金属材料挤压及相关剧烈塑性变形（SPD）技术研究进展：机理导向的工艺分类、微观组织调控与绿色成形展望

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Recent Progress in Extrusion and Related SPD Technologies for Metallic Materials: A Review

　　

挤压是先进金属成形的核心分支。过去一个世纪，其已从传统热挤压和冷挤压发展为涵盖剧烈塑性变形（severe plastic deformation, SPD）技术的多样化工艺体系。这些工艺的工业极限受少数主导物理机制控制：动态再结晶（dynamic recrystallization, DRX）决定晶粒细化；绝热升温及相关热脆（表面开裂）限制最大可用挤压速度；在分流模挤压和混合挤压中，压力-温度-时间准则控制固态缝焊完整性。该综述从机理导向视角考察金属挤压及密切相关的SPD技术。首先，阐明挤压过程中金属流动与变形行为（metal flow and deformation behavior, MFDB）的基础，包括主剪切区、死金属区和容器壁摩擦，以及材料本征因素（合金成分和初始晶粒形貌）与外部条件（模具设计和工艺参数）的影响。其次，讨论模具设计与制造在调控金属流动和保证产品精度中的关键作用，包括有限元分析（finite element analysis, FEA）和智能算法在模具优化中的应用。该综述核心是对最新工艺进行比较分析，按运动学分为两类：连续型材成形挤压，即坯料被迫通过模孔（正向、反向、侧向、场辅助和剪切辅助等变体）；以及离散SPD调控，即在恒截面下累积大应变，涵盖循环挤压压缩（cyclic extrusion compression, CEC）、高压扭转（high-pressure torsion, HPT）、等通道转角挤压（equal-channel angular extrusion, ECAE）、场辅助挤压（field-assisted extrusion, FAE）和剪切辅助加工与挤压（shear-assisted processing and extrusion, ShAPE）。针对每种技术，详述其工作原理、模具结构特征及其对微观组织演变（晶粒细化、相变、织构调控）和力学性能（强度、塑性、耐磨性）的独特影响。最后，总结当前工业应用并概述未来发展趋势，包括智能监测系统、模块化设备及与增材制造的杂化，以实现金属材料的绿色高效成形。

1 引言
挤压从19世纪热挤压低熔点金属发展到20世纪冷挤压，热挤压与冷挤压构成基本分类。减少外部预热的先进塑性成形受到关注，但ECAE、ShAPE等可通过界面摩擦和黏塑性耗散原位生热，ShAPE属高温SPD。挤压的重要性在于近净成形、高材料利用率、大压缩应变愈合缺陷和细化铸态组织。发展动机从提高产量转向组织织构调控、降低能耗及固相回收屑、废料和粉末。主要挑战包括容器壁摩擦与模具磨损、流动不均导致组织差异和各向异性、难变形合金热脆，以及模具与参数优化依赖经验试错。

2 金属挤压基础
2.1 金属流动变形行为
MFDB宏观上表现为沿主应力方向的协调流动，微观上涉及位错滑移、孪生和晶粒转动重排。合金成分和初始组织决定流动性；等轴晶有利于多向协调变形，柱状晶方向性强。主剪切区、死金属区（DMZ）、容器壁摩擦和绝热升温构成基本机制，摩擦常由滑动向黏着转变，绝热温升限制最大挤压速度。表征包括几何精度、残余应力、应力-应变曲线和组织观察；异常晶粒长大、局部碎化和杂质偏聚提示流动不均。

2.2 挤压模具设计与制造
模具约束并引导金属通过模孔，需满足尺寸精度、冷却、热处理、热强、耐磨和化学惰性要求。现代设计采用计算机辅助预生产模拟，包括有限元分析（FEA）；挤压比大于25时传统FEA易发生网格畸变，机器学习、遗传算法和深度学习与FEA耦合是自主优化路径。模具入口角、工作带长度和曲面轮廓影响残余应力和寿命。ECAE模具目的不同，通道角Φ常为90°–120°，90°单道次等效应变约1，内圆角半径应大于外圆角。

2.3 微观组织与性能的演变及控制
挤压SPD改变晶粒尺寸、相稳定性、织构和残余应力，决定屈服强度、硬度、各向异性和稳定性。以ShAPE为例，粗晶在剪切和挤压作用下转变为细或超细等轴再结晶晶粒，并形成剪切织构。需建立加工窗口平衡流动稳定性、晶粒细化和组织均匀性。控制方向包括工具几何与运动学创新、工艺-性能空间映射、挤压前坯料调控和挤压后热处理。机器学习可映射非线性关系，但AI与组织预测整合仍处早期，当前多为开环，需实时采集挤压力、模面温度、主轴扭矩和声发射等信号形成闭环。

3 挤压与剧烈塑性变形新技术及工艺发展
3.1 传统挤压
传统挤压分为正向、反向和侧向。正挤压设备简单、效率高，适合铝、铜、钢型材，但壁摩擦严重，形成死区和热梯度。反挤压无坯料与容器相对位移，摩擦消除，挤压力低、流动均匀，适合高强难挤合金。侧挤压适合分支和非对称件。传统挤压细化不足；ECAE可将铝复合材料细化至约7 μm，而正挤压约17.3 μm。混合侧向-正向挤压可产生强剪切和SPD，用于Al-12Si-2Fe破碎共晶Si和初生β相；其流动类似分流模，需保证焊合室压力-温度-时间固态焊合。

3.2 循环挤压压缩（CEC）
CEC为连续SPD，不改变外尺寸，多道次无需取出工件。模具由扩大通道和窄颈构成，颈缩区产生强剪切压缩和晶粒细化。两冲程循环交替压缩-挤压累积大应变。CEC可细化GW102K镁合金，提高屈服强度、抗拉强度和伸长率，归因于动态再结晶（DRX）；组织中出现韧窝、形变孪晶和剪切带，粗第二相可碎化。

3.3 高压扭转（HPT）
HPT运动学上非挤压，而是圆盘在高压下受扭剪切，作为离散SPD调控上限基准。装置为上下砧加轴向加载和旋转，参数包括轴向力、转速和转数。可在较低温度对低塑性材料施加大应变，制备纳米复合材料。组织呈现剪切带、高位错密度和超细晶，晶粒可细化至约20 nm饱和，硬度提高约160%，塑性下降。机制包括孪生促进细化和剪切诱导析出物溶解。局限为样品尺寸小和设备复杂。

3.4 等通道转角挤压（ECAE）
ECAE不改变截面积制备块体超细晶。路径分四类三方向，挤压方向影响织构和断裂；不同方向c轴织构约45°，仅法向（ND）出现45°锯齿断裂。增加道次不一定持续细化，ZX30-Mg和TA15钛合金最佳稳定约四道次。ECAE通过近纯剪切形成等轴亚微米晶，提高强度并保留一定塑性，强剪切织构不彻底阻碍其他方向位错运动。缺点是摩擦损失、模具磨损和表面缺陷；模具简单，适合FEA和数值模拟优化。

3.5 外场辅助挤压（FAE）
FAE将电场、超声和磁场引入挤压。电场辅助基于电塑性效应，漂移电子促进位错运动，降低变形抗力和温度，提高塑性；可改善钛合金、高强铝和镁合金加工性，促进DRX和晶粒细化。超声辅助叠加周期应力，降低挤压力和界面摩擦，铜复合型材挤压力可降约20%–30%，并产生高位错密度和形变孪晶。磁场辅助仍多理论阶段。局限是设备复杂、控制难，工业应用限于精密和航空航天，电场-热-应力耦合及高功率超声换能器放大仍需解决。

3.6 剪切辅助加工与挤压（ShAPE）
ShAPE为高效低能耗剪切辅助加工与挤压，因坯料与容器无相对位移归为间接挤压。旋转模面摩擦加热，液压缸施加至多900 kN轴向力，材料通过模芯间隙挤出成管。带芯棒用于空心型材，不带芯棒用于屑、废料和粉末固结。ShAPE兼容粉末冶金，绿坯相对密度约72%。AA7075管挤压速度可达传统正挤压5–10倍，ZK60镁管功率降低10–20倍。强剪切破碎粗金属间化合物如Al₁₁Ce₃，DRX细化晶粒至10–50 μm，改善强度塑性。局限是模具复杂、参数需按合金定制、成本高。

4 讨论
4.1 所评述工艺的工艺窗口优化
各工艺窗口共享逻辑：下限为激活DRX和愈合界面缺陷所需应变、应变速率和温度，上限为热脆、初熔或缝焊失效。常规热挤压上限由绝热升温设定；分流模还受焊合室压力-温度-时间约束。CEC和ECAE细化收益约四道次饱和；HPT转数足够后饱和；ShAPE中每转进给量（APR）耦合热机械循环。应以同源温度、有效应变和应变速率统一比较。

4.2 微观组织控制的研究方向
工具几何创新带来最大能力跃变，如CEC颈缩模、ECAE交叉通道模和ShAPE螺旋槽模，但投资最高。固定工具内工艺-性能映射最易实现，但报告规范不统一。坯料调控对回收屑和粉末更重要。挤压后处理可调性能但抵消部分能耗优势。需四方向协同扩展至高强高杂质合金。

4.3 比较定位与当前工业应用
常规正挤压和分流模仍是铝型材主力。ShAPE工业化最远，第二代机器可直接由坯料、屑和粉末生产薄壁管，已用于铝、镁、铜合金。FAE占航空航天和精密利基。ECAE达中试规模，CEC和HPT仍主要实验室。近期SPD工业影响最可能通过ShAPE等剪切辅助连续工艺实现，离散SPD作为基准和预处理。

5 总结与结论
综述表明先进挤压和SPD可调控金属流动、诱导DRX、细化晶粒和破碎第二相，克服强度-塑性权衡。瓶颈包括工艺和模具复杂、组织重复性不足、研究框架碎片化。未来趋势为工艺杂化、数字化和预测建模、绿色循环制造；成功关键在于结合模块化工具与物理机制约束的闭环数字控制，实现实验室到工业跨越。