南昌大学&上海交大&伯乐智能:镁基材料半固态压铸成形研究进展

半固态压铸成形流程主要包括制浆和压铸，可分为流变成形、触变成形两大类。其中，流变成形是将熔融金属液冷却到半固态区间获得半固态浆料后成形；触变成形是将具有一定组织的金属坯料加热到半固态区间获得半固态浆料后成形。半固态注射成形从原理上属于触变成形，其示意图见图1。传统的触变成形包括预先制坯、分割、二次加热和铸造成形等复杂流程，而注射成形则直接使用普通铸锭切割的毫米级镁粒子作为原料，采用剪切制浆-射出成形的一体化工艺，极大地简化了生产流程，是目前工业化应用的热门。半固态成形的首要步骤便是制备高品质浆料，浆料中的初生固相会直接遗传到最终铸件中。因此，初生固相的形貌和含量会直接影响到铸件的力学性能。

2.触变浆料

触变成形所用的浆料是通过加热金属锭坯或者颗粒到半固态温度区间得到，制备适用于触变成形的锭坯和加热的工艺参数通常是研究的热点。由于流变成形的浆料中具有初生非球形晶粒，将其冷却即可得到用于触变成形的锭坯。此外，通过其他办法也能制得适用于触变成形的锭坯。变形法（也叫应变诱导熔体激活法）通过对金属坯料进行变形加工（冷加工和热加工）获得一定变形量，再加热到半固态温度区间获得非枝晶组织半固态浆料。有研究者认为，球形晶粒来源于塑性变形导致的再结晶晶粒。这种方法制备半固态浆料的关键在于使坯料获得足够的变形。因此，研究者通常将重点放在变形工艺上，提出了单一或者多种变形方式组合的办法，并研究了不同变形方式对应的工艺参数，包括镦粗挤压、多向锻造和等通道角挤压等。JIANG J F等采用等通道角挤压获得的高性能半固态AZ61镁合金零件，抗拉强度达到300 MPa，伸长率达到22%。坯料变形处理示意图见图3。

传统工艺得到的铸锭通过等温热处理也能得到用于半固态触变成形的浆料，其最主要的参数就是保温温度和时间，直接决定半固态浆料和最终铸件的品质。此外，喷射成形法、粉末冶金法等方法也能小批量制备用于触变成形的坯料，其中粉末冶金法还能用于制备镁基复合材料锭坯，增强体通过球磨等方法可以得到较好的分散以提高最终铸件的力学性能。WANG L Y等通过粉末冶金的方法，成功制备了具有双峰结构的GO（氧化石墨烯）+ZK60镁基复合材料，并实现了强度和塑性的协同提升。

基于半固态浆料固-液共存的特性，部分液态成形和固态成形的方法被设计用于半固态成形。针对镁基材料的半固态成形方式已开发出了压铸、挤压铸造、轧制和锻造等工艺。特别是采用半固态锻造成形的零件，其在力学性能、服役条件等方面有着明显优势，可以适用于要求更高的应用场景。JIANG J F等采用半固态锻造得到的AZ80镁合金零件屈服强度达到216.9 MPa，抗拉强度达到312.4 MPa，伸长率达到26%。对比铸态力学性能获得大幅提升，传统挤压铸造在保证强度的同时提升韧性，克服了镁合金低塑性的问题。同时，半固态坯料变形抗力低，能有效降低生产过程中的能耗，延长设备的使用寿命。

尽管半固态锻造等方法生产的零件拥有优良的性能，但其生产效率较低且主要是针对特定要求或更极端应用场景。压铸是在压力（一般20~200 MPa）下使金属液或者半固态金属快速充满型腔，并在高压下凝固的铸造方法。压铸能够在满足零件使用要求的同时高效生产各种高精度的薄型件和结构复杂件，其力学性能见图4，这是锻造、轧制等方法难以做到的，并且产品表面质量高，对后续处理要求低，是一种高效、节能的成形方式。

（1）浆料温度

半固态浆料的温度直接决定浆料中固相分数。压铸温度较高意味着浆料中固相率低，浆料的流动性和充型能力较好。但过低的固相率可能会导致浆料在流动过程中产生卷气等现象，导致最终铸件中出现气孔缺陷。同时，过低的固相率不能有效地体现出半固态压铸的优势，见图5和图6。压铸温度较低意味着浆料中固相率高，浆料流动平稳。但过高的固相率可能会导致凝固窗口时间短，极易造成冷隔和充型不良。特别是在薄壁件中，过多的初生固相可能会在狭缝中塞积导致充型不满或液相偏析。研究发现，浆料中初生固相含量会对铸件力学性能产生影响。

（2）压铸速度

压铸速度也是半固态压铸中的重要工艺参数，对于浆料的流动状态起重要影响。过高的压铸速度可能会使铸件产生气孔，影响充型。特别是在填充有障碍物的型腔时，过高的压铸速度会使铸件产生明显缺陷。通过正交试验分析了半固态压铸中压铸速度、浆料温度、模具温度，发现对铸件中气孔率的影响程度呈现出压铸速度＞模具温度＞浆料温度的影响，而对铸件中氧化夹杂的影响程度呈现压铸速度＞模具温度＞浆料温度的影响，压铸速度对于这两种常见缺陷均产生关键影响。邢博等研究了压铸速度对流变压铸AM60镁合金铸件中缺陷产生的规律，指出低的压铸速度（＜4 m/s）有利于减少气孔、氧化夹杂等缺陷，高的压铸速度有利于减少铸件中的偏析现象，见图7。通过模拟和试验发现，较低的压铸速度能使铸件中温度场均匀、减少铸件中的缺陷。综上，压铸速度对铸件最终质量至关重要，应当在能保证完全充型和生产效率的前提下，适当采用低的压铸速度。

半固态注射成形过程类似于注塑成形。通过螺杆将镁合金颗粒运输到加热筒中，在加热和螺杆提供的剪切作用下制备出适合半固态成形的浆料，再将浆料高速注射到模具中成形。注射成形与触变成形原理相似，但用于注射成形的原料不需要预处理获得一定的组织，而是直接使用金属颗粒。部分镁基材料半固态压铸件的力学性能见表2。相较于传统的半固态成形方法具有以下优点：①无须额外金属熔炼和转移，极大提高生产安全性。②金属熔化过程在密闭的加热筒中完成，无需使用SF₆作为保护气，节约成本、保护环境。③生产效率高，可连续生产。④生产流程简略，可以实现自动化、规模化生产。基于此，半固态注射成形已广泛应用到实际生产当中，且是唯一适用于工业大规模生产的半固态成形方式。

1.镁合金

AZ91镁合金是一种适合于半固态注射成形的材料，其熔点较低，约为596 ℃。在半固态温度区间黏度较低，能实现高效充型。同时，AZ91镁合金表现出良好的触变性。因此，镁基材料半固态注射成形的研究和工业化应用多以AZ91镁合金为原料或基体，探索合适的成形工艺或复合材料。图8为不同铸造工艺AZ91镁合金显微组织和反极图。郭春榕等和宇文江涛等研究表明，半固态注射成形AZ91D镁合金产品在保证耐蚀性能的前提下，综合力学性能显著提高。半固态成形零件中低的孔隙率使其能够进一步热处理提升其综合性能。从图8可以看出，半固态注射成形可以有效细化AZ91镁合金晶粒，对比热室压铸和冷室压铸细化效果分别提升了70%、20%，同时晶粒取向也更加均匀。JIANG J F等采用半固态注射成形的方式，在620 ℃下获得综合力学性能最优的AZ91D试样，其抗拉强度达到273 MPa，伸长率为7.2%。胡宇阳等研究表明，合适的固溶处理能协同提升半固态注射AZ91D镁合金零件的强度和塑性。相比AZ91镁合金，AM60B镁合金具有更好的塑性。运用在汽车轻量化设计中，由于其变形吸能，能有效降低碰撞中驾驶员的风险系数。同样，AM60B镁合金也能作为半固态注射成形原料。PATEL H A等研究表明，对比传统压铸，半固态注射成形AM60B镁合金表现出优良的抗疲劳性能。

2.镁基复合材料

半固态浆料由于黏度较高，能够较好地包裹住外加的增强颗粒，因此半固态注射成形的过程中，螺杆的搅拌能进一步分散增强颗粒，提高复合材料组织和成分的均匀性。与常见的镁基复合材料制备方法相比，其最大的优势在于极大简化操作流程，无需熔炼和采用保护气，提高生产安全系数，是一种制备镁基复合材料的高效方法。当前常见用作镁基复合材料的增强体包括：以碳纳米管（CNTs）、石墨烯（GNPs）为代表的碳材料；以碳化硅（SiC）、氧化铝（Al₂O₃）为代表的陶瓷材料；以Ti、Ni为代表的金属材料和以Mg2Si、Al₂Y为代表的金属间化合物。已有以注射成形为基础，碳材料和陶瓷材料作为增强体为相关研究。张婷等通过触变注射成形制备了分散均匀、界面结合良好的石墨烯纳米片增强镁基复合材料，当GPNs含量为0.6%时复合材料的抗拉强度和硬度（HV）可分别达到245 MPa和92.3。JING J等研究认为，半固态注射成形制备的石墨烯增强镁基复合材料中，α-Mg/MgO/GPNs的界面结构改善了石墨烯和镁基体间的结合，并协调提升了AZ91D的力学性能和导热系数。LU X K等通过半固态注射成形制备了SiC增强AZ91D镁基复合材料，发现当SiC含量（质量分数，下同）为2.5%时，材料表现出良好的力学性能。断面分析认为，材料断裂主要由于半固态浆料中未完全熔化颗粒与再凝固基体之间脱离引起，SiC与基体之间表现出良好的界面结合，且该复合材料在较低载荷下表现出较好的耐磨性能。此外，半固态注射成形能改善镁基复合材料伸长率下降的问题，这主要得益于半固态浆料中初生α-Mg的存在和铸件组织均匀性的提升。GOLLAPALLI P等通过搅拌铸造制备SiC+粉煤灰镁基复合材料，其伸长率仅为4%，降幅达57%。GU L D等采用注射成形制备了SiC+Al₂O₃镁基复合材料，在提升强度的同时伸长率略微下降。

（3）偏析

偏析是液态成形、半固态成形中常见的缺陷之一。根据铸件中偏析存在的尺度可以分为宏观偏析和微观偏析。其中，宏观偏析是由于先凝固的贫溶质固相和未凝固的富溶质液相之间的相对运动导致大范围存在的合金元素分布不均；微观偏析则是由于溶质元素在固相和液相中分配系数不同导致枝晶偏析、溶质晶界富集等晶粒尺度的偏析现象。偏析会严重影响铸件的力学性能。针对宏观偏析，许多研究者建立了不同数学模型，采用模拟的方法预测铸件中可能出现的偏析，来指导修改工艺参数。XU X W等开发了一种实时监测系统，可实时监测并对宏观偏析进行预测来指导生产，见图10。对于微观偏析，溶质通常会聚集在枝晶根部，半固态浆料由于初生固相多为近球形晶粒，配合高压的成形状态能有效改善这种状况。此外，初生固相的存在可能会使浆料流动受阻而产生固-液分离导致偏析现象，特别是狭孔、薄壁零件中。此时应适当提高压铸温度或压铸速度。

（4）其他缺陷类型

在半固态注射成形中，由于模具、工艺设计不当还会导致以下缺陷：①夹杂，夹杂源于浇注系统中残存的杂质颗粒和熔体氧化两部分。夹杂颗粒通常与铸件基体界面结合较差，会严重影响铸件的力学性能。通过及时清理浇注系统，缩短加工时间减少熔体氧化能有效避免夹杂的产生。镁基材料半固态注射成形是无保护气的加工环境，需要合理设计冒口来排出氧化夹杂。②充不满，半固态浆料黏度高、有部分固相导致充型能力较差。特别是针对薄壁型零件，易出现充型不满的情况。适当提高浆料温度或模具温度能改善充型情况。③毛刺、飞边，这类缺陷由于压铸过程中定模和动模未能紧贴合产生。通过清理分型面、增大模锁力可以避免此类缺陷的产生。

4.工业化应用

近年来，半固态注射成形一体化设备的研制和开发为镁基材料的工业化应用开辟了道路。国内许多高校和企业都展开了相关的研究，并取得了一定的结果，见图11和表3。在装备研制方面，许多企业展开了与生产相结合的探索。如力劲集团开发了一种TPI模组，能够可逆地将普通压铸机转变为半固态压铸系统；伯乐智能发布了40 000 kN超大型镁合金半固态注射成形机。我国镁合金半固态注射机的制造已极具规模，国内许多压铸机厂商如伊之密、力劲、伯乐、海天等公司，生产的注射机均到达世界先进水平。

镁基材料半固态注射成形的工业化应用正处于快速发展阶段。小型零件的生产工艺已较为成熟，已有的注射产品主要集中在电子行业和交通运输行业，如笔记本电脑外壳、新能源汽车支撑件、无人机电池外壳等。上汽部分品牌新能源汽车已经采用半固态压铸镁合金电驱系统，对比传统铝合金材料实现了减重7 kg。华孚科技建设了完整的生产线用于生产汽车及新能源汽车零件，其产品包括汽车前横梁支架、多联屏显示器支架及壳体、车灯支架、转向支架、车门框、座椅骨架以及电机壳体等，见图12。

我国在一体成形大型结构件方面也展开了研究并取得很多结果，见图13。2023年，上海交通大学成功试制半固态注射成形发动机下缸体零件，最大产品实际注射质量突破9 kg；重庆大学联合多家单位试制了大型CCB结构件，其投影面积达到2.2 m²；2025年，又成功批量试制出全球首例半固态注射成形镁合金汽车车轮，单次注射量达10 kg，相比传统铝合金车轮减重约30%。同时，上海交通大学与多家单位联合，成功开发了全球首例50.8 cm（20英寸）级镁合金半固态注射成形汽车轮毂，注射质量达到16 kg。其他大型汽车用结构件，如减震塔、仪表盘横梁支架也在近年陆续试制成功。

5.半固态注射成形发展瓶颈

近年来，由于新能源产业的快速兴起，特别是新能源汽车、小型飞行器的快速普及，大量的制造企业正在寻求以轻量化为手段的降耗、增程方法。镁基材料作为轻量化代表材料之一，也顺势拥有了广泛的市场。大量的高校和企业都展开了与工业生产相结合的研究，半固态注射成形依靠其独特优势迅速脱颖而出。由于半固态注射成形过程类似于注塑成形，许多注塑机和液态压铸机生产厂家都开展了相关的研发。目前，镁基材料半固态注射成形正处在由“小规模研究探索到大规模产业应用”的转型关键期，但仍存在以下问题：①材料体系，目前有报道用于实际生产的半固态注射成形镁合金零件多以AZ91合金为主，其强度、耐腐蚀和抗疲劳性能有待提高。其他Mg-Al系、Mg-RE系合金的成形，多停留在实验室阶段。同时，半固态注射成形的方式难以生产高含量颗粒增强复合材料。②压铸设备，针对半固态镁合金注射成形机已有行业标准，且在2024年进行了团体标准修订，但不同厂家生产的注射机性能差异明显。同时，针对不同铸件，最优压铸工艺参数往往不同。这导致在实际生产中缺乏可靠的参考数据，必须以本设备和铸件的实际情况进行最优工艺探索。③成形工艺，镁基材料半固态注射成形温度区间通常在580～630 ℃之间，其温度区间较窄，小的温度波动会对浆料状态，特别是固相率，产生明显影响，从而影响后续浆料填充、凝固等一系列过程。铸件中组织、成分均匀性控制难度大，精准的温度-速度-压力匹配还需要不断探索。尽管已有许多模拟软件可以使用，但由于半固态浆料的特殊流变性，针对大型铸件还需要不断进行参数优化。

经过数十年的发展，我国已经成为镁合金半固态压铸方向最大的研究国和产业国。随着新能源汽车蓬勃发展，镁基材料也迎来广泛的应用市场。对于半固态压铸镁基材料的开发和成形，总体呈现以下趋势。

（1）通过开发新的材料成分体系，克服镁基材料本身存在的绝对强度和耐蚀性的缺点。同时，对已有的高性能镁基材料进行成分优化，使其适用于半固态成形。

（2）基于大数据模型、机器学习等手段，对半固态成形过程中组织变化、最终力学性能做出预测，从而指导实际生产。

（3）开发先进镁基材料半固态成形设备，进行一体化压铸大型结构件的试制和应用，以满足新能源汽车轻量化的需求。

（4）半固态注射成形蓬勃兴起，许多企业展开了大规模的镁基材料半固态压铸件的试制，但仍需要对工艺不断优化，并对后续使用中安全性、经济性、绿色性进行不断考察，使半固态镁基材料铸件获得广泛的应用。