高性能金属材料的凝固及成形控制

刘金龙

（佳木斯大学材料科学与工程学院 黑龙江 佳木斯 154007）

1 引言

材料制备加工是决定使用性能的重要因素，近年来，以薄板坯连铸连轧、激光成形、复合铸造、无模成型等为代表，材料制备加工新技术工艺研究受到广泛重视，由于高新技术发展对材料使用性能要求提高，环境问题成为制约经济社会可持续发展的关键因素，材料制备加工技术主要发展目标是材料生产效率化、低成本化。激光快速成形技术在带来材料成分等方面高度柔性的同时，对内部质量控制提出了更高的要求。需要深刻认识成形过程中合金粉末熔化过程、界面等控制规律。研究高性能金属材料成形技术，可以为金属材料组织性能控制提供技术支持，降低制备加工中能源消耗等方面目标。

2 高性能金属材料控制凝固与成形

金属材料是以金属元素为主的材料，具有耐热耐寒等方面优势，高性能金属材料是金属材料的升级，应用价值突出。高性能金属材料生产技术包括耐高低温等工具材料及高温合成材料生产技术；低成本高性能金属复合材料加工成型技术；以提升冶金行业能源利用率为目的的部件制造技术；热交换器用铜绿复合管材新加工技术[1]。

材料制备加工对材料使用产生影响，近年来，喷射沉积等加工工艺受到国内外广泛关注，因新技术发展对材料性能要求较高，今后材料高性能加工模式成为材料制备加工技术发展主流趋势。材料高性能途径包括对已有材料开展升级优化处理，利用技术与工艺创新手段提升材料使用性能；实施新型材料开发，在实施热处理及成形等处理时，需对材料组织结构精准管控，这是实现传统材料高性能的关键。以材料最终使用要求为着手点，通过外场作用调节，开展凝固及成形加工，做好形状尺寸及成形控制，确保提升材料制备加工效率及质量[2-3]。控制将为结构调控增塑成型，分散凝固-控制成形等典型技术作为首选。开展技术研究需要按照共性基础科学问题内容研究，实现对控制成形基础理论发展的推动，确保可在精确控制性等关键技术方面得到较大进展。需要结合光学发展前沿技术，做好技术与经验总结。

技术人员可通过对金属材料凝固相形状及成本顺序等内容控制，完成新型材料研发，如结合对相的形状及其他内容调控加工复合型材料；通过对半固态铝合金材料凝固控制，保证材料力学性能水平；达到使用要求的最终组织，确保流程长度可控制在合理范围内，如以定向凝固原理为基础开发的暴毙光亮铜管连铸工艺，实现对生产工艺时间的压缩。铸造材料时刻通过对金属流动控制实现对凝固精确控制，达到对组织尺寸科学控制的目标，以及组织性能一体化控制效果，推动高质量铸件生产技术发展。对凝固剂成形等过程组织结构合理调控优化，确保传统塑性加工等过程精准度提高，实现对短流程高效制备加工技术的推动。

3 高性能金属材料控制凝固成形技术的意义

高性能金属材料控制凝固成形思路是通过外场所用对凝固成形、热处理等各阶段组织结构形成与遗传演化施加精确控制，实现材料高性能制备加工。（1）发展高性能金属材料控制凝固技术，通过精确控制金属材料凝固中相的种类与生成顺序、晶粒的大小，研发新材料。如通过精确调控凝固相的生成顺序，及剩余液相非晶形成能力，制备内生韧性相/非晶符合材料，（2）获得试用要求的最终组织，省略后期组织调控加工处理，如基于定向凝固原理开发暴毙光亮铜管连铸技术，可使成才率提高到85%以上。（3）显著提高金属材料的性能，如半固态铝合金材料，其力学性能等可得到显著提高。

铜管精确控制塑性加工中金属流动，改善凝固组织，获得具有特定高性能的材料，可缩短工艺路程，实现特殊部件的精确成形；铜管精确控制铸造过程温度场，可获得均匀无缺陷组织，实现组织性能精确控制；发展凝固、塑性加工等全过程组织结构综合调控技术，有利于在凝固等精确控制基础上，发展短流程高效制备技术。通过全过程微结构精确控制，可提高合金加工性能[3]。发展高性能金属材料控制凝固技术，是实现产品组织形状尺寸精确控制，减少制备加工资源的核心关键技术，是开发高新性能材料的重要途径。

4 高性能金属结构激光直接成形技术

高性能金属零件激光快速成形技术是结合激光熔覆盖技术发展的先进制造技术，通过激光熔化同步疏松原料粉末，在沉积基板配合运动下，通过不断生长制备零件，突破传统去除加工方法的限制,显著缩短零件制造周期；可以方便地通过材料调节，实现多种材料集成制造，在国防装配建设中具有重要发展应用前景；沉积零件具有致密的组织，在同系统上可进行不同材料的制造。

美国首先在1995年提出高性能金属零件激光快速成形技术，Sandia国家实验室研究不锈钢、钛合金等材料组织性能，显示出技术在高性能金属零件成形方面的优势。美国的Stanford University，英国的University of Liverpool等发展成为SDM、DMD、DLF、LDC等新技术，其原理方法相同,系统配备激光器有ND：YAG固体激光器，成形材料包括钛合金等。激光快速成形金属零件具有细小的组织[4]。在大型钛合金结构件成形方面优势突出，高性能钛合金结构激光快速成形是研究重点。1997年，美国成立从事钛合金飞机结构件激光快速成形技术开发应用A e r o公司，进行应用关键技术研究。由于成形钛合金结构件疲劳性能低，公司2005年关闭。

我国在1999年开始金属零件激光快速成形技术，国家自然科学基金重点项目等大力支持下，开展多种钛合金成形研究，成形T A15等钛合金力学性能达到锻件水平。近年来，我国飞机钛合金大型结构件激光快成形取得重要突破，成形飞机钛合金结构件综合力学性能达到钛合金模锻件。但激光快速成形技术在高性能金属零件制造方面存在许多问题。

5 高性能金属材料喷射成形技术

喷射成形技术是80年代后工业发达国家发展的新材料先进制备加工技术，采用高压惰性气体将金属液流雾化破碎成液滴，沉积收集到接收器中使其积累生长，可从液态金属制取具有快速凝固组织特征的管坯等不同形状沉积坯件。

采用喷射成形工艺制备材料，材料冷却凝固速度提高，各种析出宏微观偏析得到有效控制，可通过冶金操作完成工序，省去粉末制备等多道生产工序。目前工业发达国家利用喷射成形技术在高温合金等先进材料开发方面取得很大进展[5]。过共晶A l-S t系合金具有重量轻等优点，主要用于制造汽车发动机等耐磨零部件。但由于材料形状不规则，冶炼中材料初晶S i相尺寸达100 μm,采用喷射成形技术制备过共晶Al-Si系合金，使得材料具有优良力学性能，由于材料制备工序缩短，有效控制材料生产成本。

喷射成形过共晶Al-Si系合金用途是制造汽车发动机关键部件，如德国P E A K公司采用喷射成形技术生产大尺寸过共晶Al-Si系合金圆锭，Al-Si系合金圆锭是目前德国Daimler-Ben公司生产的最先进的V6发动机总标准部件。1997年，日本开始采用喷射成形技术生产大尺寸过共晶A l-S i系合金圆锭，目前美国福特汽车公司等在联合开发喷射成形过共晶A l-S i系合金轿车发动机气缸内衬套产品。

国内喷射成形技术研发工作起步较晚，新时期在国家高技术计划新材料领域支持下，建立第二代喷射成形设备，可在中试规模上制造最大尺寸φ300×30×500 mm的管坯，设备适用材料制备范围包括铜合金等。利用喷射成形技术制备多种过共晶Al-Si系合金材料。喷射成形制坯实验在SF-200喷射成形设备上进行，合金熔体过热度为100～150℃，沉积接受距离350～500 mm，最终制备出外形尺寸φ150×180 mm不同合金成形喷射过共晶Al-Si系合金圆锭。选用热挤压工艺参数为挤压速度2 m/min，将沉积坯件剥皮后得到直径φ128 mm圆锭挤压成形φ24 mm棒材，工艺参数为室温时效96 h，选用NEOPHOT-2型光学显微镜对材料组织进行观察，对材料组成进行分析[6]。见表1。

表1 喷射成形过共晶Al-Si系合金高温力学性能

经排水阀测试，沉积态圆锭致密度达到材料理论密度的95%以上，采用喷射成形工艺可制备接近全致密的合金沉积坯件。沉积态过共晶A l-S i系合金组合由α-A l组成，喷射成形工艺中较高冷却凝固速度抑制α-A l晶粒生长，初晶尺寸为2～3μ m，喷射成形材料具有的组织特征使材料获得更好热变形加工性能。对传统铸造工艺生产过共晶A l-S i系合金中存在戴亮粗大初晶S i相，导致高脆性，使得合金无法进行热变形加工。喷射成形过共晶A l-S i系合金由于基体组织被细化，可以在较低温度下进行较大变形加工，对抑制后续热加工合金基体组织长大具有重要意义。