原標(biāo)題：高性能擠壓鑄造鋁合金研究進(jìn)展

摘要：航空航天、汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)低成本、高質(zhì)量、高性能鋁合金提出了極大需求，采用擠壓鑄造成形方法制備的鋁合金零部件具備組織致密、各向異性弱、鑄造缺陷少和力學(xué)性能高等優(yōu)勢(shì)。目前，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適于擠壓鑄造的合金體系及其制備工藝是發(fā)展擠壓鑄造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。對(duì)直接擠壓鑄造、間接擠壓鑄造和半固態(tài)擠壓鑄造等方法進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)擠壓鑄造鋁合金進(jìn)行了歸類與整理，為今后采用擠壓鑄造制備高性能鋁合金零件提供參考。最后，總結(jié)指出了發(fā)展擠壓鑄造鋁合金零件面臨的挑戰(zhàn)和今后需要研究的重點(diǎn)。

鋁合金具備密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能良好等特點(diǎn)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料中已大量應(yīng)用。目前，結(jié)構(gòu)件的輕量化發(fā)展對(duì)鋁合金力學(xué)性能的要求越來(lái)越高。然而，凝固糊狀區(qū)寬大的鋁合金在凝固過(guò)程中易形成氣孔、縮松和縮孔等鑄造缺陷，并可能會(huì)誘發(fā)熱裂紋，嚴(yán)重影響鑄造鋁合金力學(xué)性能。

表1：采用擠壓鑄造工藝制備的合金部件

擠壓鑄造工藝在機(jī)械靜壓力作用下，使金屬熔體發(fā)生充型、高壓結(jié)晶凝固、補(bǔ)縮和少量的塑性變形，是一種兼具鑄造和鍛造特點(diǎn)的短流程、高效、近凈成形技術(shù)。擠壓鑄造壓力可提高金屬熔體充型、補(bǔ)縮能力，對(duì)合金的鑄造性能要求較低，選材范圍廣，適用于大部分鑄造和變形合金。表1為可采用擠壓鑄造工藝生產(chǎn)制備的合金種類及部件。由于擠壓鑄造的高壓力可以提高冷卻速度、細(xì)化晶粒，獲得致密組織，減弱合金各向異性，因此擠壓鑄造零部件的力學(xué)性能較傳統(tǒng)鑄件可得到顯著改善。由此可見，擠壓鑄造是航空航天、汽車等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)輕量化和高性能目標(biāo)的重要技術(shù)手段之一。吉澤升等總結(jié)了擠壓鑄造工藝在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并列舉了擠壓鑄造在汽車輕量化方面應(yīng)用實(shí)例。

1、擠壓鑄造工藝

依據(jù)擠壓鑄造過(guò)程中所施加壓力的作用方式，擠壓鑄造工藝可分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩大類，見圖1。直接擠壓鑄造類似于鍛造工藝，擠壓力直接作用在金屬液上，一般適于形狀不太復(fù)雜的厚壁鑄件。間接擠壓鑄造是在擠壓沖頭的作用下使金屬液通過(guò)澆道充型。間接擠壓鑄造工藝大致與壓鑄工藝接近，但其擠壓力較大、充型速度相對(duì)較小。

圖1：擠壓鑄造示意圖

近年來(lái)，一些擠壓鑄造新技術(shù)相繼出現(xiàn)，例如雙重?cái)D壓鑄造（又稱連鑄連鍛）、半固態(tài)擠壓鑄造等。雙重?cái)D壓鑄造結(jié)合了間接擠壓鑄造和直接擠壓鑄造工藝的特點(diǎn)，依靠間接擠壓工藝成形毛坯，采用直接擠壓工藝（閉式模鍛）壓實(shí)鑄件。雙重?cái)D壓鑄造可生產(chǎn)內(nèi)部組織致密、形狀及尺寸精確的較復(fù)雜鑄件，能夠解決間接擠壓鑄造中“壓力補(bǔ)縮”功能差的問(wèn)題。如雙重?cái)D壓鑄造可降低大型Al-Si-Mg-Cu合金輪轂厚大部位的縮裂缺陷。

半固態(tài)擠壓鑄造是將含有球晶或近球晶固相的固液混合物在凝固溫度范圍內(nèi)進(jìn)行擠壓鑄造。依據(jù)半固態(tài)金屬漿料制成后直接流變成形為制件或?qū)牍虘B(tài)坯料再重熔成形，半固態(tài)擠壓鑄造可分為流變擠壓鑄造和觸變擠壓鑄造。其主要應(yīng)用于凝固溫度范圍寬的鋁硅系和鋁鋅系合金，可有效改善縮松、縮孔、熱裂和偏析等鑄造缺陷。

半固態(tài)漿料制備是鋁合金半固態(tài)擠壓鑄造中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，漿料的質(zhì)量會(huì)影響擠壓鑄造充型、液相偏析等，進(jìn)而影響鑄件的力學(xué)性能。半固態(tài)漿料制備方法有常規(guī)的細(xì)化劑法、機(jī)械攪拌法和電磁攪拌法，以及效果更好、簡(jiǎn)便節(jié)能的新方法，如環(huán)縫式電磁攪拌法、低過(guò)熱度剪切澆注法、強(qiáng)制對(duì)流流變成形法和蛇形管澆注法等。近年來(lái)，高質(zhì)量半固態(tài)漿料制備方法不斷得到發(fā)展，DAI W等采用工藝簡(jiǎn)單、效率高的間接超聲振動(dòng)法制備出Al-4.8Cu-0.8Mn-0.3Ti合金半固態(tài)漿料。經(jīng)擠壓鑄造后，獲得的合金組織更加細(xì)小均勻。T5熱處理后，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率高達(dá)326.5 MPa和11 %。然而，受應(yīng)用條件及設(shè)備等方面的限制，目前大部分半固態(tài)漿料制備方法依然處于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)階段，還有待于進(jìn)一步的研發(fā)。

2、擠壓鑄造鋁合金

鋁銅、鋁硅及鋁鋅系合金應(yīng)用廣泛，其擠壓鑄造工藝不斷得到發(fā)展和優(yōu)化，特別是鑄造性能較好的鋁硅系合金。雖然擠壓鑄造已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造，但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在縮松、縮孔和偏析等鑄造缺陷，導(dǎo)致力學(xué)性能不穩(wěn)定。此外，擠壓鑄造材料體系、零件結(jié)構(gòu)以及設(shè)備和技術(shù)差異會(huì)導(dǎo)致鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定、合格率低。影響擠壓鑄造工藝的主要因素包括：熔體質(zhì)量、比壓、澆注及模具溫度、沖頭速度、施壓及保壓時(shí)間、留模時(shí)間和鑄型涂料等。李魯?shù)劝l(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠壓鑄造比壓由90 MPa增到130 MPa時(shí)，6061鋁合金的鑄造缺陷減少，晶粒細(xì)化，其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率由115 MPa和4.5%增至174 MPa和9.1%。然而，繼續(xù)增大擠壓鑄造比壓，顯微組織和力學(xué)性能未有明顯變化。因此，針對(duì)不同系列鋁合金以及不同形狀和尺寸的鑄件，都需要對(duì)擠壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制和優(yōu)化，才能充分發(fā)揮其工藝優(yōu)勢(shì)。

2.1 鋁銅系合金

鋁銅系合金具有較高強(qiáng)度和良好耐熱性，但其凝固區(qū)間較大，易形成縮松和熱裂等鑄造缺陷。相較于普通鑄造，擠壓鑄造鋁銅系合金鑄件的鑄造缺陷較少，力學(xué)性能明顯增強(qiáng)。JAHANGIRI A等發(fā)現(xiàn)，增大擠壓鑄造壓力（一定范圍內(nèi)）和降低澆注溫度可使AA2024合金晶粒細(xì)化、孔隙率減少。澆注溫度為700 °C、比壓為140 MPa時(shí)，枝晶間距和孔隙直徑分別減小到12.5 μm和0.25 μm，并出現(xiàn)平均粒徑為80 nm的超細(xì)晶粒。石亞等發(fā)現(xiàn)，隨施壓熔體溫度的升高，擠壓鑄造Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe-0.1Ti-0.1RE合金α-Al二次枝晶間距、第二相體積分?jǐn)?shù)和鑄造缺陷均減小，見圖2。當(dāng)合金熔體溫度為650 °C時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率可分別達(dá)到299 MPa和17.5%。

圖2：不同施壓熔體溫度下Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe合金的SEM組織

然而，擠壓鑄造鋁銅系合金依然會(huì)出現(xiàn)縮松、熱裂紋等鑄造缺陷。在比壓為50 MP、澆注溫度為730 °C和模具溫度為250 °C時(shí)，擠壓鑄造Al-5Cu-0.4Mn合金會(huì)出現(xiàn)縮松、裂紋等鑄造缺陷（見圖3）。研究表明，在合適的澆鑄和模具溫度下，通過(guò)增大擠壓力的方法可獲得致密且尺寸較細(xì)的顯微組織，以減少縮孔、縮松及降低熱裂傾向。此外，對(duì)于鋁銅合金來(lái)說(shuō)，擠壓鑄造可以和熱處理工藝結(jié)合，進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能。SARFRAZ S等將擠壓鑄造Al-3.5Cu合金進(jìn)行原位熱處理，發(fā)現(xiàn)合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率比鑄態(tài)合金明顯提高，從261.5MPa和7.6%增到284.6MPa和8.7%。LIN B等發(fā)現(xiàn)，相較于普通鑄造，擠壓鑄造Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金內(nèi)θ析出相增多。同時(shí)，合金中有更致密、耐熱的Al9FeNi和Al3CuNi相析出，且β-Fe相和孔隙減少，降低了應(yīng)力集中和微孔或裂紋的形成，使合金的力學(xué)性能提高。表2為部分?jǐn)D壓鑄造鋁銅合金的力學(xué)性能，擠壓鑄造鋁銅系合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率可高達(dá)450 MPa和20%以上。

圖3：擠壓鑄造Al-5Cu-0.4Mn合金的縮松、裂紋SEM形貌

鋁合金中的銅元素為強(qiáng)偏析元素，鋁銅系合金共晶相在擠壓鑄造過(guò)程中可從固體骨架中擠出，滲出到鑄造表面，從而產(chǎn)生缺陷。甘耀強(qiáng)等研究了擠壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)AI-5Cu-0.4Mn合金顯微組織及銅元素分布的影響。發(fā)現(xiàn)隨著擠壓鑄造比壓增大，α-Al晶粒發(fā)生明顯細(xì)化，但較高的澆注及模具溫度會(huì)使組織變得粗大。在擠壓鑄造壓力作用下，晶間富銅液相通過(guò)枝晶骨架通道被擠向鑄件內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致銅含量從鑄件邊緣到心部呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，消除了重力鑄造條件下銅元素的逆偏析現(xiàn)象。在鑄造比壓為100 MPa、澆注溫度為680～730 ?C和模具溫度為200 °C的工藝條件下，可獲得晶粒細(xì)小、組織致密、宏觀偏析較少的AI-5Cu-0.4Mn合金。研究表明，降低澆注溫度可以抑制鋁銅系合金中銅元素在液相中的擴(kuò)散，避免富銅液相通過(guò)枝晶間隙流向鑄件“熱節(jié)”附近形成偏析帶。此外，減小擠壓力可使液相流動(dòng)速度降低，也可減少宏觀偏析。CHEN G等采用超聲輔助擠壓鑄造生產(chǎn)出表面質(zhì)量好、形狀復(fù)雜的2024合金零件。在超聲輔助的擠壓鑄造過(guò)程中，鑄件微觀組織得到明顯細(xì)化，粗大樹枝晶演變成細(xì)小等軸晶，偏析減弱。

表2：擠壓鑄造鋁銅系鋁合金力學(xué)性能

更重要的是，擠壓鑄造可改善鐵等元素對(duì)鋁銅系合金性能的危害。LIN B等研究發(fā)現(xiàn)，擠壓鑄造可有效減少Al-5.0Cu-0.6Mn-xFe合金內(nèi)富鐵相（尤其是脆性β-Fe相）的析出（見圖4），進(jìn)而提高合金的力學(xué)性能，且增加了合金的可回收利用率。LIN B等[29]發(fā)現(xiàn)，擠壓鑄造Al-6.05Cu-0.59Mn-0.08Si-0.54Fe合金（經(jīng)T7熱處理）的室溫和高溫（300 °C）力學(xué)性能相對(duì)于普通鑄造合金（經(jīng)T7熱處理）均有所提升。比壓為75 MPa時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率可高達(dá)397 MPa、361 MPa和8％。該優(yōu)異的力學(xué)性能是由于擠壓鑄造可以細(xì)化晶粒尺寸和富鐵金屬間化合物，降低孔隙率并提高α-Al基體中的θ相數(shù)密度。但是，高溫下晶粒粗化和晶界弱化導(dǎo)致高溫強(qiáng)度提升不明顯。

圖4：富鐵金屬間化合物的典型三維形態(tài)：（a）0.5%Fe，0 MPa; （b）0.5%Fe，75 MPa; （c）1.0%Fe，0MPa，（d）1.0%Fe，75MPa

2.2 鋁硅系合金

鋁硅系合金膨脹系數(shù)小，具備良好的鑄造流動(dòng)性和耐磨性，在鑄造鋁合金中用量占比較大。對(duì)于亞共晶鋁硅系合金，針狀共晶硅會(huì)影響合金的強(qiáng)度和塑性。通過(guò)改性共晶硅、細(xì)化晶粒和減少鑄造缺陷可以提高鋁硅系合金的力學(xué)性能。表3為部分?jǐn)D壓鑄造鋁硅合金的力學(xué)性能，擠壓鑄造工藝可明顯提高鋁硅系合金的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)430 MPa以上。

表3：擠壓鑄造鋁硅系鋁合金力學(xué)性能

王春濤等研究了Al-7Si-Mg合金在擠壓鑄造過(guò)程中壓力對(duì)收縮缺陷形成的影響。圖5為在不同擠壓鑄造壓力下合金凝固過(guò)程中溫度與壓力的變化曲線，P為合金凝固過(guò)程中的底部壓力。凝固結(jié)束前，50 MPa鑄造比壓難以使鑄件的凝殼繼續(xù)變形，對(duì)內(nèi)部糊狀區(qū)的補(bǔ)縮作用減弱，因而在底部壓力達(dá)到極小值后的凝固階段容易產(chǎn)生收縮缺陷。鑄造比壓增大到75 MPa，凝殼達(dá)到臨界尺寸的時(shí)間推遲，鑄件易產(chǎn)生缺陷的時(shí)間區(qū)間變窄,而在100 MPa的鑄造比壓下，凝殼可以持續(xù)發(fā)生變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部糊狀區(qū)的補(bǔ)縮，消除收縮缺陷。MALEKI A等發(fā)現(xiàn)，擠壓鑄造壓力（外壓小于100 MPa）會(huì)減小LM13（Al-12.3Si-1.3Cu-1.2Mg-0.4Fe）合金中α-Al的晶粒尺寸和二次枝晶間距（SDAS），并降低共晶硅顆粒的平均長(zhǎng)徑比。ABOU E L的研究表明，增大擠壓鑄造壓力可以獲得組織致密的Al-6Si-0.3Mg合金。在鑄造比壓為160 MPa的條件下，合金屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到114、132 MPa和6.5%。而且，與普通鑄造合金相比，合金達(dá)到峰值時(shí)效所需的時(shí)間減少，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均明顯提高，分別達(dá)到190 MPa、208 MPa和8%。

圖5：不同擠壓鑄造壓力下的溫度與壓力變化曲線（TC1和TC2為鑄件溫度，TM1和TM2為模具溫度）

元鵬等發(fā)現(xiàn)隨著澆注溫度降低，Al-7Si-0.4Mg-0.3Er擠壓鑄造件組織中粗大樹枝狀α-Al晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，?xì)小發(fā)達(dá)樹枝晶數(shù)量減少，但晶間Er-π-AlFeMgSi相增多。此外，提高擠壓速度也可減小粗大樹枝狀α-Al晶粒尺寸，提高晶界處Er-π-AlFeMgSi相分布的均勻性。舒櫻等研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制模具溫度可實(shí)現(xiàn)鑄件順序凝固，提高擠壓鑄造Al-9Si-1.8Cu-1Mn-0.12Ti合金的力學(xué)性能。通過(guò)T6熱處理后，擠壓鑄造Al-9Si-1.8Cu-1Mn-0.12Ti合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別高達(dá)282 MPa、388 MPa和8%。姜博等發(fā)現(xiàn)，隨著固溶時(shí)間增加，擠壓鑄造ADC12合金中粗大片狀共晶硅和針狀A(yù)l5FeSi相可細(xì)化為顆粒狀，斷裂形式由準(zhǔn)解理斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變，抗拉強(qiáng)度提高（固溶10 h時(shí)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)274 MPa）。

除了擠壓鑄造工藝參數(shù)優(yōu)化，合金化及孕育變質(zhì)能夠細(xì)化擠壓鑄造鋁硅系合金組織，提高其力學(xué)性能。徐松等發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)添加鎂元素，可細(xì)化共晶硅，進(jìn)而提高Al-10Si-2.5Cu合金的力學(xué)性能。T6熱處理后，Al-10Si-2.5Cu-1.5Mg合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到305 MPa。JIANG B等發(fā)現(xiàn)，加入Mg-15La能夠促使擠壓鑄造Al-11Si-2.5Cu-0.8Fe合金高溫熔體中形成亞穩(wěn)態(tài)的富La相納米顆粒，可作為共晶硅的有效異質(zhì)形核點(diǎn)，細(xì)化共晶組織。T6熱處理后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別高達(dá)262 MPa、350 MPa和5.5%。

相較于液態(tài)擠壓鑄造，半固態(tài)擠壓鑄造工藝的澆注溫度低，固液相濃度差小，不易發(fā)生偏析。WANG S等采用近液相擠壓鑄造技術(shù)制備ADC12（Al-10.56Si-1.91Cu-0.85Fe-0.55Zn）合金，發(fā)現(xiàn)沿鑄件壁厚方向共晶相的體積分?jǐn)?shù)降低而α-Al相體積分?jǐn)?shù)升高。GUAN R G等通過(guò)半固態(tài)擠壓鑄造制備A356合金（Al-7Si-0.43Mg-0.19Fe），發(fā)現(xiàn)其可以細(xì)化晶粒，消除液態(tài)擠壓鑄造組織中常發(fā)生的共晶相偏析和局部偏析。半固態(tài)擠壓鑄造A356合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到232 MPa和約7%，比傳統(tǒng)擠壓鑄造合金分別提高了12%和21%。

研究表明，將擠壓鑄造和其他工藝有效結(jié)合可減少鑄造缺陷，提高鑄件質(zhì)量和力學(xué)性能。AJAY KUMAR P等[43]利用攪拌摩擦工藝將石墨烯納米片摻入A356合金基體中可顯著改善其力學(xué)性能。擠壓鑄造鋁基復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別高達(dá)190 MPa、357 MPa和12％。熊禹等[44]利用擠壓鑄造和鍛造結(jié)合的方式制備ADC12合金，鑄鍛復(fù)合后晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)分別為287.75 MPa和4.4%，較普通擠壓鑄造ADC12合金分別提高19.8%和340%。

在汽車工業(yè)中，過(guò)共晶鋁硅合金（硅含量大于13%）是用于生產(chǎn)活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸套的理想材料。常規(guī)鑄造過(guò)共晶鋁硅系合金中存在粗大的初生硅相，會(huì)降低韌性并嚴(yán)重影響其綜合力學(xué)性能。研究表明，擠壓鑄造能明顯改善過(guò)共晶Al-xSi合金的顯微組織。LI R等發(fā)現(xiàn)，與重力鑄造相比，擠壓鑄造過(guò)共晶鋁硅合金中的共晶硅相發(fā)生明顯細(xì)化，同時(shí)初生硅相的尺寸和數(shù)量減小（見圖6）。此外，隨著硅含量的增加，初生硅相的尺寸和含量增加，α-Al枝晶的占比分?jǐn)?shù)逐漸降低。

一般認(rèn)為，在過(guò)共晶鋁硅合金中添加鐵元素可以改善其熱穩(wěn)定性。但是，鐵可與鋁和硅結(jié)合形成較粗的板狀或針狀富鐵相，不利于合金的室溫力學(xué)性能。研究表明，改變擠壓鑄造工藝參數(shù)可調(diào)控富鐵相尺寸，如隨著鑄造比壓從100 MPa增加到300 MPa，富鐵的過(guò)共晶鋁硅合金中針狀富鐵相的尺寸減小。此外，在合金熔體的凝固過(guò)程中采用輔助調(diào)控技術(shù)，如超聲波振動(dòng)技術(shù)，可以進(jìn)一步細(xì)化針狀富鐵相。

圖6：壓力對(duì)合金微觀組織的影響：（a）重力鑄造Al-15 Si合金；（b）擠壓鑄造Al-15 Si合金；（c）重力鑄造Al-17.5 Si合金；（d）擠壓鑄造Al-17.5 Si合金；（e）重力鑄造Al-22 Si合金；（f）擠壓鑄造Al-22 Si合金

2.3 鋁鋅系合金

鋁鋅系高強(qiáng)鋁合金在航空航天、機(jī)械、船舶等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，但其產(chǎn)品主要為軋制、擠壓板材和型材，很難制備出形狀復(fù)雜的零件。擠壓鑄造工藝為鋁鋅系合金鑄造成形提供了可行途徑，有望實(shí)現(xiàn)“以鑄代鍛”。但是，鋁鋅系合金存在凝固溫度范圍寬，鑄件易產(chǎn)生縮松、縮孔和熱裂缺陷等問(wèn)題。因此，擠壓鑄造鋁鋅系合金只適合生產(chǎn)形狀簡(jiǎn)單的厚壁件，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)擠壓鑄造鋁鋅系合金的研究主要集中于熔體的細(xì)化與均勻化處理和半固態(tài)漿料的制備等。隨著擠壓鑄造工藝的發(fā)展及合金成分的優(yōu)化，擠壓鑄造鋁鋅系合金件的力學(xué)性能接近于鍛件水平，制得的零件也越來(lái)越復(fù)雜、體積也越來(lái)越大。表4為部分?jǐn)D壓鑄造鋁鋅系合金的力學(xué)性能，其最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)600 MPa以上。

與重力鑄造相比，擠壓鑄造合金組織具有更小的DAS和晶粒尺寸，且力學(xué)性能更好。KIM等研究發(fā)現(xiàn)，增大擠壓鑄造壓力，會(huì)使7075合金的凝固速度增加，η′析出相的形核位置增多，析出強(qiáng)化增強(qiáng)。FAN C H等發(fā)現(xiàn)，擠壓鑄造Al-5.4Zn-2.4Mg-1.7Cu-0.3Mn-0.2Cr合金中α-Al晶粒尺寸和枝晶臂間距（DAS）隨鑄造溫度的升高而增加。SHIN S S等[52]發(fā)現(xiàn)擠壓鑄造工藝可改善Al-xZn-3Cu合金（x=30，40，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）的強(qiáng)塑性。比壓為100 MPa時(shí)，鑄態(tài)Al-40Zn-3Cu合金的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率可高達(dá)380 MPa、470 MPa和9%。

李楠等采用流變擠壓鑄造（斜坡冷卻+擠壓鑄造）的方法制備了7075合金，發(fā)現(xiàn)α-Al晶粒尺寸較小，鑄造缺陷少。經(jīng)T6熱處理后，流變擠壓鑄造7075合金力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度高達(dá)502 MPa，伸長(zhǎng)率可達(dá)5.3%。陳振華等發(fā)現(xiàn)加入0.39 % RE后，擠壓鑄造7075合金傳動(dòng)空心軸鑄件中α-Al晶粒細(xì)化，并出現(xiàn)少量的薔薇狀組織。當(dāng)同時(shí)加入0.29% RE和1 % A1-5Ti-B時(shí)，合金組織細(xì)化最明顯（平均晶粒尺寸從普通擠壓鑄造組織的50 μm減小到18 μm），抗拉強(qiáng)度高達(dá)575 MPa，伸長(zhǎng)率為8.16%。張樹國(guó)等將剪切低溫澆注式（LSPSF）半固態(tài)制漿工藝和立式流變擠壓鑄造成形有效結(jié)合來(lái)制備7075合金，發(fā)現(xiàn)提高擠壓鑄造壓力，液相偏析有增大傾向。隨著鑄造比壓從50 MPa增加到110 MPa，合金的抗拉強(qiáng)度從275.0 MPa上升到310.4 MPa。此外，ZHENG C K等研究發(fā)現(xiàn)，擠壓鑄造工藝不僅可以提高Al-7.0Zn-2.5Mg-2.1Cu合金的強(qiáng)度和塑性，還可提高其耐疲勞性能。

表4：擠壓鑄造鋁鋅系鋁合金力學(xué)性能

3、結(jié)語(yǔ)

航空航天、汽車等領(lǐng)域?qū)Τ叽绺鼮榫?、形狀更加?fù)雜的大型薄壁鋁合金鑄件的需求推動(dòng)了新型擠壓鑄造技術(shù)的發(fā)展。雖然擠壓鑄造壓力可以促使凝固鑄件與模具緊密接觸，增加鑄件/模具間的傳熱，細(xì)化凝固組織，明顯提高鑄件力學(xué)性能。然而，縮孔、縮松等鑄造缺陷仍無(wú)法避免。因此，要根據(jù)不同零件、材料和設(shè)備，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合，系統(tǒng)研究擠壓鑄造充型、凝固過(guò)程中的組織和性能演變及調(diào)控機(jī)制，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高擠壓鑄造件質(zhì)量的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)高性能擠壓鑄造鋁合金可控制備，當(dāng)前仍面臨一系列挑戰(zhàn)。

（1）合金成分需進(jìn)一步優(yōu)化。目前實(shí)際應(yīng)用中，主要是使用商業(yè)鑄造鋁合金成分進(jìn)行擠壓鑄造，并未有專門擠壓鑄造鋁合金成分，需針對(duì)擠壓鑄造工藝特點(diǎn)開發(fā)適于擠壓鑄造的新型鋁合金成分。

（2）擠壓鑄造工藝需創(chuàng)新及優(yōu)化。半固態(tài)漿料的質(zhì)量會(huì)影響擠壓鑄造充型、液相偏析等，進(jìn)而影響擠壓鑄造件的力學(xué)性能。所以，高質(zhì)量半固態(tài)漿料制備方法值得深入研究。此外，需探索擠壓鑄造和其他工藝的有效結(jié)合，消除或減弱鑄造缺陷，提高擠壓鑄造件質(zhì)量和力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)新型擠壓鑄造工藝穩(wěn)定生產(chǎn)以及規(guī)?；瘧?yīng)用。

（3）建立擠壓鑄造合金成分-工藝-組織-性能關(guān)系。對(duì)擠壓鑄造鋁合金成分、制備工藝、組織及性能進(jìn)行全流程研究，實(shí)現(xiàn)高性能擠壓鑄造鋁合金的可控制備。

作者：
賈海龍 周文強(qiáng) 王思清 馬品奎 宋家旺 查敏 王慧遠(yuǎn)
吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院汽車材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第11期