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熔体等温处理法制备a i s i 7 m g 合金半固态坯料的研究 摘要 半固态金属加工技术被认为是2 1 世纪最具有发展前途的近净成形技术之 一，其关键环节是半固态浆料的制备。本文针对非搅拌法制备半固态金属浆料 具有的特点，采用等温热处理法制备a i s i 7 m g 合会半固态金属浆料，研究了该 方法对非枝晶半固态浆料组织的影响因素。此外，本文还采用了近年来开发的 超声波处理法制备a 1 s i 7 m g 合金半固态金属浆料，获得了理想的工艺参数。 通过对a i s i 7 m g 合金在液相线附近不同的温度下保温，研究了其凝吲组织 形态的演变规律。实验结果表明在6 0 0 6 5 0 。c 之间不同的温度下对a 1 s i 7 m g 合 金保温3 0 m i n 处理，随着保温温度的降低，初生相逐渐由发达的树枝晶向蔷 薇状枝晶和粒状晶转变，在6 0 5 保温3 0 m i n ，可得到尺寸较小、分布均匀的 粒状初生a 相，而在6 0 5 以下保温时，初生a 相又开始向蔷薇状形态演变。 而对a 1 s i 7 m g 合金在相同的6 0 5 温度下进行不同时间的保温处理，结果显示： 随着保温时间由1 0 r a i n 延长到6 0 r a i n ，初生g 【相的形态经历了由不规则的枝晶 到均匀的粒状等轴晶再到蔷薇状组织的转变过程。在等温处理前对合金进行变 质处理能明显改善合金的组织，能使晶粒的尺寸减小约一倍。 采用变质处理结合固相重熔的方法制备a i s i 7 m g 合金半固态金属浆料，研 究了未变质合金和变质合金在重熔过程中，组织转变的规律。实验结果表明： 未变质合金和变质合金中的初生d 相组织经过等温重熔处理都可以由枝晶态演 化成粒状球形颗粒组织，但变质合金的非枝晶转变更容易，需要的时间更短， 获得的非枝晶组织更优化。合金在等温重熔处理时，晶粒的形态跟温度和时间 有重要关系，重熔温度越高，晶粒演化速度越快，晶粒尺寸越小；随着重熔时 间的延长，晶粒先演化为球形颗粒，时间过长，晶粒又会发生粗化。 采用超声波处理法制备a l s i 7 m g 合金半固态金属浆料，研究了超声波处理 工艺参数对合金组织的影响。实验结果表明：在a 1 s i 7 m g 合金熔体等温处理中 导入超声波能有效阻止枝晶组织的形成，可以得到理想的球形颗粒组织。超声 波导入温度对合金组织的形态有重要影响，在6 8 0 左右导入超声波处理最为 理想。超声波处理时间对合金组织的形态也有重要影响，超声波处理时间越长， 得到的合金中的初生1 一a 1 晶粒越细小，形态越圆整。 y 撕- j 半固态：等温处理；重熔；超声波；a i s i 7 m g 合金 s t u d y o np r e p a r a t i o no f a i s i 7 m ga l l o ys e m i s o l i db i l l e t sb y m e l ti s o t h e r m a lt r e a t m e n tp r o e e s s a b s t r a c t s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sr e g a r d e da so n eo ft h en e a r - n e t s h a p ef o r m i n gt e c h n o l o g i e s w i t hw i d ea p p l i c a t i o ni n21c e n t u r y , a n dt h e p r e p a r a t i o no fs e m i - s o l i ds l u r r yi st h ek e yt e c h n i q u e i nt h i ss t u d y ，c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e ro ft h ep r e p a r a t i o no fs e m i s o l i ds l u r r yw i t h o u ts t i r r i n g ，w eo b t a i n e d a 1 s i 7 m ga l l o ys l u r r yt h r o u g hi s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ，a n ds t u d yi n f l u e n c i n g f a c t o rf o rt h ef o r m i n go fn o n d e n d r i t i cs e m i s o l i ds l u r r y u l t r a s o n i ct r e a t m e n t t e c h n o l o g i e sf o rp r e p a r a t i o no fs e m i - s o l i ds l u r r y a r ea l s os t u d i e di nt h i sl i t e r a t u r e ， i d e a l i z a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t s s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o no fa 1 s i 7 m ga l l o yh o l d i n ga td i f f e r e n t t e m p e r a t u r ew a ss t u d i e db yp e r m a n e n tm o u l dc a s t i n g s t r u c t u r eo fp r i m a r y ( 1 - a 1 t r a n s f o r m e dw i t ht e m p e r a t u r ec h a n g i n gw a ss t u d i e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef r o m 6 0 0 t o6 5 0 h o l d i n gf o r3 0 r n i n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t hd e c r e a s e o f t e m p e r a t u r ef r o m6 5 0 t o6 0 0 p r i m a r y - a 1t r a n s f o r m e df r o ms t r o n gd e n d r i t i c t or o s e t t eg r a i n y s m a l ld i m e n s i o n a la n dn o n d i r e c t i o n a lg r a i n yp r i m a r y1 7 - a ic a nb e o b t a i n e da t6 0 5 h o l d i n gf o r3 0 m i n w h e nm e l th e l du n d e r6 0 5 p r i m a r y ( 1 - a i l e a n tt or o s e t t e i na d d i t i o n ，s t r u c t u r a lt r a n s f o r m a t i o no fa 1 s i 7 m ga l l o yh e l da t d i f f e r e n tt i m ea t6 0 5 w a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：p r i m a r y5 - a 1 t r a n s f o r m e df r o mi r r e g u l a rd e n d r i t i ct on o n d i r e c t i o n a le q u i a x e dg r a i nt h e nt o r o s e t t es t r u c t u r ew i t hh o l d i n gt i m ei n c r e a s e df r o ml0 m i nt o6 0 m i n a d dg r a i n r e f i n e ri nt h em e l tb e f o r ei s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n th a dg r e a ti n f l u e n c e ，i tm a yg e t t h em i c r n s t r u c t u r eo fa l l o yb e t t e ra n dr e d u c et h ed i m e n s i o no fg r a i nt on e a r l ya h a l f u s i n gg r a i nr e f i n i n ga n dp a r t i a lr e m e l t i n gp r e p a r e da 1 s i 7 m ga l l o ys e m i - s o l i d s l u r r y ，r u l eo fs t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o no fu n d e r m o d i f i e da n dm o d i f i e da l l o y s d u r i n gr e m e l t i n g w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a t ：p r i m a r y 氆一a 1 i n u n d e r m o d i f i e da n dm o d i f i e da l l o y sc a nb eb o t hc h a n g e df r o md e n d r i t i ct og r a i n y s t r u c t u r e ，w h i l et h et r a n s f o r m a t i o no fm o d i f i e da l l o yc a nb em o r ee a s y ，n e e dl e s s t i m ea n db e t t e rn o n d e n d r i t i cg r a i nc a nb eo b t a i n e d d u r i n gt h er e m e l t i n go fa l l o y ， w i t ht h er i s i n go ft e m p e r a t u r et h ec h a n g i n go f 旺一a im o r eq u i c k l y ，t h ed e m e n t i o no f g r a i nm o r es m a l l ；w i t ht h ee x t e n s i o no ft i m e ( i - a if i r s t l yc h a n g et og r a i n yt h e nt o c o a t i n g u s i n g u l t r a s o n i ct r e a t m e n t t e c h n o l o g i e sp r e p a r e ds e m i s o l i ds l u r r yo f a 1 s i 7 m ga l l o y i n f u l e n c e so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rs t u r u c t u r et r a n s f o r m a t i o n w e r es t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：u l t r a s o n i ct r e a t m e n tc a n h o l db a c kt h eg r o w t ho fd e n d r i t i cg r a i na n dp r o m o t et h ef o r m i n go fg l o b u l a rg r a i n t h ee f f e c to fs t a r t i n gt e m p e r a t u r eo fu l t r a s o n i ca p p l i c a t i o ni s d r a m a t i c ，t h ei d e a l s t a r t i n gt e m p e r a t u r ei s n e a r6 8 0 t h ee f f e c to ft i m eo fu l t r a s o n i ca p p l i c a t i o ni s a l s oo b v i o u s l y w i t ht h ee x t e n s i o no ft i m e 一a 1w i t hb e t t e rm i c r o s t r u c t u r ec a nb e o b t a j n e d k e yw o r d s ：s e m i s o l i d ；i s o t h e r m a lh e a t - t r e a t m e n t ；r e m e l t i n g ；u l t r a s o n i c ；a 1 s i 7 m g a l l o y 图1 1 图1 2 图l 一3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图l - 8 图1 9 图1 1 0 图l 。1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图清单 金属高温三态成形加工方法的相互关系- 一些材料的f y 滞后回线示意图 球状晶的演化过程 枝晶断裂过程示意图 枝晶臂熔断示意图 简单二元合金凝固相图与半固态区 半固态加工的基本工艺方法 半固态流变成形和触变成形工艺流程示意图 机械搅拌装置示意图 电磁搅拌法示意图 应变诱发熔化激活法工艺示意图 a l s i 二元合金相图- a l s i 7 m g 合金在不同温度下保温3 0 m i n 后的显微组织 6 0 5 下保温不同时间合金的显微组织 不同冷却速度对合会组织形态的影响 a i s i 7 m g 合金在不同温度下保温处理后的硬度 保温过程中初生n a l 由枝晶向粒状晶演变示意图 a 1 t i b 中间合金的显微组织 ” a l b 中间合金的显微组织 a l - t i b 变质a i s i 7 m g 合金在不同温度下保温3 0 m i n 的显微组织- a 1 一t i b 变质a i s i 7 m g 合金6 1 0 保温不同时间后的显微组织- 不同变质a 1 s i 7 m g 合金等温处理后的显微组织 电阻炉半固态重熔加热a 1 s i 7 m g 合金坯料装置示意图 重熔加热工艺曲线 固相率与温度的关系曲线 a 1 s i 7 m g 合金加入不同量a 1 t i b 变质后的宏观组织 不同种类变质剂的细化效果 未变质a 1 s i 7 m g 合金在5 8 0 。c 下保温不同时间的显微组织 a l b 变质a l s i 7 m g 合金在不同温度下保温重熔 8 0 m i n 后的水淬显微组织 晶粒平均等积圆直径与重熔温度的关系 a 1 b 变质a i s i 7 m g 合金5 8 0 。c 经不同时问保温重熔 后的水淬显微组织 o 一o oo镥他”加”勉”巧撕”船娩蛇弘”拍 船 的 图4 1 0a 1 b 变质a i s i 7 m g 合金5 9 0 经不同时间保温重熔 后的水淬显微组织4 0 图4 1 1a 1 b 变质a 1 s i 7 m g 合金晶粒平均等积圆直径 与重熔时间的关系4 l 图4 1 2a 1 t i b 变质a 1 s i 7 m g 合金5 8 0 经不同时间保温 重熔后的水淬显微组织4 2 图4 1 3a 1 t i b 变质a 1 s i 7 m g 合金5 9 0 经不同时间保温 重熔后的水淬显微组织4 3 图4 一1 4a i t i b 变质a i s i 7 m g 合金品粒平均等积圆直径 与重熔时间的关系4 4 图4 1 5 半固态等温重熔过程中的组织演变示意图4 5 图5 1超声波振动示意图4 7 图5 2立式超声波振动制备半固态连铸坯料示意图4 7 图5 3实验装置示意图4 8 图5 - 4超声波处理对a i s i 7 m g 合金宏观组织的影响一4 9 图5 5a i s i 7 m g 合金在不同温度下超声波处理1 0 0 s 后的显微组织5 0 图5 - 6a 1 s i 7 m g 合金在不同温度下超声波处理1 0 0 s 后的显微组织5 1 表格清单 表l 一1不同加工方法所获得铝合金的力学性能比较 表2 1试验用a 1 s i 7 m g 合金成分 表3 1实验中所用细化剂的化学成分 9 1 6 2 4 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究丁作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金坦工垫叁堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明井表示谢意。 签字日期：州年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒把王些厶堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒胆至些盘堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝糙名磷 签字日期：州年z 月占 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名，移伤 签字日期：c 埘年6月f 日 电活： 邮编： 致谢 本文是在导师程和法教授的精心指导下完成的。从开题、课题实验到学位 论文的撰写完成无不倾注着导师的大量心血。导师渊博的学识、严谨的治学风 格、求实的敬业精神是我学习的楷模。三年来，导师不仅在学业上给予了精心 的指导，在生活上也给予了极大的关心和照顾。在此，对程老师表示衷心的感 谢和崇高的敬意! 苏勇老师在论文撰写中提出了很多宝贵的意见，在此表示感谢，衷心地感 谢熊振茵老师、何元祥老师、徐道荣老师、秦玲老师等在实验中给予的关心和 帮助，在论文工作期间得到了胡孔硕士、吕艳风硕士、李拥军硕士、张章硕 士、刘海明硕士、徐亮硕士、陈杰硕士、周庆涛博士、席赞博士、丁国华博士 等同学给予的帮助和支持，感谢姚瑶、孙宗云、蒋海峰、沈融融、张燕、徐炜、 邵丁伟、陆佳平等同学在学习和生活中的帮助，老师和同学的关心和帮助使我 顺利完成学业，在此，一并表示感谢! 部队在我研究生就读期问给予了很大支持，感谢部队领导钱海志主任、解 静波参谋在学习和生活上的关心，感谢战友穆宗波、王继臣、刘庆、司媛媛等 在生活中给予的帮助。 特别感谢我的父母和亲人们的鼓励和支持，他们是我在学业和将来事业上 不断追求上进的精神动力。 在合肥工业大学，我度过了有生以来最宝贵、最为难忘的美好时光，感谢 母校，感谢所有帮助和关心我的人。 作者：戴光星 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 半固态金属加工技术的概念 半固态金属加工技术( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s so rs e m i s o l i dm e t a l f o r m i n g ) ，简称s s m “3 1 ，是近年来金属加工领域中的热点技术之一。半固态 技术具有一系列突出的特点，其中，最突出的是半固态的触变性和流变性，采 用半固态浆料进行成形可获得精度高，质量好的零件、能与近终成形接轨。 半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变过程中所具 有的特性进行成形的方法。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工 的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形 状复杂且精度和性能质量要求较高的零件。所以，国外有的专家将半固态加工 称为2 1 世纪最有前途的材料成形加工方法。图1 - 1 表示金属在高温下三态成形 加工方法的相互关系”j 。 液态加工； | 铸造成形 重力铸造 精密铸造 压力铸造 高流 速变 连铸 续造 铸 造 ，| ，固态加上 k ：二： | 固态加工 液态铸轧； 连连 挤压 激；霎荤弗譬鬟形 半同态锻造 下 i 图1 1 金属高温三态成形加_ t 方法的相互关系 传统的金属成型主要分为两类：一类是金属的液态成形，如铸造、液态模 锻、液态轧制、连铸等：另一类是金属的固态成形，如轧制、拉拔、挤压、锻 造、冲压等。在2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等研究人 员在自制的高温粘度计中测量s n 一15 p b 合金高温粘度时，发现了金属在凝固 过程中的特殊力学行为，如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，这种特殊的性能是由于基 体中存在奇特的球状微粒结构。d b s p e n c e r 的实验现象引起导师f l e m i n g s 教授的高度重视，于是在f l e m i n g s 教授的领导下，投入了大量的人力和物力， 对具有球状初生固相的半固态合金组织形成机制、半固态浆料的力学行为和成 形特点进行了深入研究，创立了金属半固态成形的概念、理论和技术。所谓金 属半固态加工或半固态成形，就是在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌和 扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初 生固相的形核和长大过程，破碎枝晶状的初生相，得到一种液态金属母液中均 匀悬浮着一定球状初生固相的固一液混合浆料( 固相组分一般为5 0 左右) ，即 流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流 变成形( r h e o f o r m i n g ) ；如果将流变浆料凝固成坯锭，按需要将此坯锭切成一 定大小，然后重新加热( 即坯料的二次加热) 至金属的半固态温度区，这时的 金属坯锭一般称为半固态金属坯料，利用金属的半固态坯料进行成形加工，这 种方法称之为触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 。半固态金属的上述两种成形方法合称 为金属的半固态成形或半固态加工。 1 2 半固态金属加工技术的理论基础 1 2 1 半固态金属的流变性与触变性 1 2 1 1 流变性 所谓流变性是指流体在流动变形过程中的力学性质。对半固态坯料而言， 黏度影响合金的流动和充型能力，对铸件质量的影响很大。一般情况下，如果 不对正在凝固的金属液进行搅拌，随着温度的下降，当金属母液中的固相率达 到2 0 时，由于枝晶的相互搭接、缠绕，产生变形阻力，余属已变得如同固态， 无流动性，其表观黏度随固相率的增大而迅速增大。然而经过剧烈搅拌的半固 态金属浆料，枝晶发生了破碎和球化，其固相率为5 0 时，仍具有很好的流动 性。这是因为固相颗粒呈球状质点均匀的悬浮在金属母液中，而不呈枝晶状骨 架，以使半固态浆料具有低的黏度，其结构类似砂浆。j o l y 和m e h r a b i a n 对 s n 1 5 p b 合金的流变学性质做了深入的研究【5 1 。结果表明，表观黏度强烈地依 赖于剪切速率，随着剪切速率的上升而下降。在剪切速率一定时，半固态合金 的表观黏度随固相体积分数的增加而增加，半固态浆料的流型从牛顿体向假塑 性体、宾汉体转化。假塑性体是指无屈服应力，并具有表观黏度随剪切速率增 加而减小的流动特性的流体。宾汉体是指在应力大于屈服应力时，具有剪切速 率正比于剪切应力与屈服应力之差的流动特性的流体。 如固相率分别为4 0 和5 0 的s n 一1 5 p b 合金，其屈服极限各为o 2 m p a 和o 4 5 m p a 。但相同固相率的半固态台金，其屈服极限要小2 3 个数量级。如 固相率为4 0 的半固态s n 15 p b 合金，其屈服极限只有1 2 1 0 2 p a ，表观黏度 只有0 5 p a s ，接近于室温时中等牌号发动机机油的黏度，这说明半固态金属 的流变性能犹如宾汉体( b i n g h a mb o d y ) 的流变性。也就是说当对半固态浆料 旌加的切应力小于其屈服极限时，浆料便表现如同固体，无流动性，可以被夹 住方便的移动；当对浆料施加较大的切应力，并超过其屈服强度时，半固态浆 料会表现出较好的流动性，如牛顿体那样的流动1 5 , 6 。 1 2 1 2 触变性 半固态金属的触变性( t h i x o t r o p y ) 是指表观黏度随剪切时间的依赖关系， 反映了半固态金属浆料的依时行为，剪切作用下，合金的表观黏度随时问连续 下降，静止时表观黏度又随之恢复。半固态金属的表观黏度在一定剪切速率下， 随着时间的延长而逐步下降，具有可逆性。与其他触变性材料相似，半固态金 属浆料具有滞后回线现象，如图l 一2 所示【5 】。滞后回线面积大小表示触变性的 强弱，滞后回线面积越大，表明材料的触变性越强。半固态金属的触变性比蜂 蜜、环氧树脂+ 2 5 9 s i 0 2 小，接近于油漆。滞后回线的面积随固相率、初始 黏度、最大剪切速度和静止时间等参数的增加而增大：随最初剪切率和半固态 浆料剪切率增大至最大时所需时间的增加而减小。 2 0 0 0 芷1 5 0 0 i 1 0 5 0 0 剪切速率s 。 图1 2 一些材料的r y 滞后回线示意图 1 2 2 半固态微观组织的形成机理 半固态组织一经发现，人们便对它这种独特的球状晶粒的形成机理发生了 浓厚的兴趣。但是，球状组织的形成发生在高温区，并且由于金属的不透明性， 限制了人们的观察分析，人们只有通过分析常温下的金相组织来推断半固态组 织的形成过程，这给人们的研究造成了很大的困难。目前对半固态非枝晶组织 的形成机理还没有形成统一的认识和确定的理论，只提出了几种半固态初生晶 粒转变的假设，试图说明或解释初生晶粒在搅拌过程中的转变机制。 ( 1 ) 正常熟化引起的枝晶根部熔断机制 f l e m i n g s 等1 3 , 7 认为：由于正常的熟化作用枝晶臂会从其根部熔断，而搅拌 引起的流动改变了晶粒熟化时溶质的扩散，并将枝晶臂带往其他地方；这些熔 断的初生枝晶臂在早期的生长时会进一步枝晶化，如图1 3 ( b ) 所示；随着持 续的搅拌剪切、初生枝晶臂碎块之间的摩擦以及与液体之间摩擦和冲刷作用， 也由于初生枝晶臂碎块的熟化作用，初生枝晶臂碎块逐渐转变为玫瑰花瓣状， 如图1 3 ( c ) 所示；随着初生枝晶臂碎块熟化的进行，初生枝晶臂碎块逐渐转 变为更加密实的玫瑰花状，如图1 3 ( d ) 所示；只要在较高的搅拌剪切速率和 较低的冷却速率下，初生枝晶臂碎块最后会转变为球状或椭球状，如图1 1 3 ( e ) 所示；当增加剪切速率和固相分数及降低冷却速率时，就能够加速从图1 3 ( a ) 到图1 3 ( e ) 的进程；初生固相晶粒的大小主要与凝固时的冷却速率有关，冷 却速率越高，初生固相晶粒就越小但当剪切速率大于某一数值时，初生固相 + r ；玑，礤，o ；i弋 + r + r io + ；：-i 。” 4 p 心 t 。 、。， 图1 3 球状晶的演化过秽 ( a ) 初始转晶碎块：( b ) 丰畚品牛长：( c ) 蔷糍瓶品粒：( d ) 熟化后的蔷耨状品粒：( e ) 球状晶粒 晶粒也随剪切速率的增加而减小。 ( 2 ) 枝晶臂机械折断机制 结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，此时，晶核是以枝晶方式生长的， 随着温度的下降，虽然晶粒仍然是以枝晶方式生长，但是由于搅拌的作用，造 成晶粒之间相互磨损、剪切以及液体对晶粒剧烈的冲刷，这样，液体流动时产 生作用于固一液界面上的应力超过枝晶臂的剪切强度，或者液体作用于枝晶臂 上的弯曲应力超过其抗弯强度时，枝晶臂就从母晶上发生断裂，使凝固后的枝 晶臂发生破碎，破碎的枝晶臂可能游离成为新的晶核，从而出现晶粒的细化和 增殖。 但是由于枝晶臂处于存在温度、成分与结构起伏的条件下，并且枝晶在熔 体中是游离的，对其周围的黏性流体层引起的剪切力难以估算，因此简单条件 下的计算也不能很好地验证枝晶剪切断裂作用机制。对该机制的验证存在较大 难度。另外，在半固态金属中观察到的晶体内部并没有发现明显的断裂缺陷， 例如位错、滑移线、沟槽等，所以有的学者对此提出疑义，并认为搅拌不能使 枝晶折断，只能使枝晶臂发生弹性或者塑性弯曲1 8 1 。 ( 3 ) 枝晶臂塑性弯曲诱导晶界上的液相浸润机制 v o g e l 等 9 1 学者认为，剪切不会使初生o 【一a l 枝晶二次枝晶臂立即折断，剪 切会使二次臂发生塑性弯曲，在接近合金熔点温度下，a a l 枝晶虽然比较脆弱， 但仍然假设初生n a l 枝晶具有一定的韧性，该韧性使得0 【a i 枝晶在搅拌的紊 流之中只发生弯曲而不发生断裂；在搅拌过程中如果某个初生q a l 枝晶臂相对 于枝晶主干弯曲了0 角，这就要求该枝晶臂弯曲的部位中必须存在附加的位错， 这些位错将会因为该枝晶臂弯曲部位的回复和再结晶的发生而转变成晶界，那 么该晶界就具有口角大小的取向错误；出于晶界的能量随着晶界取向错误的增 加而增加，此外大于2 0 。的大角度晶界的能量盯。一般都比固液相的界面能大 两倍以上，如a i 的大小为0 6 j i m 2 ，而a i 的值为0 0 9 j m 2 ，那么弯曲枝 艮虬， 一 欺垃雒 、n 广_ 、广、广 n 厂_ 图1 4 枝品断裂过程示意图 ( a ) 变形的枝品；( b ) 枝晶臂弯曲：( c ) 技品臂弯i f i 产生晶界；( d ) 品界被金属液浸润 晶臂中的这种大角度晶界最终会被液体薄膜所完全浸润，最后该枝晶臂就会由 于晶界引发的熔化而从枝晶主干上脱落下来，如图1 4 所示；如果两个晶粒之 间的取向差较小，盯。值将下降，完全浸润的晶界将不会产生，只能形成晶界沟 纹。 ( 4 ) 枝晶熔断机制 h e l l a w e l l t l 0 1 认为搅拌不会折断二次枝晶臂，甚至发生二次臂的塑性弯曲都 不可能，他认为搅拌会使熔体产生十分强烈的温度起伏，枝晶臂是被熔断的， 如图1 5 所示。液相的流动( 特别是紊流) 加剧了固一液界面处的温度波动， 这就有可能使局部温度超过固相熔点，从而使枝晶臂自界面分离；另一方面， 枝晶根部处的溶质含量要比其它表面稍微高些，因此枝晶根部的熔点要低一些， 由热扰动所造成的熔断也往往发生在枝晶根部，再加上流动所引起的剪切或弯 曲的作用力，加速了枝晶臂的熔断。 1t_jo 爿冀一 冷每 厂矿v 厂孑矿 ( 5 ) 均匀场抑制枝晶生长机制j 在控制形核法制备半固态金属浆料过程中，主要是凝固中的金属处于一种 特殊的凝固条件下，即均匀温度场、均匀成分场，枝晶生长受抑制而生成球状 晶。如在液相线铸造法中，等轴晶形成的一个机理可能是，降低浇注温度有利 于等轴晶的形成，当过热度足够低时，整个熔体过冷，液体在浇注过程中发生 了均匀形核，并且形核速度快，形核数量多，导致铸锭中柱状晶区消失，而铸 锭完全由细小、等轴的晶粒组成。等轴晶形成的另一机理可能是枝晶重熔机理， 即由于对流和浇注促进液体流动，导致枝晶臂重熔和枝晶臂变形，在液体中由 一芈 成分过冷和均匀成核形成大量晶核发展为等轴晶。 早期解释半固态组织的形成原因较多为枝晶破碎、熔断机制，在等温搅拌 中，这些呈球状的颗粒视其大小，可能熔化也可能遵循o s t w a l d 熟化方式长大。 r y r o o 等分析了过共晶a 1 s i 合金半固态铸造时初生相形状的变化，认为晶粒间 的摩擦、破碎与粗化使初生相由尖角状、杆状转变为球形。国内学者也在这方 面展开了研究。毛卫民等2 】研究了电磁搅拌对半固态a i s i 7 m g 台金初生q a l 的影响规律，认为电磁搅拌不会使初生一a i 二次臂弯曲折断，初生a a l 二次 臂是受温度起伏作用而被熔断的；张景新等人【l3 j 提出了电磁搅拌作用下的晶粒 漂移和混合一抑制机制，认为混和对流引起晶粒漂移极大地增大了非均匀形核 率，从而细化晶粒，混和一抑制则改变了晶粒生长形态，使晶粒各个方向较为 均匀地长大成为规则圆滑的晶粒。 上述半固态组织形成机制的理论与实验研究表明，半固态金属材料的不同 制备方法及其工艺参数明显的影响半固态组织的形成演化过程。然而，对于半 固态组织形成的细节，还有很多没有弄清楚的地方。探讨半固态组织的球化机 理以及控制机制，将是今后半固念成形的重要研究方向。 1 2 3 金属凝固过程中半固态区的行为1 4 图1 6 为简单的二元系共晶合金相图。化学组成c o 的熔融合金随合金温度 的降低，由液相转变为固、液相共存的浆状体，随着温度的进一步降低，合金 完全转变为固相。而合金组成c ，的熔融合金随合金温度的降低，在共晶点t ， 发生共晶反应，合金由液相直接转变成固相。对熔融的纯金属而言，随金属温 度的降低，在金属熔点t 。发生凝固，金属由液相转变为固相。综合三种凝固 情况，对纯金属与共晶合金而言，在金属实际温度偏离金属熔点或合金共晶点 时，合金状态或为液态或为固态，换言之，这两种类型的金属在一个温度点发 生固液相之间的转变，这两种金属很难通过控制温度来控制其固相率，不 适于半固态成形。而对于化学组成c o 的合金在液相线温度t - 以下，固相线t s 以上( 此处指共晶温度) 的温度范围内，固相与液相共存，这种状态就叫做半 固态。简单情况下，按照杠杆定律，在该范围内的t 温度时成分为c b 的固相 t t 液相 、，卫 坠、r 趴 t 5t ” 固相 coc r 图1 - 6 简单二元合金凝固相图与半固态区 6 与成分为c 。的液相以线段长度比a ：b 的比例共存。因此，对这种合金可以控制 温度来控制其固相率，可以进行半固态成形。根据上述分析，对于不同的合金 而言，只有存在较大的半固态温度区间范围的合金才适合半固态成形。在铸造 时合金枝晶凝固的过程中，合金受到多种过程的影响，如成分扩散、热量散失 与结晶潜热释放、对流以及外场作用下的剪切搅拌作用等，半固态区会同时发 生诸多的变化过程，包括再结晶、溶质再分布、长大、枝晶流动与固相运动。 在凝固初期，枝晶结构强烈的受到对流的影响。在强烈对流与缓慢冷却的作用 下，晶粒变成了近球形。这种组织的合金不同于枝晶合金，其黏度根掘条件的 不同会发生很大的变化。当合金完全凝固或部分凝固之后，合金组织与流变特 性就被保留了下来，可以对其进行半固态成形。 1 3 半固态金属加工技术的工艺过程 由于半固态会属浆料具有流变与触变性能，因此，根据半固态金属的这种 特性可采用两条路线进行半固态成形，分别称为流变成形【l5 ，”j 和触变成形 j7 as 。如图1 7 【4 】所示为半固态加工的基本工艺方法。流变成形的工艺路线为： 经加热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或其他处理方法，在结晶 凝固过程中形成半固态浆料，对获得的半固态金属浆料进行直接轧制、挤压等 加工方式成形。触变成形的工艺路线为：将经过搅拌或其他方法获得的半固态 图1 7 、p 同态加。r 的基本上艺方法 金属浆料根据产品尺寸制成形状大小合适的坯料，经过重新加热至半固态温度， 形成半固态坯料再进行成形加工。在实际生产中主要采用后一种工艺，图1 8 为半固态流变成形和触变成形工艺流程示意图1 3 。 例1 8 半吲态流变成形利触变成形：r 艺流程示意图 1 4 半固态金属加工技术的特点 半固态金属浆料或坯料与传统过热的液态金属相比，具有一半左右的初生 固相，而与固态金属相比，又含有一半左右的液相，且固相为非枝晶态，所以， 金属半固态成型技术具有一系列的优点： ( 1 ) 在重力下，重熔加热后的半固态金属坯料的黏度很高，可以方便地机 械搬运，也便于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料地黏度 又可迅速降低，便于成型。 ( 2 ) 半固态成型时，充型平稳，无湍流和飞溅，加工温度低，凝固收缩小， 因而铸件尺寸精度高。大大减少了零件机械加工量，可以做到少货物切屑加工， 节约资源。由于凝固时间短，有利于提高生产率。 ( 3 ) 半固态金属浆料或坯料的充型温度低，减轻了模具的热冲击，提高了 模具的寿命。 ( 4 ) 半固态成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等 缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到变形材料的力学性能。 ( 5 ) 半固态金属浆料或坯料的固相分数可以在一定范围内调整，借此改变 半固态金属浆料或坯料的表面黏度，以适应不同铸件的成型要求。 ( 6 ) 加热半固态金属坯料比熔化金属炉料可节约能源2 5 3 0 。 ( 7 ) 半固态金属的黏度较高，可以方便的加入增强材料( 颗粒或纤维) ，为 复合材料的廉价生产开辟了一条新途径。 ( 8 ) 半固态金属的成型应力显著降低，因此半固态金属可以成型复杂的零 件毛坯，降低成本，而铸件性能与固态金属锻件相当。 但是，半固态金属触变成型也存在一些不足，尚存在五大工艺难题： ( 1 ) 传统的电磁搅拌功率大、效率低、能耗高，半固态金属坯料的成本高， 一般制备坯料时额外高出约4 0 的费用。 ( 2 ) 传统电磁感应重熔加热半固态坯料的能耗高，坯料表面氧化严重，而 且加热时坯料总会流失部分会属该流失金属约占坯料重量的5 1 2 。 ( 3 ) 半固态合金坯料的液相分数不能太高，成型非常复杂零件时较团难， 否则半固态坯料的搬运难以实现。 ( 4 ) 坯料的锯屑、坯料重熔加热时流失的金属、浇注系统( 占半固态坯料 重量的1 0 2 0 ) 和废品不能马上回用，必须返回到半固态金属坯料制各车间 或坯料供应者的生产厂，增加了生产成本。 ( 5 ) 半固态金属触变成型的工艺流程长，零件成本高。因此，进一步降低 生产本成为当今半固态金属成型技术应用所面临的最重要的课题。 1 5 半固态加工合金的性能特点 半固态金属加工主要是采用流变铸造的铸锭重新加热到液固两相之间的温 度，再挤压或锻造成零件。实践证明，由于半固态金属具有触变性，所以铸坯 在成型过程中具有明显的超塑性效应和充填性能，而且变形抗力也小，可在较 高速度下变性。从变形机理分析，其变形过程是一个从塑性变形到超塑性变形 的过程。表1 1 所示为铝合金在不同的加工方法与热处理状态下的力学性能。 从表中可以清晰地看出，半固态金属加工的优越性。譬如，经过触变成形的a 3 5 6 合金在t 6 热处理状态下，比经过普通砂型铸造所得的铝合金具有更优良的力 学性能，并且与锻件的性能相近。由此可见，采用半固态加工技术，经过同样 的后续热处理可以得到相对较高的力学性能，与一些传统的铸造方法相比半固 态加工具有明显的优势。 表1 1 不同加工方法所获得锅台金的力学性能比较” 合金加工方热处理状屈服应力抗拉强度伸长率硬度 法 太 m p am p a h b 铸造台金 a 3 5 6 s s m 铸造 1 1 02 2 01 46 0 ( a 1 7 s i 0 3 m g ) s s mt 413 02 5 02 07 0 s s mt 51 8 02 5 55 1 08 0 s s m t 62 4 0 3 2 0 1 2 1 0 5 s s mt 72 6 03 1 091 0 0 p mt 618 62 6 25 8 0 p m t 5 113 81 8 62 _ c d ft 62 8 03 4 09 一 a 3 5 7s s m 铸造 1 1 52 2 077 5 ( a 1 7 s i 0 6 m g ) s s mt 41 5 02 7 51 58 5 s s mt 52 0 02 8 55 - 1 09 0 s s m t 6 2 6 0 3 3 09 1 15 s s mt 72 9 03 3 07 1 1 0 p mt 62 9 63 5 951 0 0 p mt 5 11 4 5 2 0 0 4 - 锻造合金 2 0 1 7s s mt 4 2 7 63 8 68 8 8 9 ( a t 4 c u m g ) wt 42 7 54 2 72 21 0 5 2 0 2 4s s mt 62