應用于裝備輕量化鋁合金構件液態模鍛成形技術的研究進展

張 新，陳 剛，李宏偉，陳 彤，王長順，徐蘭軍，杜之明，秦緒坤

(1.新興際華集團有限公司技術中心/研究總院，北京 100070； 2.哈爾濱工業大學(威海)材料科學與工程學院，威海 264209； 3.北京北方車輛集團有限公司北京市特種車輛關鍵部件制備與評估工程技術研究中心，北京 100072； 4.哈爾濱工業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150001)

0 引 言

輕量化是機械、武器、航空、應急救援等裝備的發展方向[1-2]。裝備輕量化技術是一個系統工程，與裝備整體性能密切相關，追求裝備質量、性能和成本等因素的綜合優化效果。輕量化技術依靠輕量化設計、輕量化材料和輕量化制造技術等多項技術的集成優化與應用得以實現，其中輕量化材料的研究、開發與應用是輕量化技術中最容易實現且成本最低的研究方向，成為裝備輕量化發展的主方向[3-4]。

輕量化材料一般包括鋁、鎂、鈦和鋼質差厚板等材料[5]，其中鋁合金性能優良，在密度、比強度、比剛度、電磁屏蔽及抗阻尼性能等方面具有較大的優勢,是優良的結構和功能材料，成為輕量化材料的首選而大量應用在各種裝備關鍵零部件上。鋁合金關鍵零部件的輕量化成形工藝主要包括液態模鍛、擠壓鑄造、重力鑄造、鍛造以及近幾年發展起來的3D打印、多點成形工藝等，所成形的結構件具有較廣的應用范圍，如飛機結構件，汽車的輪轂、方向盤與擺臂，坦克負重輪，火車氣缸與活塞裙，以及一些端蓋件、連桿等[6-7]。隨著輕量化技術的發展，一些鋁合金結構件的結構變得更加復雜，性能要求更高，傳統的鑄造、鍛造等成形方法已無法滿足其要求。在輕量化需求日益提升的大背景下，具有優良成形性能的液態模鍛成形技術日益受到關注[8-9]。

鋁合金構件液態模鍛輕量化成形技術涉及到鋁合金裝備結構設計、鋁合金制備技術、液態模鍛成形技術、合金組織與缺陷控制技術、熱處理技術、模具設計與制造技術等多項技術，其研究對于裝備輕量化技術的發展有著重要的意義。為了給相關研究人員提供參考，推動和促進液態模鍛輕量化成形技術的發展，作者對鋁合金構件液態模鍛輕量化成形技術的研究進展進行了探討，并展望了該技術的發展趨勢。

1 輕量化設計準則

裝備輕量化主要包括整體結構輕量化設計、新材料與新工藝的輕量化應用兩種方法[10-11]。新材料、新工藝的輕量化方面主要采用以鋁代鋼、以鋁代銅等方法，并探索更優化的成形方法。裝備結構輕量化設計是輕量化關注的重點，主要方法有尺寸優化、形狀優化、拓撲優化及多學科、多目標優化等[12-13]。在裝備結構輕量化設計中，裝備零部件一般按強度設計準則設計，受力狀態不同，其強度設計準則也不同。在輕量化設計時需要同時關注以下幾個因素：(1) 材料抗彎強度與抗拉強度比例系數的影響；(2) 抗彎截面系數或抗扭截面系數的影響；(3) 材料表面處理工藝的影響；(4) 應力狀態、失效模式和抗力指標等主要因素以及應用環境指標參數的影響[14]。

2 液態模鍛成形鋁合金在裝備中的應用

鐘群鵬等[15]在對鐵、鎳、鈦、鋁、鎂和鈷等幾種典型結構材料進行輕量化結構設計時發現，鋁合金在材料研究基礎、工藝成形技術和經濟性等方面具有較大的優勢，這也是鋁合金成為輕量化結構首選材料的主要原因。國內外相關學者對液態模鍛成形用鋁合金進行了一系列研究，以期尋求與該成形技術匹配的鋁合金系列，從而推動裝備輕量化的發展。DU等[16]采用簡單加載和復合加載兩種方式對2A50鋁合金進行負重輪液態模鍛成形，成形件性能達到了要求，應用到裝備上后，裝備輕量化效果明顯，裝備的機動性能得到大幅提升。王長順等[17]針對某重型裝備輕量化的需求，對ZL205A高強鑄造鋁合金進行了液態模鍛成形，成形件的各項性能均達到了設計要求，裝備整體輕量化效果明顯。此外，A356、A357、ZL105、7055、7075等鋁合金也適用于輕量化構件的液態模鍛成形[18-19]。

提高鋁合金強度為裝備的進一步輕量化提供了空間，其中應用較為廣泛的鋁合金為2A50和ZL205A鋁合金，但在液態模鍛成形過程中表現出成形性能差、熱裂傾向大、銅元素偏析嚴重等缺陷，因此難以實現液態模鍛鋁合金構件的進一步輕量化。為了進一步提高鋁合金液態模鍛成形件的性能和應用范圍，需要開發一系列新型液態模鍛用高強高韌鋁合金。周澤軍等[20]結合鑄造鋁合金ZL205A與變形鋁合金2A16的特點，設計出了一種新型高強高韌液態模鍛Al-Cu合金，其化學成分(質量分數/%)為0.71.2Si，0.7Fe，1.82.6Cu，0.40.8Mn，0.40.8Mg，0.10Ni，0.3Zn，0.15Ti，新Al-Cu合金液態模鍛成形件的性能優良、組織均勻，達到了設計要求，為實現裝備的進一步輕量化提供了基礎。李天生等[21]采用多因素正交試驗對一種適合液態模鍛成形的鋁合金的化學成分進行了優化，優化后的成分(質量分數/%)為3.0Mg，0.3Si，1.2Cu，0.7Zn；在120 MPa壓力下液態模鍛成形并進行相關熱處理后，在合金α(Al)相基體上析出了S(CuMgAl2)相以及具有強時效效應的η(MgZn2)相與T(Mg3Zn3Al2)相，成形件的抗拉強度大幅提高，硬度升高。

隨著輕量化要求的不斷提高，在液態模鍛成形技術和鋁合金制備技術發展的基礎上，適用于液態模鍛成形用鋁合金不斷出現，促進了液態模鍛成形和輕量化技術的發展。徐紀平[22]發明了一種圓錐齒輪用高強度液態模鍛成形鋅鋁合金；馬春江[23]發明一種重載汽車用鋁合金車輪液態模鍛成形專用鋁合金及成形方法；高士學[24]以6061鋁合金為基礎,調整合金成分,設計了一種流動性較好、適合液態模鍛成形的鋁合金。

國內外學者也對鋁合金復合材料液態模鍛成形技術進行了相關研究。賈海萌[25]制備了液態模鍛成形SiCp/2A50復合材料履帶板，經T6處理后，履帶板的力學性能和摩擦磨損性能均得到顯著提高，為裝備履帶式行走系統的輕量化提供了較大空間。曹健峰等[26]通過熔體反應法-液態模鍛成形技術成功制備了(Al3Zr+Al2O3)/A356復合材料，該復合材料的性能優于金屬型成形的復合材料。

3 液態模鍛成形技術的原理與研究進展

3.1 工藝原理和特點

液態模鍛成形工藝是指在成形時將定量的金屬熔融液澆注入模腔內，然后在較高壓力下進行凝固、二次擠壓成形，從而獲得無鑄造缺陷的液態模鍛制件。該工藝綜合了鑄造與鍛造成形技術的優點，成形件既具有鑄造件的結構復雜的特點，也具有鍛造件性能優良的特點，同時該工藝還具有省力、節能、材料利用率高等優點[27]。洪慎章[28]采用液態模鍛、壓力鑄造、普通鍛造工藝生產了各種鋁合金零件，通過對比發現液態模鍛成形技術是裝備輕量化最經濟、最有效的成形技術。

3.2 研究進展

3.2.1 國外研究進展

20世紀30年代，前蘇聯科學家烏里托夫斯基最先提出了液態模鍛成形方法，起初用于銅合金軸承套的液態模鍛成形，隨后其產品類型和生產規模都得到極大擴張，產品質量得到進一步驗證，工業化應用得到迅速擴展。隨后的30多年，前蘇聯液態模鍛成形廠家已達150家，相關產品約200多種。專著《液態金屬模鍛》的發表使液態模鍛成形技術得到確立，但是隨后液態模鍛成形技術的發展比較緩慢。

近幾十年來，隨著裝備制造業和輕量化技術的發展，液態模鍛成形技術，尤其是以鋁合金為代表的有色金屬液態模鍛成形技術得到迅速發展，并擴展到多種類型的產品，例如：美國M101式炮在采用液態模鍛成形鋁合金制造大架、搖架、前座板、左右耳軸托架等構件后，火炮質量由輕量化前的3.7 t降到1.4 t，射程提高了35%～40%；美國M777 155 mm大口徑火炮中大量采用液態模鍛成形鋁合金結構件，輕量化效果明顯，實現了直升機空運空投，大大提高了戰斗力；采用液態模鍛成形鋁合金制造的軍方裝備，輕量化效果非常明顯。因此，液態模鍛成形技術已經成為裝備輕量化的一大主流技術。

國外對液態模鍛成形技術的研究較多。RAJAGOPAL[29]探討了合金液、成形控制、模具結構和溫度等參數對A356合金液態模鍛成形件組織與性能的影響規律，總結出A356合金液態模鍛成形的技術要點。JOLLY[30]結合液態模鍛成形和無機纖維與晶須預制等技術得到了選擇性增強鋁基復合材料制件，該制件的力學和物理性能得到明顯改善。日本豐田公司與宇部公司聯合研發了垂直壓射系統(VSC)，所得液態模鍛成形鋁合金輪轂的孔洞缺陷數量顯著減少，同時輪轂的組織、力學性能和疲勞性能得到較大改善。SARFRAZ等[31]研究了擠壓壓力、熔體溫度和模具溫度對鑄態和原位熱處理液態模鍛Al-3.5%Cu合金鑄件抗拉強度、斷后伸長率和硬度的影響，發現擠壓壓力是最重要的輸入變量，其次是模具溫度，熔體溫度的影響最小。

國外還對鋁基復合材料液態模鍛成形技術進行了研究和應用。日本豐田公司開發了金屬基纖維增強發動機活塞液態模鍛成形技術，成形后活塞的膨脹性、耐磨性能等均得到顯著改善[32]。ASANO[33]采用液態模鍛成形技術對不連續碳纖維增強純鋁和高硅鋁合金進行了研究，發現纖維的隨機排列導致了復合材料的各向異性；在平行方向上的纖維增強材料可提高復合材料的熱導率，而在垂直方向上的則降低了熱導率；碳纖維增強純鋁的驗證應力隨補強而增大，特別是平行方向的驗證應力，而碳纖維增強高硅合金的驗證應力隨補強而減小。SRINIVASAN等[34]采用液態模鍛成形工藝制備了混雜金屬鋁基復合材料(HMMCs)，其中ZrO2陶瓷顆粒用于提高鋁基復合材料的抗拉強度，而碳用于改善傳熱性能，研究表明ZrO2和碳顆粒在鋁基復合材料中分布均勻，晶粒細小，材料的抗拉強度和硬度得到顯著提高。

日本宇部公司在液態模鍛成形設備研制方面，不論是提高設備成形效率還是降低設備使用成本均走在了世界前列，其研制的HVSC和VSC兩種系列的液態模鍛機將液態模鍛成形方式和設備水平推到了一個新的高度[35-36]。隨后，歐美等國家相繼對液態模鍛成形方式和成形設備進行了改進，大大推動了液態模鍛成形技術的發展和液態模鍛設備的應用。瑞士布勒公司率先通過低速充型、實時控制的方法在臥式壓鑄機上實現液態模鍛成形，同時開發了新一代實時壓射控制機構，不僅能避免氣體的卷入，同時還能對速度和最終壓力曲線進行編程，從而實現液態模鍛成形的過程質量控制。荷蘭Prince Machine公司、法國JL公司以及美國Grandville和Michigan公司基于液態模鍛成形技術聯合開發了“滿料筒”成形技術。近現代以來，隨著計算機控制技術的發展，新型智能化液態模鍛設備不斷涌現，定量澆注技術、機器人操作臂、自動化熱處理等先進技術的發展促進了液態模鍛成形技術的進步，實現了自動化液態模鍛生產，大大提高了生產效率[37-38]。

3.2.2 國內研究進展

隨著產品性能和輕量化需求的提高，國內液態模鍛成形技術也有了長足的進步，從最初的模態模鍛逐步發展到半固態液態模鍛成形技術，并在液態模鍛成形過程中應用數理統計方法、智能控制以及振動、超聲等先進技術，建立了液態模鍛成形的物理模型，研究了金屬液凝固和塑性變形機制，提出了工藝參數優化和確定的準則，并對成形材料和成形設備進行了深入研究。

國內在液態模鍛成形技術與成形理論方面都取得了一定的進步。計國富等[39]發明了一種鋁合金車輪液態模鍛及旋壓加工系統，包括液態模鍛、熱處理裝置、機加工裝置以及旋壓裝置，由液態模鍛機生產出的鋁合金車輪毛坯依次經過熱處理、機加工以及旋壓加工過程；該發明利用液態模鍛提升輪輻性能，利用旋壓加工提升輪輞性能，從而提升車輪產品的整體性能，降低廢品率，降低成本，提升整體的生產效率。劉忠鎖[40]發明了一種應用于商用車輪轂的A357鋁合金液態模鍛工藝，通過優化合金成分，結合液態模鍛工藝制備出車用輪轂，輪轂的顯微組織得到明顯改善，縮孔、疏松、氣孔、裂紋等內部缺陷數量明顯減少；該工藝具有生產效率高、流程短、工藝成本低、節能、環境污染少、經濟效益和社會效益明顯等優點。王爾德等[41]將金屬的凝固理論與塑性變形理論相結合，首次給出了液態模鍛諧調方程，從理論上指出壓下速度的作用及液態模鍛對設備工作速度的要求，這對液態模鍛成形技術的實踐具有重要意義。羅守靖等[42]利用金屬塑性加工理論，結合液態模鍛成形的特點，系統給出了液態模鍛組合體模型、液態模鍛的主要塑性流動公式與比壓值的理論推導、液態模鍛協調方程中的塑性變形與凝固之間的定量關系。陳剛[43]通過復合加載技術和補縮技術改善了液態模鍛成形過程中凝固成形的應力場，獲得組織與性能均勻的制件；該技術先后在鋁合金活塞、特種車輛履帶板、鋁合金輪轂模等特種車輛輕量化零部件上得到了應用，解決了成形件組織與性能不均勻的難題。郭瀟群等[44]在電磁泵式輸送技術的基礎上采用質量法定量控制澆注，并進行液態模鍛定量澆注系統的設計和制造；成形件尺寸精度和表面質量的控制主要與合金液的熔煉質量和澆注質量的精確控制有關。DU等[45]研究發現，采用復合加載-局部補縮技術可消除典型半固態觸變模鍛成形件中的微裂紋等缺陷，實現制件組織和性能的均勻化控制。

杜之明等[46]采用液態模鍛成形技術制備了特種車輛履帶板用Al2O3sf·SiCp纖維與顆粒混雜增強鋁合金復合材料，發現其耐磨性能與鋼質履帶板材料Mn13鋼的相當，且履帶板的質量大幅減輕。陳平和[47]采用液態模鍛成形技術成功制備了東風140復合材料鋁活塞，并完成了工程化應用。

杜之明等[48]設計了特種車輛負重輪與履帶板成形專用模具，并在模具中增加了水冷循環系統，解決了模具熱疲勞問題，延長了模具的使用壽命。徐紀平[49]設計了一種可更換模的液態模鍛成形齒輪模具，滿足齒輪液態模鍛件外表輪廓清晰、成形精度高、內部組織致密、力學性能好的成形要求，可用于鋅合金、鋁合金、銅合金齒輪的成形。徐國興等[50]設計了一種用于生產鋁合金輪轂坯料的整體鋁合金輪轂的液態模鍛空冷模具，上、下模分別采用分體結構，不僅便于模具的修復和更換，而且提高了模具的使用壽命，減少了維修費用。

我國液態模鍛設備的研制起步晚，但發展比較迅速。我國臺灣地區率先開發了久大立式液態模鍛機，并逐漸演變為1 500～12 000 kN等6種系列的液態模鍛成形設備[51]。蘇州三基鑄造裝備股份有限公司設計生產了最大合模力為10 000 kN的MLC-1000型臥式輕合金鑄造機，在液態模鍛設備領域取得突破性進展，顯著提高了我國液態模鍛行業的整體水平[52]。

4 結束語

隨著裝備輕量化、零部件設計、鋁合金材料等方面的發展、新興成形技術的出現、表面處理技術的進步、記憶塑性成形理論與凝固理論的完善，鋁合金液態模鍛成形技術將面臨更嚴格的技術挑戰。鋁合金液態模鍛成形技術需要在以下幾個方面進行不斷的完善和發展。

(1) 目前有關液態模鍛成形技術的研究主要集中在各種材料的應用以及復雜結構的成形等方面，雖然在液態模鍛力學成形理論、液態模鍛諧調方程、塑性成形理論以及液態模鍛模具熱應力等方面也取得一定成果，但是進展緩慢，在鋁合金輕量化液態模鍛成形的需求上仍存在較大缺口。這些成形理論的研究以及液態模鍛成形理論體系的建設與完善將是今后的重點研究方向。

(2) 鋁合金液態模鍛成形技術的研究主要集中于鋁合金材料方面，有關陶瓷顆粒、晶須、纖維增強和混雜增強鋁基復合材料及其成形工藝的研究相對欠缺。鋁基復合材料在性能、特定條件應用等方面具有較大的輕量化優勢，但是成形工藝的復雜性限制了其研究與應用。因此，鋁基復合材料液態模鍛成形也是今后研究的重點和難點。

(3) 流變模鍛成形工藝、復合加載液態模鍛工藝、復合加載-局部補縮消除金屬制件裂紋的工藝、鑄鍛復合一體化成形工藝、半固態充填-塑性變形一體化模鍛工藝以及金屬液態填充、塑性流動復合模鍛工藝等復合成形技術與工藝及其工藝參數的優化將成為今后重點研究方向。

(4) 隨著人工智能和大數據技術的發展，鋁合金液態模鍛成形研究將面臨新的發展機遇，數據挖掘與信息融合技術、智能一體化技術、人工神經網絡技術、自動尋優技術等將在輕量化零部件設計和生產中發揮更大的作用。