大家早上好!非常高興有機會參加本次論壇，首先感謝蓋世汽車的邀請。今天的報告本來是邀請“千人計劃”專家朱強老師過來，他剛好在歐洲開會，我代為參會，有幸與各位進行交流。在昨天的報告中很多專家提到輕量化是把合適的材料、合適的技術(shù)、以及合適的設(shè)計方法用到合適的汽車部位上。昨天很多專家都介紹材料方面的一些輕量化措施，我今天從成形技術(shù)方面與大家做一些交流。
我稍微介紹一下我們學(xué)校，大部分參會者可能不太了解。南方科技大學(xué)成立于2012年，位于深圳，深圳被稱為中國改革開放的試驗田，南方科技大學(xué)就是中國高等教育改革的試驗田，這是教育部賦予我們的歷史使命。目前我們學(xué)生并不多，我們是小規(guī)模辦學(xué)，現(xiàn)在只有4000多個學(xué)生，有600位老師，包括24位院士，58位“千人計劃”，78位“青年千人”，18位長江學(xué)者，以及16位杰青。我們已經(jīng)成立了7個學(xué)院，包括工學(xué)院、理學(xué)院等等，其中，專門成立了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，專注于應(yīng)用研究，為廣大企業(yè)服務(wù)，各位企業(yè)界朋友如果有技術(shù)方面的需求，可以到我們學(xué)院進行交流。我們現(xiàn)在有了4個博士學(xué)位點，我們成立不到6年的時間拿到了博士學(xué)位點，目前是國內(nèi)速度最快的高校。
我們學(xué)校的口號是“創(chuàng)知、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”。除了重點實驗室這樣的寄出研究研究機構(gòu)以外，我們有很多的工程實驗室，以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊。目前，我們有10個廣東省省級的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊，有12個市級的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊。其中我所在的團隊是深圳市孔雀團隊，團隊名稱是車輛與通訊設(shè)備輕量化新材料研發(fā)團隊，有4位核心，朱強老師是材料和工藝方面的專家，融亦鳴老師是智能制造方面的專家，劉正白老師是汽車設(shè)計制造方面的專家，宋立軍老師是增材制造方面的專家。我們這個團隊從新材料、新方法、新工藝、智能制造等角度做前沿性探索，推進汽車輕量化的發(fā)展。我們前期啟動了兩種工藝，一個是近幾年比較火的增材制造，我們在利用它做汽車輕量化。另外一個就是今天要介紹的半固態(tài)壓鑄，這個技術(shù)我們從2010年開始研發(fā)，今天跟大家交流一下。
很多在座的朋友對這個技術(shù)不了解，它比較新穎。我先講一下什么叫半固態(tài)金屬，半固態(tài)是固相和液相混合的狀態(tài)，它的溫度一般在合金的固相線和液相線之間?？梢苑譃閮煞N情況，一種情況是固相比較多的，固相顆粒相互接觸，液相位在固相顆粒之間的縫隙中間;另一種情況，液相比較多，固相顆粒均勻分布在液相中。由于特殊的微觀結(jié)果，半固態(tài)金屬具有一些特性。第一是，半固態(tài)金屬具有較高的流動表觀粘度，可以看右邊的圖，顯示出半固態(tài)金屬和液態(tài)金屬流動的差異。第二是相對于液態(tài)，半固態(tài)金屬的凝固收縮率比較小。第三是，相比于固態(tài)金屬，半固態(tài)金屬的變形抗力比較小，適用壓鑄機就能加工成形。
利用壓鑄機把半固態(tài)金屬加工成形就叫半固態(tài)壓鑄。這個技術(shù)有什么優(yōu)勢呢?第一，半固態(tài)金屬粘度很高，流動很平穩(wěn)，充型的時候可以把型腔氣體推到充型末端，在型腔末端開設(shè)排氣口，就能把型腔氣體排出，可以有效控制鑄件氣孔。第二，凝固收縮率小，可以降低縮孔發(fā)生傾向，減少鑄件里邊的縮孔含量。第三，可以有效減少熱裂發(fā)生傾向，比如鋁銅系鑄造合金、7xxx系變形鋁合金，熱裂很嚴(yán)重，原來大部分采用砂芯鑄造，現(xiàn)在就可以采用壓鑄成形。第四，保持了常規(guī)壓鑄的特點，生產(chǎn)效率比較高。
下邊簡單介紹一下它的工藝流程，工藝的前端和后端和常規(guī)壓鑄是一樣的，在熔體除氣之后到壓鑄成形之間加了一個環(huán)節(jié)，我們稱之為半固態(tài)制漿。半固態(tài)金屬的溫度是在固液相線之間，自然有兩種制漿方法，第一種是由固相升溫到半固態(tài)溫度區(qū)間，這個叫觸變成形，第二種是從液態(tài)溫度出發(fā)，降溫，控制微觀組織獲得半固態(tài)漿料。這兩種途徑的區(qū)別顯而易見，觸變工藝流程長，成本高，但是目前來說產(chǎn)品質(zhì)量也比較高，流變工藝流程短，成本低，成本大概比常規(guī)壓鑄多4%，缺點是產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。主要原因是細分的流變技術(shù)種類很多，有應(yīng)用的就有20多種，這些技術(shù)在缺陷控制方面的能力參差不齊，導(dǎo)致了目前市面上的流變成形產(chǎn)品質(zhì)量也是參差不齊的。
把這個技術(shù)和其他一些常用成形技術(shù)對比一下，包括砂鑄、金屬鑄造、壓鑄和鍛造，這個比較不是我自己做的，是北美壓鑄協(xié)會給的結(jié)果。先對比產(chǎn)品的強度、致密度，通常鍛造是最好的，半固態(tài)觸變和鍛造是相近的，半固態(tài)流變稍差一點，但都比常規(guī)壓鑄好很多。充型能力方面，常規(guī)壓鑄是最好的方法，幾個子項目都得了最高分，半固態(tài)成形與之接近。幾何工差方面，也是常規(guī)壓鑄和半固態(tài)比較好，鍛造也不錯。表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面，常規(guī)壓鑄比較高，半固態(tài)壓鑄借鑒常規(guī)壓鑄的設(shè)備，所以可以達到相同的水平。模具壽命方面，半固態(tài)有明顯優(yōu)勢，通常模具失效的主要是熱沖擊和熱疲勞，半固態(tài)壓鑄把模具的最高最低溫度差減小了，提高了模具的熱疲勞壽命。有數(shù)據(jù)表明僅僅使用10%的固相，模具壽命就可以提高一倍，效果還是比較不錯的。再看一下成本，企業(yè)比較關(guān)心成本，單件成本，半固態(tài)壓鑄比常規(guī)壓鑄要高一點，畢竟工藝上多了一個環(huán)節(jié)，企業(yè)生產(chǎn)不光計算單件成本，還要考慮成品率等因數(shù)，半固態(tài)壓鑄的成品率比常規(guī)壓鑄要高很多，綜合來看，半固態(tài)壓鑄，尤其流變成形，綜合成本可以比常規(guī)壓鑄更低。把前面的表稍微總結(jié)一下，總的來說，半固態(tài)的產(chǎn)品質(zhì)量和鍛件比較接近，它的成本和常規(guī)壓鑄比較接近，這就給這個技術(shù)一個很不錯的市場空間，當(dāng)你的鍛件成本很高的時候想去取代它，你可以嘗試一下用半固態(tài)壓鑄的方法，半固態(tài)技術(shù)最初運用的場景就是想取代鋁合金的鍛件而不是鑄件。
今天論壇的主題是汽車輕量化，輕量化的意義我就不在這里班門弄斧了，昨天專家介紹了很多，輕量化對節(jié)省油耗、環(huán)保有很多的幫助，我就不在這里重復(fù)了，直接介紹一下半固態(tài)壓鑄技術(shù)在輕量化方面的應(yīng)用。
先介紹一下目前半固態(tài)技術(shù)的應(yīng)用市場。這個技術(shù)從80年代開始在市場上嘗試應(yīng)用，到現(xiàn)在走過了30多年，大家發(fā)現(xiàn)它逐漸形成兩個細分的市場。第一個做高質(zhì)量的鑄件，以前主要是觸變成形，因為觸變成形的固相分數(shù)可以超過50%，可以充分發(fā)揮半固態(tài)壓鑄的工藝特點，在缺陷控制上可以發(fā)揮到最大。現(xiàn)在流變成形里邊有少部分可以做到固相分數(shù)超過40%，也可以發(fā)揮半固態(tài)成形的優(yōu)勢，用于做高質(zhì)量的鑄件。這個細分市場的代表就是汽車件，對汽車件質(zhì)量的控制是很好的，有很多成功案例制備出了內(nèi)部完全沒有缺陷的鑄件。另外一個細分市場是改善常規(guī)壓鑄產(chǎn)品，代表性的應(yīng)用是最近兩年比較火的通訊件。低固相流變的方法比較適合做這個，因為低固相流變的成本比較低一些，技術(shù)難度也低一些，一般來說只要簡單的應(yīng)用就能帶來幾個好處，第一個是壓鑄件的綜合性能得到提升，綜合力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能會提升;第二個延長模具壽命;第三個叫降低綜合成本，這幾個優(yōu)勢都是比較明顯的。
下邊我就分開來介紹。先是觸變這一塊，觸變成形的分支技術(shù)有很多種，目前應(yīng)用最廣的只有第一種，就是先用電磁攪拌連鑄的方法把鋁液做成特制的坯料，再用電磁感應(yīng)加熱的方法加熱到半固態(tài)區(qū)間，然后把漿料直接送入壓鑄機的壓鑄室。最初的原料是一般的鋁合金錠，組織是枝晶的，通過電磁攪拌連鑄獲得新的坯料，這個新的坯料具有薔薇狀微觀結(jié)構(gòu)，這個很重要，只有薔薇狀，在后續(xù)加熱中才能形成固相顆粒為進球狀的半固態(tài)漿料，才能發(fā)揮半固態(tài)的優(yōu)勢。這種方法目前適合于大部分的鋁合金體系，不僅是鑄造鋁合金，鍛造鋁合金也可以應(yīng)用，缺點是能耗比較高，工藝流程長，坯料表面氧化嚴(yán)重。最大的問題是電磁攪拌連鑄，這個技術(shù)難度高，一致性控制難度大，國內(nèi)外能做好的企業(yè)不多，原料上會受到限制。
我們來看看這個技術(shù)的一些案例。這是我們在北京的時候生產(chǎn)的一個產(chǎn)品，渦輪增加器里面用的葉輪，工作環(huán)境比較苛刻，最高是15萬轉(zhuǎn)/分，最高氣氛溫度能達到250度，產(chǎn)品內(nèi)部不能有一點孔洞。這個產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，我們最初用的就是電磁攪拌連鑄和電磁感應(yīng)加熱的方法制造的。我們前期做了很多工作，包括模具設(shè)計、模流分析。這個件的形狀很復(fù)雜，模具設(shè)計難度很大。下面是充型的動圖，可以看到，整個充型，尤其是零件部分的充型是非常平穩(wěn)的。下面這個是CT的檢測結(jié)果，有多個客戶拿去檢測過，都沒有檢測到缺陷。上面是它的微觀組織，中間的是半固態(tài)加工成形的，右邊是鍛造的，每一個顏色是一個晶粒，可以看到半固態(tài)鑄造的產(chǎn)品的晶粒尺寸是和鍛造比較接近的，最左邊是鑄造的，可以看到晶粒尺度不是在一個數(shù)量級別上的。性能方面，可以看到右邊兩個柱狀圖是觸變成形和鍛造成形，兩個性能比較接近，要比鑄造的好。疲勞壽命方面也是，半固態(tài)成形和鍛造成形的產(chǎn)品比較接近，比鑄造的要好。這是我最喜歡的例子，這個產(chǎn)品是半固態(tài)最典型的用法，取代鍛件，并且是用鑄造合金取代鍛造合金。
再舉一個國外的例子，美國這家Vforge公司做過很多應(yīng)用，他們從90年代做這個技術(shù)，生產(chǎn)汽車件和摩托車件，還有散熱片。當(dāng)然現(xiàn)在散熱片不用這個方法做了，但是給我們一些啟示，比如說3C產(chǎn)品可以使用這個方法。這個方法缺點很明顯，成本高，2008年經(jīng)濟危機之后逐漸用的越來越少了，無論國內(nèi)國外現(xiàn)在都把研發(fā)和應(yīng)用的熱點轉(zhuǎn)向流變成形，下邊我直接介紹流變的應(yīng)用。
流變成形的細分技術(shù)很多，有應(yīng)用的就有20多種，還有很多在實驗室里的，還有各種變種，我這里列了一部分?？梢钥闯鏊鼈冇幸恍┕餐c，大部分技術(shù)都沒有辦法做到固相分數(shù)超過0.4，這個表里只有NRC法和旋轉(zhuǎn)熱焓平衡法。流變成形只有少量方法在汽車件上得到應(yīng)用，下邊來看幾個成功案例。
先介紹一下這個方法，Advanced Semisolid Casting Technology，這個方法研發(fā)的比較早，是日本本田的技術(shù)，也是獨家擁有從未對外公開。從公布的設(shè)備圖可以看得出來，用的機械振蕩的方法來控制晶粒生長，通過冷鐵減低熔體溫度。這個方法的優(yōu)點是可以做大尺寸的漿料，缺點是比較明顯的，漿料容易受污染，不能制備高固相的半固態(tài)漿料。這是一個應(yīng)用案例，發(fā)動機缸體。
第二個技術(shù)是源于美國，半固態(tài)流變鑄造法，SSR。鋁液在鋼制管道內(nèi)流動，形成大量晶核，然后在冷卻介質(zhì)中冷卻，獲得半固態(tài)漿料。這個方法在國內(nèi)外有很多的變形，這個通道設(shè)計成不同的各種形狀，但是原理上是一樣的。這個方法有一個共同的缺點，管道很容易堵塞，一旦堵塞很難清理。另外也是不能制備高固相的半固態(tài)漿料，熔體容易受到污染。這是美國的一個應(yīng)用案例，做的是一個濾芯器的殼體，用的380鋁合金
接下來是一個我們國內(nèi)研發(fā)的技術(shù)，叫強制對流攪拌法，這個方法有一些不錯的優(yōu)勢，它可以用在7000系合金上。這個方法有一個大的缺點，設(shè)備很復(fù)雜，用的螺旋攪拌的方法，一旦堵塞之后清理也是很麻煩的。這個方法有一個案例，是北京科技大學(xué)做的，這是減震器的零件，圖ACEG是液態(tài)壓鑄，圖BDFH是半固態(tài)壓鑄，可以看到，液態(tài)壓鑄產(chǎn)品有很多縮孔氣孔，半固態(tài)壓鑄產(chǎn)品少了很多，但是在拐角的位置還是有一部分縮孔存在。這個方法對于改善常規(guī)壓鑄件的性能是可行的，但是想制備很完美的鑄件是比較困難的。
下邊是RSF，快速制漿法，這個方法在國內(nèi)有應(yīng)用。它的原理比較簡單，先取出部分溶體澆鑄成一個小塊，這個小塊中間插一個棒，把這個小塊放在澆勺里面旋轉(zhuǎn)，利用這個小塊的熔化把鋁液的溫度降到半固態(tài)溫度。這個方法的缺點也是比較明顯的，旋轉(zhuǎn)容易引起氣體污染，這個固體小塊表面有氧化皮，放在鋁液里面攪，氧化皮直接攪拌進去了。這個技術(shù)最早在瑞典的Rheometal公司應(yīng)用，這是他們官網(wǎng)給出的唯一的汽車方面的應(yīng)用，卡車的載重輪。這個技術(shù)現(xiàn)在國內(nèi)引進了，比如福建的瑞奧邁特，這是他們應(yīng)用的一個例子，5G基站濾波器殼體，沒有查到他們在汽車件上的應(yīng)用。
還有一個技術(shù)這兩年在國內(nèi)推廣的也比較快，叫氣體誘導(dǎo)法，這個方法原理更簡單了，把石墨攪拌棒插到鋁液里面，通入惰性氣體，惰性氣體是室溫的，就把鋁液的溫度降下來。這個方法過程很簡單，操作很方便，整個的操作可以在澆勺里面就可以做了，不需要太多的設(shè)備投入，在國外應(yīng)用過6000系、7000系合金，它的缺點也顯而易見，第一個攪拌容易引起溶體污染，第二個通入鋁液的惰性氣體如果控制不好會留在鋁液里面，凝固以后成為氣孔的來源。目前這個方法在國外有在汽車件上應(yīng)用，這是這個技術(shù)的擁有者，泰國的GISSCO CO，剎車卡鉗，7075鋁合金，T6熱處理。韓國現(xiàn)也用了這個技術(shù)，燃油泵支架，這個是CT的檢測結(jié)果，第一個圖和最后一個圖是液態(tài)壓鑄的，孔洞含量在1%以上，剩下幾個是半固態(tài)壓鑄的，最好的一個孔隙率只有0.36%。印度也有廠家在用這個技術(shù)，這是個密封件，這個是CT的結(jié)果，還是有孔洞在里面的，沒有完完全全的消除。
下面介紹一下旋轉(zhuǎn)熱焓平衡法，把鋁液放到坩堝里面，利用換熱使熔體達到半固態(tài)的溫度。這個方法可以制備高固相含量的半固態(tài)漿料，過程中漿料內(nèi)部不受氣體污染，整個過程只有表面氧化，表面的氧化皮可以通過模具設(shè)計去除掉。這個是國外的例子，這是摩托車件，雅馬哈車架，最上面的接頭用的是半固態(tài)成形的，通過焊接和其它部件連接起來。我們團隊現(xiàn)在也掌握了這個技術(shù)，這是我們在北京的時候制備的剎車卡鉗，用的是鑄造合金，性能達到抗拉強度380MPa，屈服強度300MPa，延伸率4%，取代鋼鍛件，減重50%。我們還做了一些其他產(chǎn)品，這是大巴車骨架接頭，取代的砂型鑄鐵件，可以減重35%。那兩個件是特種車上的配件，是泵車、消防車上的卡箍，減重效果也是很好的，取代砂型鑄鐵件，減重分別達到58%和35%。這兩個件的性能遠遠超過了設(shè)計要求，還有進一步減重的空間。
這個技術(shù)現(xiàn)在在國內(nèi)推廣的也很不錯，國內(nèi)有4家企業(yè)建設(shè)了自動化生產(chǎn)線，其中有兩家已經(jīng)建成，具備生產(chǎn)能力，兩外兩家年底也將建成投產(chǎn)，生產(chǎn)能力是足夠的。右邊的是徐州戴卡斯町的車間，很漂亮的車間，并不像常規(guī)的壓鑄車間和砂鑄車間。
下面再舉一些這個技術(shù)的應(yīng)用案例，這是幾個汽車件，在這一年內(nèi)才研發(fā)出來的。這三個是發(fā)動機周邊支架的部件，都是取代重鑄的鋁件，減重在10%-11%。這幾個，左邊的控制臂取代鋼件，之前是用鋼板焊接的，現(xiàn)在用鋁半固態(tài)壓鑄，減重可以達到56%。右邊兩個取代的是砂型鑄鐵件，減重都超過了50%。還有主軸承蓋支架和后處理支架，取代的鋼件和鐵件，減重效果都不錯，超過了45%。這個方法在3C產(chǎn)品上也有一些應(yīng)用，包括基站腔體、濾波器，等等。這個技術(shù)先講這么多，國內(nèi)國外應(yīng)用的都很多，尤其在國內(nèi)，取代鋼件和鐵件減重基本在45%以上，國內(nèi)有兩家企業(yè)可以實現(xiàn)穩(wěn)定供貨。
介紹了半固態(tài)壓鑄技術(shù)這么多優(yōu)點和應(yīng)用成功案例，那么在應(yīng)用過程中有沒有什么短處呢?目前應(yīng)用問題是不大的，但是進一步應(yīng)用，未來拓展應(yīng)用，還是存在一些問題。
第一個問題是材料和工藝之間的矛盾。昨天很多專家提到，輕量化是把合適的材料、合適的工藝和合適的設(shè)計用在合適的部位上，材料和工藝兩個往往是聯(lián)系密切的。在半固態(tài)壓鑄進一步應(yīng)用的時候就出現(xiàn)一個矛盾，材料和工藝之間的矛盾?，F(xiàn)在流變成形主要用的合金是硅含量在6%左右的鋁硅鑄造合金，這些合金強度相對有限，最好的是319s合金，抗拉強度可以到380MPa。抗拉強度超過400，鑄造鋁硅合金是比較困難的。另外一個方面，高強度的鋁合金，6000系、7000系的鋁合金，具有很高的強度，但是這些鋁合金不太適合高固相流變壓鑄成形，低固相的可以做，10%的固相率沒問題，但是低固相的半固態(tài)壓鑄難以完全消除氣孔和縮孔。在汽車上使用得很小心，一些微小的孔洞，直徑小于10微米的孔洞對拉伸性能可能沒有明顯的影響，但是對疲勞壽命的影響是很大的，汽車件疲勞壽命是很重要的指標(biāo)。目前，流變成形過程制備高固相半固態(tài)漿料還有很多困難。我們剛剛拿到深圳市400萬的項目來解決這個問題，計劃用兩年時間，推出1-2款可以適合高固相流變壓鑄成形的合金，滿足市場的需求，進一步擴展半固態(tài)壓鑄技術(shù)的應(yīng)用。
第二個問題，高固相的流變制漿方法，例如我們比較推薦的旋轉(zhuǎn)熱焓平衡法，目前不能制備10公斤以上的半固態(tài)坯料，限制了技術(shù)的進一步應(yīng)用。這個也是需要突破的地方。
第三個問題，半固態(tài)壓鑄成形畢竟還是用了壓鑄的方法，所以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也受到模具限制，太復(fù)雜的產(chǎn)品，模具太復(fù)雜，模具成本很高，對工藝要求也很高。如何來突破這個問題也是目前高校研究的一個熱點，可能產(chǎn)業(yè)界目前還沒有關(guān)注到這一塊。除了半固態(tài)壓鑄以外，我們團隊還有一個很重要研究方向，金屬的增材制造。我們現(xiàn)在把兩個技術(shù)結(jié)合在一起，開發(fā)一種新的技術(shù)，鋁合金的半固態(tài)直寫技術(shù)。這個過程和塑料絲材的增材制造相類似，絲狀的半固態(tài)金屬從筆頭出來，在冷卻板上堆積成形。我們這個課題已經(jīng)得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委的經(jīng)費支持。
我再稍微補充介紹一下我們團隊。剛才介紹了很多輕量化的技術(shù)，現(xiàn)在和未來運用還有很多問題，技術(shù)方面還有很多需要創(chuàng)新的地方，所以我們成立了一個創(chuàng)新團隊，我們希望從材料、工藝和方法、以及智能制造三個方面來推動輕量化技術(shù)上的創(chuàng)新，未來進行技術(shù)孵化，為企業(yè)服務(wù)，為市場服務(wù)。這個團隊現(xiàn)在已經(jīng)獲得深圳市2000萬的無償資助，專門從事輕量化方面的研究工作。
今天我報告的內(nèi)容主要就是這些，最后做一個宣傳，國際合金及復(fù)合材料半固態(tài)加工技術(shù)大會，這個大會從1990年開始，每兩年一屆，今年10月份22-24日將在深圳舉辦，南方科技大學(xué)作為主辦單位，朱強老師是大會主席。這次會議已經(jīng)有22個國家的近百名學(xué)者報名參會，包括半固態(tài)加工技術(shù)的創(chuàng)始人、美國工程院院士、人文與科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院教授Flemings博士，他是半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域的鼻祖，他也會來深圳參會。他的成就不僅在半固態(tài)加工領(lǐng)域，在鑄造領(lǐng)域是國際上的權(quán)威。大家如果想了解更多半固態(tài)技術(shù)，歡迎報名參會，地點在羅湖香格里拉酒店，網(wǎng)上報名將于這個月20號截至。今天我的報告就到這里，謝謝大家。