随着能(néng)源和環境危機越來越嚴峻，輕量化材料越來越受到重視。液态模鍛作(zuò)為(wèi)輕量化工(gōng)藝，是一種将定量的金屬熔體(tǐ)澆注到模具(jù)型腔内,在機械靜壓力作(zuò)用(yòng)下充型、高壓結晶、凝固和補縮的短流程、高效、近淨成形技(jì )術。該技(jì )術是一種介于固态鍛造和鑄造之間的金屬成形工(gōng)藝，既有(yǒu)液态成型生産(chǎn)複雜造型又(yòu)有(yǒu)固态鍛造成型壓力高、性能(néng)優良的特點，同時還具(jù)有(yǒu)省力、節能(néng)、材料利用(yòng)率高等優點。液态模鍛影響因素複雜，涉及工(gōng)藝、合金成分(fēn)、組織與缺陷控制、熱處理(lǐ)、模具(jù)設計與制造技(jì )術、數值模拟以及液态模鍛裝(zhuāng)備等。本文(wén)對液态模鍛的研究進展進行了綜述,并展望了該技(jì )術的未來發展趨勢。

1. 液态模鍛合金

1.1 液态模鍛合金組織

液态模鍛過程中(zhōng)壓力提高了合金的熔點，增加了合金熔體(tǐ)的過冷度，降低了臨界晶核半徑和臨界形核功，使有(yǒu)效形核質(zhì)點增加進而細化晶粒。材料在壓力下凝固時，原子的擴散受到抑制使得生長(cháng)激活能(néng)增加，因而壓力降低了晶體(tǐ)的長(cháng)大速率。在壓力下結晶凝固工(gōng)件緊靠型壁，熱傳導較為(wèi)激烈也可(kě)以細化晶粒。唐全波等[1]發現ACDCl2合金液态模鍛生産(chǎn)消除了顯微疏松，使緻密度得到提高，幾乎沒有(yǒu)微觀缺陷。賈海龍等[2]研究表明液态模鍛能(néng)明顯改善過共晶Al-xSi合金的顯微組織，使共晶矽相發生明顯細化，同時初生矽相的尺寸和數量減小(xiǎo)。也有(yǒu)研究表明液态模鍛使得A356合金鑄态晶粒以及二次枝晶間距均減小(xiǎo)，組織更加緻密[3-4]。李宇飛等[5]利用(yòng)Al-Si-Cu-Mg生産(chǎn)轉向節，晶粒得到明顯細化，力學(xué)性能(néng)得到顯著提高。壓力的施加改變了6082合金液的結晶條件,增大了過冷度使合金元素在固溶體(tǐ)中(zhōng)溶解度增加從而引起液态模鍛件組織變化 ,進而提高了液态模鍛件的力學(xué)性能(néng)[6]。

1.2 液态模鍛偏析

偏析是指鑄件成分(fēn)、組織和性能(néng)的不均勻的現象,也是液态成型常見的缺陷之一。随着鋁合金在液态模鍛中(zhōng)的應用(yòng)越來越廣,發現液态模鍛生産(chǎn)的零件也存在不同程度的宏觀偏析[7-9]。郭莉軍等[10]采用(yòng)螺旋試樣研究A357液态模鍛的偏析行為(wèi)，由于補縮液的強迫運動造成了Si和Mg元素的偏析及組織的偏聚。Gallemeault等[11]在液态模鍛工(gōng)藝參數和晶粒細化劑對Al-4.5Cu合金冷卻、凝固行為(wèi)方面進行了研究，發現鋁銅系合金共晶相在過程中(zhōng)可(kě)從固體(tǐ)骨架中(zhōng)擠出，滲出到鑄造表面，從而産(chǎn)生缺陷。降低澆注溫度可(kě)以抑制銅元素在液相中(zhōng)的擴散，避免富銅液相通過枝晶間隙流向鑄件“熱節”附近形成偏析帶。此外，減小(xiǎo)擠壓力可(kě)使液相流動速度降低減少宏觀偏析。許明等[12]發現鋁合金中(zhōng)影響Sn偏析的工(gōng)藝參數依次是澆注溫度、模具(jù)溫度、保壓時間及比壓，适當的液态模鍛工(gōng)藝可(kě)以使低熔點Sn元素分(fēn)布較均勻。液态模鍛作(zuò)為(wèi)液态成形技(jì )術存在着不同程度的偏析，對偏析的機理(lǐ)進行深入的研究，從液态模鍛工(gōng)藝以及合金設計上規避偏析的産(chǎn)生或者降低偏析的級别。

1.3 合金的研發應用(yòng)

液态模鍛對合金的流動性、補縮能(néng)力和熱裂敏感性等工(gōng)藝性能(néng)的适應能(néng)力強，對合金的适用(yòng)範圍比較寬，既适用(yòng)于高性能(néng)的變形合金也可(kě)以涵蓋所有(yǒu)的鑄造合金并且還可(kě)以開發目前标準中(zhōng)沒有(yǒu)涉及的合金成分(fēn)範圍。已報道的液态模鍛所用(yòng)鑄造合金有(yǒu)ZL101、ZL102、ZL103、ZL104、ZL105、ZL108、ZL114、ZL205A、ZL301、ZL401等[13-21]，變形合金有(yǒu)6061、2A50、LD10、LY12、6063、6082、7055等[22-25]。液态模鍛作(zuò)為(wèi)一種介于鑄造和固态鍛造之間的工(gōng)藝，為(wèi)了發揮這種工(gōng)藝的優勢，可(kě)以根據其工(gōng)藝特點結合工(gōng)件的應用(yòng)開發适用(yòng)于液态模鍛的合金體(tǐ)系。液态模鍛的成型壓力一般在55~100 MPa，在高壓力下相的形核熱力學(xué)和生長(cháng)動力學(xué)、強化相和雜質(zhì)相的選擇以及生長(cháng)形貌均有(yǒu)所不同，對采用(yòng)鑄造和變形牌号合金熱處理(lǐ)工(gōng)藝的研究還不夠系統[26]。為(wèi)此可(kě)以對熱處理(lǐ)過程中(zhōng)強化相的溶入、析出機制以及時效後強化相析出位置、形貌、析出相和基體(tǐ)的位相關系進行研究，為(wèi)液态模鍛熱處理(lǐ)工(gōng)藝發揮其工(gōng)藝優勢奠定基礎。

2. 液态模鍛模具(jù)

模具(jù)對于液态模鍛技(jì )術非常重要，它關系到工(gōng)件能(néng)否完整成形，同時又(yòu)決定了零件的質(zhì)量。液态模鍛的模具(jù)使用(yòng)壽命短是限制這項技(jì )術應用(yòng)的原因之一。模具(jù)壽命受模具(jù)結構、材料、熱處理(lǐ)制度以及液态模鍛工(gōng)藝參數等的影響。

2.1 模具(jù)斷裂的機理(lǐ)

液态模鍛模具(jù)工(gōng)作(zuò)溫度高、承受壓力大，澆注過程中(zhōng)模具(jù)表面最先接觸到高溫熔體(tǐ)；完成工(gōng)件生産(chǎn)後，需要噴塗潤滑塗料，模具(jù)表面接觸低溫塗料溫降最劇烈。在此過程中(zhōng)的冷熱作(zuò)用(yòng)使得模具(jù)表面不斷的膨脹和收縮導緻出現較大的殘餘應力。Long等[27]計算了表面殘餘應力為(wèi)840~980 MPa，由于模具(jù)工(gōng)作(zuò)的環境惡劣，使用(yòng)過程中(zhōng)出現侵蝕和熱疲勞，在高應力作(zuò)用(yòng)下使得模具(jù)表面不可(kě)避免的産(chǎn)生裂紋，導緻模具(jù)壽命較低。模具(jù)使用(yòng)狀态為(wèi)淬火加回火，回火溫度為(wèi)600 ℃左右，液态模鍛鋁合金的澆注溫度遠(yuǎn)高于其回火溫度，每次澆注相當于對模具(jù)鋼進行一次軟化回火。對使用(yòng)過的模具(jù)材料進行微觀組織和性能(néng)分(fēn)析發現闆條邊界變得模糊，碳化物(wù)粗化，觀察到0.5 mm的軟化層，這意味着此處屈服強度的降低也促進裂紋擴展到軟化層的深度[28]。

2.2 改善模具(jù)壽命措施

模具(jù)材料方面：結合成本因素選擇耐熱疲勞性良好的模具(jù)用(yòng)鋼并根據使用(yòng)條件研發适用(yòng)的模具(jù)鋼熱處理(lǐ)工(gōng)藝。

結構設計的角度：減少應力集中(zhōng)如避免尖角，在滿足工(gōng)藝的前提下增加加工(gōng)圓角。

模具(jù)制造的角度：采取模具(jù)表面處理(lǐ)技(jì )術如滲氮、碳氮共滲氮或者硫氮共滲進而增加表面硬度。

使用(yòng)的角度：合理(lǐ)制定液态模鍛工(gōng)藝如澆注溫度、模具(jù)溫度、比壓等參數以及使用(yòng)一段時間後進行回火消除殘餘應力。

此外，噴塗潤滑劑有(yǒu)利于脫模，實現對模具(jù)保護。脫模劑分(fēn)為(wèi)油基和水基兩種，油基潤滑劑脫模效果好，但是對環境危害較大；水基潤滑劑雖然對環境影響較小(xiǎo)，但是激冷能(néng)力強對于模具(jù)壽命影響較大，需要研發一種适用(yòng)于液态模鍛的潤滑塗料，在環保的同時達到對模具(jù)表面的防護，增加模具(jù)的使用(yòng)壽命。

3. 液态模鍛模拟

數值模拟技(jì )術在液态模鍛模具(jù)優化設計、改進工(gōng)藝方案、縮短研發周期、節約成本等方面有(yǒu)着非常重要的作(zuò)用(yòng)。利用(yòng)ProCAST軟件對充填速度、充填溫度及模具(jù)預熱溫度進行模拟，揭示工(gōng)藝參數對液态模鍛件性能(néng)的影響規律，确定了鋁合金輪輻最佳成形工(gōng)藝為(wèi)：充填溫度690 ℃，模具(jù)預熱溫度350 ℃，擠壓速度15 mm/s[29]。牛海俠等[30]利用(yòng)AnyCasting模拟得出模具(jù)預熱溫度比澆注溫度對薄壁件凝固過程影響大并且模具(jù)的溫度在550~600 ℃之間較為(wèi)合理(lǐ)。陳席國(guó)[31]模拟了2A50合金生産(chǎn)坦克負重輪産(chǎn)生的缺陷，認為(wèi)和模具(jù)接觸良好的制件上部位凝固最快，制件拐角部位和底部中(zhōng)心部位凝固時間較長(cháng)，表明在轉角處控制不好容易産(chǎn)生熱裂紋，這為(wèi)後續負重輪結構設計、液态模鍛模具(jù)設計以及工(gōng)藝制定指明了方向。對薄壁件進行模拟确定了最佳的模具(jù)預熱溫度以及澆注溫度同時利用(yòng)DEFORM-3D對液态模鍛保壓壓力和保壓時間進行了模拟，得出了最佳的工(gōng)藝參數[32]。

4. 液态模鍛設備研究

液态模鍛設備是整個工(gōng)藝的核心，日本宇部興産(chǎn)株式會社生産(chǎn)的VSC立式液态模鍛機(立式合模，立式擠壓)系列合模力分(fēn)别為(wèi)3150、5000、6300、7800、12000、15000、18000、25000和35000 kN等。HVSC卧式液态模鍛機(卧式合模，立式擠壓)合模力分(fēn)别為(wèi)1400、2500、3500、5000、6300和8000 kN等[33]。蘇州三基機械有(yǒu)限公(gōng)司研發制造的SCH-350A卧式機是國(guó)内第一台達國(guó)際先進技(jì )術水平的卧式液态模鍛機，随後又(yòu)開發出了“SCV-800A立式液态模鍛機”等系列設備。天津市天鍛壓力機有(yǒu)限公(gōng)司聯合天津那諾機械制造有(yǒu)限公(gōng)司開發的30000 kN立式液态模鍛集成裝(zhuāng)備實現了定量澆注、噴塗、液态模鍛、冷卻、取件以及刻字等自動化集成，為(wèi)液态模鍛自動化以及智能(néng)化發展奠定了基礎。随着智能(néng)制造技(jì )術的發展,對鋁合金液态模鍛提出了新(xīn)的要求, 除了考慮成形技(jì )術外，在液态模鍛過程中(zhōng)如何利用(yòng)信息技(jì )術對數據進行挖掘、實現自感知、自分(fēn)析、自決策、自執行的智能(néng)制造系統是液态模鍛未來的發展方向。

5. 液态模鍛的應用(yòng)領域

5.1 汽車(chē)工(gōng)業上的應用(yòng)

采用(yòng)液态模鍛生産(chǎn)的鋁合金工(gōng)件有(yǒu)轉向節和三角臂[34-35]，抗拉強度大于320 MPa，屈服強度大于250 MPa，伸長(cháng)率大于10%，力學(xué)性能(néng)完全達到設計要求。汽車(chē)工(gōng)業中(zhōng)各種型号的鋁合金車(chē)輪，要求較高。采用(yòng)鋁合金液态模鍛技(jì )術，其強度、剛度和沖擊韌性均能(néng)滿足的使用(yòng)要求。其他(tā)零件如：空調器缸體(tǐ)、前後端蓋、氣囊支撐臂、鋁合金變速箱等工(gōng)件采用(yòng)液态模鍛技(jì )術均有(yǒu)研究應用(yòng)[36]。

5.2 國(guó)防上的應用(yòng)

在國(guó)防上各種承力結構件也廣泛采用(yòng)液态模鍛技(jì )術生産(chǎn)如：炮下體(tǐ)、彈體(tǐ)風帽、坦克車(chē)負重輪、舵面以及航空航天特種車(chē)用(yòng)鋁合金車(chē)輪等。王長(cháng)順等[37]針對某重型裝(zhuāng)備輕量化的需求,對ZL205A高強鑄造鋁合金進行了液态模鍛成形,各項性能(néng)均達到了設計要求,裝(zhuāng)備整體(tǐ)輕量化效果明顯。周澤軍等[38]開發了一種新(xīn)的液态模鍛合金，生産(chǎn)坦克車(chē)負重輪，其力學(xué)性能(néng)、偏析、疏松程度以及裂紋尺寸分(fēn)布均優于2A50合金。

5.3 複合材料上的應用(yòng)

液态模鍛壓力能(néng)提高液态金屬對固态材料的浸潤性，可(kě)以作(zuò)為(wèi)開發複合材料的技(jì )術迅速提高固态材料的表面溫度，進而增加其擴散結合的可(kě)能(néng)性。該工(gōng)藝尤其對短纖維型、粒子型金屬基複合材料制件是最有(yǒu)效的成形方法。采用(yòng)SiCp/2A50、Al2O3/SiCp[39-40]制備了液态模鍛複合材料履帶闆, 其耐磨性能(néng)與鋼質(zhì)履帶闆材料Mn13鋼相當，為(wèi)裝(zhuāng)備履帶式行走系統的輕量化提供了較大空間。曹健峰等[41]通過熔體(tǐ)反應-液态模鍛成形法技(jì )術成功制備了(Al3Zr+Al2O3)/A356複合材料，性能(néng)優于金屬型成形的複合材料。Srinivasan等[42]采用(yòng)液态模鍛成形工(gōng)藝制備金屬鋁基複合材料使ZrO2和碳顆粒混雜複合相的分(fēn)布更加均勻，材料的抗拉強度和硬度得到顯著提高。陳平和[43]成功制備了東風140複合材料鋁活塞,并完成了工(gōng)程化應用(yòng)。邱博等[44]研究了ZTA／KmTB-Cr26複合材料，内部顆粒分(fēn)布比較均勻且與KmTB-Cr26基體(tǐ)的結合緊密，複合材料的磨損性能(néng)也有(yǒu)較大的提升。

鋁基複合材料在性能(néng)、特定條件應用(yòng)等方面具(jù)有(yǒu)較大的輕量化優勢,但是成形工(gōng)藝的複雜性限制了其研究與應用(yòng)，有(yǒu)關陶瓷顆粒、晶須、纖維增強和混雜增強鋁基複合材料及其液态模鍛成形工(gōng)藝的研究需要加強，鋁基複合材料液态模鍛成形是今後研究的重點和難點[45]。

6. 結束語

（1)根據液态模鍛的工(gōng)藝特點結合工(gōng)件的應用(yòng)，開發适用(yòng)的液态模鍛合金體(tǐ)系。對于使用(yòng)牌号合金應根據合金的成分(fēn)以及凝固特性研發适用(yòng)的熱處理(lǐ)工(gōng)藝。

（2)從模具(jù)材料的選擇、熱處理(lǐ)、模具(jù)結構設計、制造、使用(yòng)等多(duō)方面綜合考慮液态模鍛模具(jù)壽命。

（3)加強模拟分(fēn)析在液态模鍛技(jì )術上的使用(yòng)，研究成形規律、工(gōng)藝參數等對保證工(gōng)件質(zhì)量，降低研發周期和生産(chǎn)成本的作(zuò)用(yòng)。

（4)在自動化和集成化基礎上利用(yòng)信息技(jì )術對液态模鍛數據進行挖掘、實現自感知、自分(fēn)析、自決策、自執行的智能(néng)制造系統是液态模鍛未來的發展方向。

文(wén)章來源——金屬世界