杜之明，靳鈺，韓飛，陳剛，王衛(wèi)衛(wèi)

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海 264209）

金屬半固態(tài)成形技術(shù)（Semi-Solid Processing，SSP）憑借半固態(tài)材料優(yōu)異的流動(dòng)性和變形性能，具有制件精度高、設(shè)備噸位小和易實(shí)現(xiàn)短流程近凈成形等優(yōu)點(diǎn)?；诠?jié)能減排的輕量化需求，鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)在汽車、國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊[1—4]。

半固態(tài)成形包括流變成形（Rheoforming）和觸變成形（Thixoforming），由于觸變成形使用半固態(tài)坯料作為原料便于運(yùn)輸，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此觸變成形在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。觸變鍛造可以成形變形抗力較大的高固相率半固態(tài)金屬材料和超硬合金，可以成形復(fù)雜形狀零件，且所需成形壓力小[5—7]，但是觸變鍛造存在半固態(tài)制坯成本高，成形時(shí)易產(chǎn)生固液偏析，與塑性成形制件相比力學(xué)性能較弱等問(wèn)題[8—9]。

制備出具有球狀晶粒組織的半固態(tài)坯料是觸變成形的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金半固態(tài)坯料的制備方法進(jìn)行了大量研究[10—13]，并基于常用的SIMA 法和RAP 法提出了新型制備方法[14—16]。若直接采用商用擠壓態(tài)變形鋁合金棒料制備觸變鍛造的半固態(tài)坯料，通過(guò)優(yōu)化二次重熔工藝簡(jiǎn)化制坯流程、提高生產(chǎn)效率，將具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力[17]。

針對(duì)變形鋁合金半固態(tài)坯料制備工序復(fù)雜、成本高，以及觸變鍛造制件存在的組織性能缺陷等難題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)杜之明教授團(tuán)隊(duì)基于SIMA 制坯方法，重點(diǎn)在二次重熔工藝調(diào)控、半固態(tài)坯料短流程制備以及成形過(guò)程控制等方面開(kāi)展研究，并取得了重要進(jìn)展。文中將重點(diǎn)綜述上述研究進(jìn)展，并指出鋁合金觸變鍛造成形技術(shù)中仍需研究的問(wèn)題和發(fā)展方向。

1 鋁合金端蓋復(fù)合加載觸變鍛造

變形鋁合金的固液溫度區(qū)間大，成形中熱裂紋傾向較大[18—19]，而且在觸變成形過(guò)程中容易發(fā)生固液分離，導(dǎo)致制件組織和力學(xué)性能不均勻。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳剛等[20—21]采用半固態(tài)觸變鍛造技術(shù)成形了某型號(hào)7075 鋁合金車用端蓋零件（如圖1 所示）。為了解決半固態(tài)坯料在成形過(guò)程中發(fā)生固液偏析導(dǎo)致成形缺陷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮結(jié)構(gòu)的觸變鍛造模具，如圖2 所示，在復(fù)合加載條件下，上模由內(nèi)沖頭6、外沖頭4 組合構(gòu)成，通過(guò)拉桿螺栓5 調(diào)整碟形彈簧3 的預(yù)緊量，在內(nèi)外沖頭之間設(shè)置一定的補(bǔ)縮量，通過(guò)調(diào)節(jié)碟形彈簧3 的彈性變形量來(lái)控制對(duì)制件法蘭部分的補(bǔ)縮量，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合加載[21]。

采用7075 鋁合金工業(yè)擠壓棒料通過(guò)分級(jí)熱處理優(yōu)化二次重熔工藝制備半固態(tài)坯料：在650 ℃過(guò)高溫下保溫10 min，之后在620 ℃重熔溫度下保溫10 min。圖3 為7075 鋁合金在半固態(tài)重熔前后的金相照片，如圖3 所示，重熔后形成了固液相混合的半固態(tài)組織，晶粒均勻細(xì)小，具有觸變流動(dòng)性，適用于觸變鍛造。

圖1 觸變鍛造端蓋制件Fig.1 Thixofomed end cap

圖2 半固態(tài)觸變鍛造模具示意圖[20]Fig.2 Schematic diagram of semi-solid thixoformed dies

通過(guò)觸變鍛造試驗(yàn)研究了復(fù)合加載補(bǔ)縮量對(duì)成形制件不同位置的微觀組織和力學(xué)性能的影響。圖4為在不同補(bǔ)縮量（0，3，5 mm）下制件不同部位的微觀組織照片，隨著補(bǔ)縮量的提高，制件法蘭部位（位置A）的液相組織顯著減少，微觀縮孔消失，部分晶粒發(fā)生變形；制件中部（位置D）的固相晶粒塑性變形程度較大，隨著補(bǔ)縮量增加，出現(xiàn)部分細(xì)小再結(jié)晶晶粒，晶界處液相組織逐漸增多。圖5 為制件法蘭和中部的力學(xué)性能隨補(bǔ)縮量的變化曲線（拉伸試樣經(jīng)過(guò)T6 熱處理）。由圖5 看到，隨著補(bǔ)縮量由0 增加到5 mm，法蘭區(qū)域的抗拉強(qiáng)度基本不變（約為510 MPa），屈服強(qiáng)度從486 MPa 減小至470 MPa，伸長(zhǎng)率由1.94%增加到4.31%（增加了122%），這是因?yàn)榉ㄌm部位固液偏析改善顯著，液相組織減少使得強(qiáng)化沉淀相和難溶粒子數(shù)量減少，同時(shí)微觀縮孔等缺陷減少，最終屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化較小，但是伸長(zhǎng)率得到大幅提高。補(bǔ)縮過(guò)程中液相難以流向幾乎凝固的中心部位，因此復(fù)合加載對(duì)制件中部力學(xué)性能的影響有限[21]。

圖4 不同補(bǔ)縮量下7075 鋁合金觸變鍛件的微觀組織[20]Fig.4 Microstructures of thixoformed parts prepared with different feeding amounts

分析了復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮下半固態(tài)坯料的組織流動(dòng)過(guò)程，如圖6 所示，半固態(tài)坯料首先在內(nèi)沖頭和彈簧彈力的作用下觸變變形（見(jiàn)圖6b），隨著液相逐漸從中部流向法蘭部位，中部坯料的變形抗力逐漸增大使彈簧壓縮，當(dāng)彈簧壓縮到一定程度，法蘭部位尺寸大于設(shè)計(jì)尺寸，實(shí)現(xiàn)預(yù)沖型（圖6c 中紅色圓圈）；之后外沖頭加載，并對(duì)法蘭部位未凝固的鋁合金施加補(bǔ)縮力，使多余的液相組織回流，并且使固相晶粒發(fā)生一定的塑性變形，將補(bǔ)縮力傳遞到制件的其余位置；最后外沖頭與內(nèi)沖頭接觸共同下行，將液壓機(jī)全部壓力加載在坯料上。由于半固態(tài)坯料的特性和該鍛件的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雖然當(dāng)補(bǔ)縮量較大（5 mm）時(shí)鍛件的法蘭和中心區(qū)域的微觀組織和力學(xué)性能仍存在較明顯差異，但是鍛件各部位的微觀組織和力學(xué)性能的均勻化程度已得到大幅提高，因此復(fù)合加載-局部補(bǔ)縮技術(shù)是一種有效改善固液偏析和觸變成形缺陷的手段。

圖5 觸變鍛件的力學(xué)性能隨補(bǔ)縮量的變化曲線[20]Fig.5 Variation curve of mechanical properties of thixoformed parts with compensation

圖6 復(fù)合加載過(guò)程組織流動(dòng)示意圖[20]Fig.6 Schematic diagram of materials flow in compound loading

2 鋁合金工業(yè)擠壓棒料分級(jí)熱處理觸變鍛造

二次重熔處理階段，7 系鋁合金基體內(nèi)部彌散分布著的第二相顆粒容易阻礙再結(jié)晶的發(fā)生，非再結(jié)晶晶粒則會(huì)減弱坯料的觸變流動(dòng)性，從而降低制件的力學(xué)性能。為了優(yōu)化傳統(tǒng)的半固態(tài)重熔工藝，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳剛等[21—22]選用商用7075 鋁合金擠壓棒料（出廠前已經(jīng)過(guò)T6 熱處理）作為半固態(tài)重熔原料，提出了一種新型的分級(jí)熱處理制度，其工藝路線如圖7 所示，其中傳統(tǒng)重熔工藝將鋁合金加熱至620 ℃并保溫10～40 min；分級(jí)熱處理制度將鋁合金分別在過(guò)高溫650 ℃和665 ℃（高于液相線溫度）下保溫較短時(shí)間后，降至620 ℃并保溫一定時(shí)間。

圖7 半固態(tài)重熔工藝路線示意圖Fig.7 Schematic diagram of semi-solid reheating process route

通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)重熔工藝和不同分級(jí)熱處理制度下鋁合金半固態(tài)坯料的微觀組織，分析了半固態(tài)組織演化機(jī)理和固相晶粒長(zhǎng)大機(jī)制，得出了最佳的重熔工藝方案。圖8 為擠壓態(tài)7075 鋁合金分別在過(guò)高溫650 ℃和665 ℃下保溫4 min 后，于620 ℃下保溫不同時(shí)間的微觀組織，可以看到在620 ℃下保溫11 min后，7075 鋁合金發(fā)生了完全再結(jié)晶，微觀組織由細(xì)小的球狀晶粒組成，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均晶粒尺寸約為50 μm，且形狀因子達(dá)到0.75 以上。對(duì)于分級(jí)熱處理，過(guò)高溫加熱使合金內(nèi)部沉淀相在晶界處快速形成液相，難溶的彌散粒子被液相潤(rùn)濕溶解，促進(jìn)合金再結(jié)晶；同時(shí)加快了坯料升溫速率，提高了再結(jié)晶形核率；固相晶粒之間被液相分割，減少了晶粒間合并長(zhǎng)大趨勢(shì)，利于得到細(xì)小的球晶組織[21]。

分別采用常規(guī)重熔處理和分級(jí)熱處理制備7075鋁合金半固態(tài)坯料，通過(guò)觸變成形制造某型號(hào)輪形零件，制件的實(shí)物照片如圖9 所示，制件的力學(xué)性能如表1 所示（制件經(jīng)過(guò)T6 熱處理），其中重熔工藝1表示常規(guī)重熔方法（620 ℃下保溫40 min）；重熔工藝2 表示分級(jí)熱處理（650 ℃下保溫4 min 后，在620 ℃下保溫6 min）。由表1 可知，由于分級(jí)熱處理重熔工藝制備的半固態(tài)坯料具有良好的半固態(tài)微觀組織，因此其觸變成形的制件力學(xué)性能更佳。

圖8 7075 鋁合金在過(guò)高溫下保溫4 min 后在620 ℃下保溫不同時(shí)間的微觀組織[22]Fig.8 Microstructures of 7075 aluminum alloy kept hyperthermally for 4 min followed by thermal insulation at 620 ℃ for different time

圖9 觸變成形輪形制件照片[22]Fig.9 Thixoformed wheel-shaped components

表1 7075鋁合金觸變成形制件力學(xué)性能[22]Tab.1 Mechanical properties of thixoformed 7075 aluminum alloy

3 鋁合金尾翼梯度感應(yīng)加熱復(fù)合成形

在常規(guī)環(huán)境（電阻爐）中加熱重熔制備半固態(tài)坯料，升溫速率緩慢導(dǎo)致加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易造成半固態(tài)坯料變形、表皮氧化、組織不均勻等問(wèn)題；電磁感應(yīng)加熱能夠快速制備組織均勻細(xì)小的半固態(tài)坯料，但是集膚效應(yīng)會(huì)引起坯料內(nèi)外溫度場(chǎng)不均勻，使組織均勻性降低。采用半固態(tài)觸變鍛造可以成形局部形狀復(fù)雜的高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)近凈成形，但是與塑性加工相比難以完全滿足力學(xué)性能要求。

為解決上述問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓飛等[23—24]針對(duì)某型號(hào)7075 鋁合金尾翼零件提出了半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形技術(shù)，根據(jù)成形件的形狀尺寸特點(diǎn)，采用梯度感應(yīng)加熱方式將坯料的不同區(qū)域加熱到不同的溫度和組織狀態(tài)，使成形復(fù)雜形狀區(qū)域的局部坯料演變?yōu)榘牍虘B(tài)球晶組織，使成形相對(duì)簡(jiǎn)單形狀區(qū)域的局部坯料處于熱/溫成形溫度，隨后進(jìn)行復(fù)合成形，其技術(shù)路線如圖10 所示。設(shè)計(jì)的半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形模具如圖11 所示，坯料固定在凸模上端，并使坯料上部處于感應(yīng)線圈內(nèi)，通過(guò)感應(yīng)加熱獲得半固態(tài)組織，之后由液壓機(jī)頂出缸將坯料頂入凹模內(nèi)部進(jìn)行復(fù)合成形。

圖10 半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形技術(shù)示意圖[24]Fig.10 Schematic diagram of semi-solid composite thixoforming technology

為了減小感應(yīng)加熱集膚效應(yīng)的影響，均勻坯料內(nèi)部組織，對(duì)7075 鋁合金工業(yè)擠壓棒料采用三段式梯度感應(yīng)加熱方式進(jìn)行加熱。通過(guò)數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)，設(shè)計(jì)使用螺距為20 mm 的3 匝等螺距感應(yīng)線圈，調(diào)整坯料與線圈的相對(duì)位置獲得感應(yīng)加熱中坯料內(nèi)部溫度分布曲線，如圖12 所示，其中位置1 到位置3 處的坯料溫度為半固態(tài)溫度區(qū)間，通過(guò)控制保溫時(shí)間能夠得到理想的半固態(tài)組織。

圖11 半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形模具總裝示意圖[23]Fig.11 Schematic diagram of semi-solid composite thixoforming die

圖12 感應(yīng)加熱坯料溫度分布示意圖Fig.12 Schematic diagram for the temperature distribution of induction heating blank

通過(guò)工藝試驗(yàn)和微觀組織觀察分析了加熱速度、加熱溫度和保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)半固態(tài)組織的影響規(guī)律，確定了最佳的感應(yīng)重熔工藝：控制平均加熱速度為4 ℃/s，坯料上端加熱至620 ℃，并保溫5 min后進(jìn)行半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形。成形制件的實(shí)物照片如圖13 所示。對(duì)成形制件桿部及葉片部分的微觀組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)從桿部到葉片的組織逐漸由擠壓態(tài)組織向半固態(tài)球晶組織轉(zhuǎn)變，變形方式由固態(tài)塑性變形向半固態(tài)部分固相晶粒的塑性變形轉(zhuǎn)變。葉片中部由于液相較少導(dǎo)致晶粒發(fā)生塑性變形，葉片四周均為細(xì)小的球晶組織以及均勻分布的液相，葉片邊角存在部分液相偏析現(xiàn)象[23]。

圖13 半固態(tài)觸變-塑變復(fù)合成形7075 鋁合金尾翼制件[24]Fig.13 7075 alloy tail wing component by semi-solid composite thixoforming

4 鋁合金大尺寸葉輪觸變鍛造

葉輪為水下推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，工作條件惡劣，為保證工作要求，采用LC9 超硬鋁合金鍛件。傳統(tǒng)的制造工藝首先采用自由鍛制坯，再通過(guò)機(jī)械加工制造，如圖14 所示。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)效率低下、材料利用率低，且機(jī)加工切斷金屬鍛造流線影響了葉輪的力學(xué)性能[25]。

由于商用鋁合金棒料擠壓變形量大、速度較快，且棒料出模后立即冷卻，在擠壓過(guò)程中不能充分完成回復(fù)再結(jié)晶，因此擠壓棒料內(nèi)部存在大量位錯(cuò)和殘余變形能，基于SIMA 法原理，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王衛(wèi)衛(wèi)等[25]開(kāi)發(fā)了直接加熱-等溫處理技術(shù)制備半固態(tài)坯料，通過(guò)半固態(tài)觸變鍛造實(shí)現(xiàn)了大尺寸葉輪的精密成形。

圖14 傳統(tǒng)葉輪制造工藝Fig.14 Traditional impeller manufacturing process

為了研究LC9 鋁合金最佳重熔處理工藝參數(shù)，對(duì)鋁合金棒料在不同溫度和保溫時(shí)間下進(jìn)行直接加熱-等溫處理，獲得微觀組織如圖15 所示。從圖15可以看到，在560 ℃下材料幾乎沒(méi)有出現(xiàn)非枝晶的半固態(tài)組織，在580 ℃下晶粒球化，液相率較低且沒(méi)有顯著變化；在600 ℃下液相率明顯提高且晶?？焖匍L(zhǎng)大。對(duì)于直徑100 mm 以上的較大尺寸半固態(tài)坯料的制備，需要嚴(yán)格控制加熱過(guò)程以及液相率，保證坯料內(nèi)部組織一致性以及防止坯料過(guò)度變形，采用梯度加熱方法設(shè)置其重熔工藝路線如圖16 所示。首先加熱至固相線溫度以下保溫，使坯料獲得均勻的初始溫度；之后升溫到560 ℃以下保溫，使坯料組織整體達(dá)到半固態(tài)轉(zhuǎn)變前的溫度；最后將其升溫至600 ℃以下保溫進(jìn)行半固態(tài)轉(zhuǎn)變，在600 ℃以下坯料的液相率不隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生顯著變化，因此坯料不發(fā)生顯著變形[25]。

圖15 鋁合金在不同加熱溫度和保溫時(shí)間下的微觀組織[25]Fig.15 Microstructure of aluminum alloy under different heating temperature and holding time

圖16 梯度加熱-等溫處理工藝路線示意圖Fig.16 Schematic diagram of gradient heating -isothermal treatment process route

圖17 鋁合金葉輪觸變成形制件Fig.17 Aluminum alloy impeller by thixoforming

圖17 為鋁合金觸變鍛造葉輪制件照片，可以看到制件充型完整，表面質(zhì)量良好，采用梯度加熱-等溫處理方式制備半固態(tài)坯料，實(shí)現(xiàn)了大尺寸鋁合金復(fù)雜構(gòu)件的近凈成形。采用T6 熱處理進(jìn)一步優(yōu)化制件的組織和性能，測(cè)得其力學(xué)性能指標(biāo)如下：抗拉強(qiáng)度σb≥500 MPa，伸長(zhǎng)率δ≥9%，硬度（HB）≥160，達(dá)到了常規(guī)模鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)[25]。

5 展望

采用半固態(tài)觸變鍛造制造復(fù)雜形狀的高性能變形鋁合金構(gòu)件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工制造方法，可以實(shí)現(xiàn)短流程近凈成形，降低成本，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于半固態(tài)制坯復(fù)雜、制件存在固液偏析導(dǎo)致力學(xué)性能弱于鍛件等問(wèn)題，限制了觸變鍛造技術(shù)在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鋁合金材料開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、鋁合金凝固過(guò)程控制、鋁合金半固態(tài)組織演變、觸變成形變形行為等方面取得了一定的研究進(jìn)展，為發(fā)展鋁合金觸變成形提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)。面對(duì)工業(yè)應(yīng)用的局限性，鋁合金觸變鍛造技術(shù)仍面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)：①進(jìn)一步優(yōu)化半固態(tài)制坯技術(shù)，降低制坯成本，提高穩(wěn)定性和效率，由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變；② 充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，建立成熟的鋁合金觸變成形數(shù)學(xué)模型，提高成形工藝的穩(wěn)定性和可靠性；③加強(qiáng)成形制件熱處理的理論和工藝研究，優(yōu)化制件的組織與性能；④ 建立成套觸變成形技術(shù)與裝備的研究理論，進(jìn)一步加強(qiáng)研究和工業(yè)生產(chǎn)的聯(lián)系。