等通道转角挤压在半固态加工中的应用研究进展

石羌瑾，孙 虎，王 钰，周 舟，王颖慧

（江苏省宿迁学院材料工程系，江苏 宿迁 223800）

自从20 世纪70 年代以来，半固态金属加工被认为是一项既能改善铸件性能，同时又保留了铸造的制造简单和经济优势的技术[1-3]。在半固态金属加工路线中，触变成型法是将一定比例的非枝晶固相的固液混合浆料先冷却凝固成锭坯，生产时再将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成形的方法[4-6]。触变成形所必需的非枝晶原料可以通过对熔融合金进行机械搅拌或电磁搅拌来实现，这是液体法。然而凝固组织也会受到铸态前塑性变形的影响，这一种技术路线被称为应变诱变熔融激活法（SIMA），适用于各种钢铁材料和有色合金的触变成形。

应变诱变熔融激活法的关键技术在于两次塑性变形[7]。首先，在再结晶温度范围内对铸态坯料进行大变形的热挤压，目的是通过变形打破铸态组织；其次，对热挤压变形后坯料施加少量冷变形，使部分变形能储存在坯料组织中；最后，将两次变形后的金属切成小块，迅速加热至固液两相区并适当保温，才能得到初生相呈球形的半固态金属方坯。

近年来，有学者[8]提出了使用大塑性变形量的等通道转角挤压（ECAP）技术代替两次塑性变形，既简化了加工步骤，也取得了较为理想的半固态组织。同时，ECAP 作为最终处理也可为半固态加工提供较细小均匀的微观组织和提升铸件的致密性[9]，因此在半固态加工领域引起了广泛的关注。

1 半固态加工成形

半固态金属加工中，液态合金的固态组织以近球形存在于浆料中被压入型腔中，从而可以生产出近净形的部件。这项技术的主要优势与浆料的流动特性有关，在半固体状态下，金属是非牛顿流体，浆料的粘度高于全液态时的粘度。流入型腔时，在作用于它的剪切力的影响下，粘度下降，金属浆料能够以非湍流的方式完全填充型腔。因此，半固态铸件几乎没有气体孔隙，同时凝固收缩的孔隙也几乎不存在。但粘度过高会影响到成型工艺性和铸件的尺寸精度，近球形的固相不存在传统铸造中枝晶生长阻碍液相流动的问题，因此表现出很好的流动性。

目前，有许多不同的技术用于生产半固态铸件，基本上是根据它们采用的液固百分比或在半固态状态下生产方式来区分。半固态方法根据其加工路线可分为两大类，即流变成形和触变成形。在流变铸造中，半固态浆料在原地从液态制备到一定比例的固态部分（通常小于50%），然后直接进行压铸。触变成形是将得到的含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料先冷却凝固成锭坯，生产时再将定量的锭坯重新加热至半固态然后再成形的方法。常见的非枝晶固相坯料的制备途径主要有：机械搅拌[10]、电磁搅拌[11]、超声波搅拌[12]以及SIMA 法。SIMA 法是通过对铸造前进行特定的两步固态变形来制造用于触变的半固态坯料。经受常规和严重的塑性变形，实现树枝晶向球状晶的转变。铸造结构的冷变形或热变形，其应变水平足以触发再结晶，在随后的部分熔化过程中才会导致树枝晶向球状晶的转变。因此，SIMA 法对合金的塑性有一定的要求，目前低熔点、塑性较好的铝合金的研究开展得较多，而塑性较差的镁合金以及高熔点的铜合金、钢的研究较少。

2 等通道转角挤压技术

大塑性变形，作为一种新兴的塑性变形方法，在变形过程中涉及到大的应变（传统的塑性变形很难达到大于1 的真实应变），从而有效地细化金属（亚微米或纳米级），并通过控制变形过程中的微观结构获得完整的大块样品，可同时获得具有高强度和大塑性的块状纳米材料。目前已开展研究大塑性变形技术主要有等通道转角挤压（ECAP）[13]、高压扭转（HPT）[14]、累积叠轧（ARB）[15]、多向锻造（MDF）[16]等。

ECAP 最早是由前苏联的Segal 等人[17]在20世纪70 年代和80 年代提出的，目标是通过剪切来开发一种高应变金属坯料成型工艺。虽然目标成功实现了，但这种成形方法并没有引起人们的注意。直到20 世纪90 年代，Valiev[18，19]利用这种技术获得了具有新的独特性能的超细和亚微米金属，逐渐点燃了材料学者对ECAP 的研究热潮。ECAP 的过程如图1 所示[20]。通道以给定的角度ø相交，被弧形曲率ψ 所覆盖。金属在模具的拐角处受到强烈的剪切，而截面尺寸基本保持不变，所以可以重复挤压，从而积累大量的应变，获得晶粒细化的效果。现在，ECAP 已被应用于各种材料的细化，包括纯金属、单相合金、多相合金和金属基复合材料。该法以相对简单的工艺克服了其他方法(如高能球磨法、气相沉积法、非晶晶化法等)带来的易污染、材料致密性差、难以生产大尺寸坯体、成分组成要求严格等缺点，因此ECAP 被视为当前最具实用前景的超细晶金属块材制备技术。

图1 ECAP 加工示意图

3 ECAP 在半固态加工中的应用

随着大塑性变形技术的研究深入，ECAP 正在成为一种非常有效的、大幅细化晶粒并提升材料力学性能的新技术。很多学者开始尝试将ECAP技术引入半固态加工中，并取得了一定的成效。回顾近年来等通道转角挤压在半固态加工中的应用研究主要有以下几个方面。

3.1 新SIMA 法

新SIMA 法，或者称为ECAP-SIMA 法，最早源于将ECAP 代替传统锻压[21]，作为半固态加工的SIMA 工艺的研究。姜巨福等人[8,22]在利用SIMA 法制备AZ91D 镁合金半固态非枝晶坯料时，因镁合金塑性变形难，制备半固态坯的晶粒大小和球化效果不理想，提出使用ECAP 变形来取代传统的SIMA 法中的两部塑性变形方法，并命名为新SIMA 法。ECAP 加工后的AZ91D 晶粒细化效果显著，在随后的半固态加热过程中球化效果极佳，形状系数接近1。国内很多学者[23-25]对于镁合金的新SIMA 法进行了较为深入的研究。

同时，新SIMA 法在铸态铝合金的半固态成型研究中也得到了广泛的开展。S.Ashouri 等人[26]研究了ECAP 加工对半固态A356 铝合金的晶粒大小和球形度的影响。在室温下利用ECAP 加工A356 铝合金，在半固态再次加热时组织呈现球状度较好的固相，优于其他原料制造技术，如斜板铸造，显示出了良好的应用前景。而铸造铝合金中，过共晶铝硅合金存在粗大的初生硅，破坏了基体组织的连续性，导致其塑性、切削性能差，通过传统的锻压难以实现较大的变形量。韩国民[27]采用新SIMA 法对AlSi30 合金半固态坯料的制备进行试验研究，研究了等通道转角挤压温度、挤压路径以及半固态等温处理的保温温度、保温时间对半固态组织演变的影响。经等通道转角挤压后，初生硅被破碎、磨圆，显微硬度大幅度提高，同时累积的变形能使后续的半固态等温处理中初生相的球化提供了动力。

3.2 ECAP 作为半固态加工的最终处理工艺

半固态加工的铸件虽然基体组织为近球形的非枝晶，但其微观组织仍不够细小，且铸件中存在微观偏析、缩孔缩松等问题，如果后续进行ECAP，可以进一步细化晶粒，提升铸件的致密性。另外，半固态形成的非枝晶组织也为ECAP 中组织的细化提供了一定的基础，所以ECAP 作为半固态加工的最终处理工艺从技术路线上看是非常有必要的。

Van Thuong N[28]等人采用冷却坡度半铸造了Al-7Si-Mg 合金的半固态坯料，然后在120°模具中进行ECAP 加工，发现在ECAP 加工后，初生α-Al 相虽然有一定的拉长，但Si 颗粒破碎，与原铸样品相比，其形状更接近球状，尺寸更均匀。对比传统铸造的ECAP 样品，半固态加工坯料的ECAP 样品的微观结构更均匀。ECAP 加工后，α-Al 相的晶粒细化到亚微米级。在半固态铸造和ECAP 加工后，合金的耐磨性得到了改善。李康宁[9]开发了一种两次ECAP 挤压的半固态加工技术用于Mg-Zn-Y 合金的制备，半固态加热前的一次挤压为了形成非枝晶坯料，半固态加热后的二次挤压为了优化组织和性能，一次挤压试样经半固态处理后再二次挤压，合金的抗拉强度、屈服强度均得到大幅度提升，相比一次挤压试样分别提高21.0%和53.3%。

铸态法制备金属基复合材料时，为了克服增强颗粒与液态金属的密度差而产生的颗粒分布不均匀的问题，往往会采用半固态搅拌铸造的方式。半固态下的金属粘度较液态金属大，能有效地提升增强颗粒的俘获率。半固态铸态复合材料经ECAP 挤压后，颗粒的分布会得到进一步的改善，基体组织发生细化，因此复合材料的性能将发生明显的提升[29，30]。张晶辉等人[31]利用半固态搅拌辅助超声处理复合法制备Mg-9Al-1Si-1SiC 复合材料，在350 ℃以Bc 路径对其进行ECAP，研究结果表明ECAP 后复合材料性能得到极大提升，4 道次后，复合材料力学性能最大，与铸态相比，抗拉强度和伸长率分别提高66.5%和127.5%。张少雄[32]利用半固态搅拌+超声波分散法成功制备了质量分数为1%的纳米SiC 颗粒增强Mg-9Al-1Si 镁基复合材料，并对复合材料进行ECAP 变形。研究结果显示恒温ECAP 变形后的复合材料的晶粒尺寸较铸态复合材料的晶粒尺寸显著减小，粗大Mg2Si 相和固溶后残余的Mg17Al12相被逐渐碎化，分布更为弥散，更加均匀。ECAP 变形4 道次后复合材料的屈服强度达到最大，分别为312 MPa 和206 MPa，但抗蠕变性能变差。

4 结论与展望

等通道转角挤压通过大变形量的剪切变形，能够有效地实现金属的晶粒的细化、第二相破碎分散、积累畸变能，这对半固态加工，特别是对触变成形意义重大。半固态加工与等通道转角挤压技术的充分结合，研发出更多、更具有实用价值的复合制备技术将会是这一领域的发展方向。同时，随着研究的深入，技术的改进与优化，ECAP 技术将在大规模半固态成形加工上得以应用。