摘要：镁合金半固态成形技术是近年来镁合金成形研究的一个热点，是镁合金近终成形的一个重要研究方法。本文概述了镁合金半固态的概念、分类、制备工艺及性能优点，介绍了镁合金半固态成形等技术的研究现状和应用进展，展望了其发展前景。

关键词：镁合金 半固态 成形技术 应用进展

半固态加工技术是20世纪70年代美国麻省理工学院的M. C. Flemings教授等提出的一种金属成形的新方法，该方法利用金属从液态向固态转变（即液固共存） 过程中所具有的特性进行成形。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能要求较高的零件。因此，国外有专利将半固态加工称为“21世纪最有前途的材料成形加工方法”。

 由于镁合金具有低密度、高比强度等优点，适应了轻量化的发展方向，成为21世纪材料应用的重要组成部分，国内外镁合金研究方兴未艾，成形方法的研究也是其中的一个重要方面。半固态金属成形新工艺与传统液态成形（铸造） 相比，具有低能耗、高精度、高强度、高表面光洁度及减小部件重量等显著优点，已经在许多领域得到应用。

目前浆料制备方法很多,具有代表性的有机械搅拌法、电磁搅拌法、电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法 、喷射沉积法、控制合金浇注温度法等。其中, 电磁搅拌法、SIMA控制法和合金

浇注温度法是最具工业应用前景的方法。

机械搅拌法是最早用于制备半固态浆料的方法之一, 它又可分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。

电磁搅拌法是目前所开发制备半固态浆料或者坯料方法中最为成功的一种, 在实际半固态金属成形中占据了主要地位。其中, 交流感应旋转电磁场搅拌法应用比较广。

SIMA 法是先将合金原材料进行足够的预变形，然后加热到固-液相线之间的某一温度，在加热过程中再结晶，然后部分熔化，使初生相转变为颗粒状，形成半固态组织。SIMA 法工艺流程为：合金熔化浇注→试棒加工→加热→变形→试样切取→半固态等温热处理→水淬→组织观察。

（4）半固态等温热处理法

半固态等温热处理法的制浆原理是在熔融合金中加入变质元素进行常规铸造，然后再将浆料加热到固-液两相区进行保温处理而获得非枝晶组织，其工艺流程为：合金下料重熔浇注→半固态等温热处理→水淬→组织观察。

(5) 化学晶粒细化法

是近几年开发的新方法。通过添加晶粒细化剂或变质剂, 增加外来晶粒数量或改变结晶方式来细化晶粒组织, 使生产的锭坯适合于半固态铸造。

还有双螺旋搅拌法、浇注温度控制法、超声波处理法、剪切-冷却-滚动法SCR、近液相铸造法、 单辊旋转法、喷射沉积法、倾斜冷却板法、转动输送管法、紊流效应法、液体混合法。

(1)减少了气孔率和连续的气孔。半固态成形的镁合金孔隙率为0.4 %～ 1.8 %, 成形件致密度高,不仅可以热处理, 而且具有良好的耐腐蚀能力;

(2)由于减少压缩量, 而减少了残余应力, 改善了平直度和尺寸稳定性;

(3)显著减少了公差, 近终形;

(4)提高了比刚度、比强度和耐热性, 改善了阻尼性能, 为EMI/RFI提供了自然屏障;

(5)提高了伸长率, 超过了ASTM AZ91D合金的技术标准等等。

镁合金半固态技术的研究工作主要集中在非枝晶组织的力学性能、半固态合金搅动时的组织演变、以及半固态等温过程中的组织演变等方面，除了初生固相晶粒的形貌、尺寸和分布以外，影响半固态制品力学性能的重要因素就是半固态材料中液相的凝固组织和凝固行为，特别是Mg₁₇A1₁₂相的生长形貌主要取决于半固态液相的凝固方式及其所决定的凝固组织。因此，有必要在以后的研究工作中进一步加强对半固态金属成形件组织性能的研究。

与传统的液态成形和固态成形相比，半固态浆料由一定比例的固相、液相混合组成，且其中的固相为非枝晶态，因此，金属半固态成形技术具有剪切变稀和静置增稠的特性，铸件的致密性高、零件近终化成形、生产周期短、生产效率高和适用范围广等一系列的优点。目前镁合金半固态成形技术主要有半固态射铸法 、半固态挤压成形和半固态压铸成形三大类。

由于镁合金的密度小、比强度大, 比刚度与铝合金、钢铁基本持平, 电磁屏蔽性能和成形性好, 具有极佳的减震性等特点, 使得半固态镁合金的研究开发与应用受到格外重视。目前镁合金半固态成形研究已涉及AZ、AM、AE、ZK、MEZ系镁合金以及镁锂合金等十余个合金牌号。

美国的DOW化学公司1988年第一个申请了镁合金半固态触变成形 工艺的专利, 并利用Thixomat公司开发出的镁合金半固态触变成形设备, 以AZ91D铸造镁合金碎屑为原料进行了半固态触变成形, 成形件与传统压铸成形件相比, 致密度与抗腐蚀性明显提高。日本的Ranmish, Chandran等人对Mg-Li合金的半固态成形技术进行了研究。近些年, 国内对镁合金半固态成形技术也陆续展开了相关的研究工作。东北大学对AZ91D、ZK60镁合金的半固态制浆及其触变成形性展开了研究。半固态成形主要有触变成形、流变成形、注射成形、半固态轧制、半固态挤压、半固态锻造。

半固态触变成形是应用最广的一种成形技术，包括3个技术环节：非枝晶组织锭料的制备、二次加热和触变成形，其中非枝晶组织锭料的制备是半固态成形的基础与关键。由于半固态坯料的加热和输送工艺方便，且易于实现自动化过程控制，因此半固态触变成形得到了较为广泛地应用，半固态触变压铸、触变锻造和触变挤压等工艺都相对成熟，并进入了工业化应用阶段。由于镁合金材料本身的优良特性，半固态触变注射成形产品优异的综合性能，以及环保方面要求的提高，1996-1999年，镁合金半固态触变注射成形技术在日本迅速发展。目前由于工艺与设备的局限性，触变注射成形的原材料均为铸造合金牌号，且材料的选择性较小，常用的只有AZ91D、AM50A、AM60B和AS41四种，其中应用最成功的是AZ91D。对半固态触变注射成形AZ91D镁合金的微观结构、特性及组织中固相、液相的元素分布情况进行了研究。

美国的EPCO, 瑞士的Buhler, 意大利的IDRAUSA, 加拿大的Produ-cerUSA, 日本的Toshiba Machine CorpchineCorp公司等均能生产半固态铝合金触变成形专用设备。

半固态金属注射成形与塑料注射成形原理相同。注射成形工艺是将半固态金属浆料的制备、输送和成形过程融为一体, 较好地解决了半固态金属浆料的保存输送和成形不易控制等难题, 为半固态金属成形技术的应用开辟了新的前景。又可分为两种方式, 一是直接把熔化的金属液而不是处理后的半固态浆液冷却至适宜的温度, 并辅以一定的工艺条件压射进入型腔后成形;二是将小块状枝晶合金送入螺旋推进系统, 合金被加热推进、压射进入模具型腔后成形。美国康奈尔大学的K .K .Wang 教授等人研制出镁合金注射成形装置, 将半固态浆液从特制的料管加入,经适当冷却、剪切后压射进入型腔。美国威斯康辛的触变成形发展中心, 曾采用加热、推进和注射进行镁合金的半固态成形。注射成形设备包括螺旋推进系统和半固态合金加热源。目前实际应用较多的为镁合金, 不同于触变、流变成形, 注射成形是在推进和压射过程中改善合金组织形态。

射铸成形是已应用于生产镁合金的一种成熟技术, 其成形机中含有一个特殊的螺旋推进系统, 并配有半固态合金加热源。合金的普通铸锭从螺旋推进系统一端加入, 一边被加热一边螺旋搅拌推进, 到达另一端的合金已是有流动性的半固态合金, 随后被射入模型中成形。流变成形比触变成形节省能源, 流程短, 设备简单, 是未来重要的发展方向。

AZ91D镁合金半固态成形工艺研究现状包括机械搅拌法、电磁搅拌法、阻尼冷却管法、应变诱导法（SIMA法）、等径道角挤压。

作为计算机辅助铸造过程设计和生产的一部分, 铸造过程仿真数值模拟技术已开始应用于半固态镁合金铸造。由于半固态金属加工是在液固两相区进行, 合金在半固态状态下具有一定的触变性, 其变形抗力不仅与固相体积分数和剪切速率有关, 还与时间有密切的关系, 其本构关系常用表观粘度来描述: 对半固态加工的模拟要求跟踪半固态浆料的变形历程，因此, 模拟难度较大。目前,绝大部分半固态数值模拟是针对半固态铝合金, 镁合金半固态数值模拟相对较少。

流变铸造过程模拟虽然以热场为主线, 但搅拌作用的影响使问题复杂化。二次加热也是热场问题, 优化加热工艺参数能保证被加热体的温度均匀。触变成形以塑性变形为主, 但因变形体是半固态, 其本构关系的描述与固体金属的本构关系有较大的差别。国内外不少学者对半固态金属加工过程的模拟进行了大量研究工作。

今后的研究方向:

（1） 针对半固态成形过程的组织演变机理，包括组织的细化机理，枝晶破碎判据，重熔产生部位，建立热、力-流动以及强制搅拌等多场耦合的组织演变模型， 实现半固态成形方法制备超细晶粒镁合金产品。

（2） 定量化研究半固态成形工艺对镁合金产品的组织与性能的影响， 将工艺过程参数对组织和性能的影响定量化， 如通过神经元网络模型研究工艺参数对性能的影响， 或通过物理模型预测晶粒形貌在半固态成型过程中的演变； 研究半固态浆料的表观粘度变化规律， 影响因素以及其对成形性影响。

（3） 开发新型镁合金半固态成形工艺， 缩短镁合金产品开发周期，减少成形过程的冶金缺陷，促进镁合金半固态成形工艺简单化、质量稳定和效率提高。

  近十来年, 半固态金属加工技术在工业应用已取得很大进展。世界上有许多国家都开始了半固态金属加工技术的研究和应用开发, 目前, 美国、意大利、瑞士、法国、英国、日本等国家处于领先地位, 并已进入工业应用阶段。在欧洲, 意大利是半固态加工技术商业化应用最早的国家之一。

目前触变注射成形技术是迄今唯一进入实际工业应用的镁合金半固态成形技术，1996-1999年，镁合金半固态触变注射成形技术在日本、美国、加拿大、瑞典、德国、新加坡、韩国、中国台湾等地迅速发展，主要用于汽车、消费类电子产品、电子仪器零部件以及其他消费类或工业产品。Thixotech公司采用触变注射成形技术为Borg Warner公司生产的汽车传动系统零件，生产成本比原来压铸件降低50%左右，零件重量也相应降低30%，可直接安装于汽车传动系统使用。2002年起，我国开始引入此种半固态成形设备，目前共拥有该种设备30余台。

压铸是镁合金铸造最主要的成形工艺。世界镁铸件总产量的93%是用压铸工艺生产的。这主要是由于镁合金具有优良的压铸工艺性能。AZ91D是一种室温使用的主要压铸镁合金，且具有较高的强度及良好的铸造性能。重庆大学、华中科技大学和北京有色金属研究总院等单位分别对半固态触变压铸、流变压铸和流变挤压技术进行了研究。北京有色金属研究总院的张奎和东风汽车公司合作使用8 000 kN挤压机制备AZ91D半固态坯料，然后在2 500 kN的压铸机上制备了性能优良的空压机连杆，成功应用于东风汽车上，同时发现由于半固态在充型过程中粘度要比液态金属高一个数量级，因此在成形过程中，压铸机吨位和射压比要比一般的成形过程要有所提高。

我国台湾镁压铸技术比较发达, 镁压铸企业约有30 多家(少数设在大陆), 拥有冷室、热室压铸机及触变成形镁压铸机约200 台。台湾的压铸镁合金材料主要用于手提电脑、移动电话和数字相机三大产品上。

随着Thixomat 公司推出第一台Thxiomolder 机, 目前除该公司外, 美国的Alumax 金属公司、威斯康辛触变成形发展中心, 以及瑞士的Buhler 公司、意大利的Weber公司都已在进行规模化的半固态镁合金零部件的生产。最近, 德国也推出了一个称为MADICA 的多学科交叉的项目, 其中镁合金半固态触变铸造就是其一, 该项目涉及50 多家合作伙伴, 产品对象为大型、薄壁、近终形箱体和汽车车身零件。

在亚洲, 日本是从事半固态镁合金研究较早的国家, 这与其发达的汽车工业不无关系, 其中的JSW 公司可以提供Thixomolder 设备。值得一提的是, 由于近年信息产业的蓬勃发展, 我国台湾地区电子产品外壳的镁合金市场大增, 随之也出现了大批镁合金压铸生产厂家, 其中位于桃园县的华孚工业股份有限公司, 1999 年从JSW 公司引进了12 台半固态触变成形机, 并计划增至40 台, 到那时就会成为世界上最大的半固态镁合金电脑外壳生产企业。

华中科技大学近两年来一直开展镁合金半固态成形技术的研究, 研究开发出一种新型流变压铸工艺(Rheo-diecasting), 它将熔化的镁液制成半固态后直接压铸成形, 它属于一步法成形。该项核心技术是将半固态镁合金浆料的制备, 运输存储集成于一体, 实现镁合金零件的快速制造。采用该技术生产出的圆盘类薄壁压铸件。

图1  半固态镁合金成形零件

镁合金半固态在近20年的发展中，虽然面临很多问题，但其优异的性能使其成为众多研究者的研究热点，今后的发展将侧重以下几个方向：

（1）对新型低成本、高性能的半固态镁合金成分设计，通过第一原理计算等方法找到适合未来发展需要的低成本、高性能半固态镁合金成分，这将极大地推进镁合金的应用领域。

（2）镁合金组织改性，不断改善镁合金半固态组织形貌、球化微观组织、细化晶粒尺寸，为今后改善镁合金室温性能提供理论依据。

（3）外场作用对镁合金固态浆料制备机理与工艺优化的研究，将外场—电磁场、超声等对半固态浆料影响的微观机制进行解释，从而为外场工艺设计进行合理的参数优化，进而制备出性能更好的半固态浆料。

（4）新型镁合金半固态成形工艺的开发与控制，结合多尺度计算与人工智能全流程控制技术，实现镁合金半固态成形从微观到宏观性能设计，以及半固态成形工艺全过程人工智能控制与优化，实现高质量镁合金半固态工艺的开发与控制。

随着汽车与电子工业的发展, 对产品的轻量化要求越来越高, 镁合金半固态成形与传统的铸造工艺相比具有许多优点, 被称为是21 世纪新一代的近净形技术。目前我国是世界上最大的镁生产国, 但大部分镁作为原材料出口, 本国的需求量并不是很大, 这主要是由于我国在镁合金成形技术的研究和应用方面, 尤其是半固态成形技术与发达国家还有很大差距。因此加强半固态成形这种新技术研究, 结合镁资源十分丰富的西部地区开发, 中国在镁合金的开发与应用方面有着广阔的发展前景。它将对我国国民经济的发展产生重大影响。