大家早上好!非常高兴有机会参加本次论坛，首先感谢盖世汽车的邀请。今天的报告本来是邀请“千人计划”专家朱强老师过来，他刚好在欧洲开会，我代为参会，有幸与各位进行交流。在昨天的报告中很多专家提到轻量化是把合适的材料、合适的技术、以及合适的设计方法用到合适的汽车部位上。昨天很多专家都介绍材料方面的一些轻量化措施，我今天从成形技术方面与大家做一些交流。
我稍微介绍一下我们学校，大部分参会者可能不太了解。南方科技大学成立于2012年，位于深圳，深圳被称为中国改革开放的试验田，南方科技大学就是中国高等教育改革的试验田，这是教育部赋予我们的历史使命。目前我们学生并不多，我们是小规模办学，现在只有4000多个学生，有600位老师，包括24位院士，58位“千人计划”，78位“青年千人”，18位长江学者，以及16位杰青。我们已经成立了7个学院，包括工学院、理学院等等，其中，专门成立了创新创业学院，专注于应用研究，为广大企业服务，各位企业界朋友如果有技术方面的需求，可以到我们学院进行交流。我们现在有了4个博士学位点，我们成立不到6年的时间拿到了博士学位点，目前是国内速度最快的高校。
我们学校的口号是“创知、创新、创业”。除了重点实验室这样的寄出研究研究机构以外，我们有很多的工程实验室，以及创新创业团队。目前，我们有10个广东省省级的创新创业团队，有12个市级的创新创业团队。其中我所在的团队是深圳市孔雀团队，团队名称是车辆与通讯设备轻量化新材料研发团队，有4位核心，朱强老师是材料和工艺方面的专家，融亦鸣老师是智能制造方面的专家，刘正白老师是汽车设计制造方面的专家，宋立军老师是增材制造方面的专家。我们这个团队从新材料、新方法、新工艺、智能制造等角度做前沿性探索，推进汽车轻量化的发展。我们前期启动了两种工艺，一个是近几年比较火的增材制造，我们在利用它做汽车轻量化。另外一个就是今天要介绍的半固态压铸，这个技术我们从2010年开始研发，今天跟大家交流一下。
很多在座的朋友对这个技术不了解，它比较新颖。我先讲一下什么叫半固态金属，半固态是固相和液相混合的状态，它的温度一般在合金的固相线和液相线之间。可以分为两种情况，一种情况是固相比较多的，固相颗粒相互接触，液相位在固相颗粒之间的缝隙中间;另一种情况，液相比较多，固相颗粒均匀分布在液相中。由于特殊的微观结果，半固态金属具有一些特性。第一是，半固态金属具有较高的流动表观粘度，可以看右边的图，显示出半固态金属和液态金属流动的差异。第二是相对于液态，半固态金属的凝固收缩率比较小。第三是，相比于固态金属，半固态金属的变形抗力比较小，适用压铸机就能加工成形。
利用压铸机把半固态金属加工成形就叫半固态压铸。这个技术有什么优势呢?第一，半固态金属粘度很高，流动很平稳，充型的时候可以把型腔气体推到充型末端，在型腔末端开设排气口，就能把型腔气体排出，可以有效控制铸件气孔。第二，凝固收缩率小，可以降低缩孔发生倾向，减少铸件里边的缩孔含量。第三，可以有效减少热裂发生倾向，比如铝铜系铸造合金、7xxx系变形铝合金，热裂很严重，原来大部分采用砂芯铸造，现在就可以采用压铸成形。第四，保持了常规压铸的特点，生产效率比较高。
下边简单介绍一下它的工艺流程，工艺的前端和后端和常规压铸是一样的，在熔体除气之后到压铸成形之间加了一个环节，我们称之为半固态制浆。半固态金属的温度是在固液相线之间，自然有两种制浆方法，第一种是由固相升温到半固态温度区间，这个叫触变成形，第二种是从液态温度出发，降温，控制微观组织获得半固态浆料。这两种途径的区别显而易见，触变工艺流程长，成本高，但是目前来说产品质量也比较高，流变工艺流程短，成本低，成本大概比常规压铸多4%，缺点是产品质量参差不齐。主要原因是细分的流变技术种类很多，有应用的就有20多种，这些技术在缺陷控制方面的能力参差不齐，导致了目前市面上的流变成形产品质量也是参差不齐的。
把这个技术和其他一些常用成形技术对比一下，包括砂铸、金属铸造、压铸和锻造，这个比较不是我自己做的，是北美压铸协会给的结果。先对比产品的强度、致密度，通常锻造是最好的，半固态触变和锻造是相近的，半固态流变稍差一点，但都比常规压铸好很多。充型能力方面，常规压铸是最好的方法，几个子项目都得了最高分，半固态成形与之接近。几何工差方面，也是常规压铸和半固态比较好，锻造也不错。表面质量和生产效率方面，常规压铸比较高，半固态压铸借鉴常规压铸的设备，所以可以达到相同的水平。模具寿命方面，半固态有明显优势，通常模具失效的主要是热冲击和热疲劳，半固态压铸把模具的最高最低温度差减小了，提高了模具的热疲劳寿命。有数据表明仅仅使用10%的固相，模具寿命就可以提高一倍，效果还是比较不错的。再看一下成本，企业比较关心成本，单件成本，半固态压铸比常规压铸要高一点，毕竟工艺上多了一个环节，企业生产不光计算单件成本，还要考虑成品率等因数，半固态压铸的成品率比常规压铸要高很多，综合来看，半固态压铸，尤其流变成形，综合成本可以比常规压铸更低。把前面的表稍微总结一下，总的来说，半固态的产品质量和锻件比较接近，它的成本和常规压铸比较接近，这就给这个技术一个很不错的市场空间，当你的锻件成本很高的时候想去取代它，你可以尝试一下用半固态压铸的方法，半固态技术最初运用的场景就是想取代铝合金的锻件而不是铸件。
今天论坛的主题是汽车轻量化，轻量化的意义我就不在这里班门弄斧了，昨天专家介绍了很多，轻量化对节省油耗、环保有很多的帮助，我就不在这里重复了，直接介绍一下半固态压铸技术在轻量化方面的应用。
先介绍一下目前半固态技术的应用市场。这个技术从80年代开始在市场上尝试应用，到现在走过了30多年，大家发现它逐渐形成两个细分的市场。第一个做高质量的铸件，以前主要是触变成形，因为触变成形的固相分数可以超过50%，可以充分发挥半固态压铸的工艺特点，在缺陷控制上可以发挥到最大。现在流变成形里边有少部分可以做到固相分数超过40%，也可以发挥半固态成形的优势，用于做高质量的铸件。这个细分市场的代表就是汽车件，对汽车件质量的控制是很好的，有很多成功案例制备出了内部完全没有缺陷的铸件。另外一个细分市场是改善常规压铸产品，代表性的应用是最近两年比较火的通讯件。低固相流变的方法比较适合做这个，因为低固相流变的成本比较低一些，技术难度也低一些，一般来说只要简单的应用就能带来几个好处，第一个是压铸件的综合性能得到提升，综合力学性能和导热性能会提升;第二个延长模具寿命;第三个叫降低综合成本，这几个优势都是比较明显的。
下边我就分开来介绍。先是触变这一块，触变成形的分支技术有很多种，目前应用最广的只有第一种，就是先用电磁搅拌连铸的方法把铝液做成特制的坯料，再用电磁感应加热的方法加热到半固态区间，然后把浆料直接送入压铸机的压铸室。最初的原料是一般的铝合金锭，组织是枝晶的，通过电磁搅拌连铸获得新的坯料，这个新的坯料具有蔷薇状微观结构，这个很重要，只有蔷薇状，在后续加热中才能形成固相颗粒为进球状的半固态浆料，才能发挥半固态的优势。这种方法目前适合于大部分的铝合金体系，不仅是铸造铝合金，锻造铝合金也可以应用，缺点是能耗比较高，工艺流程长，坯料表面氧化严重。最大的问题是电磁搅拌连铸，这个技术难度高，一致性控制难度大，国内外能做好的企业不多，原料上会受到限制。
我们来看看这个技术的一些案例。这是我们在北京的时候生产的一个产品，涡轮增加器里面用的叶轮，工作环境比较苛刻，最高是15万转/分，最高气氛温度能达到250度，产品内部不能有一点孔洞。这个产品质量要求很高，我们最初用的就是电磁搅拌连铸和电磁感应加热的方法制造的。我们前期做了很多工作，包括模具设计、模流分析。这个件的形状很复杂，模具设计难度很大。下面是充型的动图，可以看到，整个充型，尤其是零件部分的充型是非常平稳的。下面这个是CT的检测结果，有多个客户拿去检测过，都没有检测到缺陷。上面是它的微观组织，中间的是半固态加工成形的，右边是锻造的，每一个颜色是一个晶粒，可以看到半固态铸造的产品的晶粒尺寸是和锻造比较接近的，最左边是铸造的，可以看到晶粒尺度不是在一个数量级别上的。性能方面，可以看到右边两个柱状图是触变成形和锻造成形，两个性能比较接近，要比铸造的好。疲劳寿命方面也是，半固态成形和锻造成形的产品比较接近，比铸造的要好。这是我最喜欢的例子，这个产品是半固态最典型的用法，取代锻件，并且是用铸造合金取代锻造合金。
再举一个国外的例子，美国这家Vforge公司做过很多应用，他们从90年代做这个技术，生产汽车件和摩托车件，还有散热片。当然现在散热片不用这个方法做了，但是给我们一些启示，比如说3C产品可以使用这个方法。这个方法缺点很明显，成本高，2008年经济危机之后逐渐用的越来越少了，无论国内国外现在都把研发和应用的热点转向流变成形，下边我直接介绍流变的应用。
流变成形的细分技术很多，有应用的就有20多种，还有很多在实验室里的，还有各种变种，我这里列了一部分。可以看出它们有一些共通点，大部分技术都没有办法做到固相分数超过0.4，这个表里只有NRC法和旋转热焓平衡法。流变成形只有少量方法在汽车件上得到应用，下边来看几个成功案例。
先介绍一下这个方法，Advanced Semisolid Casting Technology，这个方法研发的比较早，是日本本田的技术，也是独家拥有从未对外公开。从公布的设备图可以看得出来，用的机械振荡的方法来控制晶粒生长，通过冷铁减低熔体温度。这个方法的优点是可以做大尺寸的浆料，缺点是比较明显的，浆料容易受污染，不能制备高固相的半固态浆料。这是一个应用案例，发动机缸体。
第二个技术是源于美国，半固态流变铸造法，SSR。铝液在钢制管道内流动，形成大量晶核，然后在冷却介质中冷却，获得半固态浆料。这个方法在国内外有很多的变形，这个通道设计成不同的各种形状，但是原理上是一样的。这个方法有一个共同的缺点，管道很容易堵塞，一旦堵塞很难清理。另外也是不能制备高固相的半固态浆料，熔体容易受到污染。这是美国的一个应用案例，做的是一个滤芯器的壳体，用的380铝合金
接下来是一个我们国内研发的技术，叫强制对流搅拌法，这个方法有一些不错的优势，它可以用在7000系合金上。这个方法有一个大的缺点，设备很复杂，用的螺旋搅拌的方法，一旦堵塞之后清理也是很麻烦的。这个方法有一个案例，是北京科技大学做的，这是减震器的零件，图ACEG是液态压铸，图BDFH是半固态压铸，可以看到，液态压铸产品有很多缩孔气孔，半固态压铸产品少了很多，但是在拐角的位置还是有一部分缩孔存在。这个方法对于改善常规压铸件的性能是可行的，但是想制备很完美的铸件是比较困难的。
下边是RSF，快速制浆法，这个方法在国内有应用。它的原理比较简单，先取出部分溶体浇铸成一个小块，这个小块中间插一个棒，把这个小块放在浇勺里面旋转，利用这个小块的熔化把铝液的温度降到半固态温度。这个方法的缺点也是比较明显的，旋转容易引起气体污染，这个固体小块表面有氧化皮，放在铝液里面搅，氧化皮直接搅拌进去了。这个技术最早在瑞典的Rheometal公司应用，这是他们官网给出的唯一的汽车方面的应用，卡车的载重轮。这个技术现在国内引进了，比如福建的瑞奥迈特，这是他们应用的一个例子，5G基站滤波器壳体，没有查到他们在汽车件上的应用。
还有一个技术这两年在国内推广的也比较快，叫气体诱导法，这个方法原理更简单了，把石墨搅拌棒插到铝液里面，通入惰性气体，惰性气体是室温的，就把铝液的温度降下来。这个方法过程很简单，操作很方便，整个的操作可以在浇勺里面就可以做了，不需要太多的设备投入，在国外应用过6000系、7000系合金，它的缺点也显而易见，第一个搅拌容易引起溶体污染，第二个通入铝液的惰性气体如果控制不好会留在铝液里面，凝固以后成为气孔的来源。目前这个方法在国外有在汽车件上应用，这是这个技术的拥有者，泰国的GISSCO CO，刹车卡钳，7075铝合金，T6热处理。韩国现也用了这个技术，燃油泵支架，这个是CT的检测结果，第一个图和最后一个图是液态压铸的，孔洞含量在1%以上，剩下几个是半固态压铸的，最好的一个孔隙率只有0.36%。印度也有厂家在用这个技术，这是个密封件，这个是CT的结果，还是有孔洞在里面的，没有完完全全的消除。
下面介绍一下旋转热焓平衡法，把铝液放到坩埚里面，利用换热使熔体达到半固态的温度。这个方法可以制备高固相含量的半固态浆料，过程中浆料内部不受气体污染，整个过程只有表面氧化，表面的氧化皮可以通过模具设计去除掉。这个是国外的例子，这是摩托车件，雅马哈车架，最上面的接头用的是半固态成形的，通过焊接和其它部件连接起来。我们团队现在也掌握了这个技术，这是我们在北京的时候制备的刹车卡钳，用的是铸造合金，性能达到抗拉强度380MPa，屈服强度300MPa，延伸率4%，取代钢锻件，减重50%。我们还做了一些其他产品，这是大巴车骨架接头，取代的砂型铸铁件，可以减重35%。那两个件是特种车上的配件，是泵车、消防车上的卡箍，减重效果也是很好的，取代砂型铸铁件，减重分别达到58%和35%。这两个件的性能远远超过了设计要求，还有进一步减重的空间。
这个技术现在在国内推广的也很不错，国内有4家企业建设了自动化生产线，其中有两家已经建成，具备生产能力，两外两家年底也将建成投产，生产能力是足够的。右边的是徐州戴卡斯町的车间，很漂亮的车间，并不像常规的压铸车间和砂铸车间。
下面再举一些这个技术的应用案例，这是几个汽车件，在这一年内才研发出来的。这三个是发动机周边支架的部件，都是取代重铸的铝件，减重在10%-11%。这几个，左边的控制臂取代钢件，之前是用钢板焊接的，现在用铝半固态压铸，减重可以达到56%。右边两个取代的是砂型铸铁件，减重都超过了50%。还有主轴承盖支架和后处理支架，取代的钢件和铁件，减重效果都不错，超过了45%。这个方法在3C产品上也有一些应用，包括基站腔体、滤波器，等等。这个技术先讲这么多，国内国外应用的都很多，尤其在国内，取代钢件和铁件减重基本在45%以上，国内有两家企业可以实现稳定供货。
介绍了半固态压铸技术这么多优点和应用成功案例，那么在应用过程中有没有什么短处呢?目前应用问题是不大的，但是进一步应用，未来拓展应用，还是存在一些问题。
第一个问题是材料和工艺之间的矛盾。昨天很多专家提到，轻量化是把合适的材料、合适的工艺和合适的设计用在合适的部位上，材料和工艺两个往往是联系密切的。在半固态压铸进一步应用的时候就出现一个矛盾，材料和工艺之间的矛盾。现在流变成形主要用的合金是硅含量在6%左右的铝硅铸造合金，这些合金强度相对有限，最好的是319s合金，抗拉强度可以到380MPa。抗拉强度超过400，铸造铝硅合金是比较困难的。另外一个方面，高强度的铝合金，6000系、7000系的铝合金，具有很高的强度，但是这些铝合金不太适合高固相流变压铸成形，低固相的可以做，10%的固相率没问题，但是低固相的半固态压铸难以完全消除气孔和缩孔。在汽车上使用得很小心，一些微小的孔洞，直径小于10微米的孔洞对拉伸性能可能没有明显的影响，但是对疲劳寿命的影响是很大的，汽车件疲劳寿命是很重要的指标。目前，流变成形过程制备高固相半固态浆料还有很多困难。我们刚刚拿到深圳市400万的项目来解决这个问题，计划用两年时间，推出1-2款可以适合高固相流变压铸成形的合金，满足市场的需求，进一步扩展半固态压铸技术的应用。
第二个问题，高固相的流变制浆方法，例如我们比较推荐的旋转热焓平衡法，目前不能制备10公斤以上的半固态坯料，限制了技术的进一步应用。这个也是需要突破的地方。
第三个问题，半固态压铸成形毕竟还是用了压铸的方法，所以产品结构复杂度也受到模具限制，太复杂的产品，模具太复杂，模具成本很高，对工艺要求也很高。如何来突破这个问题也是目前高校研究的一个热点，可能产业界目前还没有关注到这一块。除了半固态压铸以外，我们团队还有一个很重要研究方向，金属的增材制造。我们现在把两个技术结合在一起，开发一种新的技术，铝合金的半固态直写技术。这个过程和塑料丝材的增材制造相类似，丝状的半固态金属从笔头出来，在冷却板上堆积成形。我们这个课题已经得到国家自然科学基金、深圳市科创委的经费支持。
我再稍微补充介绍一下我们团队。刚才介绍了很多轻量化的技术，现在和未来运用还有很多问题，技术方面还有很多需要创新的地方，所以我们成立了一个创新团队，我们希望从材料、工艺和方法、以及智能制造三个方面来推动轻量化技术上的创新，未来进行技术孵化，为企业服务，为市场服务。这个团队现在已经获得深圳市2000万的无偿资助，专门从事轻量化方面的研究工作。
今天我报告的内容主要就是这些，最后做一个宣传，国际合金及复合材料半固态加工技术大会，这个大会从1990年开始，每两年一届，今年10月份22-24日将在深圳举办，南方科技大学作为主办单位，朱强老师是大会主席。这次会议已经有22个国家的近百名学者报名参会，包括半固态加工技术的创始人、美国工程院院士、人文与科学院院士、麻省理工学院教授Flemings博士，他是半固态加工技术领域的鼻祖，他也会来深圳参会。他的成就不仅在半固态加工领域，在铸造领域是国际上的权威。大家如果想了解更多半固态技术，欢迎报名参会，地点在罗湖香格里拉酒店，网上报名将于这个月20号截至。今天我的报告就到这里，谢谢大家。