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鋁合金半固態(tài)流變成形技術研究進展

2020-06-08 12:04李干盧宏興羅敏屈文英胡小剛朱強
精密成形工程 2020年3期
關鍵詞:漿料熔體固態(tài)

李干,盧宏興,羅敏,屈文英,胡小剛,朱強

(南方科技大學 a.機械與能源工程系;b.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院,廣東 深圳 518055)

鉛是地殼中含量最高的金屬元素,約占地殼總質量的8.1%,比鐵(約占5.0%)、鎂(2.1%)、鈦(0.6%)的總和還要多。2019 年我國原鋁(電解鋁)產(chǎn)量為3504.4 萬t,約占世界產(chǎn)量的55%。鋁合金具有密度小、比強度高、抗腐性能好、導熱導電性能良好等一系列優(yōu)點,經(jīng)過多年的發(fā)展,已在航空航天、交通運輸、機械裝備等多個領域得到了越來越廣泛的應用[1—3]。

傳統(tǒng)的鋁合金成形方法主要分為液態(tài)成形與固態(tài)成形。液態(tài)成形主要有砂型鑄造、金屬型鑄造與常規(guī)壓鑄等方法,其中壓鑄由于尺寸精度高,生產(chǎn)效率高,工藝成本低,易于自動化生產(chǎn)而得到最廣泛的應用,但在充型過程中由于金屬液紊流所導致的氣孔以及冷卻凝固時引起的縮松不易消除,往往使生產(chǎn)的零部件存在致密性低,塑性較差等問題,通常無法通過后續(xù)熱處理強化[4]。鍛造成形的產(chǎn)品通常具有較高的致密性與力學性能,但其對設備的要求較高,導致生產(chǎn)成本較高且效率較低[5]。此外,增材制造因可實現(xiàn)金屬的自由制造等優(yōu)點近年來備受關注,但其目前只適用于極少數(shù)的鋁合金且原材料與加工成本昂貴[6—7]。半固態(tài)成形技術兼具了液態(tài)成形與固態(tài)成形的優(yōu)勢,能加工出結構復雜、力學性能接近于鍛件的產(chǎn)品,且生產(chǎn)成本與液態(tài)成形相當。目前利用半固態(tài)成形技術已成功生產(chǎn)出汽車轉向臂、制動卡鉗、5G 基站濾波器、大尺寸散熱器等零部件,有助于車輛輕量化與通信設備升級的實現(xiàn),具有較好的工程發(fā)展與推廣前景。

半固態(tài)成形技術按照制備金屬途徑的不同分為流變成形(Rheoforming)與觸變成形(Thixoforming)兩類。流變成形是指將通過控制液態(tài)金屬凝固得到的液態(tài)金屬母液中均勻懸浮著一定球狀初生固相的混合漿料直接成形;觸變成形是將漿料凝固成坯料,再加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間進行成形。近年來,流變成形由于具有短流程、低能耗、低成本等優(yōu)點,已逐漸成為半固態(tài)成形技術發(fā)展與推廣的主要趨勢[8—12]。文中綜述了近年來鋁合金流變成形技術研究現(xiàn)狀,重點介紹流變成形鋁合金設計、漿料制備方法、工藝與缺陷控制、建模與仿真技術、工業(yè)應用的進展,并對其未來研究方向與發(fā)展前景進行簡單討論。

1 鋁合金流變成形合金設計

1.1 常用合金與工藝窗口

從整個半固態(tài)成形領域來看,研究者們幾乎嘗試了所有系列的合金,包括鋁合金[13—14]、鎂合金[15—16]、鋼鐵[17—18]、高溫合金[19—20]、鈦合金[21—22]以及高熵合金[23—24]等,但研究的重心主要是鋁合金[25]。目前人們已嘗試了各個系列鋁合金的半固態(tài)成形,表1 為文獻資料報道過的部分鋁合金,但運用最廣泛且實現(xiàn)商業(yè)化應用的合金還局限于A356,A357,319s 等鑄造合金[25—26],其原因有兩個方面:①變形鋁合金在鑄造時容易產(chǎn)生縮松、熱裂等鑄造缺陷,降低了產(chǎn)品性能[27—30];② 其他合金很難制備出高質量的坯料(漿料),這使得坯料轉移困難,成形時漿料流動失穩(wěn)產(chǎn)生缺陷。其中坯料制備的難易程度通常使用成形工藝窗口表示。

在開發(fā)半固態(tài)成形用合金時,研究人員發(fā)現(xiàn)不同合金的半固態(tài)坯料(漿料)的制備難度不同,如356和357 相對容易,7005,7050,6063 等合金很難。根據(jù)合金的特點與半固態(tài)成形技術的特點提出了半固態(tài)成形工藝窗口的概念,用于評價合金半固態(tài)成形的難易程度,為此學者們進行了很多研究來尋找判斷合金半固態(tài)成形難易的標準。目前工藝窗口的定義主要基于兩類曲線:液相分數(shù)隨溫度變化的曲線及液相分數(shù)與時間的曲線。

表1 可制備半固態(tài)坯料的部分鋁合金Tab.1 Common Al alloys used for semi-solid slurry preparation

Kazakov[33]提出了鋁硅合金半固態(tài)成形難易的判據(jù),即50%固相分數(shù)對應的溫度、50%固相分數(shù)時固相分數(shù)對溫度的敏感程度、液相線溫度及在最后凝固階段固相分數(shù)隨溫度的變化趨勢,這些判據(jù)可用來指導Al-Cu-Mg-Zn、Al-Mg-Si 及Al-Cu-Mg-Si 合金的選擇及成分設計。此后的工藝窗口研究沿用了他的一些判據(jù),或在其判據(jù)基礎上進行修改。Helen 等[34]提出了評價鋁合金半固態(tài)觸變成形難易的判據(jù),他們認為合金液相分數(shù)與溫度的曲線在液相分數(shù)30%~50%之間的曲線走勢對于半固態(tài)觸變成形很重要,其中包含對應的溫度區(qū)間、曲線斜率、共晶點溫度等參數(shù),隨后還研究了不同冷卻速度下固相分數(shù)隨時間的變化曲線[35—36],認為在成形固相分數(shù)區(qū)間內停留的時間是半固態(tài)成形的工藝窗口,并認為工藝窗口的大小主要受冷卻速度的影響。此外,最近胡小剛等[37]提出焓相對液相分數(shù)的敏感性大小也可用于評價合金半固態(tài)制坯的難易。

目前認同度最高的是第一類判據(jù)。這類判據(jù)的關鍵參數(shù)是在目標固相分數(shù)區(qū)間內固相分數(shù)對溫度的敏感性,也可認為是對應的溫度區(qū)間。值得注意的是,不同的成形工藝對應的固相分數(shù)區(qū)間不同。半固態(tài)觸變成形的最佳固相分數(shù)為40%~60%[38],半固態(tài)鍛造為60%~80%[38],低固相壓鑄成形通常小于15%[10]。旋轉熱平衡法的最佳固相分數(shù)區(qū)間應為 35%~55%[39]。通常,高強高性能鋁合金對應的半固態(tài)成形工藝窗口較窄,如圖1 所示,這是這些合金目前還不能使用半固態(tài)壓鑄制備高質量鑄件的原因之一。從根本上講,提高坯料固相分數(shù)均勻性是目前漿料制備需要解決的問題。目前,半固態(tài)成形工藝窗口較窄的合金坯料制備發(fā)展方向主要有兩個:①提高制漿工藝制備漿料溫度場的均勻性[40—41],而溫度場的控制主要是通過開發(fā)和調整制漿技術來實現(xiàn);② 通過調整合金成分來提高合金的工藝窗口[34,42—43]。

圖1 流變成形常用鋁合金液相分數(shù)隨溫度變化曲線Fig.1 Correlation between liquid fraction and temperature of some common Al alloys employed in rheoforming

1.2 合金設計

目前,流變成形工藝大多采用傳統(tǒng)鋁硅鑄造合金來研發(fā)配套設備與實現(xiàn)工業(yè)化應用,但由于傳統(tǒng)鑄造鋁合金本身的局限性,使之不能充分有效地發(fā)揮流變成形的優(yōu)勢,在一定程度上限制了流變成形的工業(yè)化發(fā)展與應用,因此,設計開發(fā)出既能充分發(fā)揮流變成形技術特點,又具有明確應用價值的專用合金,對滿足不同市場需求具有重要的現(xiàn)實意義。

采用相圖計算(CALPHAD)與實驗結合的方法是指導新合金開發(fā)的重要手段。張志峰等[44]采用Thermal-Calc 軟件對Al-Si-Mg 系合金進行成分設計,經(jīng)優(yōu)化得到的Al6Si2Mg 合金表現(xiàn)出良好的半固態(tài)加工性能。樊中云等[45]針對Al6Si2Mg 合金繼續(xù)進行優(yōu)化得到的Al6Si2Mg0.5Fe 合金成形工藝窗口較大,且該合金成形后的力學性能優(yōu)異。施海鳳等[46]對汽車空調用流變成形的Al-Si-Mg 合金進行成分優(yōu)化,結果表明優(yōu)化后的 Al7Si0.4Mg0.6V0.4Ti0.4Sr 合金比Al7Si0.4Mg 合金的高溫沖擊性能和高溫磨損性能得到顯著改善。向前[47]通過多尺度模擬對高性能Al-Si-Cu-Mg 合金進行成分設計,結果表明,Si 的質量分數(shù)在7%左右,Cu 與Mg 的質量分數(shù)分別在3%~4%與0.4%~0.8%左右時,合金性能最佳,并預計亞共晶Al7Si4Cu0.6Mg 的合金性能最佳。吳樹森團隊[48]研究錳含量對Al-14Si-2Fe 合金在流變擠壓鑄造中富鐵相(FRP)和力學性能的影響,結果表明,在相同的成形條件下,錳含量的增多導致FRP 細化與圓整化,抗拉強度更高。最近,Zoqui 等[49]開發(fā)出適用于半固態(tài)加工的三元合金Al5Si5Zn,該合金具有良好的流變性,其有效半固態(tài)加工溫度區(qū)間為566.6~ 615.2 ℃(液相率范圍為0.45~1),且液相分數(shù)對溫度的敏感性系數(shù)總小于0.03 ℃-1,如圖2a 所示。圖2b 為該合金的顯微結構,可以發(fā)現(xiàn)合金中的Zn 在初生相與共晶相中形成固溶體,有利于合金硬度的提升。

圖2 Al5SiZn 合金的凝固曲線及微觀組織[49]Fig.2 Solidification curve and microstructure of Al5SiZn alloy

隨著5G 時代的來臨,高導熱高性能輕量化通信零部件的需求日益增大,因此開發(fā)出適用于流變成形的高導熱合金也已成為時下研究的熱點。例如,Jarfors 等[50]使用Al8Si 合金生產(chǎn)出散熱器、含薄壁復雜的通信部件等5G 產(chǎn)品,其熱導率可達150 W/(m·K)??涤懒值萚51]發(fā)現(xiàn)流變成形Al8Si 具有組織明顯細化、缺陷較少等特征,其導熱系數(shù)高達(169±2) W/(m·K),還兼具有較好的力學性能與優(yōu)異的耐腐蝕性能。吳樹森等[52]的研究結果顯示流變成形后的Al20SiCuFeMg 合金組織均勻且內部缺陷少,在 25~150 ℃范圍內平均導熱系數(shù)為146 W/(m·K)。Haga 等[53—55]通過對不同硅含量的高硅鋁合金的冷卻曲線、流動性試驗和發(fā)射率進行分析,研究高硅合金流變成形含薄片散熱器的可行性,結果顯示Si 的潛熱能顯著提高了合金的流動性和鑄造性,且Al25Si 流動性、鑄造性和發(fā)射率均優(yōu)于傳統(tǒng)A383 合金。

2 流變制漿工藝

半固態(tài)漿料的制備是流變成形技術成功的關鍵,漿料的質量將直接影響產(chǎn)品的性能。半固態(tài)誕生之初應用的主要是成本較高的觸變制坯法,但在21 世紀初隨著新流變鑄造法(NRC)[56]、連續(xù)流變鑄造法(CRP)[57]和半固態(tài)流變鑄造法(SSR)[58]等高效的制漿工藝被開發(fā)出來后,半固態(tài)成形方法逐漸向流變成形過渡,發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有30 余種流變制漿(坯)工藝,常見的方法如表2 所示。

表2 常見半固態(tài)流變制漿工藝Tab.2 Common methods of semi-solid rheoforming slurry preparation

獲得近球形的半固態(tài)組織通常有兩種途徑:①獲得足夠多的形核核心,控制晶粒的長大過程,抑制枝晶生長以及控制晶粒大?。虎?對固相顆粒進行強剪切,使枝晶破碎?;谥苽浒牍虘B(tài)漿料過程所使用的機理,可將流變制漿的工藝方法分成3 大類:形核長大控制、攪拌/剪切、形核+攪拌/剪切法。

1)形核長大控制。這類方法依靠低過熱度澆鑄、添加異質形核劑等方法,獲得高密度晶核,減小單個晶粒的生長空間,晶粒的生長被相互抑制,同時減小晶粒的生長速度,在這二者共同作用下實現(xiàn)細化晶粒與抑制枝晶生長的目的。在這類方法中,最早實現(xiàn)商業(yè)應用的是新流變鑄造法(NRC)[56]。與之非常類似的方法還有直接熱控制法(Direct Thermal)[113],這種方法操作過程簡單,首先將鋁合金熔體倒入一個吸熱能力較強的圓筒形金屬模中,這個過程中將會加大形核率,并讓熔體溫度迅速下降到半固態(tài)溫度區(qū)間。此外還有南昌大學開發(fā)的剪切低溫澆注法(LSPSF)[75],通過控制形核與抑制生長來制備半固態(tài)漿料。與此類似還有連續(xù)流變轉換法(CRP)[57]等方法。

2)攪拌/剪切法。在剪切力的作用下,晶粒發(fā)生破碎,從而制備固相顆粒細小圓整的半固態(tài)漿料。這類方法以單螺旋流變射鑄技術為代表,這種方法利用帶有螺紋的軸對熔體進行強烈的剪切,使熔體在筒內冷卻,同時受到剪切作用,使枝晶破碎,從而形成近球形的半固態(tài)組織。為了獲取更高的剪切強度,在單螺旋的基礎上,布魯內爾大學開發(fā)了一種雙螺旋攪拌法(RDC)[90]。

3)形核+攪拌/剪切法。強剪切作用對細化及球化組織有明顯的效果,但是對設備的要求高,且易引入雜質。有研究表明,攪拌、剪切可能促進熔體的形核,且有利于球狀晶的生長。根據(jù)這一研究,人們開發(fā)出一系列形核+攪拌/剪切法制漿工藝。這類工藝利用電磁攪拌、機械攪拌、震動、超聲等手段對熔體進攪拌/剪切,這一方面促進了漿料內部的對流,使?jié){料內部的溫度場、溶質分布更均勻,另一方面當剪切作用足夠強,能夠破碎枝晶,獲得更為細小圓整的半固態(tài)組織。這類技術包括了南非M?ller 等[118]開發(fā)的CSIR-RCS 流變制漿系統(tǒng),該工藝在熔體凝固時進行電磁攪拌,同時利用冷卻系統(tǒng)來控制系統(tǒng)的冷卻速率。北京有色金屬研究總院的張志峰等提出熔體分散混合式固態(tài)漿料制備技術,該方法利用激冷與熔體流動過程中的剪切作用獲得半固態(tài)漿料。這一類方法還包括北京科技大學康永林等[119]開發(fā)的轉桶式攪拌流變制漿技術(TBR)、Yurko 等[58]開發(fā)的半固態(tài)流變鑄造法(SSR)等制漿工藝。

以上工藝的剪切強度相對較大,為了進一步減少在制坯過程中引入雜質的可能性,還開發(fā)出進一步減小剪切強度的方法。這類方法主要以Wannasin 等[8]開發(fā)的氣體誘導法(GISS)和加拿大鋁業(yè)公司[120—122]開發(fā)的旋轉熱平衡法(SEED)為代表。GISS 法是通過向熔體中通入惰性氣體的方法來制備半固態(tài)漿料(如圖3 所示),該方法中,石墨棒激冷熔體,促進形核,氣體的作用一方面是促進熔體形核,另一方面是帶走熔體內熱量,這種方法適用于低固相(小于25%)半固態(tài)漿料的制備。

旋轉熱焓平衡法工藝制備的坯料固相分數(shù)較高,通常為35%~55%。該過程制備的漿料質量主要由熔體與坩堝、環(huán)境之間的熱量平衡,坯料的固相分數(shù)由澆鑄溫度、坩堝尺寸與旋轉時間決定。如圖4 所示,該工藝過程包含了以下步驟:①將低過熱的合金熔體傾斜澆入到杯狀坩堝中;② 將坩堝擺正并以一定的速度進行偏心旋轉一定時間,最后將漿料轉移至壓室中壓鑄成形。目前,該方法已經(jīng)初步實現(xiàn)工業(yè)化應用,也是少數(shù)幾種能制備高固相分數(shù)的流變制坯方法之一。圖5 為三工位自動化制坯設備及該方法制備的半固態(tài)坯料。

圖3 GISS 制備半固態(tài)漿料的示意圖[66]Fig.3 Diagrammatic sketch of semi-solid slurry fabricated by GISS process

圖4 無排液的旋轉熱焓平衡法[122]Fig.4 SEED process without liquid discharge

圖5 旋轉熱焓平衡法制漿裝置及其制備的漿料[123]Fig.5 Device of SEED process and semi-solid slurry fabricated by it

羅敏等[27—28,124]對旋轉熱焓平衡法進行了二次開發(fā),對該方法的制漿機理進行深入研究并對制漿工藝及制漿設備進行優(yōu)化調整,成功制備出了6063,7108,A201,Al-5Mg-2Si 與7050 等工藝窗口較窄合金的高質量半固態(tài)坯料。優(yōu)化后工藝成形的6063 半固態(tài)鑄件的熱導率高達204 W/(m·K),7050 半固態(tài)鑄件T6態(tài)的抗拉強度為(537±5) MPa,屈服強度為(464±4) MPa,斷后伸長率為(9±1.6)%。他們[125]通過實驗研究和理論分析發(fā)現(xiàn)減小坩堝-空氣界面換熱系數(shù)是提高坯料溫度場均勻性的有效方法,并建立了計算坯料徑向溫度場的數(shù)學模型。此外還分析研究了坩堝與熔體之間的熱交換過程對坯料微觀組織的影響[126],發(fā)現(xiàn)提高制坯前期的熱交換速率可以細化坯料的微觀組織,制坯后期的傳熱過程對于微觀組織形貌無明顯影響。此外,對于該工藝,梁小康[127—128]、Lashkari[129]、Nafisi[121]等還研究了細化劑及澆鑄溫度對357 坯料微觀組織的影響,結果表明低澆鑄溫度能夠制備出細小圓整的半固態(tài)組織,在低溫澆鑄下,細化劑對組織無明顯的改善作用。

3 成形與缺陷控制

流變成形在缺陷控制方面有兩個先天優(yōu)勢:①可有效控制鑄件內部氣孔缺陷含量,在流動過程中,相比液態(tài)金屬而言,粘度更高的漿料展現(xiàn)出有序可控的狀態(tài),可使金屬流體按設計順序有序充填金屬模具型腔,將型腔空氣推至末端最后再通過排氣槽排出,避免了型腔氣體的卷入,進而減少氣孔缺陷;② 能有效控制鑄件內縮孔缺陷含量,由于漿料中已含有部分的固相,在凝固過程中體積收縮率較小,因此在相同凝固條件下半固態(tài)金屬產(chǎn)生的縮孔體積要比液態(tài)金屬少且成形精度更高?;谝陨蟽牲c,高質量的流變成形產(chǎn)品內部無氣孔缺陷和縮孔缺陷,致密度較高且能通過熱處理獲得更好的力學性能,可滿足市場對高質量鋁合金產(chǎn)品的需求。

在實際成形過程中,由于缺乏系統(tǒng)性的缺陷形成機理與控制方法,通常還是遇到氣孔、縮孔、鼓泡、冷隔、欠鑄、熱裂等缺陷,如圖6 所示。以下簡要綜述常見的氣孔、鼓泡兩種缺陷的形成機理及其控制方法。

圖6 流變成形件常見缺陷類型[130]Fig.6 Typical defects of rheoformed parts

3.1 氣孔缺陷

氣孔缺陷是常規(guī)鑄造成形過程中最常見的缺陷類型,在流變壓鑄成形過程中也通常較為常見,其危害主要有顯著降低產(chǎn)品的力學性能與在固溶熱處理過程中位于皮下的氣孔容易造成鼓泡缺陷兩方面。在鋁合金鑄件氣孔缺陷的形成機理的相關研究中[131—132],普遍認為氣孔缺陷的形成原因主要有3 個方面:①鋁液再熔煉過程中吸入或卷入氣體,主要是氫氣,通??捎眯D噴吹惰性氣體等方式有效消除氣泡、氧化物并降低熔體的含氫量;② 鋁液在充型過程中卷入氣體;③充型完成后鑄型與鋁液反應產(chǎn)生氣體,氣體侵入到正在凝固的鑄件,這種氣孔可以通過減少與鋁液接觸的模具涂料使用量來控制,因此在流變壓鑄成形中,氣孔缺陷的主要形成原因是型腔氣體卷入半固態(tài)漿料,主要可分為流體前沿表面湍流卷氣與鑄件表面補型卷氣兩種方式。

在半固態(tài)壓鑄成形過程中,流體的速度與表觀粘度是影響流動狀態(tài)的主要因素,半固態(tài)金屬流體的表觀粘度主要受剪切速率與固相分數(shù)的影響。Wannasin等[10]通過部分填充實驗研究了內澆口速度與固相分數(shù)的比值對半固態(tài)金屬流動狀態(tài)的影響,結果表明內澆口與固相分數(shù)的比值為29.9 時,流體前沿明顯發(fā)生了湍流卷氣體,而較小的比值則有利于避免發(fā)生卷氣行為。盧宏興等[130]通過實驗與模擬的手段研究了鋁硅合金流變壓鑄過程中氣體缺陷的形成機理,結果顯示被卷入半固態(tài)金屬的氣體無法逃逸從而形成氣孔缺陷,氣體缺陷的控制方法主要包括降低充型速度、選擇合理的固相分數(shù)、提高模具溫度。

3.2 鼓泡缺陷

鼓泡缺陷是高壓鑄造成形導致的一種表面缺陷,是鑄件表面上光滑的凸點,并不會出現(xiàn)在重力澆注或低壓鑄造過程中[133]。Midison[133]與優(yōu)鋒[134]等研究了高壓鑄造成形件鼓泡缺陷的形成過程,即在室溫下鑄件表層存在氣孔缺陷,在高溫下淺層氣孔膨脹造成鼓泡缺陷,如圖7 所示。但在這一描述過程中,沒有考慮到氣孔的彈性膨脹對鼓泡形成的作用,氣孔可能在應力集中下在鑄件表面造成塑性變形,從而形成鼓泡。胡小剛等[135]對簡化的扁平氣孔進行受力分析,結果表明基體合金受到的最大應力要遠遠大于氣孔內部氣體壓強。從鼓泡缺陷的形成過程可以看出,以下4 組因素容易直接導致鼓泡缺陷的形成:①較高的熱處理溫度[136—137];② 較高的氣孔內初始氣壓[138];③氣孔的幾何特征[138],如形狀、體積、深度等;④ 基體合金的力學性能[130]。此外,Toda 等[139]還運用X 射線斷層掃描儀實時觀測了ADC12 鋁合金壓鑄件熱處理過程中鼓泡缺陷的形成過程,表明氣體的膨脹與鑄件表面鼓泡缺陷的生成是不同步的。

圖7 鼓泡缺陷形成過程示意圖[133]Fig.7 Schematic drawing of the formation of blisters

在鼓泡缺陷控制方面,朱強團隊開展了大量對生產(chǎn)實踐的研究。他們在319 s 鋁合金半固態(tài)成形過程中采用不同的充型速度與半固態(tài)金屬溫度,實驗結果表明[140],當半固態(tài)金屬溫度為853 K 時,鼓泡的平均尺寸隨充型速度的增加而增加,當溫度上升至863 K時,充型速度對鼓泡的平均尺寸無顯著影響。對沖頭涂料與模具涂料的研究顯示[141],增加兩種涂料的用量會使鼓泡缺陷的平均尺寸增加且油基沖頭涂料比水基涂料更容易造成大尺寸的鼓泡缺陷。此外,模擬結果[142]還表明鼓泡缺陷的形成具有一個臨界溫度,當熱處理溫度小于該臨界值時,鼓泡缺陷不會產(chǎn)生,臨界溫度會隨著保壓凝固壓力的增加而減小。減小氣孔內初始氣壓、減小氣孔的長短軸比、減小氣孔體積、增加氣孔深度、提高合金強度均利于提高鼓泡缺陷的形成臨界溫度。通過對比各種因素對鼓泡缺陷的作用效果,總結出在鋁硅合金半固態(tài)壓鑄過程中控制鼓泡缺陷唯一可行的方法是減小型腔氣體卷入。

朱強等[143—146]經(jīng)過一系列實驗與實踐經(jīng)驗,形成了鋁硅合金流變壓鑄成形產(chǎn)品缺陷控制的6 條方法:①選擇合適的合金;② 保證干凈的熔體;③制備出合適的半固態(tài)漿料;④ 降低充型速度,提高模具溫度;⑤ 設置充足的排氣口,避免出現(xiàn)困氣;⑥ 凝固過程中避免出現(xiàn)熱節(jié)。

4 建模與仿真

流變成形技術具有高溫、不可視的特點,實驗研究制漿體系及壓鑄島內工藝過程的演變機制極為困難,但對該過程內在機制的理解和掌握卻是優(yōu)化工藝提高產(chǎn)品品質的重要基礎。計算機模擬技術是基于基礎理論并依據(jù)實際體系建立相應的數(shù)值模型,探究初始條件、工藝參數(shù)等對研究對象的影響規(guī)律,基本不受實驗條件、時間、空間的限制,是實驗研究的延展和補充,具有實驗研究所缺少的精確定量、物理模型明確的特點,被廣泛應用于材料科學領域,促進了材料科學的基礎研究和工業(yè)推廣應用。針對流變成形技術,以下將從半固態(tài)漿料微觀組織演變及流動機制兩方面的建模與仿真研究現(xiàn)狀進行綜述。

4.1 半固態(tài)漿料微觀組織演變的數(shù)值模擬研究

半固態(tài)漿料微觀組織演變幾乎貫穿整個半固態(tài)工藝過程,從過熱熔體降溫至液相線開始到成形的鑄件完全冷卻。半固態(tài)漿料組織有別于傳統(tǒng)組織的地方在于其類球狀的初生α-Al 顆粒,因此研究重點便是類球狀顆粒的形成機制,除采用傳統(tǒng)及原位觀察實驗之外主要借助數(shù)值模擬方法進行研究。隨機性方法如蒙特卡羅法(Monte Carlo,MC)和元胞自動機法(Cellular automata,CA)、具有明確物理意義的相場法(Phase Field,PF)以及典型代表元法(Representative volume element,RVE)是研究組織演變的主流方法,在半固態(tài)漿料微觀組織演變方面應用較為廣泛、研究比較深入的主要有PF 和CA,此外還有自主研發(fā)的數(shù)值模型。

Qin[147]采用相場法研究了層流和紊流條件下Al-Fe-Si 熔體中Al5Fe2球形晶粒的生長,如圖8 所示。研究結果表明在層流條件下,相場模擬結果與界面穩(wěn)定性理論預測吻合較好;在湍流強度增加的條件下,隨著攪拌程度的增加,顆粒由樹枝狀轉變?yōu)槊倒鍫睿俎D變?yōu)榍蛐?,這一結果與半固態(tài)金屬加工的實驗結果吻合較好。

圖8 無各向異性不同液體對流條件下形成的晶粒形貌(δ 為晶粒邊界處擴散層厚度)Fig.8 Morphologies of grain formed under different liquid convection conditions and without any anisotropy(δ is the thickness of diffusion layer at the grain boudary)

屈文英等基于 CA 有限元模型[148]和相場方法[149—151]分別研究了澆注溫度、坩堝內溫度場分布等對漿料微觀組織演變的影響,研究結果表明澆注溫度越低、形核密度越大、施加強制對流等都有利于細小球狀晶的生成。其中以溫度梯度對微觀組織分布均勻性的影響為例,如圖9 所示,在一定溫度梯度范圍內(0.230~0.657 ℃/mm),溫度梯度越大越有利于提高徑向微觀組織的均勻性。

圖9 SEED 制漿工藝中坩堝內徑向溫度梯度對組織均勻性的影響[149]Fig.9 Effect of temperature gradient in the radial direction of crucible on homogeneity of structure during SEED process

吳樹森等[152]提出的形狀因子fi和凝固速率R、熔體對流速度v之間的關系模型fi=e-(2R/v),其模擬結果如圖10 所示,可以看到當R=4 μm/s,v=200 μm/s時晶粒的圓整度fi=0.95。

針對半固態(tài)漿料微觀組織演變的數(shù)值模擬研究雖已取得了可信且具有指導意義的結果,但還局限在基礎理論研究方面。隨著計算機技術的發(fā)展及模型算法的優(yōu)化,未來數(shù)值模擬技術在微觀組織模擬方面將有望實現(xiàn)工程化的應用。

4.2 流變壓鑄過程漿料流動行為的數(shù)值模擬研究

在涉及半固態(tài)漿料流動的數(shù)值模擬技術中,有單相數(shù)值模擬和多相數(shù)值模擬之分。Helen[153]詳細回顧了2005 年以前有關半固態(tài)漿料流動模擬的研究,本節(jié)將針對近年來的研究進展進行綜述。

圖10 晶粒形貌、凝固速率與熔體對流速度之間的關系[152]Fig.10 Relationship between grain shape,solidification rate and convection speed of melt

在半固態(tài)漿料充型的單相數(shù)值模擬中,研究者們已給出了眾多模型,且商用模擬軟件中已嵌入了相關的粘度模型,比如冪率(Power Law)模型[154]、帶有閾值的冪率(Power Law Cut-off)模型[155]、卡洛(Carreau)模型[156]、克勞斯(Cross)模型[157]等。很多研究者在嘗試使用各種流體力學模型來考察半固態(tài)漿料的流動是否符合這些模型所描述的流動,比如Bingham 模型[158]、Herschel-Bulkley 模型[159]等。研究者們大多采用流體力學參數(shù)Reynolds 數(shù)Re,Bingham數(shù)Bi 等來劃分流體流動行為。胡小剛等[135,155]基于半固態(tài)漿料壓縮試驗研究提出了依時性冪率模型,圖11 為固-液兩相金屬熔體在不同剪切速率變化條件下的表觀粘度隨液相分數(shù)和剪切速率的變化關系,該模型能夠準確預測半固態(tài)漿料充型過程中的流動前沿形貌,為工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

圖11 基于液相分數(shù)和剪切速率變化條件下的表觀粘度Fig.11 3D map of viscosity variation based on liquid fraction and shearing rate

半固態(tài)漿料多相流動模擬方面的研究進展相對比較緩慢,主要是由于該體系較為復雜,相互作用模型建立困難。前期研究多是針對半固態(tài)漿料的多相屬性進行理論分析。Gebelin 等[160]將固相視為多孔粘塑性連續(xù)介質,液體的流動遵循Darcy 定律,準確模擬了低壓縮速率下的相分離現(xiàn)象,此外還考慮了慣性拖曳力的影響對模型進行了修正,優(yōu)化了高壓縮速率下的模擬準確性。Kang 和Jung[161]視固相為可壓縮相,引進分離系數(shù)來描述固相顆粒與初始顆粒分布的差別程度。Binet 和Pineau[162]使用了混合方法,將方程中的流體動力學部分視為不可壓縮,但速度場計算的是混合物的速度場,在動量方程中加入了源項來描述不同相的擴散速度。Choi 等[163]假設固相為粘塑性體,用Kuhn 的屈服準則(拉伸和壓縮狀態(tài)下是對稱的)來描述固相行為,此處的變形行為在壓縮和拉伸兩種條件下是對稱的,且流體的靜壓力也考慮在內。相反,Yoon 等[164]使用了Drucher-Prager 屈服準則(拉伸和壓縮狀態(tài)下也是對稱的)。Zavaliangos[165]采用了一個內部變量c來描述顆粒在變形過程中的聚集程度,這與Brown 等[166]使用的結構參數(shù)較為相似。Modigell等[159]將固相假設為擬流體,用Herschel-Bulkley 粘度方程來描述,模擬的是非等溫狀態(tài),并通過Sn-15Pb合金充型的實時觀察實驗得到了驗證,觀察實驗結果見圖12。

圖12 Sn-15Pb 合金充型過程模擬與實驗結果對比[159]Fig.12 Comparison between simulation and experimental results of mold-filling process of Sn-15Pb alloy

隨著流體力學軟件的開發(fā),近年來研究者們采用商業(yè)軟件或是基于已有多相流理論自主研發(fā)了多種模擬半固態(tài)漿料流動的多相流模型。應用的模型主要有微-宏觀模型[167]、歐拉多相流動模型[168—170]、歐拉-歐拉模型[171—172]、歐拉-混合物模型[173]等。屈文英等[173]基于流體力學計算商業(yè)軟件Fluent 開展了半固態(tài)漿料流動過程多相流動行為的實驗和數(shù)值模擬研究,依據(jù)半固態(tài)漿料的特有屬性建立了適用于其流動過程多相流動模擬的模型,粘度模型-顆粒相間作用模型-顆粒液相間作用模型的子模型組合為(k-ε realizable)-(Syamlal-O′brien)-(Gidaspow),并與文獻中的原位觀察實驗[174]進行了對比,如圖13 所示,驗證了模型的準確性。基于該模型模擬了不同參數(shù)對漿料流動過程中固液分離的影響,揭示了半固態(tài)漿料充型過程中固液分離缺陷產(chǎn)生的具體機制。

目前半固態(tài)漿料多相流動機理研究還處于云圖顯示水平,并未達到能夠原位展示顆粒具體運動行為的程度,因此,該部分的研究還有很多工作要做,特別是對顆粒相的建模,結合無需跟蹤固液界面的相場法[175]及介觀尺度流體力學計算格子-玻爾茲曼法[176],預期能夠做出更貼合實際工藝、直觀呈現(xiàn)多相流動過程中顆粒相運動行為的模擬結果,為更加精確預測多相流動行為,指導工藝改進,提高成形件顆粒分布均勻性,打下堅實的理論基礎。

圖13 4 個不同時刻原位觀察與多相流模擬結果的對比Fig.13 Comparison of in-situ observation and multiphase flow simulation results at four different times

5 工業(yè)應用

經(jīng)過近50 年的發(fā)展與探索,流變成形技術已從理論探索階段進入實際工業(yè)應用階段。與傳統(tǒng)鑄造技術相比,流變成形技術能獲得性能更加優(yōu)異的鋁合金產(chǎn)品,如圖14 所示。由于能生產(chǎn)出具有復雜結構且性能優(yōu)異的鋁合金零部件,流變成形技術在汽車行業(yè)的應用較為廣泛[66,177]。近年來,隨著5G 時代的到來以及現(xiàn)代通信技術的升級,市場對于具有高導熱性能殼體件的需求日益增大,也促成了流變成形技術在通信設備領域的擴展應用[50,178]。

圖14 部分常見鋁合金流變成形與傳統(tǒng)鑄造性能的對比[179]Fig.14 Comparison of performance between rheoformed and conventionally cast common Al alloys

圖15 流變成形生產(chǎn)的鋁合金車輛零部件Fig.15 Aluminium alloy automobile parts fabricated by rheoforming

為應對日益嚴峻的環(huán)境和能源問題,鋁合金流變成形件以其性能優(yōu)異、成本相對較低等優(yōu)點,在汽車工業(yè)領域引起了廣泛關注[180]。目前,通過流變成形能制備出擺臂、制動卡鉗、抗扭連桿、氣室支架等鋁合金零部件,并已實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用,如圖15所示。例如泰國GISSCO 有限公司與韓國現(xiàn)代汽車等企業(yè)合作,使用GISS 流變成形技術生產(chǎn)出孔隙率遠低于常規(guī)壓鑄的多款汽車零部件[181];加拿大STAS公司采用SEED 技術生產(chǎn)的鋁合金發(fā)動機支架能取代傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)品并實現(xiàn)減重33%的效果[182];瑞典林雪平大學與沃爾沃公司采用Rheometal 流變成形技術生產(chǎn)的消聲器安裝架能減輕卡車駕駛室的重量以增加其他清洗設施,充分滿足車輛排放要求[50];朱強團隊與比亞迪公司制備的客車骨架接頭通過以流變成形鋁合金代替砂型鑄造鐵的方式實現(xiàn)了減重35%,助力車輛的節(jié)能減排,如圖15d 所示。此外,日本宇部株式會社、瑞士布勒集團、加拿大鋁業(yè)集團、奧地利薩爾茨堡鋁業(yè)公司、中國銀寶山新壓鑄公司等也采用流變成形進行鋁合金車輛零部件的開發(fā)與生產(chǎn)。

圖16 為近年來通過流變成形技術生產(chǎn)的鋁合金通信器件。圖 16a 為福建金瑞高科有限公司采用Rheometal 流變成形技術生產(chǎn)的復雜通信零部件,其基板厚度為4 mm,厚壁部分的厚度達15 mm 且壁厚變化極大。這通常被認為是無法鑄造完成的,但通過對工藝參數(shù)進行優(yōu)化后可以成功使用流變成形生產(chǎn)該零件。北京科技大學采用氣冷攪拌法流變成形制備的Al8Si 大型薄壁通信部件如圖16b—d 所示,其齒頂厚度均不超過1 mm 且均兼具優(yōu)異的熱導率與耐腐蝕能力。大阪工業(yè)大學Haga 采用流變成形Al25Si 合金生產(chǎn)的散熱器如圖16e,其高度為50 mm 且翼頂厚度僅為0.5 mm,該散熱器的熱導率與發(fā)射率均大于市場常見的A383 鑄件。此外,泰國GISSCO 公司還采用熱導率更加優(yōu)異的6063 鋁合金生產(chǎn)輕量化通信產(chǎn)品。

圖16 鋁合金流變成形技術生產(chǎn)的通信器件Fig.16 Aluminium alloy communication components fabricted by rheoforming

盡管我國開展半固態(tài)成形技術領域的研究相對較晚,但在一系列政策與資金的支持下,經(jīng)過多年的發(fā)展已取得了長足的進步[184]。我國運用流變成形技術生產(chǎn)的企業(yè)主要集中在東部沿海地區(qū),且工業(yè)生產(chǎn)已達世界頂尖水平,如機械科學研究總院(將樂)半固態(tài)技術研究所有限公司生產(chǎn)的門鎖系列零件已成功使用在“復興號”動車客室車門上,其主要技術指標超過國內外相關產(chǎn)品。珠海市潤星泰電器有限公司與北京科技大學在2018 年合作開發(fā)出適用于半固態(tài)壓鑄高導熱大型薄壁件的鋁合金材料并建立了生產(chǎn)線,于國內外率先開發(fā)出的5G 通信基站用超大鋁合金薄壁件已被華為、中興等通信巨頭用于通信基礎設施的建設。2018 年底,深圳銀寶山新壓鑄科技有限公司的1600T 系高固相大型薄壁鋁合金結構件生產(chǎn)線已完成試運行,并成功生產(chǎn)出全球首款高固相鋁合金半固態(tài)汽車減震塔。除此之外,還有多家企業(yè)已經(jīng)或正在開發(fā)高端流變成形件,如徐州戴卡斯町科技有限公司、邯鄲二寧禾科技股份有限公司、湖南海姆斯科技股份有限公司等。目前,我國已建立起數(shù)十條生產(chǎn)線用于工業(yè)生產(chǎn),正迎來半固態(tài)成形技術工業(yè)化應用的快速發(fā)展期。

6 展望

鋁合金流變成形技術經(jīng)過近半世紀的發(fā)展,研究重點已由基礎問題研究轉向關鍵技術研究和應用研究。開發(fā)適用于流變成形的新型合金,提高制漿與成形工藝的生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性,縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期,提升產(chǎn)品綜合性能仍然是當下和未來的研究熱點。

1)目前流變成形用鋁合金大多為傳統(tǒng)鑄造或鍛造鋁合金,而針對流變成形工藝開發(fā)的合金相對較少,因此針對流變成形工藝特征和所需性能的合金開發(fā)顯得尤為重要。例如,汽車工業(yè)對不同的零部件有不同的要求,有些需要高強度,而有些要求較高的抗疲勞性、耐腐蝕性或耐磨性[5,179],因此為了滿足未來工業(yè)應用的市場要求,需要開發(fā)出不同的合金體系。

2)盡管目前流變制漿工藝已有30 余種且各具特色,但適用于大規(guī)模工業(yè)應用的方法依然較少,能否工業(yè)應用的關鍵在于制漿過程的高效可控、成本、穩(wěn)定性以及與成形設備的有效銜接。隨著人工智能時代的來臨,智能制造已是未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢,流變成形專業(yè)配套設備的集成化設計與智能化控制是未來研究的重點。

3)在經(jīng)濟全球化時代,市場對供應鏈的定價與交貨周期都十分敏感,因此通過合金、成形工藝開發(fā)商與零件用戶之間的密切合作以實現(xiàn)縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期,提升產(chǎn)品性能顯得尤為重要。

近年來,隨著汽車領域節(jié)能減排力度的加強和現(xiàn)代通信技術的進一步升級,大尺寸高性能復雜形狀輕量化鋁合金零部件的需求日益增大,為流變成形技術的發(fā)展和應用帶來了良好的契機。隨著國內外相關高等院校、科研院所和企業(yè)紛紛抓住這一機遇,加強基礎問題研究、關鍵技術研究、實際應用研究,鋁合金流變成形技術必將走向新的高度。

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