原标题:铝合金半固态加工的现状和发展前景探讨

摘 要:基于16届国际半固态加工会议探讨了半固态加工的现状和发展前景。可以发现，再生铝合金流变铸造正在成为铝合金流变铸造的主流，计算机断层扫描在分析铝合金流变铸造缺陷方面正在得到越来越多的应用，同步辐射在分析半固态流变行为方面具有非常重要的科学意义和应用价值。虽然正在面临着大型真空一体化压铸的激烈竞争，半固态加工通过和连接技术的结合依然在大型复杂薄壁优质铸件的生产方面具有广泛的应用前景。

前 言：半固态加工主要包括流变成形和触变成形。在流变成形过程中，首先需要制备半固态浆料，然后通过常规压铸机进行流变成形。流变成形改变了传统凝固条件下的枝晶组织，生成近球晶组织，因此具有更高的力学性能，尤其是动态疲劳性能。在触变成形过程中，首先需要制备棒料，然后通过后续加热进行触变成形。与触变成形相比，流变成形具有工艺流程短、过程成本低等优点。目前来看，流变成形由于制浆技术的逐渐成熟已经占据了半固态加工的主导地位。虽然半固态加工在铜合金、钢铁以及高温合金等方面也有报道，但还是以Al-Si合金体系为主。一方面，Al-Si合金具有流动性良好、力学性能较高、成本较低等优点，一直占据铸造铝合金90%以上的市场份额。另一方面，由于双碳目标的提出，对能源和环境提出了更高的要求。再生铝合金仅需要消耗初生铝合金5%的能耗，减碳效果显著，正在得到越来越多的重视。主要介绍了再生Al-Si合金流变成形，重点介绍计算机断层扫描分析再生铝合金流变铸造缺陷以及同步辐射分析半固态流变行为。

1、再生铝硅合金流变成形

在第16届国际半固态加工会议上，有3篇论文讨论了再生铝硅合金，充分证明了再生Al-Si合金已经成为半固态加工的研究热点之一。其中，LI J H等报道了在Al7Si0.3Mg合金中使用高达30%再生铝合金的研究成果。图1分析了杂质含量随再生铝合金添加量的变化。可以看出，随着再生铝合金添加量的增加，TiB2颗粒的含量也增加。但是半固态凝固组织变化不大，见图2。更重要的是，流变成形后的铸造缺陷较少，尤其在薄壁区域，见图3。研究发现，添加30%再生铝合金不会对流变成形工艺和组织产生不良的影响。虽然再生铝合金的使用量还可以继续提高到50%甚至更高，但是由于客户使用要求的限制，文中只报道了添加30%再生铝合金的研究成果。而且由于保密要求其相应的力学性能尚没有报道。此外，通过可持续性分析，也发现使用再生铝合金可以显著降低成本和碳排放。虽然再生铝合金中不可避免地存在各种杂质，如Fe，Pb和Sn ，但是半固态加工工艺，如电磁搅拌，可以显著减低这些杂质对铝合金半固态加工工艺、组织和性能的影响，提高再生铝合金的使用容限度。

图1 杂质含量随再生铝合金添加量的变化

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

图2 两个不同壁厚试样的半固态凝固组织随再生铝合金添加量的变化

(a, c, e) 较厚壁（2毫米）。(b, d, f) 较薄壁（0.4毫米）

图3 计算机断层扫描分析再生铝合金流变铸造缺陷

(a)CT图像 (b)孔隙率

2、计算机断层扫描分析再生铝合金流变铸造缺陷

在第16届国际半固态加工会议上，有2篇论文讨论了计算机断层扫描分析铝合金流变铸造缺陷。计算机断层扫描可以得到铸造缺陷的三维分布，并可以进一步进行铸造缺陷的定量分析，见图3，这对于铸件的品质控制至关重要。MIDSON等通过计算机断层扫描分别分析了半固态流变成形铸件和高压压铸件，见图4和图5。研究发现半固态流变成形铸件具有较少的铸造缺陷。但是需要说明的是，计算机断层扫描的分辨率和扫描试样的尺寸紧密相关。为了得到更高的分辨率，需要使用尺寸更小的试样。但是，这也导致计算机断层扫描得到的铸造缺陷信息是较为局部的。在某些特定的情况下，这些局部的铸造缺陷信息并不具有很好的代表性。计算机断层扫描图片的重构是另外一个需要特别强调的因素。如果不能得到正确重构海量的计算机断层扫描图片，就有可能出现各种假象甚至错误（如试样表面的影响，见图5），因此仍然需要进一步发展数据重构算法和软件平台，尤其是基于互联网的数据共享分析平台。

图4 计算机断层扫描分析铝合金流变铸造缺陷

图5 计算机断层扫描分析压铸铝合金中的铸造缺陷

3、半固态流变行为同步辐射分析

计算机断层扫描的分辨率具有一定局限性，这主要与X射线的能量有关。在使用直径为φ2 mm的圆柱试样的情况下，计算机断层扫描的分辨率可以达到1 μm。这个分辨率对于常规铸造缺陷的分析是可以满足使用需求的，但是尚不能进行半固态流变行为的研究，尤其是大多数正在使用的计算机断层扫描设备尚不具备原位加热和变形的功能。在第16届国际半固态加工会议上，有1篇论文详细讨论了同步辐射分析技术在半固态流变行为研究中的应用，并和计算机模拟结果进行了比较，得到了很好的一致性。由于同步辐射具有更高的能量，因此具有更高的分辨率。更重要的是，同步辐射装置大多具备原位加热和变形的功能。SU T C等使用AlxCu（x = 6, 8, or 15 质量分数）合金通过同步辐射成形观察研究了半固态流变行为随固相分数（38%～85%）和剪切率（10-4～10-1 s-1）的变化规律。通过同步辐射分析技术可以清楚地观察到半固态流变过程的不同阶段，见图6，进而可以定量地分析半固态变形行为，定义了3个流变转变过程：临界固体、净膨胀和剪切开裂，这对于半固态材料以及加工工艺技术的开发具有重要的科学意义和应用价值。该论文也被一致评为第16届国际半固态加工会议的最佳论文之一。需要进一步强调的是，半固态流变行为的研究一直是半固态加工的核心内容之一。在第16届国际半固态加工会议上，TOCCI M等、LUO M等和QU W Y等从试验和模拟方面讨论了半固态流变行为，其中TOCCI M等和QU W Y 等的论文也被评为第16届国际半固态加工会议的最佳论文，足以证明半固态流变行为的研究仍然具有重要意义。

图6 半固态流变行为同步辐射分析

(a-h) 四种半固态变形行为例证 (i) 试验得出的变形机理图 (j) 二维模拟总体积应变演化总结

4、结论

虽然半固态加工已经发展了一段时间，尤其是过去近十年，半固态流变成形技术不断发展和完善，并在汽车、通讯（5G）等领域获得产业化应用，但是和高压压铸相比，半固态流变成形技术的应用规模和市场份额仍然相对较小。尤其是在一体化压铸技术和免热处理铝合金材料正在变得越来越成熟的产业背景下，如何持续发展半固态加工仍然是一个尚待解决的问题。基于第16届国际半固态加工会议所发表的论文和所展示的报告，可以简要归纳得到以下3个结论:

（1）再生铝合金流变铸造正在成为铝合金流变铸造的主流。首先，流变铸造可以细化含铁相的尺寸并改变含铁相的形貌，这有利于控制铸造缺陷进而提升力学性能。其次，流变铸造可以提高铁含量的使用上限，允许添加更高含量的铁，有利于增加再生铝合金的使用量，降低成本，降低能源消耗，减少碳排放。

（2）计算机断层扫描在分析铝合金流变铸造缺陷方面正在得到越来越多的应用，但是其分辨率尚待提高，分析区域尚待增加，尤其需要在计算机断层扫描图片的重构方面开发新的算法和软件平台，并避免重构过程中可能出现的各种假象或者错误。目前，快捷、简便的计算机断层扫描技术和装备正在铸件质量控制方面得到越来越多的应用。

（3）同步辐射在分析半固态流变行为具有非常重要的科学意义和应用价值，尤其是其分辨率已经足以观察到半固态流变过程，并具备原位加热和变形功能，这为深入研究半固态变形行为提供了极大方便和无限可能。但是和计算机断层扫描在分析铝合金流变铸造缺陷方面存在的问题一致，同步辐射在分析半固态流变行为方面也存在分析区域尚待增加等典型问题。更为重要的是，通过同步辐射分析得到的半固态流变行为是否能够直接应用于大规模工业生产条件下的半固态加工场景尚待验证。

（4）虽然使用大型真空一体化压铸技术生产大型复杂薄壁优质铸件正在成为市场主流，半固态加工需要结合连接技术，可以大幅降低一次性设备投资，在大型复杂薄壁优质铸件的生产方面仍然具有广泛的应用前景。

作者
李杰华
奥地利莱奥本大学铸造研究所
本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志