李龙飞-半固态流变制浆技术研究概述

金属半固态触变流变技术研究概述目录引言................................................................................................................................21.半固态材料触变行为研究....................................................................................31.1半固态触变成形工艺流程..............................................................................31.2铝合金半固态坯料制备..................................................................................31.3半固态金属触变成形......................................................................................72.半固态材料流变行为研究....................................................................................82.1半固态合金的流变特性..................................................................................82.2搅拌中半固态浆料流变现象..........................................................................93.半固态合金组织形成机制..................................................................................113.1半固态合金组织形成机制............................................................................113.2球形组织的直接生长............................................................................124.半固态合金流变成形技术..................................................................................12小结..............................................................................................................................15参考文献：..................................................................................................................16摘要：金属半固态成形技术属于近终型成形，在众多工业尤其汽车工业具有广泛的应用前景。半固态成型技术包括触变成形和流变成形。本文对金属半固态成形技术的研究现状和发展做综述基础上，系统地论述了半固态触变成形和流变成形的工艺过程和研究成果。关键字：金属半固态触变成形流变成形引言20世纪70年代初，麻省理工学院的D.B.Spencer博士在M.C.Flemings教授的指导下研究合金的热撕裂试验中，利用Couette粘度计测评Sn一15％Pb(质量分数，下同)部分凝固合金的粘度来模拟钢铸件热撕裂性。在试验过程中，Spencer博士发现在对部分凝固合金连续施加剪切作用时，固相率很高的合金具有机械油一样的流动性，并表现出触变性流变行为。这一现象有悖于传统铸造工艺中合金在固相率达到0.2时就不能流动的结论。敏锐的科学工作者们立刻意识到这一发现对金属加工科学和技术具有突破性的重要意义。深入研究表明，这种具有触变性和伪塑性流变特性的半固态合金结构特征有别于传统铸造工艺中得到的枝晶结构，而是球形或非枝晶形态的微观结构。Flemings把这种建立在球形结构或者说触变性结构上开发出来的新工艺称之为半固态金属加工。半固态加工技术的核心内容就是生产具有球形组织的半固态浆料。因此，获得理想的半固态供给料是实现流变成形路线的前提条件。半固态材料触变行为研究1.1半固态触变成形工艺流程图1.1金属半固态触变成形工艺流程a：金属冶炼；b：电磁搅拌及冷却系统；c：非树枝晶金属坯料；d：机架；e：定量分割坯料；f：半固态感应加热；h：成形件金属半固态触变成形关键工艺主要有：非树枝晶金属坯料的制备工艺、坯料的二次加热重熔工艺以及半固态成形工艺等。1.2铝合金半固态坯料制备传统铸造法得到的金属铸锭为树枝晶组织，该组织会严重影响到材料的致密度及其性能，并且在加热到半固态时，由于枝晶组织相互缠结，将显著降低坯料的流动性及成形性，因而致使成形件组织疏松、性能下降，而通过机械搅拌法或者电磁搅拌法等制得的非树枝晶组织在半固态成形时可以明显改善流动性，因此成形件表面平整光滑，内部气孔、疏松等缺陷少，晶粒细小，组织致密、力学性能好。为此半固态成形时，为了得到组织致密、性能优异及形状复杂的成形件，坯料的组织应是球状或近球状的非树枝晶。制备具有球状晶粒组织的铝合金半固态坯料是触变成形的前提条件。铝合金半固态坯料的制备方法主要有液相法和固相法两大类。液相法是对正在凝固的液态金属进行搅拌、振动等处理，或控制其凝固过程，从而得到具有非枝晶组织的半固态坯料，主要包括机械搅拌法(Mechanicalstirring，MS)、电磁搅拌法(Magnetohydrodynamicstirring，MHD)、超声振动法(Ultrasonicvibration，UV)和喷射沉积法(Spraydeposition，SD)等。固相法是将固态金属经过一定处理后，加热至半固态温度并保温，从而获得球状晶粒组织，主要包括半固态等温转变法(Semi-solidthermaltransformation，SSTT)、粉末冶金法(Powdermetallurgy，PM)、应变诱导熔化激活法(Straininducedmeltactivation，SIMA)和再结晶重熔法(Recrystallizationandpartialremelting，RAP)等。下面对其中几种常用的铝合金半固态坯料制备方法介绍和分析。应变诱导熔化激活（SIMA）法。IMA法工艺路线是：首先铸造出具有细小枝晶组织的金属坯料；随后将该金属坯料进行大变形量的热塑性变形(再结晶温度以上)，从而使铸态的树枝晶组织充分地破碎；然后将热变形后的坯料进行少量的冷变形，从而使坯料组织保留一定的变形能量；最后将冷变形后的金属坯料切成所需的尺寸，并将其迅速加热至半固态温度区间并保温一定时间，从而得到具有球状晶粒组织的半固态坯料。应变诱导熔化激活法制备半固态坯料的优势主要包括：可制备高熔点金属半固态坯料，坯料纯净、生产效率高，且SIMA法所获得的球晶组织更加细小、圆整。但是，SIMA法需要使坯料进行大变形量的塑性变形，因此该方法难以制备大尺寸的半固态金属坯料。图1-2应变诱导熔化激活法的原理示意图再结晶重熔法。再结晶重熔法即RAP法(Recrystallizationandpartialremelting)，是Kirkwood等学者提出的半固态坯料制备方法。其工艺原理如图1-3所示。RAP法技术原理和SIMA法相似，坯料经塑性变形后，在重熔加热过程中发生回复和再结晶，随后液相润湿再结晶晶界并导致再结晶晶粒的球化。但二者也有一定的区别，主要表现为坯料在重熔加热前的塑性变形方式。SIMA法过程中，首先对坯料进行热塑性变形（再结晶温度以上），随后施加少量的冷变形；而对于RAP法，则是直接对坯料施加温变形（再结晶温度以下）。图1-3再结晶重熔法的原理示意图再结晶重熔法除了具备与SIMA法相同的优势外，还拥有其独特的优点：在工业市场中，许多合金的原材料即为挤压棒材，若其没有发生明显的再结晶，可以直接利用RAP法制备半固态坯料。相对于SIMA法，RAP法工艺流程更短，生产效率更高，工业化应用潜力更大。近年来，国内外很多学者对RAP法开展了许多深入的研究。电磁搅拌法。电磁搅拌法(Magnetohydrodynamicstirring，MHD)是利用感应线圈产生的电磁场（垂直或平行于铸型的轴线方向）在处于固-液相间的金属液中产生感应电流，感应电流又受到洛伦兹力的驱动，从而对金属液产生剧烈的搅拌作用，使金属凝固形成的枝晶组织充分破碎。图1-4为电磁搅拌装置示意图。电磁搅拌能使金属液进行三维流动，搅拌效果良好，可制备具有细小等轴晶组织的半固态坯料。电磁搅拌法具有非接触，不污染金属浆料，搅拌过程精确控制，生产效率高，可以实现连续铸造等优点，因此在半固态坯料制备领域率先获得了应用，并已实现了工业化生产。但是，由于感应电流的集肤作用，电磁搅拌力从铸型的四周到中心逐渐减弱，因而电磁搅拌法不能生产大直径坯料。目前，MHD法可以生产出的最大直径半固态坯料为152mm。而且，电磁搅拌法存在耗能高，设备结构及生产工艺复杂等缺点，尚有待在技术途径上取得进一步突破。图1-4电磁搅拌装置示意图机械搅拌法。机械搅拌法(Mechanicalstirring，MS)是最早应用于制备半固态金属浆料的方法。该方法利用叶片或搅拌棒的机械旋转，对金属液施加剧烈的搅拌作用，使树枝晶组织充分地破碎，并改变金属凝固初生相的产生与长大过程，以得到液态金属母液中均匀地悬浮着一定近球状固相颗粒的半固态金属浆料。MS法可分为非连续机械搅拌法和连续机械搅拌法。图1-5为连续机械搅拌法工艺原理示意图。机械搅拌法的优点主要在于成本低、结构简单、搅拌过程易于控制等，是目前实验室研究中应用最广泛的半固态制坯方法。但是，机械搅拌法也存在明显的缺陷，如搅拌室和搅拌棒与高温金属液长时间接触，造成工作寿命较短，且半固态金属浆料易受污染。因此，MS法虽然作为最悠久的半固态坯料制备方法，至今仍只用于实验室的小规模研究工作，而且由于制备的半固态金属坯料的质量和生产效率往往较低，难以实现工业化生产。关于机械搅拌过程中半固态金属球晶组织的形成机制，Flemings等学者都认为这种球晶组织是在树枝晶形成后，再折断、破碎、球化形成的，其初生相形态的演化过程为树枝晶→短枝晶→枝晶碎块→球状晶→晶粒均匀化→晶粒长大。图1-5机械搅拌装置示意图1.3半固态金属触变成形由于半固态金属坯料的加热和输送过程较为简单，且易于实现批量化操作，因此半固态金属触变成形技术得到了较为广泛的应用，其中触变压铸和触变锻造是目前实际成产中应用最成熟的。触变压铸。触变压铸是将预先制备的半固态金属坯料进行重熔加热以获得所需的液相分数，待坯料各处的温度场和液相分数基本均匀后，将其送入压铸机压室，使半固态坯料高速充填模具型腔，随后在一定的压力作用下凝固成型。半固态铝合金触变压铸主要包括三个工艺流程：铝合金半固态坯料的制备、半固态坯料的重熔加热和触变压铸成形。与流变压铸相比，半固态触变压铸坯料的固相分数略高一些，在成形过程中有效地利用了半固态金属的触变性，即半固态坯料静止时像固态材料，可以进行搬运，而受到剪切作用时，具有很高的流动性，可以层流方式连续均匀地填充模具型腔。铝合金触变压铸具有很多独特的优点：可实现无湍流填充；可以压铸形状复杂和壁厚相差较大的零件；零件内部缺陷少，可以进行热处理强化；既可以使用铸造铝合金，也可以使用变形铝合金；可以实现近净化成形；容易