谢水生教授的半固态成形技术概述课件

半固态金属加工技术及其在工业中的应用Semi-SolidMetalProcess(SSM)北京有色金属研究总院谢水生半固态金属加工技术•金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌•控制固-液态温度区间得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)这种半固态金属浆料具有流变特性，即具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品。采用这种既非完全液态、又非完全固态的金属浆料进行加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术金属半固态加工技术的萌发20世纪70年代初美国麻省理工学院D.B.Spencer等测量Sn-15%Pb合金高温粘度计中，发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为时金属在凝固过程中进行强烈搅拌，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球状微粒结构。很快意识到---这一特征具有潜在的利用价值目的---共同的获得高质量、高強度、高精度金属零件毛坯方法---有差异压力铸造---凝固过程中施加压力液态模锻---提高模锻温度，充形性好半固态加工----金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌或控制凝固过程。將凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长然后直接進行流变铸造或制备半固态坯锭半固态加工技术、压力铸造和液态模锻的比较•有较宽液固共存区的合金如：铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金以及钢铁合金其中铝合金、镁合金因其熔点低，已得到广泛应用•SSM技术还被用于制备复合材料提纯材料等半固态加工技术适用范围半固态金属加工的特点•SSM充型平稳、无湍流和喷溅•加工温度低，释放了部分结晶潜热，对成形装置、模具的热冲击小•SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，缺陷少，晶粒细小•力学性能高，可接近或达到锻件的性能•SSM铸件凝固收缩小，尺寸精度高，能近净成形•节约能源。•SSM凝固时间缩短，也有利于提高生产率几种加工方法性能和特点的比较零件毛坯的加工成本压力铸造重力铸造锻造微观组织结构压力铸造重力铸造半固态锻造成形的形状精确度压力铸造重力铸造半固态锻造最终零件的加工成本压力铸造重力铸造半固态锻造机械特性压力铸造重力铸造半固态锻造低高半固态压力铸造•流变成形(Rheoforming)•触变成形(Thixoforming)流变铸造(Rheocasting)---局部重熔（二次加热）(Reheating)------触变成形(Thixoforming)半固态金属加工的主要工艺过程制备半固态金属浆料的方法•械搅拌法•电磁搅拌法•近液相线铸造法•应变诱发熔化激活法•溅射沉积法•紊流效应法•等目前工业中应用最多的是电磁搅拌法几种制备半固态金属浆料方法械搅拌法（a）垂直式(b)水平式不同的电磁搅拌方式示意图SCR法—单辊剪切制备法几种流变成形的方法(Rheoforming)几种流变成形的方法(Rheoforming)半固态浆料直接铸轧板坯（一）几种流变成形的方法(Rheoforming)半固态浆料直接铸轧板坯（二）几种流变成形的方法(Rheoforming)单螺旋搅拌装置•直接成形零件已应用于镁合金半固态成形几种流变成形的方法(Rheoforming)双螺旋搅拌装置•已应用于镁合金半固态成形直接成形零件触变成形(Thixoforming)•流变铸造(Rheocasting)•局部重熔（二次加热）(Reheating)•触变成形(Thixoforming)立式连续制备半固态金属坯料的生产线布置图电磁搅拌水平连续流变铸造结构示意图局部重熔（二次加热）•电阻加热•感应加热二次加热装置温控原理图局部重熔(二次加热)EFU公司的半固态金属坯锭的加热设备加热坯锭最大直径可达100mm，坯锭最大高度可达250mm。加热电流的频率可调，可从300HZ至550HZ。如连续加热直径3英寸，长度180mm的AlSi7Mg坯锭，加热速率为25个锭/小时，耗电量为110KW触变成形金属半固态加工后的组织结构特点金属半固态加工后的组织结构特点AlA357普通铸造的组织半固态加工的组织50µm50µm初生相的形状特征3DCharacterisationofParticles-LS26182DSections3Dshapes球形微粒的演化过程二次加热后的组织结构LS2618610C2min60min20min高熔点合金的半固态金相照片a）铜合金Cu-10Sn-2Znb)不锈钢A1S1304c)钴基高温合金HS31半固态金属的变形特性应力应变IncreasinglydendriticIncreasingparticlesizeDecreasingtemperatureIncreasingstrainrate半固态金属加工过程的数值模拟•流变铸造过程的模拟•二次加热过程的模拟•触变成形过程模拟电磁搅拌半连续流变铸造过程三维速度场和流场模拟•半固态钛合金触变成形阀体时金属流动前沿位置和流线触变成形过程的数值模拟•利用固体力学的理论进行数值模拟考虑为粘塑性本构关系•利用流体力学的理论进行数值模拟•提出新的理论进行数值模拟如：认为液态产生静水压固态为多孔材料粘塑性本构关系•通过压缩实验获得粘塑性本构关系实验GLEEBLE1500热模拟机上进行•不同应变速率时半固态Al-6.6%Si合金在液固两相区压缩变形的真应力-真应变曲线指形模的流变成形的模拟和实验研究模拟结果实验结果金属半固态加工后的机械性能特点不同加工方法所获得铝合金的机械性能比较合金加工方法热处理状态屈服应力(MNm-2)抗拉强度(MNm-2)延伸率(%)硬度（HB）铸造合金A356(Al7Si0.3Mg)A357(Al7Si0.6Mg)SSMSSMSSMSSMSSMPMPMCDFSSMSSMSSMSSMSSMPMPM铸造T4T5T6T7T6T51T6铸造T4T5T6T7T6T5111013018024026018613828011515020026029029614522025025532031026218634022027528533033035920014205-101295297155-10975460708010510080--758590115110100-锻造合金2017(Al4CuMg)2024(Al4Cu1Mg)2219(Al6Cu)6061(Al1MgSi)7075(Al6ZnMgCu)SSMWSSMCDFWWSSMWSSMWSSMCDFWT4T4T6T6T6T4T8T6T6T6T6T6T62762752772303933243102602902753614205053864273664204764693524003303104055605708.8229.281019588.2126.661189105---12089-10495--150不同铸造方法获得的AZ91Ｄ镁合金的力学性能合金及状态屈服应力（MPa）抗拉强度（MPa）延伸率（%）6061铝合金（T6态）流变铸造锭触变成形（模温450C）触变成形（模温500C）压力铸造2072142522521651521722004718．592024铝合金触变成形压力铸造锻造46448348534736240011．213．410合金及状态屈服应力（MPa）抗拉强度（MPa）延伸率（%）AZ91DSSM铸造合金（铸态）AZ91DSSM铸造合金（T4热处理）120.85.187231.413.42396.20.911AZ91D模铸AZ91C砂型铸造（铸态）AZ91C砂型铸造(T4热处理)AZ91C砂型铸造(T6热处理)AZ91C金属模铸造(T4热处理)AZ91D金属铸造(T6热处理)15429585130701002531216527527517517570.821251.80.8不同加工方法下的材料力学性能一些高熔点合金在不同条件下机械特性的比较屈服应力（MPa）抗拉强度（MPa）延伸率（%）铜CDA905流变铸造状流变铸造+均匀化触变成形砂型铸造1311551551523243052813103023725不锈钢AlSl304触变铸造蜡模铸造不锈钢AlSl304L应变诱发熔化激活锻件27627466051659648319303057不锈钢440C流变铸造状流变铸造+均匀化锻件103016501860压缩实验压缩实验M2工具钢（回火）触变铸造锻件（轴向）（横向）237024401230弯曲实验弯曲实验钴合金钨铬钴合金21触变成形标准值触变成形锻件铸造X-40流变铸造蜡模铸造531524205024009241550700662745弯曲实验弯曲实验828637钛合金Ti-20Co流变铸造模铸Ti-2-Cu流变铸造模铸Ti-17Cu-8Cu流变铸造模铸1681391261212121834864541701623883677.41.49.51.98.81.2机械零件不同位置的机械性能AlSi7Mg铸造铝合金在触变成形和热处理后不同位置的机械性能AlMgSi1锻造铝合金在触变成形和热处理后不同位置的机械性能半固态加工工业应用现状•在全世界许多国家都进行研究、开发、应用，应用日益广泛、已工业化应用•目前处于领先地位国家美国、意大利、瑞士、法国、英国、德国、日本等Alumax在Jackson工厂的半固态加工车间瑞士Buhler工厂的半固态金属成形机（630T）半固态成形的铝合金另件半固态成形的镁合金零件半固态流变铸造成型的铝合金汽车零件汽车的转向节车的齿轮盘发动机支架半固态加工成形汽车零件半固态加工成形的涡型轮MotorBracket(MercuryMarine,Inc.,FondduLac,WILeftPhoto:ProfilesSSFproducedmastercylinder,RightPhotoshowscompletedfuelrailsmanufacturedbyAEMPA-MoldCorporation,asubsidiaryofUBEIndustries,UbeCity,JapanAnnArbor,MI-basedThixomatLightweightnotebookcomputerDigitalvideocameraVarioussmallmetalcomponentsproducedbyFormcast,Inc.VarietyofmetalcomponentsproducedbyTHTpressesAviewofTHT’smanufacturingareaUBEMachinery,Inc.,AnnArbor,MIIsuzutrucktransbeamPorscheBoxterengineblock可能用于汽车前悬挂系统的半固态成形零件与原零件质量比较可能用于汽车前悬挂系统的半固态成形零件与原零件质量比较名称铁零件(Kg)铝零件(Kg)质量减少(Kg)（%）上控制臂：前端0.73710.255150.4819565%上控制臂：后端0.79380.311850.4819561%悬臂1.842750.708751.13462%驾驶控制杆2.09791.105650.9922547%支承0.198450.11340.0850543%悬臂支架梁0.311850.141750.170155%减震器支架梁0.198450.141750.056729%驾驶控制杆支承架0.368550.28350.0850523%转向节6.945753.883953.061844%每向总重13.49367.399356.0952545%每辆车总重26.987214.798612.190545%半固态加工的发展方向•降低加工成本•简化加工工艺流程•扩宽应用范围感谢国家自然科学基金资助Thanks