（材料加工工程专业论文）铝、镁合金半固态浆料制备技术的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 材料的微观结构是材料科学和工程的核心内容，是材料加工和材料行为之间的关键 纽带。因此对材料在成形过程中微观结构的有效控制成为材料工作者孜孜追求的目标。 对于金属和合金材料，凝固是最重要的成形途径。建立在现代科学基础上的优质铸件凝 固技术正成为材料成形加工的发展方向，优质铸件凝固技术包括压力铸造、精密铸造、 连续铸轧、自蔓延高温合成熔铸以及半固态成形等工艺。传统铸造和挤压成形方法是利 用工艺过程来获取能够提供零件使用性能的微观结构，相对来说，供给浆料必须是非枝 晶结构的半固态金属加工工艺是由材料的微观结构来决定其工艺特征的。半固态金属成 形具有许多独特的优点，如近( 净) 终成形、产品高质量和高性能以及工艺节能等，是 2 l 世纪最有前途的金属材料加工技术之一。 本文总结了半固态金属加工工艺的发展，触变性结构的流变性能和非枝晶组织的形 成机制，介绍了半固态加工的流变成形发展方向。在铸造工程中心的电磁材料加工这一 技术研发基础上，试验研究和开发了铝、镁合金半固态浆料的制备技术。同时在国家自 然科学基金( 5 0 3 7 4 0 1 4 ) 资助下，和北京有色金属研究总院合作开发了阻尼冷却管法制 备铝合金半固态浆料的工艺。主要研究内容和结果如下： 1 、提出小尺寸供给料在近液相线等温处理后，利用旋转电磁场搅拌制取半固态浆 料进行流变成形a z 9 1 镁合金的加工工艺，设计并制作了一套试验装置。利用该装置试 验浇注了一系列固相率为3 到4 0 流变成形件。完成了铸件的金相分析，研究了铸件 拉伸性能和微观组织相互关系，并利用连续剖面的二维图像构建初生固相颗粒聚团三维 结构和形貌，讨论了在该工艺下触变性结构的形成机制等。实验结果表明：金属熔体缓 慢冷却过程中施加旋转电磁场进行搅拌后，在低固相率条件下，由于搅拌作用在熔体中 形成了均匀的温度场和溶质浓度分布，因而形成以等轴枝晶为基体的凝固组织，同时在 熔体中形成的初生相颗粒数目较少，初生相颗粒在液相基体中存活并长大，在最终凝固 组织中形成松散的颗粒聚团。随着浇注温度的降低，固相率上升导致了初生相颗粒数目 增多，强烈搅拌引起固相颗粒间的相互作用，造成相邻颗粒间的摩擦和塑性变形，因此 形成与低固相率铸件组织中不同的初生颗粒聚团结构，亦即高固相率微观组织中的颗粒 聚团结构是许多颗粒焊合在一起形成的紧密结构，在基体中链接成刚性架构。高、低固 相率铸件中这种聚团结构特征决定了两者在外力作用下不同的断裂行为和拉伸性能；另 外，固相率的增加主要是以形成新晶粒的方式来实现的。 2 、研究和分析了在液固两相区内等温处理过程中，高固相体积分数条件下a z 9 1 镁合金的组织演变过程。结果表明：在体系自由能( 界面能) 降低的驱动下，晶界处的 铝、镁合金半固态浆料制备技术的研究 共晶组织首先熔化；随着温度的上升，次枝晶臂熔断，并重新沉淀在主干上；固相颗粒 由于体表衄率差效应发生o s t w a l d 熟化过程，枝晶组织演变成球形颗粒。熟化过程中形 成晶内小液滴有两种方式：其一是由晶内富a l 的质点经过熔化、扩散、合并形成；另 一种就是在熟化过程中由于脱落的枝晶臂沉淀生长时搭桥形成。同时建立了枝晶在等温 处理过程中演变成球形晶粒的模型，根据g i b b s - t h o m s o n 效应推出球化所需时间计算公 式：f = 器d 3 + 兰警【( z ) 】3 【l i l ( 1 一厂) + 厂+ o 5 厂2 】。 3 、研发了在高速运动的金属液内应用循环冷却手段制取半固态浆料的新工艺。循 环冷却水管在和金属流体快速热交换过程中，促进金属液爆发形核并降温至两相区内， 形成高密度晶核悬浮分散在液相中的半固态浆料，实现细晶化、净终形的铸件成形。实 验过程中组合利用u 型冷却水管和旋转电磁场来满足这一工艺要求，应用a 3 5 6 铝合金 实验结果表明：向电磁场驱动的高速旋转的金属液中插入循环冷却水管，可以快速带走 金属液的热量，促进在金属液中形成高密度晶核并降温至两相区内；旋转电磁场促进了 晶核、溶质、温度在液相中的均匀分布；高密度晶核的存在为晶粒以球形方式生长和凝 固组织细化提供了必要前提。 ? 4 、应用阻尼冷却效应设计了一种半固态浆料的制备工艺，加工了一套实验装置， 并进行了a 3 5 6 铝合金的一系列实验。实验结果表明：由于阻尼冷却管的冷却和搅拌作 用，低过热度的金属液降温至两相区内，同时金属液中分布大量的游离晶核，从而形成 半固态浆料。流变成形铸件的微观结构分析表明：浇注温度越低，铸件晶粒尺寸越小， 并且球化程度越高。同时应用冷却斜槽工艺对比实验表明，在同一浇注温度下，阻尼冷 却管法制备的铸件晶粒尺寸更加细小圆整。 5 、在本文实验的基础上，分析了高密度晶核促进非枝晶组织的形成机制。引入“晶 体生长前沿形核”机制和粘性流体的边界层理论，提出“代孕机制”解释强制对流金属 液中的形核增殖现象。 关键词：半固态金属加工；半固态浆料；镁、铝合金；非枝晶组织；形成机制。 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ns e m i s o l i ds l u r r yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f m 争a n d a 1 一b a s e da l l o y a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r e sa r ea tt h ec e n t e ro fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g t h e ya r et h e s t r a t e g i cl i n kb e t w e e nm a t e r i a l sp r o c e s s i n ga n dm a t e r i a l sb e h a v i o r m i c r o s t r u c t u r ec o n t r o li s t 1 1 e r c f o 佗e s s e n t i a lf o ra n yp r o c e s s i n ga c t i v i t y t h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s i n gr o u t ef o rm e t a l s a n da l l o y si ss o l i d i f i c a t i o n s o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e so fp r e m i u mc a s t i n g s ，i n c l u d i n g d i e c a s t i n g , i n v e s t m e n tc a s t i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n g & r o l l i n g ，s e l f - p r o p a g a t i n gh i 曲 t e m p e r a t u r es y n t h e s i sa n ds e m i s o l i dp r o c e s s i n g ，e t c ，h a v eb e e nt h ed o m i n a n tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t t 1 l es p e c i f i cm i c r o s t r u c t u r e ，w h i c hm e c t st h ed e m a n do fp e r f o r m a n c e ，i s c o n v e n t i o n a l l yo b t a i n e db yc a s t i n ga n df o r g i n gp r o c e s s i nc o m p a r i s o nw i t ht h o s et w o m e t h o d s ，s s m ( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g ) i san e wp r o c e s s i n gr o u t e ，i nw h i c h t h ep r o c e s s i n g f e a t u r ed e p e n d so nt h et h i x o t r o p i cs t r u c t u r eo ft h ef e e d s t o c k , w h i c hi ss oc a l l e dn o n d e n d r i t i c m i c r o s t r u c t u r e s s mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e si n21 瓢c e n t u r yd u e t 0i t sa d v a n t a g e s ，s u c ha sn e a rn e t - s h a p ef o r m i n g ，h i g hq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fp r o d u c t s ， a n de n e r g y - s a v i n g ，t on a m eaf e w t h ed e v e l o p m e n to fs s m ，r h e o l o g i c a lb e h a v i o ro ft h et h i x o t r o p i cs t r u c t u r e sa n dt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o n d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r ea r es u m m a r i z e d ，a n dr h e o f o r m i n gr o u t e ， w h i c hi st h ed e v e l o p i n gf r o n to fs s m ，i si n t r o d u c e di nt h ep r e s e n tp a p e r r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ns e m i s o l i ds l u r r yp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e s i u m - a n da l u m i n u m - b a s e d a l l o y si sf h l f i l l e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y ，b a s e do nt h ea b u n d a n te x p e r i e n c eo f e p m ( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n gm a t e r i a l s ) i nf o u n d r ye n g i n e e r i n gc e n t e r m o r e o v e r ， d a m p e rc o o l i n gm e t h o d ( d c t ) i sd e v e l o p e dt op r o c e s s i n gs e m i s o l i ds l u r r yf o rr h e o f o r m i n g a i a l l o y s ，w h i c hi ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 3 7 4 0 14 ) a n d c o o p e r a t e dw i t hg e n e r a l r e s e a r c hi n s t i t u t ef o rn o n f e r r o u sm e t a l s n l ep r e s e n td o c t o r a l d i s s e r t a t i o ni sp e r f o r m e do nb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c hw o r k s m a i nr e s e a r c hd e t a i l sa n d r e s u l t sa r e 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) a z 9 1m a g n e s i u ma l l o yi ss e m i s o l i dp r o c e s s e du n d e re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s d e s i g n e dt oy i e l df r o m3 t o4 0 o ft h ep r i m a r yp a r t i c l e s a n dt h es e m i s o l i ds l u r r yi s p r o d u c e d b ye l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g a f t e rf e e d s t o c kw i t hs m a l ld i m e n s i o nh a sb e e n i s o t h e r m a l l yh e a tt r e a t e d a t n e a r - l i q u i d u st e m p e r a t u r e t h et h i x o t r o p i cm i c r o s t r u c t u r e s o b t a i n e da r ec h a r a c t e r i z e di nd e t a i la n dl i n k e dt ot h ec o r r e s p o n d i n gt e n s i l ep r o p e r t i e s ，a n d i i i 铝、镁合金半固态浆料制备技术的研究 s e r i a ls e c t i o n i n ge x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dt oc o n s t r u c tt h r e ed i m e n s i o n a lm o r p h o l o g i e so f c l u s t e r sc o n s i s t i n go fc o n g l u t i n a t e dp r i m a r yg r a i n s n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t i n c o m p a c ts t r u c t u r ea g g l o m e r a t i n gaf e wp r i m a r ys o l i dp a n i c l e si so b s e r v e dw i t h i ns t r u c t u r e s o fl o ws o l i df r a c t i o n ，w h i l ear e d u c t i o ni nt h ec a s t i n g s f o r m i n gt e m p e r a t u r ea n ds 0i n c r e a s i n g t h ef r a c t i o no fp r i m a r ys o l i dp h a s eb r i g h to u ti n t e r a c t i o na m o n gt h ep r i m a r yp a r t i c l e sw i t h i n v i g o r o u s l ys t i r r i n gm e l t ，a n dt h u sc a u s e ss l i d ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nb e t w e e no ra m o n gt h e n e i g h b o r i n gs o l i dp a r t i c l e s i nc o n t r a s tw i t hs t r u c t u r ew i t hl o ws o l i df r a c t i o n ，t h i ss l i d ea n d p l a s t i cd e f o r m a t i o nr e s u l t si nd i f f e r e n t l ym o r p h o l o g i c a l3 ds t r u c t u r e sw e l d e dt o g e t h e rw i t l l m u c hm o r es o l i dp a r t i c l e s ，n l ef r a c t o g r a p h i ca n a l y s i sr e v e a l st h a tf r a c t u r em e c h a n i s ma n d c o r r e s p o n d i n gm o r p h o l o g yo ft h er a p t u r es u r f a c eo ft e n s i l eb a r sd e p e n do nt h es o l i df r a c t i o n o ft h ep r i m a r yp a r t i c l e s m o r e o v e r , t h ei n c r e a s ei ns o l i df r a c t i o nm a i n l yl i e so nt h ef o r m a t i o n o fn e w p a r t i c l e s ( 2 ) m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fa z 9 1m a g n e s i u ma l l o y ，w h i c hi si s o t h e r m a l l yt r e a t e di n s o l i d l i q u i dr e g i o na tah i 【g hv o l u m ef r a c t i o no fs o l i df r o ma s - c a s tm i c r o s t r u c t u r et h e n t r a n s f o r m st os e m i s o l i ds t a t e ，i si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a te u t e c t i ep h a s ew i t h n e t w o r ks h a p ei sf i r s tt om e l t ，a n ds e c o n dd e n d r i t i ca r m sd i s a p p e a ro rm e l to f fa n dt h e n r e p r e c i p i t a t e do nt h ed e n d r i t i ct r u n k s o l i dp a r t i c l e sg ot h r o u g ho s t w a l dr i p e n i n gd u et o g i b b s t h o m s o ne f f e c tr e s u l t i n gf r o md i f f e r e n c eo fc u r v a t u r e s ，a n dt r a n s f o r mi n t og l o b u l a r p a r t i c l e s ，a n dc o a l e s c et o g e t h e rw i t ht h et i m e m o r e o v e r , t h ee n t r a p p e dl i q u i dd r o p sf o r m i n t r a g r a i nb yt w om e c h a n i s m so w i n gt od e c r e a s i n gi n t e r f a c i a le n e r g y ：o n ei st h a ti n c l u s i o n s c o n t a i n i n gr i c hs o l u t ea ia n dz nm e l t ，d i f f u s ea n dt h e nc o a l e s c et o g e t h e ri n t ol a r g e rl i q u i d d r o p sd u r i n gh e a rt r e a tp r o c e s s ；a n dt h eo t h e ri st h a ts e c o n dd e n d r i t ea r m s ，w h i c hm e l to f fa n d r e - p r e c i p i t a t eo nt h et r u n k , e n c l o s et of o r ml i q u i dd r o p sb yb r i d g e - g r o w t h i na d d i t i o n ，a m o d e li sb u i l ta n da p p l i e dt oc a l c u l a t et h es p h e r o i d i z i n gt i m eo fd e n d r i t i cg r a i nd u r i n g i s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t a n do fw h i c h c a l c u l a t i n g f o r m u l ai s p r o p o s e d a s f ：k a s l m l c ld 3 + h c t ( 1 - k ) m l d s 9 & r d l t r d l t 【西( z ) 】3 i n ( 1 一) + 厂+ 0 5 f 2 】 ( 3 ) an o v e la p p r o a c h i s d e s i g n e d t oo b t a i nt h i x o t r o p i cs t r u c t u r eo fe q u i a x e do r n o n - d e n d r t i c g r a i n s f o r f i n e - g r a i n a n dn e t s h a p e f o r m i n gm e t h o d ，a n dd e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l yu s i n ga 3 5 6a l u m i n u ma l l o y t h ec i r c u m s t a n c ci nb u l kl i q u i dm e t a l ，w h i c h w o u l db u r s ti n t oc o p i o u sn u c l e a t i o n a n da tt h es a m et i m ec r e a t eh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ea n ds o l u t e i sc o n s t r u c t e db yc o m b i n e du t i l i z a t i o no fr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d sa n d ac o o l i n gt u b e b o t hm i c r o s t r u c t u r e ss o l i d i f i e di nm e t a lm o l da n ds a n dm o l de x h i b i t n o n d e n d r i t i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s e so ft h er h e o c a s t i n ga 3 5 6m i c r o s t r u c t u r ei n d i c a t et h a t h i g hd e n s i t yo fn u c l e io c c u r sb yi n s e r t i n gac o o l i n gt u b ei n t or o t a t i n gs l u r r ya tl i q u i d u s t e m p e r a t u r e i nt h ec a s eo fs l o wc o o l i n gr a t e ，m u s h ys l u r r yo b t a i n e dw i t hh i g hn u c l e id e n s i t y i v 大连理工大学博士学位论文 k e e p sn o n d e n d r i t i cm o r p h o l o g yo fp r i m a r yp a r t i c l e sw i t hh o l d i n gt i m e ，a c c o m p a n y i n gw i t h g r a i np a r t i c l e s c o a r s e n i n ga n ds p h e r o i d i z i n g ( 4 ) d a m p e rc o o l i n gt u b em e t h o d ( d c t ) p r o c e s s i n gs e m i s o l i ds l u r r yi sd e s i g n e d ，a n d d e m o n s t r a t e dw i t ha 3 5 6a l u m i n u ma l l o yi nt h ec a s eo fd i f f e r e n tp o u r i n gt e m p e r a t u r e s i ti s s h o w nt h a tt h e mi sad i r e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dt h eg r a i ns i z e a n ds h a p ef a c t o ra f t e rc o m p a r i n ga n dc h a r a c t e r i z i n gt h ec a s t i n g sm i c r o s t r u c t u r e ：t h el o w e rt h e p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，t h es m a l l e rt h eg r a i ns i z ea n ds h a p ef a c t o r ，d u et om o r es t r a yn u c l e u s p r o d u c e d t h er e a s o nf o rt h i si st h a tt h ea l l o ym e l ti ss t i r r e da n dc o o l e db yd c t i na d d i t i o n ， i nc o m p a r i s o nw i t hc o o l i n gs l o p ep r o c e s s ，t h eg r a i n so fc a s t i n g sp r o d u c e db yd c te x h i b i t f i n e ra n dm o r er o u n d ( 5 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o n d e n d r i t i cs t r u c t u r er e s u l t i n gf r o mh i g hd e n s i t yo f n u c l e ii sa n a l y z e di nf o u n d a t i o no nt h ea f o r e m e n t i o n e di n v e s t i g a t i o n t h et h e o r yo fc r y s t a l g r o w t hf r o n tn u c l e a t i o ni si n t r o d u c e dw i t ht h ee f f e c to fb o u n d a r yl a y e rr e s u l t i n gf r o mv i s c o u s f l u i d ，a n d “s u r r o g a c y - m e c h a n i s m i sp r o p o s e dt oe x p l a i nt h ec o p i o u sn u c l e a t i o no fl i q u i d a l l o yw i t hc o e r c e dc o n v e c t i o n k e yw o r d s ：s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g ；s e m i s o l i ds l u r r y ；a l u m i n u m - a n dm a g n e s i u m b a s e da l l o y ；n o n - d e n d r i t i cs t r u c t u r e ；f o r m a t i o nm e c h a n i s m 一v 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：i 查 生：兰 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 本文研究目的和意义 材料的微观结构是材料科学和工程的核心内容，是材料加工和材料行为之间的关键 纽带。因此对材料在成形过程中微观结构的有效控制成为材料工作者孜孜追求的目标【l 】。 对于大多数材料来说，尤其是金属材料，凝固是最重要的成形途径。在过去数十年中， 凝固过程中微观结构形成这一领域的基础科学理论和实践均取得了重大进展【卜3 1 。同时 建立在现代科学基础上的优质铸件凝固技术正成为材料成形加工的发展方向，优质铸件 凝固技术包括压力铸造、精密铸造、连续铸轧、自蔓延高温合成熔铸以及半固态成形等 工艺。 材料微观组织特征形貌的形成依赖于生长前沿液固相界面的形状和条件，以及在固 态冷却时的相变过程。在熔体中固相生长前沿是一个自由边界层问题，因此液固界面形 状在凝固过程中的演化十分复杂【2 3 】。科研工作者们对于在凝固过程中外在因素，诸如微 重力场、电磁场、超声场等对于微观组织的影响进行了广泛深入的研究。其中由外场引 起的强制对流对凝固组织的影响成为材料科学的基础研究领域之一【3 - 5 】，而强制对流在 金属熔体凝固过程中对微观组织及其流变性能的影响同时促进了一门新兴加工技术的 发展半固态金属加工工艺( s s m s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s i n g ) m ，7 1 。 由于半固态金属成形具有许多独特的优点，如近( 净) 终成形、产品高质量和高性 能、工艺节能等，被誉为2 1 世纪最具前途的金属材料加工技术之一【纠1 1 。因此一经提出， 就在理论和应用上引起了材料工作者的高度关注以及商业集团的广泛兴趣。从1 9 9 0 年 第一届国际半固态加工专题学术会议在法国的s o p h i a a n t i p o l i s 召开以来，先后在欧美、 日本举办了8 届，2 0 0 6 年在韩国的釜山召开了第九届国际会议【1 2 - 2 0 。正是在这些工业发 达国家，半固态加工金属部件在汽车、通信、电器、航空航天、运动以及医疗器械等领 域应用越来越广泛，其中主要是半固态加工生产铝合金、镁合金以及铜合金的成形零件， 而且垄断了现有的半固态加工生产发明专利。我国正在成为制造业大国，同时是原镁生 产大国，然而高附加值的工业产品生产技术专利依旧匮乏，通过自主创新是实现制造业 强国的必然之路。半固态加工镁、铝合金产品的研发、创新成为必要。因此开发和研究 具有自主知识产权的半固态加工工艺意义重大，同时凝固过程中材料微观组织的形成机 制也是材料工作者的基础研究方向，对指导和提出更合理的金属半固态加工工艺更具有 实际意义。 铝、镁合金半固态浆料制备技术的研究 材料电磁加工技术已成为材料科学和工程领域内重要的研究方向，并成为新材料、 新工艺的开发源泉【2 l d 2 1 。本文应用电磁搅拌技术试验研究和开发了铝、镁合金的半固 态成形工艺。同时在国家自然科学基金( 5 0 3 7 4 0 1 4 ) 资助下，和北京有色金属研究总院 合作开发了阻尼冷却管法制备铝镁合金半固态浆料的工艺【3 3 】。实验研究了旋转电磁场对 合金熔体在控温过程中微观组织形成的影响，分析了阻尼冷却效应引起流动熔体中微观 组织变化等，在此基础上探讨了半固态浆料的形成机制，从而为开发简洁、有效的铝、 镁合金的流变成形工艺提供理论依据和实验基础。 1 2 半固态金属加工的研究和发展现状 传统铸造和挤压成形方法是利用工艺过程来获取能够提供零件使用性能的微观结 构，而半固态金属加工用的供给料微观结构必须是非枝晶组织，因此可以说是由材料的 微观结构来决定半固态加工工艺特征。和许多人类的科技创新一样，这种新兴的金属材 料加工技术是材料工作者们通过对实验中偶然现象的观察和研究，在探求其本质过程中 开发出来的。 半固态金属加工工艺的研究开始于二十世纪七十年代初，麻省理工学院的s p e n c e r d b 博士在f l e m i n g smc 教授的指导下研究合金的热撕裂试验中，利用c o u e r e 粘度计 测评s n 1 5 w t p b 部分凝固合金的粘度来模拟钢铸件热撕裂性能【3 4 】。在试验过程中， s p e n c e r 博士发现在对部分凝固合金连续施加剪切作用时，合金具有机械油一样的流动 性，并表现出触变性的流变行为，如图1 1 所示。这一现象有悖于传统的铸造工艺中合 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区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，如图1 2 所示。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晶组织 的半固态浆料。 迄今为止，对各种合金的半固态加工研究进行了三十多年，研究的金属材料随着时 代的选择而变化。在开始阶段，主要是集中在钢铁等高温合金上，其目的是在军事工业 中完善钢的压铸技术，半固态加工可以大大降低成形温度1 6 , 7 1 。由于钢铁合金熔液控制手 段复杂，设备昂贵，难以用于商业性生产，因此半固态加工技术的发展停滞不前。随着 二十世纪七十年代末的石油危机和八十年代开始日趋严重的环境问题，要求汽车制造商 采用高性能的轻金属材料加工零件以减轻汽车重量，从而减少能源消耗和环境污染。高 比强、良好的铸造和加工性能以及低熔点的铝镁轻合金受到人们的青睐【3 5 4 1 1 。因此，从 大连理工大学博士学位论文 上个世纪九十年代开始，铝合金的半固态加工成为主要研发内容，随着镁合金的开发和 利用，近年来镁合金的半固态加工成为研发热点。受限于加工成本和工艺控制流程，半 固态加工技术的生产应用还处于初始阶段，到2 0 0 0 年，触变压铸成形的铝合金零件仅 占到北美、欧洲和日本铝合金件产量2 5 0 万吨的1 【4 2 】。 ( a ) - 口2 n h a 峨 i埘 蝴i c 纠毒a 1 d ( a ) a p p a r e n tf i e l ds t r e s sa n dt o r q u ev sf r a c t i o ns o l i d , f s ，s a m p l e sc o o l e dt oab e f o r es h e a r i n g c o o l i n gr a t e - 2 0 。cp e rh r r o t a t i o ns p e e do 1 6r p m ；( b ) a p p a r e n tv i s c o s i t yv sf r a c t i o ns o l i d s a m p l es h e a r e d c o n t i n u o u s l yd u r i n gc o o l i n gf i o ma b o v el i q u i d u s c o o l i n gr a t e - 2 0 。cp e rh r r o t a t i o ns p e e d5 0 0r p m 图1 1 热撕裂实验中s n 1 5 p b 的c o u t t e 粘度计测量结果9 ，3 4 】 f i g 1 。1e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs n 15 p ba l l o yh o tt e a r i n gt e s tu s i n gc o u e t t ev x s c o m e t e r t 9 3 4 】 ( a ) s a m p l ec o o l e dt oo 3 6f r a c t i o ns o l i db e f o r es h e a r i n g p h o t o m i c r o g r a p hs h o w sd e n d r i t eb e n d i n ga n d f r a c t u r e t o t a ls t r a i nw a st w i c et h es t r a i na ta p p a r e n ty i e l d ；( b ) d i s t r i b u t i o no fs o l i da sas u s p e n s i o no f s m a l lr o u n d e dg r a i n s s a m p l es h e a r e dc o n t i n u o u s l yd u r i n gc o o l i n gt o0 6 0f r a c t i o ns o l i da n d w a t e r - q u e n c h e d c o o l i n gr a t e - 2 0 。cp e rh r r o t a t i o ns p e e d5 0 0r p m 图1 2 不同转动条件下c o u e t t e 流变计中s n 1 5 p b 合金的微观组织 3 4 j f i g 1 2m i c r o s t r u c t u r e so fs n l5 p ba l l o yi nc o u e t t ev i s c o m e t e ru n d e rd i f f e r e n tr o t a t i n gc o n d i t i o n sl ”j 一3 嘶 审 群 甜 啪 。 置讲青，p矗盎_#匕鑫管 铝、镁合金半固态浆料制备技术的研究 随着材料分析技术和模拟手段越来越先进，金属半固态加工理论和技术的研究日趋 完善。工业发达国家如美国、意大利、瑞士、法国、英国以及日本等国已经进行了铝合 金、镁合金、黄铜等商业性生产。美国和日本首先针对铝、镁、铅、铜等合金进行了研 究，其重点是在成形工艺的开发上，目前铝、镁合金的半固态加工生产主要集中在交通 运输、航空航天以及电子产品等领域。近年来半固态加工商业性生产技术的成熟促进了 高熔点合金的应用。a l u m a x ( a l u m a xe n g i n e e r e dm e t a lp r o