精確快速模擬仿真技術。二是攻關高固相流變壓鑄成形件的焊接技術，先通過高固相流變壓鑄成形制造高質量小尺寸鑄件，然后采用焊接方式拼接小件制造超大件。顯然，第二條技術路徑更容易在短期內實現，并且與超高真空一體化壓鑄技術相比，具有技術難度較低、設備投資小等優勢，勢必會在未來幾年內掀起技術研發和應用的浪潮，將高固相半固態流變壓鑄成形技術推向新的發展階段。
