材料先进成形方法2ppt课件

1、材料成型新技术 半固态金属成形技术简介半固态金属加工技术的出现和概念半固态成形是一种新兴的金属成形技术，它与固态成形、液态成形同属金属成形领域。在合金状态图上，半固态成形是指合金处于液相线温度和固相线温度之间时对金属浆料进行的加工成形，利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡即固液共存时的特性，填补了液相线和固相线之间没有加工成形方法的空白。半固态成形在各种传统成形方法中按成形温度的排序如图 所示。 半固态金属加工技术的出现和概念 半固态加工的起源 20世纪70年代初的美国麻省理工学院 David Spencer Merton Fleming半固态金属加工技术的出现和概念 半固态加工技术(Sem

2、i-Solid Metal forming)，简称SSM，就是金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固一液态温度区间，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，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。半固态金属加工技术的出现和概念 半固态成形技术与传统加工成形技术的区别 合金在半固态状态下呈现出类似液体可以流动的、带有粘性的特性，即流变性。半固态金属加工技术的出现和概念经研究，之所以出现上述情况，是因为基体

3、中存在奇特的球状微粒结构，这种结构不会形成交错的树枝状结晶组织，而是球状微粒悬浮在液态的金属母液中。球化了的固体质点对金属浆液的粘度影响很大，这种组织比树枝状质点浆液的粘度要低得多。对于有球状微粒结构的半固态合金组织，由于固体质点始终保持被金属母液(即液态基体)分隔的状态，因此，即使当固相体积分数高达60%时，这些质点也不会形成互相连结的网状结晶组织，这就是半固态合金粘度降低并具有流动性的原因。半固态金属加工技术的出现和概念枝晶 半固态半固态组织的形成机理 (a) 凝固初期 （b网状枝节常规铸造方法凝固示意图 半固态组织的形成机理枝晶断裂机制 在合金的凝固过程中，当结晶开始时晶核是以枝晶方式生

4、长的。在较低温度下结晶时，经搅拌的作用，晶粒之间将产生相互碰撞，由于剪切作用致使枝晶臂被打断，这些被打断的枝晶臂将促进形核，形成许多细小的晶粒。随着温度的降低，这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构 。(a)未变形枝晶 (b)枝晶弯曲 (c)晶界形成 (d) 晶界被润湿半固态组织的形成机理 (b) 枝晶熔断机制 在剧烈的搅拌下，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂容易被热流熔断，这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些，因此枝晶臂根部的熔点要低一些，所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。枝晶碎片在对流作用下，被带入熔体内部，作

5、为新的长大核心而保存下来，晶粒逐渐转变为近球形。半固态组织的形成机理 (c) 晶粒漂移、混合抑制机制 在搅拌的作用下，熔体内将产生强烈的混合对流，凝固过程是就在激烈运动的条件下进行，因而是一种动态的凝固过程。结晶过程是晶体的形核与长大的过程，强烈的对流使熔体温度均匀，在较短的时间内大部分熔体温度都降到凝固温度，再由于成分过冷，熔体中存有大量的有效形核质点，在适宜条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核，而混合对流引起的晶粒漂移又极大的增大了形核率。然而在长大过程中，强烈的混合对流则极大的改善了熔体中的传热和传质过程，对晶体的生长起到了强烈的抑制作用。 由于混合对流作用，使得熔体的温度和成分相对均

6、匀。所谓的混合抑制机制正是指这种环境不利于择优生长，或者说这种生长方式受到了强烈地抑制，而只能选择各个方向长大，于是获得了球状的非枝晶组织。半固态组织的形成机理(d) 枝晶弯曲机制： Vogel和Doherty 等人认为枝晶臂在流动应力作用下会发生弯曲，并且位错的产生将导致塑性变形的产生。在固相线以上温度时，位错间发生攀移并且互相结合形成晶界，当相邻晶粒的取相差超过20，晶粒晶界能超过固-液界面能的两倍，液体就将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，从而使枝晶臂与主干分离，其机制如图所示。(a)初始枝晶碎片 (b)枝晶生长 (c)蔷薇形晶粒 (d)长大了的蔷薇形晶粒 (e) 球形晶粒半固态金属加工技术的

7、优点半固态金属加工技术的优点半固态浆料制备技术 实现半固态加工的前提是半固态浆料的制备。半固态浆料制备的目标就是提供含有细小均布的非枝晶(或球晶)初生相组织浆料。综合可分为以下几种制备技术。半固态浆料制备技术 搅拌制备技术 1)机械搅拌法 机械搅拌法起源于MIT，是最早发展起来的半固态加工方法。它基本上分为两种类型:一种是类似粘度测量的双筒旋转法，其在制备半固态浆料同时可测量一些与浆料流变特性相关的参数;另一种是在熔融金属中插入搅拌棒进行搅动。机械搅拌法的特点是设各简单，容易获得较高剪切速率;搅拌是在金属表面下进行的，卷气量小;冷却速度快，可获得细小组织，所获固相组织为近似玫瑰花状和球状。半固

8、态浆料制备技术半固态浆料制备技术 机械搅拌法的特点 可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球形微观结构。 装置比较笨重、操作困难、生产率低、固相率只能限制在30%-60%的范围内。半固态浆料制备技术 (2)电磁搅拌法 电磁搅拌是借助电磁力强化铸坯内未凝固金属熔液的运动，从而改变凝固过程的流动、传热和传质，达到细化晶粒、改善铸坯质量的目的。半固态浆料制备技术非搅拌制备技术SIMA (Strain Induced Melt Activation)技术SIMA技术最早由Young等人发明，即把常规铸锭经过20%左右的预形变，然后加热到半固态，在加热过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒弥

9、散分布在液相基体中，进而得到半固态成形所需原材料。半固态浆料制备技术 2)液相线铸造 液相线铸造是最近发展起来的一种半固态浆料制备替代技术。在液相线铸造中，将合金熔体控制在液相线温度并直接浇铸到模具中，所得微观组织通常是细小的非枝晶组织。一旦将其再加热，液相线铸造组织会迅速球化并形成适合后续成形的组织。半固态浆料制备技术 3)喷射铸造法 喷射铸造(Osprey)是另外一种非搅拌坯料制备技术。先用高压气体将液态金属流雾化成微米级液滴，其中一些大微滴在雾化过程仍然保持液态，而一些小微滴在雾化过程中发生快速凝固。在移动基底上收集这些微滴的过程中，具有高液相分数的液态和半固态微滴与具有高固相分数的固态

10、和半固态微滴相互冲击，经历重熔和再凝固，可获得具有球状组织的半固态浆料。半固态浆料制备技术 4)粉末压制法 由英国Surrey大学T. W. Clyne等人发明的基于粉末的粉末压制法 (Consolidation of Mixed Powders as Synthetic Slurry)是将两种具有不同熔点的粉末混合并冲压成一定形状，然后快速加热至低熔点合金熔点以上，低熔点粉末熔化而高熔点粉末仍然以颗粒状保留在液相基体中，由此得到半固态组织。半固态浆料制备技术 5)超声波处理法 对正在凝固的熔体施加高能量的超声波振动(或超声波处理)以达到铸件组织细化的技术可追溯到70年代中期。在过去几年中，研

11、究者又对这项技术应用于半固态浆料制备产生了兴趣。实验发现，当冷却熔体的温度恰好处于液相线以上一定温度时应用超声波处理可产生非常细小的非枝晶组织，并适合于随后的再加热和半固态加工。半固态浆料制备技术 6)化学晶粒细化法 现在化学晶粒细化在铝合金连续铸造中是一种很普遍的方法。目前，这项技术也被考虑用于半固态浆料生产。它通过提高非均质形核率和抑制枝晶生长，可获得细小等轴晶组织。在适当的晶粒细化步骤下，这样的组织可用于随后的再加热和半固态成形。半固态成形技术 半固态零件成形技术通常可分为两类:流变加工技术和触变加工技术。 熔炼、合金配制制 浆半固态坯料制备下 料二 次 加 热触变成形流变铸造零件毛坯半

12、固态成形技术 流变加工技术主要是在合金凝固过程中施加剪切制备半固态浆料并将所获浆料直接转移到模具中成形零件； 触变加工技术则分为两步:首先制备具有触变特性的坯料，再通过二次加热将坯料加热至半固态温度进行零件成形。半固态成形技术流变铸造 流变铸造也被称为搅动铸造，但至今它还没有得到广泛商业化应用。其中一个重要原因可能是由于浆料的质量问题。原始的机械搅拌所获组织为直径为几百微米或接近毫米级的玫瑰花状晶粒，使得浆料触变特性较差，无法较好地进行铸造或锻造成形;而电磁搅拌所获组织为退化的等轴枝晶，需将其在半固态温度下保温足够长时间，否则不适合直接成形零件。另外可能的原因是由于该过程不易控制和技术最初方案

13、本身所存在的低生产率问题。但是，半固态浆料直接成形零件具有非常大的优势，如节约能源，生产环节少，使它很具有吸引力最近，工业公司就发展了一种新流变铸造(NRC)方法。利用与前面所述液相线铸造相似的方法通过控制冷却来形成半固态浆料。至今，NRC法己用于铝合金，锻造铝合金和镁合金生产。它所允许采用的合金范围很宽，特别是对镁合金而言，比触变成形和挤压具有很大成本优势。半固态成形技术 触变成形 二次加热 半固态锭坯在触变成形之前，必须先进行二次加热，即把锭坯加热到液固两相区，使组织局部重熔。其目的一方面是为了获得触变工艺所需要的含有一定固相体积分数的半固态锭坯，另一方面是为了使处于液固两相区间的半固态坯

14、料中的非枝晶组织逐渐长大，并转化为球状结构，为触变成形创造有利条件 。半固态成形技术 触变成形工艺是将已制备好的半固态金属浆料快速冷却，凝固成锭坯后，根据产品所需尺寸下料，经二次加热重新加热到固液两相区温度区域进行非枝晶处理，利用它的触变性能进行成形的技术。按成形的方式可以分为： (a)半固态模锻 (b)半固态挤压(c)半固态压铸(d)半固态轧制半固态成形技术半固态压铸半固态压铸是以流变性半固态金属或触变性半固态金属加入压室进行压铸，是本世纪近20年来压铸发展的重要标志之一。其工艺流程有两种，一种是流变压铸，另一种是触变压铸。铝合金触变铸造是将常温下已制好的半固态浆料重新加热到固液两相区，获得

15、约 50%甚至更高固相组分的浆料，然后将半固态浆料送入模腔，在很小的压力作用下，它就会象液体一样在模腔内流动，能够将形状十分复杂的模腔充满。与普通的压力铸造相比，它是以层流方式进行的，可以避免普通压力铸造因紊流造成的气体卷入。半固态成形技术 目前，就按现有的半固态压铸技术来说，与常规压铸和挤压铸造相比，有三个主要的区别。(1 )具有较高的粘度，不但可以生产出高致密、高强度、可热处理和可焊接的零件，而且还能压铸出比挤压铸造件更薄的零件。(2 )铸件凝固时，散发的凝固热比液态压铸小得多，说明热焓较低，从而提高生产率，并延长模具寿命。(3 )凝固收缩量较小，补缩问题并不重要，即使铸件厚薄不均匀，也能

16、获得具有致密、均匀和精细的内部组织，从而在相应的冷却速率条件下，保证获得优良的力学性能。半固态成形技术 (b) 半固态挤压 半固态挤压是用加热炉将坯料加热到半固态，然后放入挤压模腔，施加压力，通过凹模模口挤出所需形状和性能的制品。在挤压中由于液相的存在，合金形变抗力大大降低，减小了挤压抗力，又因其工作温度处于固液两相区，与全液态成形工艺相比降低了所需温度，在适宜的工艺条件下可获得机械性能和内部组织良好的挤压产品，因而备受瞩目。半固态挤压研究得最多的是铝合金和铜合金的棒、线、管、型材的加工。由于加工制品的性能好，容易操作，应用前景广阔。是难加工材料、颗粒强化复合材料、纤维强化复合材料加工不可缺少

17、的加工技术。半固态成形技术 (c) 半固态轧制 处于半固态状态的具有球形晶的金属材料，仅有保持其固体形状不被破坏的强度，变形抗力很低，这种性质对轧制成形有利，现在开发的半固态轧制工艺是在轧机的入口处设置加热装置，将被轧制材料加热到所要求的半固态后，送入轧辊间轧制的方法，主要是用于板材的轧制成形。半固态成形技术 半固态模锻即是指将半固态金属浆料模锻成形的新方法，就是将坯料加热到有50左右体积液相的半固态状态的材料，然后在具有略高预热温度的模具型腔内进行半固态成形，获得所需的接近成品尺寸零件经济的工艺。喷射成形喷射成形发展背景 快速凝固技术(RSP) 快速凝固一粉末冶金技术(RS-PM)喷射成形概

18、念 喷射成形 (Spray forming)，也称为喷射沉积Spray deposition）、雾化铸造 (Spray casting)、奥斯普瑞工艺(Osprey process)和液体动压紧实Liquid dynamics compaction） ，是二十世纪七十年代初工业发达国家在传统快速凝固/粉末冶金(RS/PM)工艺基础上发展起来的一项材料先进制备新技术。喷射成形原理 喷射沉积的原理: 在惰性气体的保护下，熔融金属被破碎形成细小金属熔滴，熔体的破碎方式可以是高压气体雾化也可以是机械破碎，如离心雾化。雾化熔滴在飞行过程中通过对流等热传递方式与周围介质发生热交换而迅速冷却。在熔滴完全凝固

19、之前，熔滴与收集器(基体)碰撞后沉积固结形成沉积坯。沉积坯可以从基体上剥离进行后续的冷/热加工处理获得所需的喷射沉积产品。其中气体雾化的喷射沉积原理如图1-1所示。喷射成形原理喷射成形原理 在熔滴与基体的碰撞过程中，通过采用不同形状的基底，控制熔滴喷射流与基体间的相对运动方式可以获得诸如管、棒、板、带等多种形状的沉积坯，如图1-2所示。喷射成形原理喷射沉积工艺发展 喷射沉积的概念和原理最早是由英国Swansea大学A.Singer教授1968年提出，1970年首次公开报道的。喷射沉积技术原理与其它工艺技术相结合，演变出了多种喷射沉积工艺方式，如喷射轧制、喷射锻造、离心喷射沉积和喷射共沉积等。这

20、些工艺的装置和特点分别如下:喷射沉积工艺发展 (1)喷射轧制 喷射轧制技术是1970年Singer教授提出的，该技术综合了喷射沉积技术、单辊快速凝固技术和轧制技术，其工艺原理如图1-3所示。喷射沉积工艺发展 (2)喷射锻造 1974年R.Brooks等人成功地将Singer等人提出的喷射沉积原理应用到锻造毛坯的生产，发展了世界著名的Osprey工艺，开发了适合于喷射沉积的一系列合金，并获得了两项专利，喷射沉积工艺发展喷射沉积工艺发展 喷射共沉积 是将喷射沉积原理与复合材料制备技术相结合的一种新型喷射沉积工艺，最早是由Singer教授开始进行的研究。该工艺是指在喷射沉积过程中，把具有一定动量的颗

21、粒增强相强制喷到雾化流中，熔融金属和颗粒增强相共同沉积在冷基底上，形成颗粒增强金属基复合材料。喷射沉积工艺发展在喷射共沉积过程中，增强相的加人方式主要有三种(如图1-6)：一种是颗粒直接从雾化气体管道中加入，一种是直接把增强相引人到熔体流出口处，另一种则直接将增强相强制喷人金属熔滴雾化锥内。喷射沉积工艺发展 80年代中后期喷射沉积技术已从纯实验研究走向商业化和应用，在美国、日本和欧洲已有三十多家企业和研究机构从事商业生产和开发研究。其中包括瑞典的Sandvik公司，英国的Cospray公司(Alcan分支机构)、Osprey公司、Rolls-Royce公司，德国的Mannesman Demag和Peak公司，法国的Rechiney公司及日本的住友重工，美国的Howmet公司、GE(通用电气)公司和荷兰、瑞士、芬兰的一些公司，以及美国麻省理工学院(MIT)、Drexel大学、美国海军，英国Swanse大学，Sheffield大学等研究机构。研究和生产产品的合金品种有不锈钢、高速钢、工具钢、高温合金、高强铝合金、铜合金、镁合金、金属间化合物及金属基