原标题：高性能挤压铸造铝合金研究进展

摘要：航空航天、汽车等领域的快速发展对低成本、高质量、高性能铝合金提出了极大需求，采用挤压铸造成形方法制备的铝合金零部件具备组织致密、各向异性弱、铸造缺陷少和力学性能高等优势。目前，开发具有自主知识产权的适于挤压铸造的合金体系及其制备工艺是发展挤压铸造产业的关键。对直接挤压铸造、间接挤压铸造和半固态挤压铸造等方法进行了对比分析，对挤压铸造铝合金进行了归类与整理，为今后采用挤压铸造制备高性能铝合金零件提供参考。最后，总结指出了发展挤压铸造铝合金零件面临的挑战和今后需要研究的重点。

铝合金具备密度低、比强度高、导电及导热性能良好等特点，在航空航天、汽车等领域的结构材料中已大量应用。目前，结构件的轻量化发展对铝合金力学性能的要求越来越高。然而，凝固糊状区宽大的铝合金在凝固过程中易形成气孔、缩松和缩孔等铸造缺陷，并可能会诱发热裂纹，严重影响铸造铝合金力学性能。

表1：采用挤压铸造工艺制备的合金部件

挤压铸造工艺在机械静压力作用下，使金属熔体发生充型、高压结晶凝固、补缩和少量的塑性变形，是一种兼具铸造和锻造特点的短流程、高效、近净成形技术。挤压铸造压力可提高金属熔体充型、补缩能力，对合金的铸造性能要求较低，选材范围广，适用于大部分铸造和变形合金。表1为可采用挤压铸造工艺生产制备的合金种类及部件。由于挤压铸造的高压力可以提高冷却速度、细化晶粒，获得致密组织，减弱合金各向异性，因此挤压铸造零部件的力学性能较传统铸件可得到显著改善。由此可见，挤压铸造是航空航天、汽车等领域关键零部件实现轻量化和高性能目标的重要技术手段之一。吉泽升等总结了挤压铸造工艺在汽车产业的应用现状，并列举了挤压铸造在汽车轻量化方面应用实例。

1、挤压铸造工艺

依据挤压铸造过程中所施加压力的作用方式，挤压铸造工艺可分为直接挤压铸造和间接挤压铸造两大类，见图1。直接挤压铸造类似于锻造工艺，挤压力直接作用在金属液上，一般适于形状不太复杂的厚壁铸件。间接挤压铸造是在挤压冲头的作用下使金属液通过浇道充型。间接挤压铸造工艺大致与压铸工艺接近，但其挤压力较大、充型速度相对较小。

图1：挤压铸造示意图

近年来，一些挤压铸造新技术相继出现，例如双重挤压铸造（又称连铸连锻）、半固态挤压铸造等。双重挤压铸造结合了间接挤压铸造和直接挤压铸造工艺的特点，依靠间接挤压工艺成形毛坯，采用直接挤压工艺（闭式模锻）压实铸件。双重挤压铸造可生产内部组织致密、形状及尺寸精确的较复杂铸件，能够解决间接挤压铸造中“压力补缩”功能差的问题。如双重挤压铸造可降低大型Al-Si-Mg-Cu合金轮毂厚大部位的缩裂缺陷。

半固态挤压铸造是将含有球晶或近球晶固相的固液混合物在凝固温度范围内进行挤压铸造。依据半固态金属浆料制成后直接流变成形为制件或将半固态坯料再重熔成形，半固态挤压铸造可分为流变挤压铸造和触变挤压铸造。其主要应用于凝固温度范围宽的铝硅系和铝锌系合金，可有效改善缩松、缩孔、热裂和偏析等铸造缺陷。

半固态浆料制备是铝合金半固态挤压铸造中最关键环节之一，浆料的质量会影响挤压铸造充型、液相偏析等，进而影响铸件的力学性能。半固态浆料制备方法有常规的细化剂法、机械搅拌法和电磁搅拌法，以及效果更好、简便节能的新方法，如环缝式电磁搅拌法、低过热度剪切浇注法、强制对流流变成形法和蛇形管浇注法等。近年来，高质量半固态浆料制备方法不断得到发展，DAI W等采用工艺简单、效率高的间接超声振动法制备出Al-4.8Cu-0.8Mn-0.3Ti合金半固态浆料。经挤压铸造后，获得的合金组织更加细小均匀。T5热处理后，合金的抗拉强度和伸长率高达326.5 MPa和11 %。然而，受应用条件及设备等方面的限制，目前大部分半固态浆料制备方法依然处于实验室研究开发阶段，还有待于进一步的研发。

2、挤压铸造铝合金

铝铜、铝硅及铝锌系合金应用广泛，其挤压铸造工艺不断得到发展和优化，特别是铸造性能较好的铝硅系合金。虽然挤压铸造已广泛应用于生产制造，但在实际应用中会存在缩松、缩孔和偏析等铸造缺陷，导致力学性能不稳定。此外，挤压铸造材料体系、零件结构以及设备和技术差异会导致铸件质量不稳定、合格率低。影响挤压铸造工艺的主要因素包括：熔体质量、比压、浇注及模具温度、冲头速度、施压及保压时间、留模时间和铸型涂料等。李鲁等发现，当挤压铸造比压由90 MPa增到130 MPa时，6061铝合金的铸造缺陷减少，晶粒细化，其抗拉强度和伸长率由115 MPa和4.5%增至174 MPa和9.1%。然而，继续增大挤压铸造比压，显微组织和力学性能未有明显变化。因此，针对不同系列铝合金以及不同形状和尺寸的铸件，都需要对挤压铸造工艺参数进行严格控制和优化，才能充分发挥其工艺优势。

2.1 铝铜系合金

铝铜系合金具有较高强度和良好耐热性，但其凝固区间较大，易形成缩松和热裂等铸造缺陷。相较于普通铸造，挤压铸造铝铜系合金铸件的铸造缺陷较少，力学性能明显增强。JAHANGIRI A等发现，增大挤压铸造压力（一定范围内）和降低浇注温度可使AA2024合金晶粒细化、孔隙率减少。浇注温度为700 °C、比压为140 MPa时，枝晶间距和孔隙直径分别减小到12.5 μm和0.25 μm，并出现平均粒径为80 nm的超细晶粒。石亚等发现，随施压熔体温度的升高，挤压铸造Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe-0.1Ti-0.1RE合金α-Al二次枝晶间距、第二相体积分数和铸造缺陷均减小，见图2。当合金熔体温度为650 °C时，抗拉强度和伸长率可分别达到299 MPa和17.5%。

图2：不同施压熔体温度下Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe合金的SEM组织

然而，挤压铸造铝铜系合金依然会出现缩松、热裂纹等铸造缺陷。在比压为50 MP、浇注温度为730 °C和模具温度为250 °C时，挤压铸造Al-5Cu-0.4Mn合金会出现缩松、裂纹等铸造缺陷（见图3）。研究表明，在合适的浇铸和模具温度下，通过增大挤压力的方法可获得致密且尺寸较细的显微组织，以减少缩孔、缩松及降低热裂倾向。此外，对于铝铜合金来说，挤压铸造可以和热处理工艺结合，进一步提高合金的力学性能。SARFRAZ S等将挤压铸造Al-3.5Cu合金进行原位热处理，发现合金的抗拉强度和伸长率比铸态合金明显提高，从261.5MPa和7.6%增到284.6MPa和8.7%。LIN B等发现，相较于普通铸造，挤压铸造Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金内θ析出相增多。同时，合金中有更致密、耐热的Al9FeNi和Al3CuNi相析出，且β-Fe相和孔隙减少，降低了应力集中和微孔或裂纹的形成，使合金的力学性能提高。表2为部分挤压铸造铝铜合金的力学性能，挤压铸造铝铜系合金的抗拉强度和伸长率可高达450 MPa和20%以上。

图3：挤压铸造Al-5Cu-0.4Mn合金的缩松、裂纹SEM形貌

铝合金中的铜元素为强偏析元素，铝铜系合金共晶相在挤压铸造过程中可从固体骨架中挤出，渗出到铸造表面，从而产生缺陷。甘耀强等研究了挤压铸造工艺参数对AI-5Cu-0.4Mn合金显微组织及铜元素分布的影响。发现随着挤压铸造比压增大，α-Al晶粒发生明显细化，但较高的浇注及模具温度会使组织变得粗大。在挤压铸造压力作用下，晶间富铜液相通过枝晶骨架通道被挤向铸件内侧，导致铜含量从铸件边缘到心部呈现增加的趋势，消除了重力铸造条件下铜元素的逆偏析现象。在铸造比压为100 MPa、浇注温度为680～730 ?C和模具温度为200 °C的工艺条件下，可获得晶粒细小、组织致密、宏观偏析较少的AI-5Cu-0.4Mn合金。研究表明，降低浇注温度可以抑制铝铜系合金中铜元素在液相中的扩散，避免富铜液相通过枝晶间隙流向铸件“热节”附近形成偏析带。此外，减小挤压力可使液相流动速度降低，也可减少宏观偏析。CHEN G等采用超声辅助挤压铸造生产出表面质量好、形状复杂的2024合金零件。在超声辅助的挤压铸造过程中，铸件微观组织得到明显细化，粗大树枝晶演变成细小等轴晶，偏析减弱。

表2：挤压铸造铝铜系铝合金力学性能

更重要的是，挤压铸造可改善铁等元素对铝铜系合金性能的危害。LIN B等研究发现，挤压铸造可有效减少Al-5.0Cu-0.6Mn-xFe合金内富铁相（尤其是脆性β-Fe相）的析出（见图4），进而提高合金的力学性能，且增加了合金的可回收利用率。LIN B等[29]发现，挤压铸造Al-6.05Cu-0.59Mn-0.08Si-0.54Fe合金（经T7热处理）的室温和高温（300 °C）力学性能相对于普通铸造合金（经T7热处理）均有所提升。比压为75 MPa时，合金抗拉强度、屈服强度和伸长率可高达397 MPa、361 MPa和8％。该优异的力学性能是由于挤压铸造可以细化晶粒尺寸和富铁金属间化合物，降低孔隙率并提高α-Al基体中的θ相数密度。但是，高温下晶粒粗化和晶界弱化导致高温强度提升不明显。

图4：富铁金属间化合物的典型三维形态：（a）0.5%Fe，0 MPa; （b）0.5%Fe，75 MPa; （c）1.0%Fe，0MPa，（d）1.0%Fe，75MPa

2.2 铝硅系合金

铝硅系合金膨胀系数小，具备良好的铸造流动性和耐磨性，在铸造铝合金中用量占比较大。对于亚共晶铝硅系合金，针状共晶硅会影响合金的强度和塑性。通过改性共晶硅、细化晶粒和减少铸造缺陷可以提高铝硅系合金的力学性能。表3为部分挤压铸造铝硅合金的力学性能，挤压铸造工艺可明显提高铝硅系合金的力学性能，其抗拉强度最高可达430 MPa以上。

表3：挤压铸造铝硅系铝合金力学性能

王春涛等研究了Al-7Si-Mg合金在挤压铸造过程中压力对收缩缺陷形成的影响。图5为在不同挤压铸造压力下合金凝固过程中温度与压力的变化曲线，P为合金凝固过程中的底部压力。凝固结束前，50 MPa铸造比压难以使铸件的凝壳继续变形，对内部糊状区的补缩作用减弱，因而在底部压力达到极小值后的凝固阶段容易产生收缩缺陷。铸造比压增大到75 MPa，凝壳达到临界尺寸的时间推迟，铸件易产生缺陷的时间区间变窄,而在100 MPa的铸造比压下，凝壳可以持续发生变形，实现对内部糊状区的补缩，消除收缩缺陷。MALEKI A等发现，挤压铸造压力（外压小于100 MPa）会减小LM13（Al-12.3Si-1.3Cu-1.2Mg-0.4Fe）合金中α-Al的晶粒尺寸和二次枝晶间距（SDAS），并降低共晶硅颗粒的平均长径比。ABOU E L的研究表明，增大挤压铸造压力可以获得组织致密的Al-6Si-0.3Mg合金。在铸造比压为160 MPa的条件下，合金屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到114、132 MPa和6.5%。而且，与普通铸造合金相比，合金达到峰值时效所需的时间减少，其屈服强度、抗拉强度和伸长率均明显提高，分别达到190 MPa、208 MPa和8%。

图5：不同挤压铸造压力下的温度与压力变化曲线（TC1和TC2为铸件温度，TM1和TM2为模具温度）

元鹏等发现随着浇注温度降低，Al-7Si-0.4Mg-0.3Er挤压铸造件组织中粗大树枝状α-Al晶粒转变为球状，细小发达树枝晶数量减少，但晶间Er-π-AlFeMgSi相增多。此外，提高挤压速度也可减小粗大树枝状α-Al晶粒尺寸，提高晶界处Er-π-AlFeMgSi相分布的均匀性。舒樱等研究发现，通过控制模具温度可实现铸件顺序凝固，提高挤压铸造Al-9Si-1.8Cu-1Mn-0.12Ti合金的力学性能。通过T6热处理后，挤压铸造Al-9Si-1.8Cu-1Mn-0.12Ti合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别高达282 MPa、388 MPa和8%。姜博等发现，随着固溶时间增加，挤压铸造ADC12合金中粗大片状共晶硅和针状Al5FeSi相可细化为颗粒状，断裂形式由准解理断裂向韧性断裂转变，抗拉强度提高（固溶10 h时，抗拉强度可达274 MPa）。

除了挤压铸造工艺参数优化，合金化及孕育变质能够细化挤压铸造铝硅系合金组织，提高其力学性能。徐松等发现，在一定范围内添加镁元素，可细化共晶硅，进而提高Al-10Si-2.5Cu合金的力学性能。T6热处理后，Al-10Si-2.5Cu-1.5Mg合金的抗拉强度达到305 MPa。JIANG B等发现，加入Mg-15La能够促使挤压铸造Al-11Si-2.5Cu-0.8Fe合金高温熔体中形成亚稳态的富La相纳米颗粒，可作为共晶硅的有效异质形核点，细化共晶组织。T6热处理后屈服强度、抗拉强度和伸长率分别高达262 MPa、350 MPa和5.5%。

相较于液态挤压铸造，半固态挤压铸造工艺的浇注温度低，固液相浓度差小，不易发生偏析。WANG S等采用近液相挤压铸造技术制备ADC12（Al-10.56Si-1.91Cu-0.85Fe-0.55Zn）合金，发现沿铸件壁厚方向共晶相的体积分数降低而α-Al相体积分数升高。GUAN R G等通过半固态挤压铸造制备A356合金（Al-7Si-0.43Mg-0.19Fe），发现其可以细化晶粒，消除液态挤压铸造组织中常发生的共晶相偏析和局部偏析。半固态挤压铸造A356合金的抗拉强度和伸长率分别达到232 MPa和约7%，比传统挤压铸造合金分别提高了12%和21%。

研究表明，将挤压铸造和其他工艺有效结合可减少铸造缺陷，提高铸件质量和力学性能。AJAY KUMAR P等[43]利用搅拌摩擦工艺将石墨烯纳米片掺入A356合金基体中可显著改善其力学性能。挤压铸造铝基复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别高达190 MPa、357 MPa和12％。熊禹等[44]利用挤压铸造和锻造结合的方式制备ADC12合金，铸锻复合后晶粒尺寸进一步细化，合金抗拉强度和伸长率达分别为287.75 MPa和4.4%，较普通挤压铸造ADC12合金分别提高19.8%和340%。

在汽车工业中，过共晶铝硅合金（硅含量大于13%）是用于生产活塞、发动机缸体和缸套的理想材料。常规铸造过共晶铝硅系合金中存在粗大的初生硅相，会降低韧性并严重影响其综合力学性能。研究表明，挤压铸造能明显改善过共晶Al-xSi合金的显微组织。LI R等发现，与重力铸造相比，挤压铸造过共晶铝硅合金中的共晶硅相发生明显细化，同时初生硅相的尺寸和数量减小（见图6）。此外，随着硅含量的增加，初生硅相的尺寸和含量增加，α-Al枝晶的占比分数逐渐降低。

一般认为，在过共晶铝硅合金中添加铁元素可以改善其热稳定性。但是，铁可与铝和硅结合形成较粗的板状或针状富铁相，不利于合金的室温力学性能。研究表明，改变挤压铸造工艺参数可调控富铁相尺寸，如随着铸造比压从100 MPa增加到300 MPa，富铁的过共晶铝硅合金中针状富铁相的尺寸减小。此外，在合金熔体的凝固过程中采用辅助调控技术，如超声波振动技术，可以进一步细化针状富铁相。

图6：压力对合金微观组织的影响：（a）重力铸造Al-15 Si合金；（b）挤压铸造Al-15 Si合金；（c）重力铸造Al-17.5 Si合金；（d）挤压铸造Al-17.5 Si合金；（e）重力铸造Al-22 Si合金；（f）挤压铸造Al-22 Si合金

2.3 铝锌系合金

铝锌系高强铝合金在航空航天、机械、船舶等领域已有广泛的应用，但其产品主要为轧制、挤压板材和型材，很难制备出形状复杂的零件。挤压铸造工艺为铝锌系合金铸造成形提供了可行途径，有望实现“以铸代锻”。但是，铝锌系合金存在凝固温度范围宽，铸件易产生缩松、缩孔和热裂缺陷等问题。因此，挤压铸造铝锌系合金只适合生产形状简单的厚壁件，严重限制了其应用范围。近年来，国内外对挤压铸造铝锌系合金的研究主要集中于熔体的细化与均匀化处理和半固态浆料的制备等。随着挤压铸造工艺的发展及合金成分的优化，挤压铸造铝锌系合金件的力学性能接近于锻件水平，制得的零件也越来越复杂、体积也越来越大。表4为部分挤压铸造铝锌系合金的力学性能，其最高抗拉强度可达600 MPa以上。

与重力铸造相比，挤压铸造合金组织具有更小的DAS和晶粒尺寸，且力学性能更好。KIM等研究发现，增大挤压铸造压力，会使7075合金的凝固速度增加，η′析出相的形核位置增多，析出强化增强。FAN C H等发现，挤压铸造Al-5.4Zn-2.4Mg-1.7Cu-0.3Mn-0.2Cr合金中α-Al晶粒尺寸和枝晶臂间距（DAS）随铸造温度的升高而增加。SHIN S S等[52]发现挤压铸造工艺可改善Al-xZn-3Cu合金（x=30，40，质量分数，%）的强塑性。比压为100 MPa时，铸态Al-40Zn-3Cu合金的屈服强度、拉伸强度和伸长率可高达380 MPa、470 MPa和9%。

李楠等采用流变挤压铸造（斜坡冷却+挤压铸造）的方法制备了7075合金，发现α-Al晶粒尺寸较小，铸造缺陷少。经T6热处理后，流变挤压铸造7075合金力学性能优异，抗拉强度高达502 MPa，伸长率可达5.3%。陈振华等发现加入0.39 % RE后，挤压铸造7075合金传动空心轴铸件中α-Al晶粒细化，并出现少量的蔷薇状组织。当同时加入0.29% RE和1 % A1-5Ti-B时，合金组织细化最明显（平均晶粒尺寸从普通挤压铸造组织的50 μm减小到18 μm），抗拉强度高达575 MPa，伸长率为8.16%。张树国等将剪切低温浇注式（LSPSF）半固态制浆工艺和立式流变挤压铸造成形有效结合来制备7075合金，发现提高挤压铸造压力，液相偏析有增大倾向。随着铸造比压从50 MPa增加到110 MPa，合金的抗拉强度从275.0 MPa上升到310.4 MPa。此外，ZHENG C K等研究发现，挤压铸造工艺不仅可以提高Al-7.0Zn-2.5Mg-2.1Cu合金的强度和塑性，还可提高其耐疲劳性能。

表4：挤压铸造铝锌系铝合金力学性能

3、结语

航空航天、汽车等领域对尺寸更为精密、形状更加复杂的大型薄壁铝合金铸件的需求推动了新型挤压铸造技术的发展。虽然挤压铸造压力可以促使凝固铸件与模具紧密接触，增加铸件/模具间的传热，细化凝固组织，明显提高铸件力学性能。然而，缩孔、缩松等铸造缺陷仍无法避免。因此，要根据不同零件、材料和设备，通过数值模拟和试验相结合，系统研究挤压铸造充型、凝固过程中的组织和性能演变及调控机制，优化工艺参数，提高挤压铸造件质量的稳定性。为了实现高性能挤压铸造铝合金可控制备，当前仍面临一系列挑战。

（1）合金成分需进一步优化。目前实际应用中，主要是使用商业铸造铝合金成分进行挤压铸造，并未有专门挤压铸造铝合金成分，需针对挤压铸造工艺特点开发适于挤压铸造的新型铝合金成分。

（2）挤压铸造工艺需创新及优化。半固态浆料的质量会影响挤压铸造充型、液相偏析等，进而影响挤压铸造件的力学性能。所以，高质量半固态浆料制备方法值得深入研究。此外，需探索挤压铸造和其他工艺的有效结合，消除或减弱铸造缺陷，提高挤压铸造件质量和力学性能，实现新型挤压铸造工艺稳定生产以及规模化应用。

（3）建立挤压铸造合金成分-工艺-组织-性能关系。对挤压铸造铝合金成分、制备工艺、组织及性能进行全流程研究，实现高性能挤压铸造铝合金的可控制备。

作者：
贾海龙 周文强 王思清 马品奎 宋家旺 查敏 王慧远
吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第11期