铝合金半固态成形技术发展现状

修磊 张之荣 金飞翔

摘 要：铝合金半固态成形技术是一种新型的金属成形技术，广泛应用于航空、汽车、船舶、电子、建筑和机械等领域。本文首先介绍了铝合金半固态成形技术的概念、分类和特点；其次，分别从成形方法、成形工艺、设备和模具等方面对其发展现状进行了阐述；最后，对其未来发展进行了展望。

关键词：铝合金；半固态成形；发展现状

中图分类号：F764.3  文献标识码：A

Current Development Status

of Aluminum Alloy Semisolid Forming Technology

Xiu Lei Zhang Zhirong Jin Feixiang

Advanced Manufacturing Engineering College of Hefei University AnhuiHefei 230601

Abstract：Aluminum alloy semisolid forming technology is a new type of metal forming technology，widely used in fields such as aviation，automotive，shipbuilding，electronics，construction，and machinery.This article first introduces the concept，classification，and characteristics of semi solid forming technology for aluminum alloys；Then，the current development status was elaborated on from the perspectives of forming modes，forming processes，equipment，and molds；Finally，prospects were made for its future development.

Keywords：aluminum alloy；semi solid forming；development status

一、概述

近年來，随着计算机技术和材料科学的迅速发展，铝合金半固态成形技术逐渐成为重要研究领域，也为铝合金成形开辟了新的途径。铝合金半固态成形技术是指利用形态可控的半固态合金浆料进行成形加工。在半固态状态下，合金浆料的流动性与黏度介于液态和固态之间，具有一定的可塑性和成形性，同时又具备一定的抗变形和稳定性，可以保证成形精度和工件质量［1］。

铝合金半固态成形技术相比于传统的铝合金成形技术，具有很多优点，其中最突出的是优异的力学性能和表面质量。通过半固态成形，可以获得均匀的晶粒结构以及高密度、无气孔、无晶界裂纹等高质量成形件，大大提高了产品的寿命和可靠性。此外，半固态成形还具有精度高、成形周期短、加工变形小、加工节能等优点，极大地节省了生产成本和加工周期［2］。在航空、汽车、船舶、电子等领域具有广泛应用前景。在国际上，已经有不少国家和地区开展了铝合金半固态成形技术的相关研究工作［36］。

随着技术的不断发展，铝合金半固态成形技术也在不断创新和完善，成为铝合金成形技术的焦点之一。本文将介绍铝合金半固态成形技术的发展现状，并展望其未来的发展方向。

二、铝合金半固态成形技术的发展现状

（一）成形方法

根据成形方式的不同，铝合金半固态成形技术可分为压铸成形和挤压成形两种。压铸成形是将铝合金半固态材料通过压铸机注入模具中，在模具内同时进行加热和加压，使其成形为所需形状，铝合金半固态压铸成形方法如图1所示。挤压成形则是将铝合金半固态材料在加热后通过轴向加压挤压成形，成形过程主要是由变形工艺控制［7］，半固态挤压成形如图2所示。

目前，国内外对这两种成形模式进行了大量的研究和发展，出现了许多创新的成形方法。例如，经过优化改良的压铸成形和挤压成形技术，可以实现更高的成形精度和更高的生产效率［89］。比如，参考文献［10］中提出半固态多腔挤压铸造工艺，能够提高产品的力学性能。张泉达等［11］提出电磁搅拌辅助流变挤压铸造工艺，在电磁搅拌作用下半固态初生相颗粒发生显著细化，然后通过挤压铸造加工出的产品具有优异的力学性能。常用压铸铝合金半固态成形力学性能如下表所示。

（二）成形工艺

随着铝合金半固态成形技术的不断发展，成形工艺也在不断创新和完善。传统的成形工艺主要包括压铸成形和挤压成形两种。随着铝合金半固态成形技术的发展，在传统工艺的基础上发展出了半固态流变成形工艺技术［12］、超声振动辅助半固态成形技术［13］、反挤压半固态成形技术［14］、气流搅拌铝合金半固态成形技术［15］等新型成形工艺。这些工艺的出现，不仅提高了成形效率和加工质量，还使得半固态成形技术具有更广泛的应用前景。

（三）设备

铝合金半固态成形技术需要的设备主要包括压铸机、挤压机、热处理炉、数控机床、半固态制浆设备等。随着技术的不断发展，常规的成形设备和工具逐渐被先进的设备和工具所取代。

例如，采用先进的超声振动辅助成形装置，具备高精度、高速成形、高可靠性的特点［13］；采用先进的数控机床，可以实现多工位生产和自动化生产等。这些新型设备不仅提高了成形效率和加工精度，还使半固态成形技术更具普适性，并为其在广泛的产业领域中的应用奠定了基础。

（四）模具

铝合金半固态成形模具是实现高质量铝合金零件成形的关键，高品质模具的使用可以大大提高零件的成形效率和质量。随着模具技术的不断发展，出现了先进的三维打印、快速切削、电火花加工等技术，在模具的制造和设计方面实现了重大突破［1516］。

根据成形模式的不同，半固态成形模具也各具特点。例如，压铸成形模具要求有独特的液态金属流动通道，而挤压成形模具则要求具有特殊的换向机构。这些模具设计和制造的创新性和特殊性，不仅提高了成形工艺的精度和效率，还开辟了更广阔的应用领域，为铝合金半固态成形技术的发展注入了新的动力。

三、铝合金半固态成形技术应用

铝合金半固态成形技术已被广泛应用于通信基站散热器、腔体滤波器、汽车关键零部件的制造中。

（一）半固态成形技术在通信设备制造中的应用

随着无线通信技术的发展，5G通信技术逐渐发展成熟，5G通信设备不断向着小型化、轻量化的方向发展，这就要求5G通信设备的体积需要做得尽可能小，重量尽可能轻。同时5G通信为了保证足够远的传输距离，需要提高设备的发射功率，使得单位体积上的热耗越来越大，这对5G通信设备的散热性能也提出了很高要求。

铝合金5G通信设备在传统液态压铸成形过程中，由于合金熔体通常以枝状晶组织形式凝固，流动性就会由于先凝固的固相所形成的网架结构而降低，在铸件组织中往往会形成粗大的枝状晶组织，并伴生有大量的缩松、缩孔等缺陷，影响到产品的导热性。而在半固态压铸过程中，由于半固态合金浆料的浇注温度控制在固液两相区内，浆料中的固相以近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相基体中，使熔体具有良好的流动性，可以制作壁厚较薄的零件，同时在一定强度搅拌的作用下浆料分布均匀，以细小的非枝晶、近球状的显微组织凝固；在浆料充型过程中，半固态金属的流动属于层流，避免了气体的卷入，且由于浇注温度处于固液两相区，显著降低了铸件内部的气孔含量，使铸件组织致密。

（二）半固态成形技术在汽车零部件制造中的应用

随着人们对节能减排以及环境保护意识的增加，新能源汽车风靡全球，越来越受到人们的青睐。高质轻量的零部件一直是新能源汽车制造厂商的目标，半固态成形技术是制造高性能、高质量、长寿命铝合金汽车零部件的主要方式。

（三）半固态成形技术在电子元器件制造中的应用

使用半固体成形技术制造的产品具有良好的散热性能和较高的抗热裂纹能力，可以用来制造微型化的封装结构，这些结构不仅体积小，而且具有良好的热管理和电学性能，对于提高集成电路的性能和稳定性非常有帮助。

四、铝合金半固态成形技术发展趋势

铝合金半固态成形技术在成形方法、成形工艺、设备和模具等方面的技术不断升级，这也为铝合金半固态成形技术在工业制造中的应用提供了有力保障。下面，将从以下几个方面展望其未来的发展方向。

（一）強调多学科交叉创新发展模式，不断提高技术的精度和效率

铝合金半固态成形技术是一项涉及材料科学、机械制造、自动控制等多学科领域的高科技产业。未来应在技术和人才培养、研发和创新投入上强调多学科的交叉融合与发展模式，不断提高成形精度和效率，创造更高的经济效益。

（二）加快数字化技术的应用，推动成形工艺的数字化、智能化及信息化

数字化技术的应用，可以实现对成形工艺流程、参数、质量等信息的数字化、智能化及信息化处理，进一步提高制造效率和产品质量，从而促进铝合金半固态成形技术应用的深入和拓展。

（三）不断拓展新领域，拓宽应用范围

未来，铝合金半固态成形技术应积极拓展新领域和新应用方向。例如，铝合金半固态成形技术结合先进的数控技术应用于高铁、飞机、无人机、新能源汽车等轻量化制造领域，其应用前景更广。

结语

铝合金半固态成形技术是一种先进的铝合金成形技术，具有优异的力学性能和表面质量，在成形方法、成形工艺、设备和模具等方面的技术不断升级和完善，为其在工业制造中的应用提供了有力保障。未来，铝合金半固态成形技术应在强调多学科交叉创新发展模式、加快数字化技术的应用、拓宽新领域的基础上，持续推进其发展，为制造业发展注入新的活力和动力。

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基金项目：安徽省重点研究与开发计划项目（2022a 05020043）；安徽省古建筑智能感知与高维建模国际联合研究中心开放基金（GJZZX2024KF01）

作者简介：修磊（1984— ），男，安徽亳州人，博士，副教授，从事材料先进成形技术研究工作。