半固态触变注射成型（Thixomolding）是镁合金的一种绿色制造工艺，在不需要完全熔化也不需要保护气的条件下，可实现镁的安全、环保、高效的近净成型，正在全球镁产业低碳发展的更新迭代中大放异彩。

图1 半固态触变注射成型原理示意图

在此工艺基础上，上海交通大学曾小勤教授团队进一步提出了一种金属基复合材料的制备方法，即通过在镁合金半固态成型过程中掺杂外加增强相，集成半固态复合浆料的剪切、复合与高速成型于一体，并巧妙地利用材料与合理化工艺设计，实现镁基复合材料构件的一次铸造成型。相较于粉末冶金与搅拌铸造，这种新技术的制备过程简单，内部缺陷少，加入增强相均匀，可以显著提高强度、模量、导热等性能，适于复杂零件或薄壁件的连续化制备与生产，已于2022年获得发明专利授权。

图2 发明专利证书

近期，上海交通大学研究人员通过伯乐智能装备股份有限公司生产的高能半固态设备MTX300E，制备了Mg-10Zn合金及Mg-10Zn/SiC-Al2O3复合材料，深入探讨了其变形与断裂机制。半固态Mg-10Zn合金及Mg-10Zn/SiC-Al2O3复合材料的力学性能如图3，结果表明，陶瓷增强颗粒的加入能够显著提升材料强度及模量，延伸率有所降低但维持在6%以上，在一次成型下获得了优异的强度-塑性匹配性，同时具有很好的导热性能，远好于传统铸态的镁基复合材料。半固态镁合金具有胞状组织特征，第二相呈“网络状”包围镁基体，如图4所示，半固态复合材料内增强颗粒均匀弥散分布，未出现局部集中，这一结果证明了半固态触变成型适用于制备镁基复合材料。

图3 半固态镁合金、镁基复合材料力学性能

图4 半固态成型Mg-10Zn合金及Mg-10Zn/SiC-Al2O3微观组织

利用数字图像相关技术(DIC)研究了半固态材料的变形特征，应变分布结果如图5，可见，增强颗粒的引入有益于抑制大变形带的形成，提高变形均匀性。尽管从变形的角度讲，加入增强颗粒有利于材料增塑，然而，从断裂的角度讲，SiC及Al2O3本身可能成为裂纹源。在有关Mg-10Zn合金及Mg-10Zn/SiC-Al2O3复合材料断裂的微观实验研究中，观测到了Mg中SiC的贯穿裂纹，Al2O3与Mg基体的界面脱开，如图6、图7。进一步结合晶体塑性有限元研究了镁基体变形机制对增强颗粒开裂的影响机制，仿真结果如图8，发现当颗粒周围晶粒的取向有利于非基面滑移启动时，增强颗粒的应力集中能够得到缓解。

图5 基于DIC技术的半固态材料变形特征研究

图6 Mg-10Zn/SiC-Al2O3中SiC的贯穿裂纹

图7 Mg-10Zn/SiC-Al2O3中Al2O3与镁基体的界面脱开

本工作分别从变形均匀性、裂纹形核、镁基体变形机制的角度讨论了增强颗粒对镁基复合材料力学性能的影响机制。基于研究结果可得到通过添加颗粒以同步增强增塑镁基复合材料的可行方法：抑制增强颗粒裂纹形成、促进镁基体开动非基面滑移。如何通过调控增强颗粒开裂及镁基体变形机制以优化力学性能将在后续研究中做进一步讨论。

图8 增强颗粒受力的晶体塑性有限元模拟研究

研究成果以“The influence of SiC-Al2O3 reinforcements on the deformation and fracture mechanism of thixomolded Mg-based composite”为题，发表在国际期刊Journal of Materials Science。上海交通大学材料学院谷立东博士为第一作者，上海交通大学曾小勤教授与尚晓晴助理教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

此外，近年来上海交通大学与伯乐智能装备股份有限公司开展深度合作，建立先进金属成型装备联合研究中心，深耕镁合金半固态新型技术开发，由基础研究到应用，已创新发展出了高动能半固态、超大型半固态等系列新型装备，以及专用于半固态工艺的高强韧镁、高导热镁、高耐蚀镁等系列材料。不断以3C、新能源汽车等新兴市场需求为导向，开放合作，更多围绕真实产品实践，提升制造技术和性能。让半固态注射成型技术重新发现镁材料的应用价值，驱动镁产品的高质量发展。