谢水生教授的半固态成形技术概述课件

1、 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。 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。 获得高质量、高強度、高精度金属零件毛坯 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

2、程中， 然后直接進行流变铸造或制备半固态坯锭 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 制备复合材料 提纯材料等 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 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(T

3、hixoforming) 浆料的 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 械 搅 拌 法 （a）垂直式 (b)水平式 不同的电磁搅拌方式示意图 (Rheoforming) 几种流变成形的方法(Rheoforming) 几种流变成形的方法(Rheoforming) 几种流变成形的方法(Rheoforming) 几种流变成形的方法(Rheoforming) 流变铸造(Rheocasting) 局部重熔（二次加热）(Reheating) 触变成形(Thixoforming) 电阻加热 感应加热 二次加热装置温控原理图 EFU公司的半固态金属坯锭的加热设备

4、 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 Al A357 普通铸造的组织 半固态加工的组织 50 m50 m 3D Characterisation of Particles - LS 2618 2D Sections 3D shapes 610 C 2 min 60 min 20 min a）铜合金Cu-10Sn-2Zn b) 不锈钢A1S1304 c) 钴基高温合金HS31 应力 应变 Increasingly

5、dendritic Increasing particle size Decreasing temperature Increasing strain rate 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 半固态钛合金 触变成形阀体 时金属流动前 沿位置和流线 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 通过压缩实验获得粘塑性本构关系 实验GLEEBLE 1500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 合 金

6、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) SSM SSM SSM SSM SSM PM PM CDF SSM SSM SSM SSM SSM PM PM 铸 造 T4 T5 T6 T7 T6 T51 T6 铸 造 T4 T5 T6 T7 T6 T51 110 130 180 240 260 186 138 280 115 150 200 260 290 296 145 220 250 255 320 310

7、 262 186 340 220 275 285 330 330 359 200 14 20 5-10 12 9 5 2 9 7 15 5-10 9 7 5 4 60 70 80 105 100 80 - - 75 85 90 115 110 100 - 锻 造 合 金 2017 (Al4CuMg) 2024 (Al4Cu1Mg) 2219 (Al6Cu) 6061 (Al1MgSi) 7075 (Al6ZnMgCu) SSM W SSM CDF W W SSM W SSM W SSM CDF W T4 T4 T6 T6 T6 T4 T8 T6 T6 T6 T6 T6 T6 276 275 2

8、77 230 393 324 310 260 290 275 361 420 505 386 427 366 420 476 469 352 400 330 310 405 560 570 8.8 22 9.2 8 10 19 5 8 8.2 12 6.6 6 11 89 105 - - - 120 89 - 104 95 - - 150 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 450C） 触变成形（模温 500C） 压力铸造 207 214 252 252 165 152 172 200 4 7 185 9 202

9、4 铝合金 触变成形 压力铸造 锻造 464 483 485 347 362 400 112 134 10 合金及状态屈服应力（MPa）抗拉强度（MPa）延伸率（%） AZ91D SSM 铸造合金（铸态） AZ91D SSM 铸造合金（T4 热处理） 120.85.1 87 231.413.4 239 6.20.9 11 AZ91D 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) 1542 95 85 130 70 100 25312 165 275 2

10、75 175 175 70.8 2 12 5 1.8 0.8 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 131 155 155 152 324 305 281 310 30 23 7 25 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 276 274 660 516 596 483 19 30 30 57 不锈钢440C 流变铸造状 流变铸造+均匀化 锻件 1030 1650 1860 压

11、缩实验 压缩实验 M2 工具钢（回火） 触变铸造 锻件（轴向） （横向） 2370 2440 1230 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 531 524 2050 2400 924 1550 700 662 745 弯曲实验 弯曲实验 8 28 6 3 7 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 168 139 126 121 212 183 486 454 170 162 388 367 7.4 1.4 9.5 1.9 8.8 1.2 AlS

12、i7Mg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 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 Motor Bracket (Mercury

13、 Marine, Inc., Fond du Lac, WI Left Photo: Profiles SSF produced master cylinder, Right Photo shows completed fuel rails manufactured by AEMP A-Mold Corporation, a subsidiary of UBE Industries, Ube City, Japan Ann Arbor, MI-based Thixomat Light weight notebook computer Digital video camera Various s

14、mall metal components produced by Formcast, Inc. Variety of metal components produced by THT presses A view of THT s manufacturing area UBE Machinery, Inc., Ann Arbor, MI Isuzu truck transbeam Porsche Boxter engine block 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2.0