武汉理工大学胡志力：汽车轻量化离不开高强钢和铝合金热冲压技术创新

6月27日-29日，2022中国汽车供应链大会暨首届中国新能源智能网联汽车生态大会在湖北武汉经开区举办，本届大会主题为“融合创新、绿色发展——打造中国汽车产业新生态”。大会由工业和信息化部、湖北省人民政府、中国机械工业联合会联合指导，中国汽车工业协会和武汉市人民政府共同主办，武汉市经济和信息化局、武汉经济技术开发区管理委员会、武汉市智能汽车产业促进会和汽车纵横全媒体协办，东风汽车、黑芝麻智能和地平线为合作伙伴。岚图Free、岚图梦想家和东风风神皓极作为本次大会的官方服务用车，为大会嘉宾提供出行服务。其中，在6月29日上午举办的“绿色发展—促进汽车材料新飞跃”主题论坛上，武汉理工大学汽车轻量化技术中心副主任胡志力教授发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录：

非常感谢协会提供的这次交流平台，能够代表我们的研究团队汇报在高性能铝合金构建轻量化成形技术与应用的研究进展，目前这项技术主要应用在乘用车和商用车。

正如前面几位专家报告里所讲，汽车轻量化无论是对燃油车，或者是对电动车，它的节能减排效果都非常显著，已经成为世界公认的一个汽车发展趋势和潮流。也因此，美国、欧盟，包括我们国家都出台了国家级的政策和战略规划来支持汽车轻量化发展。 

轻量化材料用得比较多的就是高强钢、铝合金。由于出色的经济性、安全性和轻量化效果，在近五年欧美日新开发的车型里面，尤其是在安保件上得到广泛应用。这些材料都是高强轻质材料，成形性比较差，工艺窗口比较窄，而汽车安保件结构又越来越复杂，性能要求越来越高，对先进制造技术提出了非常大的挑战。 

提到先进制造技术，这里不得不说的就是热冲压。10年前汽车行业就已经开始应用这个技术，其中沃尔沃最开始应用的时候，单车应用比例不到20%，现在欧洲的单车热成形件应用比例在25%左右，沃尔沃的单车用量已接近40%。全球热成形生产线2010年的时候只有100条左右，2017年已经超过400条，热冲压技术的发展非常快。

现在，高强钢热冲压技术发展很快，为什么铝合金热冲压技术目前还未见广泛应用呢？这里面主要有两个行业痛点：一是工艺成本，第二个是性能，涉及到如何能够实现铝合金高效低成本的生产，以及如何保证铝合金热冲压产品的高性能？

我们第一代铝合金热冲压技术是由英国帝国理工学院的林建国教授发明的。他是英国皇家工程院士，发明了HFQ铝合金热冲压技术，成立了ITL公司去推广运营这项新技术。这个技术的工艺原理说起来很简单。首先是加热，加热提高铝合金的成形性能；然后快速转移到冷模具中成形淬火一体化，最后经过12-24小时的人工时效，提高它的强度。这个技术的优势很明显。以莲花汽车车门内板为例，这样一个零件深度比较深，有200mm，如果采用传统的冷冲压，它需要分割成五个零部件，分别成形，然后拼焊在一起。如果采用这个HFQ的工艺，可以一次冲压成形，可以节约大量的模具费用，在生产很多小批量的复杂形状零件上，能实现制造低成本。但由于成形后的零件需要长时间的人工时效热处理，影响了生产效率，因此目前这个技术主要用于航空航天，或者是小批量的超跑。 

我们在和林院士长期的项目合作与交流过程中，也掌握了HFQ铝合金热冲压技术，并试制了部分汽车铝合金构件。在HFQ铝合金热冲压成形实践过程中，我们发现由于铝合金构件成形后需要的人工时效强化时间太长，不仅能耗高，而且生产效率太低，无法应用于汽车的大批量生产。针对这个问题，我校的华林教授团队开发了新一代铝合金热冲压技术PHF。简单来讲，就是将传统软态坯料变成预硬化的硬态坯料，然后进行冷冲压或者热冲压，成形过程中加工硬化与相变强化两者叠加，实现无需热处理即可获得高性能的铝合金构件。 

因为抛弃了长时间的人工时效热处理，所以铝合金热冲压工作效率提高10倍以上。采用PHF工艺，我们首先可以从铝材厂商定制预硬化态的铝合金坯料，然后进行短时间的加热保温，然后直接成形，成形后无需人工时效热处理即可获得高强度。由于省掉后面的热处理工作，整个生产效率、工艺成本能达到和高强钢热冲压一样的水平，而且可以使用目前所有的高强钢所有的产线装备。

我们学校自己投资建设了一条全自动化的铝合金热冲压试制线。铝合金板材短时保温以后直接冲压，通过控制组织相变，实现加工硬化与相变强化叠加，实现了高强度构件生产。这个技术已经在我们学校进行了几百件的小批量试制，也在东风公司进行了中试试验，7月份我们还将在东风公司进行一个铝合金PHF冷冲压的试验。就是说同样采用一个预硬化的高强铝合金坯料进行冷冲压成形，如7075铝合金或者6061铝合金等，成形后也不用再进行人工时效强化热处理。 

还有一个问题，我们也思考，PHF可以成功应用于铝合金板材冲压成形，那么能不能做铝合金棒料的锻造成形呢？我们在实验室进行了深入的研究，针对汽车底盘铝合金构件厚度大、需要多道次变形、且变形剧烈的特点，对PHF技术进行了改进。首先把棒材进行加热固溶，固溶后转移到模具里面进行1-2次的预锻造成形，淬火后进行预时效，然后直接转移到终锻模具上进行成形。这里最大的优势在于，如果采用传统的铝合金锻造，成形后进行固溶时效处理，最后产品会形成一个表面粗晶，这个很难避免。铝合金锻件行标和国标都规定，允许铝合金锻件表面出现2毫米以内的粗晶。而PHF铝合金锻造工艺，由于成形后无需再固溶和时效处理，不会出现表层粗晶，产品的表面和芯部的晶粒尺寸基本一致，都是细小的等轴晶，因此铝合金锻件性能优异。  

谢谢。

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）